Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
LỜI NÓI ĐẦU
Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện
giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới và đây là một dịch vụ mang lại
giá trị gia tăng cao dựa trên công nghệ viễn thông, thông tin và kĩ thuật điện tử.
Đối với ngành vận tải, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các
phương tiện giao thông sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức
quản lý tập trung hiện đại. Bài đồ án này em đề cập đến việc xây dựng hệ thống
quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết kế thiết bị thu thập
dữ liệu GPS cho các phương tiện.
Bài đồ án của em bao gồm các phần sau:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
1.1. Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.2. Tổng quan về hệ thống GSM/GPRS
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.1. Cấu trúc chung hệ thống định vị GPS
2.2. Nguyên lý hệ thống
2.3. Thiết kế hệ thiết bị định vị GPS
2.3.1. Giới thiệu Module SIM548
2.3.2. Cấu trúc Module SIM 548
2.3.3. Tập lệnh giao tiếp
2.3.4. Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR
2.3.5. Vi điều khiển AT mega 128
2.3. Thiết kế mạch nguyên lý
2.4. Lập trình VĐK AT mega 128
2.4.1. Phần mềm CodeVision AVR ứng dụng lập trình
2.4.2. Lập trình AVR điều khiển Module SIM548
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SERVER GPRS
3.1. Khái quát về hệ thống thu thập thông tin qua GPRS
3.2. Giao diện Server trên máy tính có kêt nối Internet

Page 1


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
3.3 Lập trình Socket thu nhận data từ Module SIM548
Do hạn chế về kiến thức công nghệ thông tin, viễn thông nên bài đồ án của
em còn nhiều sai sót mà bản thân em chưa phát hiện ra. Do vậy em rất hy vọng
nhận được sự chỉ bảo của thầy cô, bạn bè và người đọc.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Hoàng Xuân Bình và
thầy KS Nguyễn Văn Tiến đã giúp đỡ em tận tình trong bài đồ án này.
Hải Phòng, Ngày 14 tháng 2 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Page 2


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
Hệ GPS bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu
và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung
rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại
không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ GPS là hệ thống dẫn đường
bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động.
Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 20.200
km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín
hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80,

các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các
xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal
Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở
hữu.
- Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
- Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
- Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ
(5m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
- Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.

Page 3


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 1.1. Qũy đạo các vệ tinh GPS
Công nghệ định vị toàn cầu GPS được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam
từ giữa những năm 1990, chủ yếu phục vụ cho việc thu thập dữ liệu tọa độ chính
xác (x, y, z) của các điểm trắc địa gốc làm cơ sở lưới trắc địa thấp hơn, mà từ
các điểm này các công tác đo vẽ hiện trạng trên mặt đất được tiến hành. Trong
những năm gần đây , với sự xuất hiện của các thiết bị GPS cầm tay đơn giản, rẻ
tiền thì việc thu thập dữ liệu về vị trí càng trở lên phổ biến trên thế giớí. Tuy
nhiên, ở Việt Nam thì việc phổ biến thiết bị cầm tay vào việc xác định hạ tầng
cơ sở đô thị vẫn còn nhiều hạn chế, do một số nguyên nhân như: sự phức tạp của
thiết bị cầm tay GPS, sự hiểu biết về GPS còn nhiều hạn chế, hạn chế về độ
chính xác của thiết bị cầm tay… Nhằm phổ biến việc sử dụng các thiết bị GPS
cầm tay vào công tác thu thập dữ liệu hạ tầng cơ sở đô thị ra ngoài thực tiễn sản
xuất, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng các thiết bị GPS
cầm tay.

Do ưu điểm thu thập nhanh dữ liệu vị trí của các thiết bị GPS cầm tay, một
khối lượng dữ liệu quan trọng và to lớn về vị trí hạ tầng đô thị có thể được tạo
nên trong thời gian ngắn. Do vậy, để có thể khai thác hiệu quả lượng dữ liệu to
lớn này, đòi hỏi phải ứng dụng công nghệ GPS vào việc lưu trữ, xử lý, quản lý,
truy cập và biểu diễn chung. Quản lý thông tin vị trí hiệu quả chính là cơ sở cho
việc quản lý hiệu quả thông tin đô thị về cơ sở hạ tầng, cấp thoát nước, xây
dựng...
Page 4


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
Từ các phân tích trên có thể thấy rằng một chương trình nghiên cứu về việc
ứng dụng kết hợp GPS cầm tay trong thu thập, phân tích, biểu diễn dữ liệu cơ sở
hạ tầng đô thị là hoàn toàn cần thiết.
Ngày nay thì việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu đã được đưa vào ứng
dụng trong các hệ thống dẫn đường cũng như, định vị trong hàng không. Với
nhu cầu về một hệ thống đẫn đường, cũng như nhu cầu về hệ thống giám sát
thiết bị ngày càng tăng trong dân dụng. Thì vấn đề đặt ra cho các hệ thống đó là
cần độ chính xác cao và đảm bảo giá thành vừa phải. Cho đến những năm gần
đây thì vấn đề này đã được giải quyết, với sự ra đời của các modul phục vụ cho
việc thiết kế các hệ thống đó trở nên đơn giản hơn.

Global Positioning System
Modem & Router

GPS
S
AD

module

L

Internet

GSM

GPRS

network

module

Monitoring Centrer

ATmega 128

GPRS-GPS
Sensor
Hình 1.2. Hệ thống GPS

1.2. TỔNG QUAN VỀ GSM VÀ GPRS
1.2.1. Khái niệm về GSM
Khái niệm mạng di động GSM (Global System for Mobile Communication).
Công nghệ GSM hay còn được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu,
dựa trên công nghệ TDMA tiêu chuẩn Châu Âu. Công nghệ đa truy cập phân
chia theo thời gian TDMA là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một
Page 5

Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách
định vị những rãnh thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh.
Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng
lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming (chuyển
vùng) với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM
khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.
Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến
trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều
vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và
tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ
thứ hai (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát
triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm
khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành
thấp và có dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng
triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng
có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện
thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới.
Mô hình cấu trúc hệ thống của một mạng thông tin di động GSM bao gồm
các thành phần sau:
a. Thành phần GSM
Mạng GSM được chia thành 2 hệ thống: Hệ thống chuyển mạch (NSS) và hệ
thống trạm phát (BSS). Mỗi hệ thống được xây dựng trên nhiều thiết bị chuyên
dụng khác nhau và được vận hành, bảo trì và quản lý bởi các trung tâm máy
tính.
Hệ thống chuyển mạch chuyên xử lý cuộc gọi và các công việc liên quan đến
thuê bao. BSS xử lý công việc liên quan đến truyền phát sóng radio. OMC thực

Page 6


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
hiện nhiệm vụ vận hành và bảo trì mạng, như theo dõi lưu lượng cảnh báo khi
cần thiết.
b. Kiến thức dạng địa lý
Với mọi mạng điện thoại, kiến trúc là nền tảng quan trọng để xây dựng qui
trình kết nối cuộc thoại đến đúng đích. Với mạng di động thì điều này lại càng
quan trọng: do người dùng luôn di chuyển nên kiến trúc phải có khả năng theo
dõi được vị trí của thuê bao.
c. Ô (cell)
Là đơn vị cơ bản của hệ thống tế bào, được định nghĩa theo vùng phủ sóng
của BTS. Mỗi ô được cấp một số định danh duy nhất gọi là CGI (Cell Global
Identity). Để phủ sóng toàn quốc, người ta cần đến một số lượng rất lớn BTS.
Như hiện nay Mobifone đã lắp đặt khai thác trên 1000 trạm BTS.
d. Vùng định vị (LA-Location Area)
Nhiều ô được ghép nhóm và gọi là một LA. Trong mạng, vị trí của thuê bao
do LA khu vực của thuê bao nắm giữ. Số định danh cho LA được lưu thành
thông số LAI (Location Area Identity) ứng với từng thiết bị di động (điện thoại
di động) trong VLR. Khi thiết bị di chuyển sang ô của LA khác thì bắt buộc phải
đăng ký lại vị trí với mạng, nếu dịch chuyển giữa các ô trong cùng một LA thì
không phải thực hiện qui trình trên. Khi có cuộc gọi đến thiết bị, thông điệp
được phát ra (broadcast) toàn bộ các ô của LA đang quản lý thiết bị.
e. Vùng phục vụ của MSC
Nhiều vùng LA được quản lý bởi một MSC. Để có thể kết nối cuộc thoại đến
thiết bị di động, thông tin vùng dịch vụ MSC cũng được theo dõi và lưu lại
HLR.

f. Vùng phục vụ của nhà khai thác
Vùng phục vụ của nhà khai thác bao gồm toàn bộ các ô mà công ty có thể
phục vụ; nói cách khác, đây chính là toàn bộ của vùng phủ sóng của nhà khai
thác mà thuê bao có thể truy nhập vào hệ thống. Mỗi nhà khai thác sẽ có thông
số vùng phục vụ riêng. Vi dụ như VMS-Mobifone có thông số vùng phục vụ là
Page 7


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
452-01, Vinaphone có thông số vùng phục vụ là 452-02, Viettel có thông số
vùng phục vụ là 452-04.
Vùng dịch vụ GSM: Vùng dịch vụ GSM là toàn bộ vùng địa lý mà thuê bao
có thể truy nhập vào mạng GSM, và sẽ càng mở rộng khi có thêm nhiều nhà
khai thác ký thỏa ước hợp tác với nhau. Hiện tại thì vùng dịch vụ GSM đã phủ
hàng chục quốc gia, kéo dài từ Ai-xơ-len đến Châu Úc và Nam Phi. Chuyển
vùng là khả năng cho phép thuê bao truy nhập mạng của mình từ mạng khác.
Mô hình mạng di động tế bào có thể được trình bày giữa hai góc độ.
g. Băng tần
Hiện tại mạng GSM đang hoạt động trên 3 băng tần: 900, 1800, 1900MHz.
Chuẩn GSM ban đầu sử dụng băng tần 900MHz, gọi là phiên bản P-GSM
(Primary GSM). Để tăng dung lượng, băng tần dần mở sang 1800 và 1900MHz,
gọi là phiên bản mở rộng (E-GSM).
Chính vì thế, thị trường đã xuất hiện nhiều loại điện thoại hỗ trợ nhiều băng
tần nhằm tạo thuận lợi cho người dùng thường xuyêng đi nước ngoài và tận
dụng được hết ưu thế chuyển vùng quốc tế của mạng GSM hiện nay.
h. Trạm di động MS
MS là thiết bị tương tác trực tiếp với người sử dụng hệ thống GSM. MS sẽ tự
động thực hiện quy trình cần thiết mà không cần đến sự quan tâm hay điều khiển
của người dùng. MS gồm 2 phần:

- ME (Mobile Equipment): Thiết bị di động.
- SIM (Subscriber Identity Module): Thiết bị nhận diện người đăng ký
thuê bao điện thoại di động.
* Mobile Equitment:
ME là thiết bị phần cứng hỗ trợ việc truy cập các dịch vụ mạng, bản thân nó
không chứa các thông tin về thuê bao, ME có thể là điện thoại di động, máy
phát, máy tính…, mỗi ME có một số định dạng duy nhất IMEI (International
Mobile Equitment Identity) do nhà sản xuất quy định với mục đích là giúp nhà

Page 8


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
khai thác mạng di động quản lý thiết bị, ngăn ngừa sự hoạt động của các ME
không hợp lệ.
* Thẻ Sim:
- IMSI (International Mobile Subcriber Identity – số nhận dạng thuê bao di
động quốc tế): là số nhận dạng giúp cho mạng GSM có thể định tuyến cuộc gọi
đến thuê bao cũng như tính cước.
- TMSI (Temporary Mobile Subcriber Identity – số nhận dạng thuê bao tạm
thời): Là số nhận dạng duy nhất do MSC cung cấp cho thuê bao khách, giúp bảo
mật cho thuê bao, nó có thể thay đổi giữa các cuộc gọi cũng như đang tiến hành
cuộc gọi.
- LAI (Location area Identity – số nhận dạng vùng định vị): Dùng để xác
định một vùng định vị trong đó có thuê bao đang di chuyển.
- Ki – Khóa nhận thực thuê bao, dùng trong quá trình nhận thực của thuê bao.
- MSISDN – Số điện thoại thực của thuê bao.
Như vậy, SIM chứa thông tin về các dịch vụ mà thuê bao có thể truy cập.
Không có SIM thì người sử dụng ME không thể thực hiện gọi đi hay nhận cuộc

gọi được. Do đó, ME có thể được sản xuất rộng rãi nhưng SIM thì chỉ có thể do
nhà khai thác cung cấp.
i . Đăng nhập thiết bị vào mạng
Khi thiết bị di động ở trạng thái tắt, nó được tách ra khỏi mạng. Khi bật lên,
thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển. Sau đó, thiết bị đo cường độ của
tín hiệu từ các kênh và ghi lại. Cuối cùng thì chuyển sang kết nối với kênh có tín
hiệu mạnh nhất.
j. Chuyển vùng
Vì GSM là một chuẩn chung nên thuê bao có thể dùng điện thoại hệ GSM tại
hầu hết các mạng GSM trên thế giới. Trong khi di chuyển, thiết bị liên tục dò
kênh để luôn duy trì tín hiệu với trạm là mạnh nhất. Khi tìm thấy trạm có tín
hiệu mạnh hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển sang mạng mới; nếu trạm mới nằm
trong LA khác, thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình.
Page 9


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
Riêng với chế độ chuyển vùng quốc tế hoặc chuyển vùng giữa mạng của hai
nhà khai thác dịch vụ khác nhau thì qúa trình cập nhật vị trí đòi hỏi phải có sự
chấp thuận và hỗ trợ từ cấp nhà khai thác dịch vụ.
* Thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định:
- Thiết bị kiểu yêu cầu một kênh báo hiệu.
- BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu.
- Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi cho MSC/VLR. Thao tác đăng ký
trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị,
gửi số được gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra
đều được thực hiện trong bước này.
+ Nếu hợp lệ, MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi.
+ MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN.

+ Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ được thiết lập.
* Thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động:
Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị
không được biết chính xác. Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện
công việc xác định vị trí của thiết bị di động.
- Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN.
Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạng
PSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp.
- GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong
HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ.
- HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho
thiết bị. Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả
về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến.
- HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ.
- MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC.
- GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR

Page 10


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
- MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản lý
LA này.
- BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA.
- Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại.
- BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin.
- Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng thái
của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị.
- MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đỗ chuông. Nếu thiết bị di

động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập.
Trong trường hợp thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động,
qúa trình cũng diễn ra tương tự nhưng điểm giao tiếp với mạng PSTN của điện
thoại cố định sẽ được thay thế bằng MSC/VLR khác.
Giao diện vô tuyến: GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều cell
(tế bào) do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm
các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết
thì hoạt động ở băng 900 Mhz và 1800 Mhz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng
băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị sử
dụng trước.
Các mạng sử dụng băng tần 900 Mhz thì đường lên (từ thuê bao di động
đến trạm truyền dẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890-915 MHz và đường
xuống downlink sử dụng tần số trong dải 935-960 MHz. Và chia các băng tần
này thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 Mhz, mỗi kênh cách nhau 1
khoảng 200 Khz. Khoảng cách song công (đường lên & xuống cho 1 thuê bao)
là 45MHz.
Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằm
đạt được dải tần rộng hơn. E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–
960 MHz cho đường xuống. Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến
1023 và 0) so với băng GSM-900 ban đầu. E-GSM cũng sử dụng công nghệ
phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8
Page 11


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
kênh thoại toàn tốc hay 16 kênh thoại bán tốc trên 1 kênh vô tuyến. Có 8 khe
thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA. Các kênh bán tốc sử dụng các khung
luân phiên trong cùng khe thời gian. Tốc độ truyền dữ liệu cho cả 8 kênh là
270.833 kbit/s và chu kỳ của một khung la 4.615 m.

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băng
GSM 850/900 Mhz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 Mhz.
Mã hóa âm thanh và phủ sóng:
GSM sử dụng khá nhiều kiểu mã hóa thoại để nén tần số audio 3,1KHz vào
trong khoảng 5.6 and 13 kbit/s. Ban đầu, có 2 kiểu mã hoá là bán tốc (haft rate
-5.6 kbps)và toàn tốc (Full Rate -13 kbit/s)). Để nén họ sử dụng hệ thống có tên
là mã hóa dự đoán tuyến tính (linear predictive coding – LPC). GSM được cải
tiến hơn vào năm 1997 với mã hóa EFR (mã hóa toàn tốc cải tiến -Enhanced
Full Rate), kênh toàn tốc nén còn 12.2 kbit/s. Sau đó, với sự phát triển của
UMTS, EFR được tham số lại bởi kiểu mã hóa biến tốc, được gọi là AMRNarrowband.
Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico
và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường.
Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại
được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng
vài chục mét trở lại, nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà. Umbrella lắp bổ
sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell.
Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten
thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng
phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm). Một số khu vực trong
nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu
thị… thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài
trời vào.
1.2.2. Khái niệm về GPRS
Page 12


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
GPRS (General Packet Radio Service) là dịch vụ truyền tải mới cho hệ thống
GSM, nó cải thiện một cách hiệu quả việc truy nhập vô tuyến tới các mạng

truyền số liệu như X.25, Internet…bằng cách áp dụng nguyên lý gói vô tuyến để
truyền số liệu của người sử dụng một cách hiệu quả giữa máy điện thoại di động
tới các mạng truyền số liệu. Các gói tin có thể truyền trực tiếp từ máy di động
GPRS tới các mạng chuyển mạch số liệu.
Người sử dụng GPRS được lợi từ việc thời gian truy nhập ngắn hơn cũng
như tốc độ truyền số liệu cao hơn. Trong hệ thống GSM thông thường việc thiết
lập kết nối diễn ra trong vài giây và tốc độ truyền số liệu hạn chế ở 9,6 Kbit/s.
GPRS cho phép thời gian thiết lập dưới một giây và tốc độ truyền số liệu tối đa
đạt trên 115 Kbit/s.
Chuyển mạch kênh không thích hợp cho lưu lượng lớn, vì người sử dụng
phải trả tiền cho toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những thời điểm
không có gói tin nào được gửi đi. Trái lại với công nghệ chuyển mạch gói
(GPRS), khách hàng có thể sẽ chỉ phải trả tiền cho số các gói tin được chuyển
đi, điều này thuận lợi cho người sử dụng khi kết nối trực tuyến một thời gian dài
với mạng.
Tóm lại, GPRS cải thiện việc sử dụng tài nguyên vô tuyến, tốc độ truyền số
liệu cao hơn, khách hàng chỉ phải trả tiền cho số gói tin gửi và nhận, ngoài ra
thời gian truy nhập cũng ngắn hơn.
Công nghệ GPRS được viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu EISI phát triển
và chuyển hoá cho dữ liệu gói trong các hệ thống GSM. Tại Mỹ, GPRS cũng
được Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông TIA chấp thuận như là tiêu chuẩn dữ
liệu gói cho các hệ thống TDMA/IS – 136. Hiện đã được tiến hành triển khai tại
một số nước trên Thế giới.
a. Cấu trúc hệ thống GPRS
GPRS được phát triển dựa trên nền tảng của hệ thống mạng GSM. Giải pháp
GPRS của Ericsson được thiết kế để đẩy nhanh việc triển khai GPRS mà vẫn giữ
cho chi phí đầu vào thấp. Các khối chức năng của mạng GSM hiện nay chỉ cần
Page 13

Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
được nâng cấp phần mềm, ngoại trừ BSC (Base Station Center) phải được nâng
cấp phần cứng. Hai nút mạng mới được giới thiệu, đó là nút hỗ trợ dịch vụ
GPRS - SGSN (Serving GPRS Support Node) và nút hỗ trợ cổng GPRS GGSN
(Gateway GPRS Support Node) nhằm bổ sung chức năng chuyển mạch gói bên
cạnh chức năng chuyển mạch kênh của mạng.
SOG
MSC/VLR
BTS

BSC

HLR
AUC

SMS-SC

MS

IP
Network

SGSN

GGSN

Corporate
Network

BGw

Backhome
Network
Other
PLMN

Hình 1.3. Cấu trúc GPRS được phát triển dựa trên mạng GSM
SGSN có nhiệm vụ tạo tuyến và quản lí địa chỉ IP. SGSN cùng với các đầu
cuối GPRS hình thành các kênh truyền logic cho phép việc truyền nhận các gói
IP.
GGSN đóng vai trò kết nối các đầu cuối GPRS trong mạng đến các ISP
(Internet Service Provider) bên ngoài, hoặc kết nối giữa các mạng GPRS với
nhau. Các SGSN và GGSN liên kết với nhau và tạo thành một mạng IP xương
sống làm nền tảng cho dịch vụ GPRS.
b. Các giao diện và giao thức trong mạng GPRS

Page 14


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyền tải dữ
liệu trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn. Do tính bố cục của đồ án
nên em chỉ xét mặt phẳng truyền dẫn.
Mặt phẳng truyền dẫn bao gồm các cấu trúc giao thức phân lớp phục vụ cho
việc truyền tải dữ liệu của người sử dụng, kết hợp với các thủ tục điều khiển
phục vụ cho việc truyền tải như : điều khiển luồng, phát hiện và sửa lỗi …

Hình 1.4. Cấu trúc phân lớp giao thức của mạng GPRS

SGSN và GGSN dựa trên đường truyền vô tuyến có sẵn để xây dựng mạng
chuyển mạch gói GPRS dựa trên protocol TCP/IP tương thích với mạng Internet
thông dụng, cho phép cung cấp cho các thuê bao trong mạng những dịch vụ mới
hấp dẫn hơn.
Ta sẽ chỉ xét đến giao thức TCP/UDP phù hợp với mục đích của đồ án . Giao
thức TCP/UDP (Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol – giao
thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức dữ liệu gói người sử dụng) : TCP chuyển
các khối điều khiển dữ liệu gói (PDU) của GTP trong mạng đường trục GPRS
cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy (như X.25). TCP cung cấp
Page 15


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các
PDU của GTP. UDP chuyển các PDU cảu GTP cho các giao thức không cần
phải có một liên kết dữ liệu tin cậy (ví dụ như IP). UDP cung cấp khả năng bảo
vệ chống lại việc PDU của GTP bị ngắt quãng và chuyển các bản tin báo hiệu
giữa các GSN.
Một số đặc điểm của mạng GPRS :
• Tốc độ dữ liệu : GPRS tận dụng các khe thời gian 9.6 Kbps của mạng
GSM để triển khai dịch vụ, nên tốc độ dữ liệu là rất chậm so với các mạng
truyền số liệu gói khác. Tốc độ thực sự phụ thuộc vào số khe thời gian
được dùng cho dịch vụ GPRS.
• Phương thức tính cước : dựa vào dữ liệu truyền nhận, không dựa vào
thời gian kết nối.
c. Mô hình hệ thống truyền nhận dữ liệu qua mạng GPRS
Với tính năng kết nối với các hệ thống mạng bên ngoài thông qua GGSN,
GPRS cho phép thiết lập một đường truyền từ đầu cuối thuê bao mạng GSM sử
dụng dịch vụ GPRS đến một đầu cuối của các hệ thống mạng khác, qua đó cho

phép thiết kế một hệ thống thu thập dữ liệu rất linh động.
Trong các ứng dụng thông thường, việc phân tích, lưu trữ, vận hành dựa trên
dữ liệu thu thập được từ các đầu cuối mạng GPRS sẽ được thực hiện bởi một
máy tính, vì đây là các thao tác phức tạp và đòi hỏi nhiều tài nguyên. Do đó việc
thiết lập một liên kết giữa đầu cuối mạng GPRS và máy tính là cần thiết. Với lợi
thế về hệ thống cơ sở hạm tầng rộng khắp và khả năng truyền nhận dữ liệu tốc
độ cao, đáng tin cậy, phương án tối ưu là liên kết thông qua Internet.
Mô hình truyền nhận dữ liệu được mô tả trong hình sau:

Page 16


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
GPRS
register

GPRS
register

GPRS
Mobile
or
Operate

BTS

BSC

MSC

MSC

GPRS
Mobile
or
Operate

SGSN

SGSN

Intra-operator
backhome
Network

BTS

BSC

Intra-operator
backhome
Network

BG

BG

Intra-operator
backhome

Network

GGSN

GGSN

Data
Network

Router
Host

Local-Area
Network

Hình 1.5. Liên kết giữa đầu cuối mạng GPRS và đầu cuối mạng Internet
Đầu cuối mạng GPRS sẽ truyền nhận dữ liệu với máy tính được kết nối
Internet thông qua đường truyền sau: đầu cuối GPRS  BTS  SGSN 
Mạng xương sống GPRS  GGSN  ISP  Router  mạng Local-Area
Network  Máy tính.
Dữ liệu sẽ được trao đổi giữa đầu cuối thuê bao GPRS và máy tính thông qua
các gói IP, và dựa trên các protocol TCP/UDP. Tùy theo khả năng hỗ trợ của
đầu cuối thuê bao GPRS có thể sử dụng các protocol ở các lớp ứng dụng cao
hơn.
Với các mô hình đơn giản, nhu cầu về xử lý dữ liệu không cao, có thể lựa
chọn các phương án đơn giản hơn như:
· Sử dụng dịch vụ SMS : không cần thông qua GPRS.
· Truyền nhận dữ liệu giữa các đầu cuối GPRS: phương án này hoàn toàn có
thể thực hiện được, tuy nhiên tốc độ dữ liệu khá thấp, và làm tăng chi phí dịch
vụ.

Với đầu cuối mạng GPRS, có nhiều sản phẩm phù hợp với yêu cầu của hệ
thống. Điển hình là các modem GSM có hỗ trợ GPRS. Thiết bị này được cung
cấp bởi nhiều hãng, như Sony Ericsson, Nokia, Wavecom, SIMCOM, … Sản
Page 17


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
phẩm của SIMCOM (SIM300, SIM508,SIM548C …) được lựa chọn do các tính
năng sau:
· Hỗ trợ GPRS.
· Hỗ trợ khả năng truyền nhận dữ liệu TCP/UDP.
· Giá thành thấp.
· Thiết kế phần cứng đơn giản.
· Được điều khiển bằng tập lệnh AT, cho phép điều khiển dễ dàng.
Trong bài đồ án này giải pháp của em là sử dụng module SIM548C của
hãng SIMCOM .

Page 18


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3
mảng:
2.1.1. Chùm vệ tinh
Chùm vệ tinh của hệ GPS hiện có tất cả là 28 vệ tinh làm việc và dự phòng.

Các vệ tinh này hoạt động bằng năng lượng mặt trời, được sắp xếp trên sáu mặt
phẳng quĩ đạo nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo.Quãng thời gian tồn tại
của chúng khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.
2.1.2. Hệ thống điều khiển mặt đất
Đoạn điều khiển (hay đoạn mặt đất) của GPS gồm có 5 trạm giám sát không
người điều khiển đặt tại Hawaii, Kwajalein ở Thái Bình Dương, Diago Garcia ở
ấn Độ Dương, Ascension Island ở Đại Tây Dương và Colorado Springs ở Solo.
Còn có một Trạm mặt đất chính đặt tại Falcon AFB ở Colorado Springs, và 4
trạm mặt đất an-ten lớn để phát quảng bá các tín hiệu lên các vệ tinh. Các trạm
này cũng bám theo và Mục đích của hệ thống điều khiển. là điều khiển sự hoạt
động của các vệ tinh, xác định quĩ đạo, xử lý các đồng hồ nguyên tử, truyền các
điện văn cần thông báo lên các vệ tinh.
Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm
trung tâm và trạm con.Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ
tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh
trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền
Page 19


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác
tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.

Hình 2.1. Các trạm điều khiển mặt đất
2.1.3. Bộ phận người sử dụng
Bao gồm tất cả các đối tượng sử dụng cho mục đích dân sự và quân sự.

Page 20

Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 2.2. Hệ thống người sử dụng
2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Hình 2.3. Nguyên lý của hệ thống

Page 21


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau,
được gọi là L1, L2. Những thiết bị nhận tín hiệu GPS bắt sóng L1, ở dải tần số
UHF 1575,42Mhz, bắt sóng L2 ở tần số 1227.6 Mhz. Một đài phát thanh FM
thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh
định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 20.200 km.Các vệ
tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2 (Giải L là phần
sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng
tần số L1 575,42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là
chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối
tượng cứng như núi và nhà. Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau –
mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch:
- Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ
tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang
vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.
- Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở
mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin

quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.
- Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan
trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần
này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.
Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người
dùng và được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS
đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh
tới một máy thu mặt đất. Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ
rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì
việc biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành
tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ
trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên
bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian
Page 22


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.
Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn
đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm
tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác
hơn đôi chút. Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm.
Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một
điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ
chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không
hoàn hảo của máy thu. Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ
bằng tốc độ ánh sáng. Ngay như tại tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một
lượng thời gian đáng kể mới tới được máy thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín
hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho

phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh.
2.3. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.3.1. Giới thiệu Module SIM548
Đây là module GSM/GPRS và GPS của hãng SIMCOM:

Page 23


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 2.4. Module SIM548
Module SIM548 có thể hoạt động với các tần số sau GSM 900 MHz, DCS
1800MHz và PCS 1900MHz và cũng hỗ trợ kỹ thuật GPS định vị vị trí bằng vệ
tinh.
Với kích thước nhỏ 55mm x 34mm x 3.0 mm,module này có thể sử dụng
cho các ứng dụng như Smart phone,PDA phone,thiết bị định vị GPS cầm tay
hay điện thoại.
Chúng ta có thể giao tiếp với module thông qua chuẩn đế 60 chân dành
riêng cho module SIM548. Thông qua đế chuẩn 60 chân này,chúng ta có thể sử
dụng module với các mục đích :
- Bàn phím,bảng nút nhấn hay SPI LCD.
- Một port giao tiếp nối tiếp dành cho GSM và hai port nối tiếp dành
cho GPS giúp cho việc thiết kế và phát triển ứng dụng một cách dễ
dàng hơn thông qua việc giao tiếp bằng tập lệnh AT.
- Bộ sạc cho pin.
- Các ngõ vào ra dành cho chức năng nghe, gọi và xử lý âm thanh.
- Các ngõ vào của bộ chuyển đổi AD.
2.3.2. Cấu trúc Module SIM 548
Để sử dụng và giao tiếp với module SIM508 phải thông qua một chuẩn đế cắm

60 chân. Bao gồm các ứng dụng dành cho GSM :
- Nguồn cung cấp và nguồn sạc pin.
Page 24


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
- Hai ngõ vào giao tiếp theo chuẩn nối tiếp.
- Hai ngõ vào analog
- Ngõ vào ra dành cho Simcard
Bảng 2.1. Chức năng của các chân module
Tên
VBAT

I/O

Mô tả
Đặc tính điện
Có năm chân VBAT dùng Vmax= 4.5V
để cung cấp nguồn hoạt Vmin=3.4V

BACKUP

I/O

động cho module
Vnorm=4.0V
Ngõ vào nguồn cho bộ Vmax=2.0V
thời gian thực của module Vmin=1.2V
khi không có nguồn chính. Vnorm=1.8V

Và cung cấp một dòng ra Inorm= 20uA
dành cho nguồn dự trữ khi
có nguồn chính,để tiết
kiểm

CHG_IN

I

năng

lượng

của

nguồn dự trữ.
Nguồn cung cấp cho bộ Vmax=5.25V
sạc pin của module. Đồng Vmin=1.1 *VBAT
thời giúp cho module nhận Vnorm=5.1V

GND

ra bộ sạc.
Chân nối đất dành cho các

PWRKEY

ứng dụng số.
Ngõ vào dùng để mở và VILmax=0.3*VB

I

tắt

nguồn

chính

của AT

module. Chân này được VIHmin=0.7*VB
nối với một nút nhấn. Để AT
mở và tắt nguồn của VImax=VBAT
module,phải

nhấn

nút

nhấn để giữ chân này ở
Page 25