Đồ Án Ứng dụng công nghệ GPS/GPRS giám sát hệ thống xe buýt (bus)

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Nội dung đồ án nghiên cứu về hệ thống quản lý hệ thống xe buýt dựa trên nền
công nghệ GPS kết hợp với công nghệ GPRS, hệ thống có nhiệm vụ theo dõi, giám sát
và điều hành hệ thống xe buýt trên địa bàn hoạt động.
Trên mỗi xe buýt đều được gắn một thiết bị có nhiệm vụ thu tín hiệu định vị
GPS từ vệ tinh, sau đó gửi về Server trung tâm thông qua mạng GPRS với giao thức
truyền TCP/IP, thiết bị này được gọi là thiết bị định vị GPS hay gọi tắt là thiết bị định
vị.
Ở Server trung tâm được kết nối mạng Internet và sử dụng phần mềm Java lập
trình mạng Socket để kết nối với thiết bị định vị, thông qua giao thức TCP/IP, nhằm
mục đích truyền nhận dữ liệu giữa 2 bên.
Tiếp theo đó Server trung tâm sẽ xử lý dữ liệu GPS nhận được từ thiết bị định
vị, sau đó hiển thị thông số tọa độ vị trí lên bản đồ số của phần mềm trung tâm hoặc
Google Map và gửi các lệnh điều khiển cũng như thông báo tới xe buýt và các trạm
dừng
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN . iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN v
ABSTRACT . vi
DANH MỤC HÌNH VẼ xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU . x v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . xvi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 1
1.1 Dẫn nhập 1
1.2. Mục tiêu đề tài 2
1.3. Giới hạn đề tài 2
1.4. Một số mô hình, ứng dụng trong việc quản lý và điều hành các phương tiện 3
1.4.1. Hệ thống thông tin địa lý GIS 3
1.4.2. Quản lý hệ thống xe buýt thông qua bộ đàm 3
1.5. Lựa chọn phương án thực hiện 3
1.6. Thiết kế hệ thống 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 6
2.1. Tổng quan về GPS. 6
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS. 6
2.1.2 . Các thành phần của GPS 8
2.1.2.1. Phần không gian 8
2.1.2.2. Phần điều khiển . 9
2.1.2.3. Phần người sử dụng . 1 0
2.1.3 Hoạt động của hệ thống 10
2.1.4. Bộ thu GPS. 1 1
2.1.5. Phương trình xác định tọa độ 1 3
vii


2.1.6. Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu 14
2.1.8. Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 14
2.1.9. Chuẩn NMEA0183 1 5
2.1.9.1. Sơ lược về chuẩn NMEA và chuẩn NMEA0183 1 5
2.1.9.2. Cấu trúc chuỗi NMEA 16
2.2. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 18
2.3 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS - General Packet Radio Service 18
2.3.1. Sơ lược 18
2.3.2. Kiến trúc hệ thống GPRS chung. 1 9
2.3.3. Địa chỉ IP . 2 0
2.3.4 Các lớp thiết bị GPRS 22
2.3.5 Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS 22
2.3.6 Các dịch vụ hỗ trợ . 2 3
2.4. GIỚI THIỆU SIM 548 23
2.4.1. Giới thiệu chung 23
2.4.2. Đặc điểm của module SIM548C 2 4
2.4.3. Sơ đồ chức năng 27
2.5. Giới thiệu về vi điều khiển ATMEGA128 . 3 0
2.5.1. Tổng quan về vi điều khiển ATMega128 3 0
2.5.2.Giao tiếp USART 34
2.5.3. Khối USART trong Atmega128 35
2.5.4. Giao tiếp I2C 4 0
2.5.4.1. Khái quát TWI và I2C 40
2.5.4.2. TWI trên AVR 41
2.5.5. Giao tiếp SPI 4 6
2.6. Giới thiệu IC thu phát âm thanh ISD2560 . 4 8
viii


2.6.1. Sơ đồ chân ISD2560 49
2.6.2. Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 . 4 9
2.6.3. Một số thông số cơ bản . 5 0
2.6.4. Mô tả chức năng các chân 5 0
2.6.5. Mô tả chức năng 54
2.6.5.1. Mô tả chi tiết . 5 4
2.6.5.2. Các MODE vận hành 55
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG . 6 0
3.1. Sơ đồ khối mạch phần cứng 6 1
3.2. Thiết kế phần cứng cho khối modul sim 548C 61
3.2.1. Thiết kế phần cứng cho phần GSM/GPRS 6 1
3.2.2. Thiết kế phần cứng cho phần GPS 6 6
3.3. Thiết kế phần cứng cho khối vi điền khiển ATMEGA128 69
3.4. Thiết kế phần cứng cho khối vi điền khiển ATMEGA32 7 1
3.5. Khối nguồn cung cấp . 7 2
3.5.1. Nguồn cung cấp cho phần GSM/GPRS 73
3.5.2. Nguồn cung cấp cho phần GPS và khối ATMega128 75
3.6. Khối hiển thị . 7 5
3.7. Khối tiếng nói 7 6
CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 77
4.1 Tập lệnh AT . 7 7
4.2 Tập lệnh AT sử dụng điều khiển module GSM và GPS . 7 9
4.2.1 Cấu hình cho phần cứng: module simcom548 truy cập GPRS 7 9
4.2.2 Truyền nhận thông báo về tình trạng GPRS . 8 3
4.2.3 Thiết lập kết nối 8 4
4.2.4 Truyền nhận gói . 8 5
ix


4.2.5 Hủy kết nối 86
4.3. Lập trình cho vi điều khiển Atmega 128 . 8 7
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHẦN MỀM SERVER 91
5.1. Yêu cầu và mục đích của hệ thống phần mềm . 9 1
5.2.Cấu trúc và sơ đồ giải thuật . 9 2
5.2.1. Cấu trúc . 9 2
5.2.2. Sơ đồ giải thuật . 9 3
5.3. Xây dựng phần mềm server quản lý phương tiện, ứng dụng giao thức TCP/IP 94
5.3.1 Ứng dụng giao thức TCP/IP trong việc liên kết các user qua mạng internet 94
5.3.1.1. Sơ lược về TCP server 94
5.3.1.2. Đơn vị điều khiển socket 94
5.3.1.3. Quy trình tạo một server trên máy tính sử dụng socket 9 4
5.3.2 Giải pháp ứng dụng của module Sim548 trong việc kết nối server- client 9 5
5.3.2.1. Đối với server 9 5
5.3.2.2. Module Sim548 95
5.3.3 Khả năng và mức độ đáp ứng của Server . 9 6
5.3.4 Vấn đề bảo mật của hệ thống 9 6
5.3.5 Giải pháp GPRS 97
5.4. Xây dựng phần mềm Server dùng Java 9 8
5.4.1 Java và lịch sử phát triển 9 8
5.4.2 Các khối chức năng thực hiện yêu cầu đặt ra . 9 9
5.4.3. Các công việc thực hiện để xây dựng phần mềm Server 99
5.4.3.1. Xây dựng bản đồ offline 100
5.4.3.2. Xây dựng thuật toán tính khoảng cách 1 01
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM . 1 02
6.1. Thực nghiệm đánh giá sai số của hệ thống . 1 02
x


6.2. Thực nghiệm đánh giá tính ổn định của hệ thống 107
CHƯƠNG 7: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN 1 08
7.1. Các kết quả đạt được 1 08
7.1.1. Thiết kế chế tạo thành công mạch phần cứng, hiển thị các thông số. 1 08
7.1.2. Xây dựng phần mềm server có chức năng giám sát và quản lý 109
7.1.3. Bản đồ offline 1 10
7.1.4. Ý nghĩa thực tiễn 110
7.2. Kết luận . 1 11
7.2.1 Kết luận 111
7.2.2. Các vấn đề còn chưa được giải quyết . 1 11
7.2.3. Đánh giá . 1 11
7.3. Hướng phát triển của đề tài . 1 12
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 1 13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Dẫn nhập
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhất là trong thời kỳ mở rộng về hoạt động của
các hệ thống vấn tải, yêu cầu quản lý chuyên nghiệp, hiệu quả, bài toán quản lý và
giám sát phương tiện giao thông công cộng trở nên rất bức thiết.
Bài toán này đặt ra cho hệ thống một số yêu cầu sau:
- Giám sát các phương tiện công cộng: xác định vị trí, theo dõi, cập nhật các
trạng thái của phương tiện công cộng: bao gồm cả các yếu tố bên trong
phương tiện.
- Truyền thông báo tới phương tiện công cộng và các trạm dừng
- Độ mở rộng và khả năng phục vụ lớn.
Một số giải pháp hiện nay:
- Cắt cử nhân viên theo dõi, ghi nhận các báo cáo bằng văn bản, hoặc đường
điện thoại.
- Sử dụng các module GPS - Galileo: các module này có chức năng thu tín
hiệu từ các hệ thống vệ tinh định vị, qua đó tính toán xác định được vị trí
của thiết bị đó theo hệ tọa độ địa lý: bao gồm kinh độ, vĩ độ và độ cao.
- GIS: là hệ thống phần mềm địa lý có chức năng tiếp nhận thông tin về vị trí
địa lý, sau đó xử lý và hiển thị trên hệ thống bản đồ số. Ví dụ như hệ thống
quản lý tàu đánh cá thông qua bộ đàm, quản lý taxi
Các vấn đề tồn tại trong thực tế:
- Đối với việc quản lý bằng các nhân viên cử theo các chuyến xe: tốn kém về
nhân lực và chưa hiệu quả. Khả năng giám sát và điều khiển chưa chuyên
nghiệp.
- Việc sử dụng các module xác định vị trí bằng GPS còn đơn giản, các thiết bị
hầu hết được nhập khẩu nguyên chiếc, ứng dụng đơn thuần xác định vị trí.
Bên cạnh đó giá thành còn cao và không chủ động được về mặt kỹ thuật.
- Với một số hệ thống quản lý thông tin về bản đồ số như GIS: tuy đã xây
dựng theo mô hình hệ thống mức độ phổ biến chưa cao. Ứng dụng mang
tính chuyên biệt, đặc biệt là mức chi phí đầu tư lớn, chủ động về mặt kỹ
thuật bị hạn chế.
1


1.2. Mục tiêu đề tài
Xuất phát từ thực tiễn đã nêu, đồ án thực hiện với những mục đích chính sau:
- Đối với nhóm sinh viên, đồ án là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm ứng
dụng GPS trong thực tế, đồng thời cũng là bước triển khai những kiến thức
đã được học. Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn
luyện tác phong, tinh thần khoa học, cũng như hoàn thiện phương pháp, tư
duy nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tiễn. Quan trọng hơn, đồ án còn
là bước “tổng kết và hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực
sự trở thành người kỹ sư.
- Về mặt ứng dụng thực tiễn, hệ thống góp phần giúp quản lý các tuyến xe
buýt một cách thông minh có hệ thống và thuận lợi, kịp thời đưa ra các
thông báo khi có sự cố trên các tuyến đường: kẹt xe, xe hư Người đi xe
buýt dễ dàng trong việc đón xe, tránh được tình trạng lên nhầm hay xuống
nhầm trạm do đã có sự thông báo trước
Ngoài ra, đồ án còn có ý nghĩa như những bước đầu chập chững tiếp cận công
nghệ GPS đang ngày càng phát triển như vũ bão, góp phần làm “điểm tựa” cho các thế
hệ sau của trường ta đạt được những nấc thang cao hơn của công nghệ GPS nói riêng,
của công nghệ và kỹ thuật nói chung.
1.3. Giới hạn đề tài
Đối với trường ta, công nghệ GPS là một vấn đề mới, chưa được đưa vào giảng
dạy, cũng như có rất ít ứng dụng cụ thể được triển khai. Nguyên nhân có thể do đây là
ngành khoa học còn nhiều mới mẻ, và khó khăn, giá thành cho thiết bị nghiên cứu khá
đắt.
Đối với nước ta, ứng dụng GPS chưa nhiều do tính phức tạp, do trình độ công
nghệ chưa đủ và do giá thành linh kiện liên quan GPS còn khá đắt. Và quan trọng hơn
là vẫn còn thiếu các mô hình hỗ trợ cho việc dạy và học
Do đó yêu cầu thực hiện đề tài được bộ môn, giáo viên hướng dẫn đặt ra cho
nhóm sinh viên là: ứng dụng công nghệ GPS/GPRS định vị, giám sát và truyền thông
đến tuyến xe buýt và các trạm dừng.
2


1.4. Một số mô hình, ứng dụng trong việc quản lý và điều hành các phương tiện.
1.4.1. Hệ thống thông tin địa lý GIS
Công nghệ GIS (Geographic Information System) được ứng dụng trong các
điều tra nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên, đất đai, đánh giá các tác động của
môi trường, quy hoạch đô thị, lịch sử địa lý, khoa học bản đồ, marketing, vận tải ví
dụ như GIS có thể được ứng dụng để quản lý các vùng đất đai và nước bị ô nhiễm, hỗ
trợ các nhà hoạch định, chuyên gia ra quyết định kịp thời và đúng đắn trên vùng bị ô
nhiễm. GIS cũng có thể dùng để thống kê, phân tích, lập bản đồ phân bố khách hàng,
các vị trí kinh doanh hay hệ thống bán hàng để hỗ trợ việc ra các quyết định kinh
doanh.
Thông tin địa lý có thể được truy xuất, truyền tải, chuyển đổi, và hiển thị bằng
nhiều ứng dụng phần mềm. Trong công nghiệp, các sản phẩm thương mại từ các công
ty như SmallWorld, Manifold System, ESRI, Intergraph, Mapinfo và AutoDesk giữ ưu
thế với các bộ công cụ toàn diện. Chính phủ và các cơ quan an ninh, quân đội thường
sử dụng các phần mềm riêng, các sản phẩm mã nguồn mở như GRASS và nhiều sản
phẩm riêng biệt khác đáp ứng tốt các nhu cầu cụ thể. Các công cụ miễn phí để xem tập
dữ liệu GIS, truy cập công cộng các thông tin địa lý được thống trị bởi các nguồn tài
nguyên trực tuyến như Google Earth và bản đồ web tương tác.
1.4.2. Quản lý hệ thống xe buýt thông qua bộ đàm.
Mô tả: trên mỗi chiếc xe buýt của hệ thống được trang bị một chiếc bộ đàm có
khả năng liên lạc với trung tâm bằng sóng VHF. Trung tâm quản lý có thể giao tiếp
trực tiếp với lái xe thông qua kênh thoại. Bên cạnh đó có thể dùng bộ ghép nối tín hiệu
để truyền dữ liệu.
Hệ thống này rất phổ biến, tuy nhiên tồn tại một số thực trạng: Bị ảnh hưởng
của nhiễu lớn, bên cạnh đó là vùng phủ sóng nhỏ, chỉ trong phạm vi vài chục km.
1.5. Lựa chọn phương án thực hiện.
Để khắc phục các thực trạng trên và tìm ra một giải pháp tối ưu hơn nhóm đã
kết hợp giữa công nghệ GPS và mạng di động GSM (cụ thể là công nghệ GPRS) để
đưa ra một hệ thống quản lý tối ưu hơn:
- Chi phí đầu tư, chi phí bảo trì và sử dụng thấp.
- Có khả năng quản lý hệ thống rộng lớn.
3