Đồ án Xây dựng hệ thống dẫn đường và quản lý đối tượng di động trên công nghệ GPS và GSM

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN KỸ THUẬT ðO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP ðỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ðÀO TẠO CHÍNH QUY CHUYÊN NGÀNH ðO LƯỜNG – TIN HỌC CÔNG NGHIỆP ðề tài: Xây dựng hệ thống dẫn ñường và quản lý ñối tượng di ñộng trên công nghệ GPS và GSM Sinh viên thực hiện : Thái Bá Sơn Lớp : Kỹ thuật ño & Tin học công nghiệp I Khóa : 49 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TSKH Trần Hoài Linh HÀ NỘI 2009 MỤC LỤC Lời mở ñầu .........................................................................1 Chương I ðặt vấn ñề ......................................................1 I.1. Các yêu cầu cho thiết bị di ñộng (Thiết bị A):......................................................2 I.2. Các yêu cầu cho thiết bị quản lý tại trung tâm (thiết bị B):................................2 I.3. Máy tính:..................................................................................................................2 Chương II Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế ........3 II.1. Khối thu tín hiệu GPS:..........................................................................................4 II.1.1 Tìm hiểu hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS: ..........................................................4 II.1.2. Lựa chọn giải pháp: ........................................................................................10 II.2. Khối giao tiếp giữa hai thiết bị:..........................................................................11 II.2.1. Tìm hiểu công nghệ GSM/SMS: ....................................................................12 II.2.2. Lựa chọn giải pháp : .......................................................................................16 II.3. Khối lưu trữ dữ liệu ngoài (External Memory):...............................................16 II.3.1. Giao diện giữ thẻ nhớ với ngoại vi: ................................................................17 II.3.2. Kiến trúc thẻ nhớ: ...........................................................................................19 II.4. Khối hiển thị (Display):.......................................................................................21 II.5 Khối giao tiếp người máy: ..................................................................................25 II.6 Khối giao tiếp máy tính: .....................................................................................27 II.6.1 Giới thiệu chung về chuẩn USB: ....................................................................28 II.6.2 Giải pháp thực thi giao tiếp USB:...................................................................34 II.7 Khối ñiều khiển: ..................................................................................................35 Chương III Thiết kế và thi công thiết bị và phần mềm..36 III.1. Thiết kế phần cứng: ...........................................................................................36 III.1.1. Khối thu tín hiệu GPS (GPS module):...........................................................38 III.1.2 Khối giao tiếp giữa hai thiết bị (GSM module):............................................41 III.1.3 Khối lưu trữ dữ liệu ngoài (SD/MMC module): ...........................................42 III.1.4 Khối hiển thị (GLCD module): .....................................................................43 III.1.5 Khối giao tiếp người máy (Touchpad): ........................................................45 III.1.6 Khối giao tiếp máy tính (Giao tiếp USB):.....................................................46 III.1.7 Nguồn cung cấp:............................................................................................47 III.2 Thiết kế phần mềm:............................................................................................48 III.2.1 Phần mềm cho vi ñiều khiển: ........................................................................48 III.2.2 Phần mềm trên máy tính:...............................................................................53 Chương IV Các kết quả thực hiện .................................56 IV.1 Phần cứng:.......................................................................................................56 IV.1.1 Hình ảnh thiết bị:...........................................................................................56 VI.1.2 Kết quả kiểm tra: ...........................................................................................57 IV.2 Phần mềm: ......................................................................................................58 Chương V Ứng dụng và hướng phát triển .....................60 IV.1. Ứng dụng: ..........................................................................................................60 IV.2. Hướng phát triển: .............................................................................................61 Tài liệu tham khảo: ...........................................................63 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình I.1: Mô tả tổng quan hệ thống Digital Map ++ ..............................................1 Hình II.1: Sơ ñồ khối phân tích thiết kế thiết bị A ...................................................3 Hình II.2: Sơ ñồ khối phân tích thiết kế thiết bị B ...................................................3 Hình II.3: Mô hình các vệ tinh của hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS.........................4 Hình II.4: Hệ tọa ñộ ñịa tâm (có gốc tọa ñộ trùng với tâm trái ñất).......................6 Hình II.5: Mô hình máy thu GPS ............................................................................9 Hình II.6: Module thu GPS SKG25B....................................................................11 Hình II.7: Sơ ñồ kết nối khối tín hiệu 5V với khối tín hiệu 3,3V ..........................11 Hình II.8: Thẻ nhớ MMC ......................................................................................18 Hình II.9: Thẻ nhớ SD card. ..................................................................................19 Hình II.10: Kiến trúc thẻ nhớ SD/MMC ...............................................................19 Hình II.11: Sơ ñồ khối cấu tạo màn hình GLCD T6963C ...................................22 Hình II.12: Sơ ñồ khối cấu tạo màn hình GLCD KS0108B..................................24 Hình II.13: Cấu tạo của màn hình cảm ứng...........................................................26 Hình II.14: Cấu tạo màn hình cảm ứng 4 dây (4-wire Touch Screen) ..................26 Hình II.15: Biểu diễn (sơ ñồ nguyên lý) của màn cảm ứng khi bị lực tác ñộng ..27 Hình II.16: Cấu tạo loại màn hình cảm ứng trở kháng 5 dây................................27 Hình II.17: Tổ chức mạng dạng sao của chuẩn USB ...........................................29 Hình II.18: USB cable ...........................................................................................29 Hình II.19: Connector của cable nối tới host. .......................................................29 Hình II.20: Connector của cable nối tới Devices. .................................................30 Hình II.21: Cấu hình tốc ñộ bus cho device ..........................................................31 Hình II.23: IC giao tiếp USB FT245BM...............................................................34 Hinh III.1: Mô hình tổng quan hệ thống Digital Map ++ ......................................36 Hinh III.2: Sơ ñồ khối phần cứng thiết bị A..........................................................37 Hình III.3: Sơ ñồ khối phần cứng thiết bị B..........................................................37 Hình III.4: Module SKG25B..................................................................................38 Hình III.5: Mô hinh ghép nối khối tín hiệu 5V và khối tín hiệu 3.3V ...................39 Hình III.6: Mạch phân áp chuyển mức 5V - > 3.3 V .............................................39 Hình III.7. Chuyển mức 3.3V - > 5 V sử dụng 74HC244.....................................40 Hình III.8: Sơ ñồ thiết kế mạch cho module SKG25B..........................................41 Hình III.9: Sơ ñồ mạch giao tiếp ñiện thoại Nokia 3310 .......................................42 Hình III.10: Sơ ñồ mạch giao tiếp thẻ nhớ SD/MMC...........................................42 Hình III.11: Mạch giao tiếp T6963c với Vi ñiều khiển 2.......................................44 Hình III.12 Mạch giao tiếp KS0108B với vi ñiều khiển .......................................45 Hình III.14: Sơ ñồ mạch giao tiếp USB sử dụng vi ñiều khiển Pic18F4550 ........47 Hình III.15: Mạch khối tạo nguồn cho thiết bị A..................................................48 Hình III.16:. Mạch khối nguồn của thiết bị B ........................................................48 Hình III.17:. Lưu ñồ thuật toán cho phần mềm khối vi ñiều khiển 1 (thiết bị A) ..50 Hình III.18: Lưu ñồ thuật toán cho phần mềm khối vi ñiều khiển 2 (thiết bị A) ..51 Hình III.19: Lưu ñồ thuật toán cho phần mềm khối vi ñiều khiển (thiết bị B) .....52 Hình III.20: Lưu ñồ thuật toán cho phần mềm khối vi ñiều khiển (thiết bị B) ......53 Hình IV.1: Sơ ñồ mạch hoàn thành của thiết bị A .................................................56 Hình IV.2: Sơ ñồ mạch hoàn thành của thiết bị B..................................................56 Hình IV.3: Hình ảnh thiết bị hoàn thành (A (bên trái), B(bên phải)).....................57 Hình IV.4: Giao diện phần mềm trên máy tính (sử dụng cơ sở dữ liệu của Viện lâm nghiệp) ....................................................................................................................59 Hình IV.5: Giao diện phần mềm trên máy tính (sử dụng cơ sở dữ liệu của www.mapsgoogle.com)..........................................................................................59 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng II.1: Cấu trúc gói dữ liệu GPS......................................................................7 Bảng II.2: Bảng mã PID của một số gói tin chính trong giao thức USB ............32 Bảng III.1: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với GPS module .......................40 Bảng III.2: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với GSM module (thiết bị A) ...41 Bảng III.3: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với GSM module (thiết bị B). ..41 Bảng III.4: Thể hiện liệ kết chân vi ñiều khiển với SD/MMC..............................42 Bảng III.5: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với T6963C...............................43 Bảng III.5: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với KS0108B............................44 Bảng III.6: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với màn cảm ứng ......................45 Bảng III.7: Thể hiện liên kết chân vi ñiều khiển với dây USB .............................46 Bảng III.8: Một số tính năng của LM7805............................................................47 Bảng III.9: Một số tính năng của LM317..............................................................47 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết Tắt Viết ñầy ñủ GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile communications MCU Microcontroller SD/MMC Secure Digital / Multimedia Memory Card GLCD Graphic Lyquid Crytal Display USB Universal Serial Bus UTC Universal Time Coordinated NMEA National Marine Electronics Association SMS Short Message Service PDU Protocol Description Unit AT Attention F-bus Fast bus - 1 - Lời mở ñầu Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) ñã ñược Mỹ triển khai từ năm 1973 (sau ñó có thêm hệ thống GLONASS của Nga, hệ thống Galileo của liên minh Châu Âu). Ban ñầu hệ thống ñược triển khai nhằm mục ñích quân sự, cho tới nay, hệ thống ñã mở rộng và cho phép khai thác bởi tất cả các lĩnh vực trong ñời sống xã hội trên toàn thế giới. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông, ngày càng có nhiều ứng dụng khai thác sử dụng hệ thống GPS trong tất cả các lĩnh vực. Ở Việt Nam, trong những năm gần ñây cụm từ “GPS”cũng xuất hiện ngày một nhiều trong các thiết bị cầm tay có gắn kèm GPS cung cấp chức năng ñịnh vị cho người sử dụng (ñiện thoại di ñộng, thiết bị ñịnh vị cầm tay trong lâm nghiệp, thiết bị dẫn ñường trên ô tô,…). Tuy nhiên, do phải nhập ngoại hoàn toàn nên các thiết bị này có giá thành cao, mặt khác cả thiết bị lẫn các thành phần ñi kèm mới chỉ dừng lại ở mức người dùng cá nhân và khả năng ứng dụng ở nước ta còn hạn chế. Việc khai thác và ứng dụng thông tin GPS mang lại nhiều lợi ích thiết thực, giúp giải quyết ñược nhiều bài toán trong khoa học, quân sự cũng như trong ñời sống. Chẳng hạn ñối với một doanh nghiệp kinh doanh dịch vụ taxi, họ cần một trung tâm ñiều hành có thể nắm ñược vị trí của từng xe. Khi có khách gọi trung tâm ñiều hành sẽ gọi xe gần nhất tới phục vụ, ñiều này hạn chế tránh khỏi tắc nghẽn giao thông, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp. Kết hợp với mạng di ñộng GSM, trong ñề tài này sẽ xây dựng hệ thống dẫn ñường và quản lý ñối tượng di ñộng từ xa. ðây là một bài toán ñang “mở”ở Việt Nam chúng ta trên nhiều khía cạnh trong ñó ñáng quan tâm nhất là vấn ñề cơ sở dữ liệu vị trí ñịa lý và giá thành thiết bị. Tên ñề tài ñược chọn là “Hệ thống dẫn ñường và quản lý ñối tuợng di ñộng trên công nghệ GPS và GSM”, (gọi ngắn gọn là “Digital Map ++”, với ý nghĩa ñây là một hệ thống dẫn ñường và quản lý ñối tượng di ñộng dựa trên giao diện bản ñồ số và mở rộng thêm một số chức năng khác). I. ðặt vấn ñề - 1 - Chương I : ðặt vấn ñề Mục ñích của thiết kế là xây dựng một hệ thống dẫn ñường cho ñối tượng di ñộng và hệ thống giúp quản lý từ xa các ñối tượng di ñộng khác dựa trên công nghệ GPS và GSM. Bài toán này có thể dễ dàng thực hiện với các thiết bị cầm tay hiện có trên thị trường (các PDAs) có gắn module thu GPS hoặc sử dụng các thiết bị ñịnh vị chuyên dụng, tuy nhiên giá thành tương ñối ñắt so với ñiều kiện ở Việt Nam chúng ta, hơn nữa chúng ta khó can thiệp sâu vào bản thân thiết bị. Trong ñề tài này, hệ thống Digital Map ++ ñược xây dựng hoàn toàn thiết bị phần cứng sử dụng module GPS và GSM rời. Hệ thống Digital Map ++ gồm 3 phần chính: - Thiết bị dẫn ñường gắn trên ñối tượng di ñộng (tạm gọi là thiết bị A). - Thiết bị sử dụng ñể quản lý ñối tượng di ñộng (cầm tay hoặc kết nối máy tính) (tạm gọi là thiết bị B hay trung tâm). - Phần mềm trên máy tính giúp quản lý ñối tượng di ñộng. Hình I.1: Mô tả tổng quan hệ thống Digital Map ++ I. ðặt vấn ñề - 2 - I.1. Các yêu cầu cho thiết bị di ñộng (Thiết bị A): Thiết bị A là thiết bị gắn trên ñối tượng di ñộng (ô tô, tàu, thuyền,…), thu tín hiệu GPS ñể xử lý và giao tiếp với thiết bị B (thiết bị trung tâm) thông qua mạng di ñộng GSM. Các chức năng chính của thiết bị A: - Hiển thị thông tin lên màn hình bao gồm: + Bản ñồ số. + Thông tin kèm theo (tùy vào việc cài ñặt của người dùng): vận tốc; thời gian; ñiểm du lịch, trạm y tế, trạm nhiên liệu gần nhất,… - Giao tiếp với thiết bị B (trung tâm) ñể: + Gửi thông tin của thiết bị di ñộng về trung tâm. + Nhận lệnh ñiều khiển từ trung tâm. - Thực thi yêu cầu ñiều khiển ñược gửi tới từ trung tâm . I.2. Các yêu cầu cho thiết bị quản lý tại trung tâm (thiết bị B): Thiết bị B là thiết bị cầm tay hoặc có thể kết nối với máy tính ñể quản lý ñối tượng di ñộng. Từ thiết bị B, chúng ta có thể giám sát ñược tất cả các ñối tượng di ñộng trong hệ thống. Các chức năng chính của thiết bị B: - Hiển thị thông tin lên màn hình bao gồm: + thông tin về ñối tượng di ñộng (từ thiết bị A gửi về). + thông tin liên quan tới việc cài ñặt hệ thống. - Giao tiếp với máy tính ñể giám sát thông qua phần mềm trên máy tính. I.3. Máy tính: Hệ thống cho phép người dung quản lý ñối tượng di ñộng thông qua các phần mềm ñược xây dựng trên máy tính. Chức năng chính của phần mềm trên máy tính bao gồm : - Giao tiếp với thiết bị B ñể qua ñó giao tiếp với thiết bị A. - Hiển thị bản ñồ ñể quan sát vị trí của thiết bị A. - Lưu hành trình của thiết bị vào cơ sở dữ liệu. II. Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế - 3 - Chương II: Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế Hệ thống Digital Map ++ sử dụng thông tin GPS ñể ñịnh vị vị trí ñịa lý và giao tiếp với trung tâm ñiều khiển qua mạng GSM. Do ñó, hai công nghệ chính ñược khai thác ở ñây là hệ thống GPS và mạng di ñộng GSM. Ngoài ra, ñể phục vụ cho các tính năng của hệ thống thì cần phân tích và lựa chọn thêm các giải pháp khác bao gồm : lưu trữ dữ liệu bản ñồ, giao tiếp máy tính, tương tác người máy. Hệ thống gồm thiết bị di ñộng (thiết bị A) và thiết bị giám sát (thiết bị B) có sơ ñồ khối tổng thể như hình vẽ bên dưới: Hình II.1: Sơ ñồ khối phân tích thiết kế thiết bị A Hình II.2: Sơ ñồ khối phân tích thiết kế thiết bị B ðể triển khai thực hiện ñược hệ thống như hình trên, ta sẽ tuần tự phân tích và lựa chọn thiết bị cho từng khối như sau: - Khối GPS module. - Khối giao tiếp giữa hai thiết bị (Communication). - Khối bộ nhớ ngoài (External Memory). - Khối hiển thị (Display). - Khối giao tiếp người máy (HMI – Human Machine Interface). II. Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế - 4 - - Khối giao tiếp máy tính (PC Communication). - Khối ñiều khiển trung tâm (MCU). II.1. Khối thu tín hiệu GPS: II.1.1 Tìm hiểu hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS: GPS là viết tắt của cụm từ Global Positioning System, tạm dịch là hệ thống ñịnh vị toàn cầu, ñược bộ quốc phòng Mỹ triển khai vào năm 1973. Hiện nay có thêm hệ thống của Nga (ñược gọi là hệ thống GLONASS: Global Orbitting Navigation Satellite System), và mới ñây là hệ thống dẫn ñường vệ tinh châu âu ñang ñược xây dựng. Một ñiểm lưu ý là hệ thống GPS hay GLONASS khi mới ra ñời ñều phục vụ trước hết cho mục ñích quân sự, sau ñó mới cho phép mở rộng phục vụ cho dân sự. Tín hiệu phục vụ cho mục ñích dân sự là hoàn toàn miễn phí trong mọi ñiều kiện thời gian, thời tiết, quốc tịch. ðúng như tên gọi, hệ thống GPS giúp xác ñịnh vị trí của ñối tượng trên mặt ñất dựa vào khoảng cách so với các vệ tinh bay trên quỹ ñạo bên ngoài trái ñất với ñộ chính xác ñạt tới vài mét. Hình II.3: Mô hình phân bố các vị trí tương ñối của các vệ tinh trong hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS II.1.1.1. Mô tả hệ thống GPS: Hệ thống GPS gồm 3 phần: - Phần không gian (space segment): gồm 27 vệ tinh và 1 vệ tinh dự phòng. Bay quanh trái ñất 2 lần trong ngày với quỹ ñạo cực kỳ chính xác. Mỗi vệ tinh có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm Chân năng lượng mặt trời mở (có ñộ rộng 7m2) (tuy nhiên mỗi vệ tinh ñều ñược trang bị nguồn ắc-qui và ñược sử dụng khi vệ tinh bay vào góc khuất ánh sang mặt trời), công suất phát khoảng 50W, các vệ tinh cũng ñược trang bị các tên lửa nhỏ ñể ñiều khiển quỹ ñạo. ðộ cao của vệ tinh so với mặt ñất là 20.183 km, chu kỳ quay quanh trái ñất là 11h57’58”. Phần vũ trụ ñảm bảo II. Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế - 5 - cho bất kỳ vị trí nào trên mặt ñất ñều có thể quan sát ñược tối thiểu 4 vệ tinh ở góc trên 150 (nếu ở góc trông dưới 100 có thể trông ñược 10 vệ tinh, góc trông 50 có thể trông ñược 12 vệ tinh). Mỗi vệ tinh ñược trang bị một ñồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác và ñược ñiều khiển vị trí thường xuyên. Mỗi vệ tinh phát ra 2 tần số vô tuyến công suất thấp dải L1 (11.575, 42 MHz) và L2 (1.227,6 MHz). Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng có thể truyền qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các ñối tượng cứng như núi và nhà. Nhiệm vụ chính của phần không gian: + Ghi nhận và lưu trữ thông tin ñược truyền ñi từ phần ñiều khiển. + Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh. + Duy trì chính xác cao của thời gian bằng ñồng hồ nguyên tử. + Chuyển tiếp thông tin ñến người sử dụng. + Thay ñổi quỹ ñạo của các vệ tinh. - Phần ñiều khiển: gồm 1 trạm ñiều khiển chính, 5 trạm thu số liệu, 3 trạm phát số liệu. + Trạm ñiều khiển chính ñược ñặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập