Nghiên cứu, thiết kế, thi công khóa điện tử thông minh sử dụng rfid giám sát hành trình container

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM CÔNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THI CÔNG
KHÓA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH SỬ DỤNG RFID
GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH CONTAINER

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 6 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM CÔNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THI CÔNG KHÓA ĐIỆN TỬ
THÔNG MINH SỬ DỤNG RFID GIÁM SÁT
HÀNH TRÌNH CONTAINER

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
Hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Trần Thu Hà

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ và tên: Phạm Công

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1990

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Thừa Thiên

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 60, Tổ 2, Ấp 3, Xã Phước Bình, Huyện Long Thành, Tỉnh
Đồng Nai.
Điện thoại cơ quan:

Di động: 0128 444 1181

Fax:
Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ: 08/2008 đến 08/2012

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Tên luận văn tốt nghiệp: Ứng dụng công nghệ GPS và lập trình nhúng định vị
đối tượng
Ngày bảo vệ luận văn : 07 /2012 tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:

Thời gian

Nơi công tác

Trang i

Công việc đảm nhiệm


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 09 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Công

Trang ii


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Trần Thu Hà đã tận
tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn
và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn.

Học viên

Phạm Công

LỜI CẢM ƠN

Trang iii


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC .......................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................. vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ viii
TÓM TẮT LUẬN VĂN........................................................................................ ix
Chƣơng 1: TỔNG QUAN...................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................... 1
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ............................................................... 3
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ................................................................. 4
1.4.1. Mục tiêu của đề tài ................................................................................ 4
1.4.2. Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................... 4
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 5
2.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS và chuẩn NMEA ...................................... 5
2.1.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS ............................................................ 5
2.1.2. Chuẩn NMEA ........................................................................................ 5
2.2. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ................................................. 8
2.3. Công nghệ RFID .......................................................................................... 9
2.3.1. Thành phần của một hệ thống RFID ................................................... 9
2.3.1.1. Thẻ (Tag) ......................................................................................... 9
2.3.1.2. Đầu đọc (Reader) ............................................................................ 9
2.3.2. Tần số vô tuyến mà RFID hoạt động.................................................. 10
Chƣơng 3: THIẾT KẾ......................................................................................... 11
3.1. Sơ đồ khối .................................................................................................. 11
3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................. 11
3.1.2. Sơ đồ khối thiết bị ............................................................................... 12
3.2. Tính năng thiết bị. ..................................................................................... 13
3.2.1. Giám sát hành trình ............................................................................ 13
3.2.2. Giám sát vị trí và trạng thái hoạt động bằng SMS ............................ 13
3.2.3. Mở khóa bằng công nghệ RFID ......................................................... 13
3.2.4. Cảnh báo khi khóa bị cắt .................................................................... 14
3.2.5. Cập nhật firmware từ xa .................................................................... 14

3.2.6. Mã hóa thông tin truyền nhận giữa thiết bị và server trung tâm ..... 14
3.2.7. Giám sát tài khoản SIM ...................................................................... 14
3.2.8. Cảnh báo khi Pin yếu .......................................................................... 14
3.2.9. Thay đổi các thông số cài đặt thông qua tin nhắn SMS .................... 14
3.3. Giao thức truyền/nhận giữa thiết bị và server ......................................... 15
Trang iv


3.3.1. Mô hình giao thức đóng gói data ........................................................ 15
3.3.2. Định dạng thông điệp truyền từ thiết bị đến server .......................... 15
3.3.3. Cấu trúc 1 (gửi theo định kỳ hoặc khi có sự kiện) ............................. 15
3.3.4. Cấu trúc 2 (chỉ gửi khi dùng thẻ để mở khóa) ................................... 18
3.4. Cú pháp cấu hình thiết bị bằng tin nhắn SMS ......................................... 21
3.5. Thiết kế sơ đồ nguyên lý ............................................................................ 24
3.5.1. Khối nguồn .......................................................................................... 24
3.5.2. Khối MCU ........................................................................................... 25
3.5.3. Khối bộ nhớ ......................................................................................... 25
3.5.3.1. Khối EEPROM ............................................................................. 26
3.5.3.2. Khối SD Card ............................................................................... 26
3.5.4. Khối GSM ............................................................................................ 27
3.5.5. Khối GPS ............................................................................................. 29
3.5.6. Khối RFID ........................................................................................... 29
Chƣơng 4: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT .................................................................... 32
4.1. Chƣơng trình chính ................................................................................ 32
4.2. Chƣơng trình khởi tạo hệ thống ............................................................ 33
4.3. Chƣơng trình quét thẻ. ........................................................................... 34
4.4. Chƣơng trình xử lý tin nhắn .................................................................. 38
4.5. Chƣơng trình kiểm tra tài khoản .......................................................... 39
4.6. Chƣơng trình kiểm tra gửi GPRS ......................................................... 40
Chƣơng 5: THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES ........................................................ 42

5.1. Khóa mã hóa và phần mở rộng của nó .................................................. 43
5.2. Cấu trúc tổng quát của AES .................................................................. 44
5.3. Bốn bƣớc trong mỗi vòng xử lý .............................................................. 45
5.4. Bƣớc Thay thế Byte (SubBytes) ............................................................. 46
5.5. Bƣớc dịch hàng (ShiftRows) .................................................................. 49
5.6. Bƣớc trộn cột (MixColumns) ................................................................. 50
5.7. Thuật toán mở rộng khóa ...................................................................... 51
Chƣơng 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .................................................................... 55
6.1. Kết quả .................................................................................................... 55
6.2. Đánh giá .................................................................................................. 58
6.2.1. Đánh giá sai số GPS ......................................................................... 58
6.2.2. Đánh giá sai số RFID ....................................................................... 61
Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 63
7.1. Kết luận................................................................................................... 63
7.2. Hƣớng phát triển .................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 64

Trang v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GPS
GSM
GPRS
RFID
MCU
ATQ
ATQA
CLn
CT

PCD
PICC
REQA
S
SAK
SEL
UID
UIDn

Global Positioning System
Global System for
Mobile Communications
General packet radio service
Radio-frequency identification
Microcontroller Unit
Answer To Request
Answer To Request of Type A
Cascade level n, 3≤ n ≤1
Cascade Tag, „ 88‟
Proximity Coupling Device
(Reader)
Proximity Card
Request Command, Type A
Start of communication, Type A
Select AcKnowledge
Select Command
Unique IDentification
Byte number n of unique
identification, n ≥ 0

Trang vi

Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Nhận dạng tần số sóng vô tuyến
Đơn vị vi điều khiển
Trả lời yêu cầu
Trả lời yêu cầu loại A
Mức độ phân tầng n, 3≤ n ≤1
Thẻ phân tầng, „88‟
Thiết bị tương tác gần (Đầu đọc)
Thẻ gần
Lệnh yêu cầu, loại A
Bắt đầu sự giao tiếp, loại A
Lựa chọn ACK
Lệnh lựa chọn
Sự nhận diện duy nhất
Byte số n của UID, n≥0


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1. 1: Kết quả khảo sát việc sử dụng công nghệ RFID năm 2008 ..................... 2
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................. 11
Hình 3. 2: Bản đồ server giám sát hành trình Container. ....................................... 11
Hình 3. 3: Sơ đồ khối của khóa Container ............................................................. 12
Hình 3. 4: Giao thức truyền dữ liệu giữa thiết bị và server .................................... 15
Hình 3. 5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn chuyển từ 12V – 4,2 V. ........................... 24

Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn chuyển từ 4,2 V sang 3,3 V. .................... 24
Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lý khối MCU.................................................................. 25
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý khối EEPROM ........................................................... 26
Hình 3. 9: Sơ đồ nguyên lý khối SD Card ............................................................. 26
Hình 3. 10: Sơ đồ nguyên lý khối GSM. ............................................................... 27
Hình 3. 11: Sơ đồ nguyên lý đường STATUS và NETLIGHT của module GSM. . 28
Hình 3. 12: Sơ đồ nguyên lý khối SIM HOLDER. ................................................ 28
Hình 3. 13: Sơ đồ nguyên lý đường RI của module GSM. .................................... 28
Hình 3. 14: Sơ đồ nguyên lý khối GPS ................................................................. 29
Hình 3. 15: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển nguồn module GPS ......................... 29
Hình 3. 16: Sơ đồ nguyên lý khối RFID ................................................................ 30
Hình 3. 17: Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng module RFID ................... 30
Hình 3. 18: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển nguồn module RFID. ...................... 31
Hình 4. 1: Lưu đồ hoạt động chính của thiết bị. ................................................... 32
Hình 4. 2: Lưu đồ chương trình khởi tạo hệ thống ................................................ 33
Hình 4. 3: Lưu đồ chống xung đột cho PCD ......................................................... 37
Hình 4. 4: Lưu đồ chương trình xử lý tin nhắn ...................................................... 38
Hình 4. 5: Lưu đồ chương trình kiểm tra tài khoản. .............................................. 39
Hình 4. 6: Lưu đồ chương trình kiểm tra gửi GPRS. ............................................. 41
Hình 6. 1: Một số hình ảnh về thiết bị ................................................................... 55
Hình 6. 2: Bản đồ server với tính năng giám sát.................................................... 56
Hình 6. 3: Bản đồ server với tính năng xem lại hành trình .................................... 56
Hình 6. 4: Giao tiếp với thiết bị thông qua SMS ................................................... 57
Hình 6. 5: Minh họa dữ liệu lưu trong SD Card .................................................... 58
Hình 6. 6: Biểu đồ biểu diễn sai số thu tín hiệu GPS của thiết bị ........................... 60
Hình 6. 7: Antenna RFID với kích thước 4 x 8 cm ................................................ 61

Trang vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3. 1: Mô tả các trường trong gói dữ liệu theo cấu trúc 1. .............................. 15
Bảng 3. 2: Bảng mã trạng thái ............................................................................... 17
Bảng 3. 3: Mô tả các trường trong gói dữ liệu theo cấu trúc 2. .............................. 18
Bảng 3. 4: Bảng tóm tắt các cấu trúc tin nhắn gửi/nhận từ thiết bị ......................... 21
Bảng 4. 1: Các bước thực hiện chống xung đột. .................................................... 35
Bảng 6. 1: Bảng kết quả thống kê tọa độ đo được từ thiết bị khi đặt ngoài trời ...... 59
Bảng 6. 2: Bảng kết quả thống kê tọa độ đo được từ thiết bị khi đặt trong nhà ...... 59
Bảng 6. 3: Đánh giá độ chính xác RFID dựa vào khoảng cách đọc ....................... 61
Bảng 6. 4: Đánh giá sai số RFID với khoảng cách 3 cm ........................................ 62
Bảng 6. 5: Đánh giá sai số RFID với khoảng cách 3,5 cm ..................................... 62

Trang viii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện thiết kế thiết bị khóa điện tử thông minh dùng cho
Container với hai chức năng chính là giám sát hành trình và mở khóa bằng công
nghệ RFID. Hai thuật toán quan trọng được trình bày chi tiết trong luận văn này là
thuật toán mã hóa AES dùng trong bảo mật dữ liệu gửi về server trung tâm và thuật
toán chống xung đột chuẩn ISO 14443-A dùng trong đọc thẻ RFID.
Kết quả đã thi công được thiết bị với khả năng hoạt động chính xác, ổn định,
bảo mật tốt.

Abstract
This subject designs intelligent electronic lock for the container with two
main functions is tracking the journey and unlocking by RFID technology. Two
important algorithms are presented in detail in this thesis is the AES encryption
algorithm used in security and the ISO 14443-A anti-collision algorithm used in

reading an RFID tag.
The device operates precise, stability, good security.

Trang ix


Chƣơng 1:

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trước những đổi mới công nghệ của thế giới trong ngành vận tải hàng hóa,
đồng thời Việt Nam đang trong quá trình hội nhập toàn cầu nên việc nghiên cứu
ứng dụng các công nghệ mới vào thực tiễn cuộc sống là cần thiết và phù hợp với
tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.
Nước ta có rất nhiều cảng, kho bãi lớn nên tiềm năng phát triển ngành vận tải
hàng hóa sẽ còn rất cao, vấn đề đặt ra là việc đảm bảo an toàn, kiểm soát hàng hóa
thậm chí giám sát quá trình vận chuyển, cài đặt khai báo thông tin nguồn hàng
nhanh chóng sẽ góp phần phát triển lĩnh vực này. Ngày nay các thiết bị điện tử đang
dần thay thế các thiết bị cơ truyền thống vì tính tiện dụng, nhanh chóng, lưu trữ
được thông tin chính xác. Và theo chỉ thị số 23/CT-TTg của Thủ tướng chính phủ
thì các mặt hàng kinh doanh tạm nhập tái xuất sẽ quản lý bằng Seal điện tử.
(Nguồn: hải quan online - Cơ quan của Tổng cục hải quan). Vì vậy việc nghiên cứu,
ứng dụng ổ khóa có tích hợp các chức năng Seal điện tử, lưu trữ nhận dạng thông
tin qua RFID, giám sát hành trình hàng hóa qua GPS… là rất cần thiết trong giai
đoạn hiện nay.
Việc nghiên cứu này sẽ thay đổi quan điểm trong vận chuyển hàng hóa, giúp
cho độ tin cậy của hàng hóa trên lộ trình cao hơn, bên cạnh đó giúp cho việc khai
báo thủ tục hải quan được nhanh chóng hơn, đồng thời chính phủ cũng sẽ đảm bảo
được các tiêu chí an ninh, bảo mật trong xuất nhập hàng hóa.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

Container là hệ thống vận chuyển hàng hóa đa phương thức sử dụng các
container theo tiêu chuẩn ISO để có thể sắp xếp trên các tàu, toa xe lửa hay xe tải
chuyên dụng. Có ba loại độ dài tiêu chuẩn của container là 20 ft (6,1 m), 40 ft (12,2

Trang 1


m) và 45 ft (13,7 m) (hình 1.1). Sức chứa container (của tàu, cảng v.v.) được đo
theo TEU (viết tắt của twenty-foot equivalent units “đơn vị tương đương 20 foot”).
TEU là đơn vị đo của hàng hóa được container hóa tương đương với một container
tiêu chuẩn 20 ft (dài) × 8 ft (rộng) × 8,5 ft (cao) (khoảng 39 m³ thể tích). Phần lớn
các container ngày nay là các biến thể của loại 40 ft và do đó là 2 TEU. Các
container 45 ft cũng được tính là 2 TEU. Hai TEU được quy cho như là 1 FEU, hay
forty-foot equivalent unit. Các thuật ngữ này của đo lường được sử dụng như nhau.
Các container cao (“High cube”) có chiều cao 9,5 ft (2,9 m), trong khi các container
bán cao, được sử dụng để chuyên chở hàng nặng, có chiều cao là 4,25 ft (1,3 m).
Khóa container điện tử là thiết bị bảo vệ đồng thời thay thế cho seals khi
niêm phong thùng hàng container. Tuy nhiên trong lĩnh vực logistics ngày nay ở
Việt Nam việc sử dụng công nghệ RFID để nhận biết vị trí, thông tin hàng hóa…
qua khảo sát kết quả như sau:

Hình 1. 1: Kết quả khảo sát việc sử dụng công nghệ RFID năm 2008 [11]
Qua kết quả khảo sát ta thấy trong năm 2008 việc ứng dụng công nghệ RFID
trong vận tải hàng hóa là khá thấp so với các phương thức khác, cho thấy việc ứng
dụng công nghệ cao vào lĩnh vực này chưa được quan tâm nhiều. Tuy nhiên gần đây
việc ứng dụng công nghệ RFID trong các hệ thống siêu thị, quản lý nhà kho… được

Trang 2

ứng dụng khá rộng rãi, đây là dấu hiệu khả quan khi đưa công nghệ mới vào vận tải
hàng hóa.
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Trước những yêu cầu, đòi hỏi tính an toàn, bảo mật của hàng hóa trong quá
trình vận chuyển trên container, đã có nhiều phương thức an ninh ra đời để đáp ứng
những yêu cầu cho một container thông minh. Chương trình này được sự khởi
xướng bởi cơ quan an ninh nội địa của Mỹ (HSARPA), nhằm hỗ trợ cho chính phủ
trong việc theo dõi an ninh, giám sát hành trình, nhận dạng một số hàng hóa nhất
định thuộc danh mục cấm, điều kiện môi trường hoặc ghi lại những thay đổi trong
quá trình vận chuyển.
Seal điện tử (E-seal)
Seal điện tử được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ RFID (Radio
frequency identification) và được sử dụng thay thế cho các Seal thông thường khác.
Seal điện tử không dán trực tiếp hoặc niêm chì nhưng seal điện tử vẫn đảm bảo tính
an toàn, bảo mật hoàng hóa được niêm phong. Ngoài ra Seal điện tử được cài đặt
nhiều tính năng về thông tin hàng hóa, mã số điện tử... nên phù hợp cho tất cả các
dạng vận tải biển, hàng không.
Lợi ích từ việc ứng dụng Seal điện tử
- Các Seal điện tử được sử dụng để theo dõi vận chuyển hàng hóa và thu thập
các dữ liệu cần thiết để đánh giá hoặc xác định rủi ro, ngăn ngừa trốn thuế hải quan
- Giảm quá trình cho công chức hải quan kiểm tra, cũng làm giảm lỗi do con
người trong quá trình thực hiện .
-Tăng hiệu quả vận chuyển và giảm thời gian chờ đợi.
- An toàn cho thương mại trong nước và quốc tế.
- Giảm tham nhũng và hối lộ trong quá trình làm thủ tục hải quan.
 Các công trình nghiên cứu:

Trang 3

-

Trong bài báo “Development of vehicle tracking system using GPS and GSM
modem” [4] đã nói về việc thiết kế hệ thống giám sát phương tiện giao thông
sử dụng module GPS và GSM.

-

Trong bài báo “How to solve collision and authentication issues using RFID
protocol technology” [5] đã chỉ cách giải quyết vấn đề xung đột và xác thực
sử dụng công nghệ RFID.

-

Bài báo “The Role of Electronic Container Seal (E-Seal) with RFID
Technology in the Container Security Initiatives” [12] đã chỉ ra được vai trò
của E-Seal ứng dụng công nghệ RFID trong việc bảo vệ cho Container.

1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.4.1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và thi công thiết bị khóa điện tử sử
dụng công nghệ GSM, GPS và RFID để quản lý container. Dữ liệu truyền từ thiết bị
về server được bảo mật bằng mã hóa AES.
Thiết bị sẽ thực hiện việc đóng/mở bằng công nghệ RFID và giám sát hành
trình di chuyển cũng như việc đóng/mở khóa, góp phần hỗ trợ công tác quản lý và
tránh các thất thoát hàng hóa không mong muốn.
1.4.2. Nhiệm vụ của đề tài


Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến công nghệ GPS, GSM, RFID, mã hóa

AES



Thiết kế
 Sơ đồ khối cho hệ thống và thiết bị
 Tính năng của thiết bị
 Sơ đồ nguyên lý
 Giao thức truyền/nhận giữa thiết bị và server
 Cú pháp cấu hình thiết bị bằng tin nhắn SMS



Viết chương trình thực hiện các tính năng của thiết bị



Kiểm tra hoạt động của thiết bị và thực hiện chỉnh sửa phần cứng và phần mềm.

Trang 4


Chƣơng 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS và chuẩn NMEA
2.1.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS (Global Positioning System) hay còn được gọi là NAVSTAR
(NAVigation Satellite Timing And Ranging) là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để
cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi

nơi trên trái đất, trong mọi thời điểm và mọi điều kiện thời tiết. Hệ thống GPS có
thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài centimet. Tất nhiên với độ
chính xác càng cao thì cấu tạo của máy thu tín hiệu GPS càng phức tạp và giá thành
càng cao.
Hệ thống được phát triển bởi chính phủ Mỹ, quản lý bởi không lực Mỹ (U.S
Air Force) và giám sát bởi ủy ban định vị - Dẫn đường bộ quốc phòng Mỹ.
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment),
trung tâm điều khiển (Control Segment) và máy thu tín hiệu GPS (User Segment)
2.1.2. Chuẩn NMEA
2.1.2.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA
NMEA là một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa các thiết bị điện tử
dùng cho tàu thủy cũng như các thiết bị đo tốc độ gió, la bàn, máy lái tự động, thiết
bị thu GPS và rất nhiều các thiết bị khác được định nghĩa và phát triển bởi Hiệp hội
điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (National Marine Electronics Association).
Chuẩn NMEA sử dụng các ký tự ASCII đơn giản, phương thức truyền tuần
tự. Dữ liệu sẽ truyền đi một câu theo một chiều duy nhất từ một máy phát đến một
máy thu tại một thời điểm. Trên cơ sở đó, người ta cũng đã mở rộng để một máy
phát có thể đến nhiều máy thu, cũng như một máy thu có thể nhận thông tin từ
nhiều máy phát.

Trang 5


Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho
phép thiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác. Các câu dữ
liệu đều bắt đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng <CR><LF>.
Đối với các các thiết bị GPS, tất cả các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng
“$GPxxx” trong đó xxx là loại bản tin. Một số loại câu dữ liệu thường sử dụng:
 GGA: Global positioning system fixed data
 GLL: Geographic position-latitude/longitude

 GSA: GNSS DOP and active satellites
 GSV: GNSS satellites in view
 RMC: Recommended minimum specific GNSS data
 VTG: Course over ground and ground speed
 Cấu hình truyền thông nối tiếp (tầng liên kết dữ liệu)
 Tốc độ bit: 4800 bps
 Số bit dữ liệu: 8
 Bit chẵn lẻ: None
 Bit dừng: 1 hoặc nhiều hơn
 Cơ chế bắt tay thiết bị: không
Hầu hết các máy GPS hiện nay đều giao tiếp dựa trên chuẩn NMEA 0183,
một số thì vẫn có thể dùng được với chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182 với tốc độ
truyền dữ liệu chỉ có 1200 bps.
2.1.2.2 Giải mã một số đoạn mã NMEA
Những đoạn mã NMEA quan trọng nhất bao gồm GGA, RMC, GSA, GLL.
 GGA: cung cấp dữ liệu hiện thời.
 RMC: cung cấp những đoạn mã thông tin về thiết bị thu GPS một cách tối
thiểu.
 GSA: cung cấp dữ liệu về tình trạng vệ tinh.
 GLL: cung cấp thông tin về vị trí của các thiết bị thu GPS.
Thông thường cấu trúc chuỗi NMEA được định nghĩa thống nhất như sau:

Trang 6


 Mỗi chuỗi bắt đầu bằng ký tự $.
 Năm ký tự đầu tiên biểu hiện loại của chuỗi: hai ký tự đầu định nghĩa thiết bị
sử dụng chuỗi, ba ký tự tiếp theo xác định ý nghĩa của chuỗi trả về.
 Các trường dữ liệu nối tiếp nhau bởi dấu “,”. Khi trường dữ liệu cuối cùng
kết thúc, ký tự tiếp sau nó là dấu “*”. Sau dấu “*” là 2 ký tự số checksum biểu diễn

dưới dạng số hex. Checksum được tính bằng cách XOR tất cả các mã ASCII của tất
cả các trường giữa 2 dấu “$” và “*” kể cả mã ASCII của dấu “*”. Checksum không
bắt buộc đối với hầu hết các câu dữ liệu nhưng bắt buộc đối với RMA, RMB và
RMC.
 Các ký tự <CR><LF> kết thúc câu dữ liệu. Nếu dữ liệu cho một trường nào
đó không có thì trường đó trống và dấu “,” ngăn cách giữa các trường vẫn được
truyền đi.
 Trong đề tài, người thực hiện đã chọn đoạn mã NMEA là RMC, cấu trúc của
RMC như sau:
RMC – Cung cấp dữ liệu về vị trí, vận tốc, thời gian GPS - GPS PVT
(position, velocity, time).
Ví dụ ta có bản tin dạng RMC:
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120515, *10
Giải thích bản tin:
 RMC

Recommended minimum specific GNSS data

 161229.487

Giờ phút giây (% giây) hhmmss.sss

 A

Active – Tín hiệu hợp lệ (có tín hiệu)

V

Void – Tín hiệu không hợp lệ (không có tín hiệu)

 3723.2475

Latitude (Vĩ độ) – ddmm.mmmm

 N

North (Bắc)

S

South (Nam)

 12158.3416

Longitude (Kinh độ) – dddmm.mmmm

 E

East (Đông)

W

West (Tây)

Trang 7


 0.13

Speed over the ground in knots (Tốc độ trên mặt đất tính

bằng đơn vị hải lý)
 309.62

Track angle in degrees True (Hướng bám trên mặt đất tính

theo đơn vị độ) – True: Đúng
 120515

ddmmyy – Ngày tháng năm

 *10

The checksum data – Kiểm tra mã truyền tin

2.2. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM
Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile
Communications, viết tắt: GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di
động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn hai tỷ người trên 212 quốc gia và vùng
lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming 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 trên thế giới. Khả năng
phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến 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 điện thoại di động thế hệ thứ hai (second
generation, 2G). Lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành
thấp và 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. Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời như General Packet
Radio Service – GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution –
EDGE (năm 1999), mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức
cước phí hấp dẫn.

Trang 8


2.3. Công nghệ RFID
2.3.1. Thành phần của một hệ thống RFID
RFID là một kỹ thuật thu thập dữ liệu tự động được dùng để nhận dạng, theo
dõi và lưu thông tin trong một thẻ (tag).
Một hệ thống RFID không thể thiếu hai thành phần quan trọng cấu tạo nên
là: thẻ (Tag) và đầu đọc (Reader)
2.3.1.1. Thẻ (Tag)
Gồm có 2 phần:
 Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ:
chỉ đọc (read only), đọc – ghi (read - write), hoặc ghi một lần - đọc nhiều
lần (write once - read many)
 Anten được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader. Anten càng
lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.
Thẻ được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng như sản phẩm,
hộp hoặc pallet và được quét bởi các đầu đọc di động hoặc cố định bằng sóng radio.
2.3.1.2. Đầu đọc (Reader)
Để hệ thống RFID hoạt động cần có một đầu đọc hoặc thiết bị quét có khả
năng đọc các thẻ và chuyển kết quả đến một cơ sở dữ liệu.
Đầu đọc sử dụng anten của nó để liên lạc với thẻ. Khi đầu đọc phát sóng
radio thì tất cả các thẻ được định rõ để đáp lại tần số đó và trong phạm vi sẽ đáp lại.
Đầu đọc cũng có khả năng liên lạc với thẻ mà không trực tiếp nhìn thấy tùy thuộc
vào tần số radio và kiểu thẻ (tích cực, thụ động hoặc bán thụ động). Đầu đọc có thể

di động như thiết bị cầm tay để scan những đối tượng như pallet và các thùng, hộp
hoặc cố định như các thiết bị tính được sử dụng trong siêu thị. Các đầu đọc cũng có
dung lượng lưu trữ, dung lượng xử lý khác nhau và các tần số chúng có thể đọc.

Trang 9


2.3.2. Tần số vô tuyến mà RFID hoạt động
Việc chọn tần số radio là đặc điểm hoạt động chính của hệ thống RFID. Tần
số xác định tốc độ truyền thông và khoảng cách đọc thẻ. Nói chung, tần số cao hơn
cho biết phạm vi đọc dài hơn. Mỗi ứng dụng phù hợp với một kiểu tần số cụ thể do
ở mỗi tần số thì sóng radio có đặc điểm khác nhau. Chẳng hạn sóng có tần số thấp
(low frequency) có thể xuyên qua tường tốt hơn sóng có tần số cao hơn nó, nhưng
tần số cao có tốc độ đọc nhanh. Hệ thống RFID dùng phạm vi tần số không có đăng
ký gồm thiết bị y học, khoa học, công nghiệp được FCC cho phép (FCC cho phép
sử dụng tần số 2,4 GHz và 902-908 MHz cho các thiết bị y học, khoa học, công
nghiệp bao gồm công nghệ RFID).
Các thiết bị hoạt động trong dải tần không đăng ký này không gây ra tác hại
nhiễu và phải chấp nhận bất kỳ nhiễu nào nhận được. FCC cũng quy định giới hạn
năng lượng cụ thể kết hợp với mỗi tần số. Việc kết hợp giữa tần số và các mức năng
lượng cho phép xác định phạm vi thiết thực của một ứng dụng riêng biệt, ví dụ như
công suất năng lượng của các đầu đọc.
Có 4 tần số chính được sử dụng cho hệ thống RFID : low (băng tần từ 125
KHz - 134 KHz), high (13,56 MHz), ultrahigh (băng tần 900 MHz và băng tần 433
MHz), microwave (băng tần 2,45 và 5,8 GHz).
Tần số càng lớn thì khoảng cách đọc càng xa, tùy thuộc vào từng ứng dụng
cụ thể mà có thể chọn băng tần phù hợp.

Trang 10

S

K

L

0

0

2

1

5

4