Đồ án Xây dựng hệ thống phục vụ bài toán quản lý, dẫn đường cho phương tiện giao thông

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 1 LỜI NÓI ĐẦU Qua năm năm học tập và rèn luyện tại đại học Bách Khoa Hà Nội, với đồ án tốt nghiệp, chúng em thực sự muốn vận dụng những kiến thức mình được học để giải quyết một bài toán thực tế. Với sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn, chúng em chọn đề tài quản lý phương tiện giao thông là trọng tâm. Trong quá trình hoàn thành đồ án, không những vận dụng kiến thức mình được học vào thực tế, chúng em đã học được thêm nhiều kỹ năng cần thiết trong công việc và cuộc sống. Khả năng làm việc theo nhóm, học hỏi để giải quyết các bài toán cụ thể là những điều chúng em được rèn luyện rất nhiều. Thêm vào đó là tư duy của một nhà kỹ thuật, tư duy thực nghiệm là điều chúng em tự hào khi học được từ các thầy, các anh chị và bạn bè. Để hoàn thành được đồ án này, chúng em đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của rất nhiều người. Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo hướng dẫn là thầy giáo Vũ Văn Yêm và thầy giáo Nguyễn Xuân Quyền, các thầy đã chỉ dẫn cho chúng em rất nhiều về mặt kiến thức, kỹ thuật đồng thời đưa ra cho chúng em nhiều định hướng, ý tưởng và tạo mọi điều kiện tốt nhất về mặt thiết bị, địa điểm giúp em làm việc. Thêm vào đó là các anh chị có nhiều kinh nghiệm trong các lĩnh vực có liên quan: anh Bùi Huy Tuấn, anh Vương Hải Tú, anh Nguyễn Minh Hải, anh Đào Việt Hùng. Các bạn cùng khóa cũng giúp đỡ chúng em rất nhiều như bạn Trần Đức Khoa, Nguyễn Đức Việt. Hà Nội, tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoài Linh Nguyễn Trung Kiên Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 2 BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC Nguyễn Hoài Linh Nguyễn Trung Kiên Thiết kế và chế tạo phần cứng. Thiết kế và xây dựng phần mềm quản lý trung tâm. Lập trình vi điều khiển. Lập trình vi điều khiển. Xây dựng và thử nghiệm thuật toán đa truy nhập. Nghiên cứu về hệ thông tin địa lý GIS và phần mềm mã nguồn mở MapServer. Nghiên cứu phương pháp điều chế số GMSK. Xây dựng và thử nghiệm thuật toán đa truy nhập Xây dựng hệ thống Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS, module GPS. Nghiên cứu phương pháp điều chế GMSK. Viết đồ án Chương 1, chương 2, chương 3, phần kết luận. Chương 2, chương 4, chương 5, phần mở đầu Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 3 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tập trung đưa ra giải pháp, xây dựng hệ thống phục vụ bài toán quản lý, dẫn đường cho phương tiện giao thông như quản lý taxi, quản lý tầu cá cỡ nhỏ…bằng việc nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS, công nghệ định vị toàn cầu GPS và kỹ thuật điều chế số GMSK. Hệ thống đảm bảo liên lạc hai chiều giữa trung tâm và phương tiện nhờ bộ đàm làm việc ở băng tần VHF. Các thông tin của phương tiện được thu nhận nhờ module GPS, các cảm biến... và được đóng gói vào một bản tin, truyền về trung tâm. Tại đây, thông tin của phương tiện được xử lý bởi phần mềm bản đồ số viết bằng ngôn ngữ C# trên hệ điều hành MS Windows. Thông qua giao diện trực quan và dễ sử dụng, trung tâm có thể gửi các thông tin quản lý trở lại cho phương tiện. Hệ thống được thử nghiệm với bài toán cụ thể là quản lý xe taxi trong địa bàn thành phố Hà Nội. Qua đó, bước đầu đã đưa ra được thuật toán chia sẻ kênh truyền, tiến hành thử nghiệm với 3 user, đánh giá được tỷ lệ lỗi bit khi truyền ở khoảng cách xa. ABSTRACT This thesis concentrates to give the solution and build a system for management and navigation problem for vehicle as well as taxi management, small ship management... by studying of Geographic Information System, Global Positioning System and GMSK modulation technique. The system insures mutual communicating information between supervising centre and mobile vehicles by walkie-talkie which operates on VHF band. The information of vehicle is received by GPS module, sensors... then packaged into a message and transmitted forward to the centre. Here the information of vehicle is processed by digital map software which written by C# programming in MS Windows OS. Through friendly interface, easy to use, centre operator can send the management information backward to vehicles. System was implemented with taxi management problem in Ha Noi City. Through it, we also presented the channel sharing algorithm, performed implementing three users, and valuated bit error ratio when transmitting at long distance. Mục lục Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 4 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................ 1 BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC............................................................................................ 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN ..................................................................................................................... 3 MỤC LỤC .................................................................................................................................. 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................................ 7 DANH SÁCH BẢNG BIỂU..................................................................................................... 10 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................... 11 PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 12 Ý tưởng về đề tài................................................................................................................... 12 Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài ................................................................................. 13 Mục tiêu của đề tài................................................................................................................ 13 Cấu trúc đề tài ....................................................................................................................... 14 CHƯƠNG I. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS................................................................................................................... 15 1.1 Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System).................................. 15 1.1.1 Lịch sử phát triển ..................................................................................................... 15 1.1.2 Phần mềm GIS ......................................................................................................... 17 1.1.3 Nền tảng................................................................................................................... 17 1.1.4 Xây dựng dữ liệu ..................................................................................................... 18 1.1.5 Thu thập dữ liệu....................................................................................................... 18 1.1.6 Dữ liệu địa lý ........................................................................................................... 19 1.1.7 Dữ liệu phi không gian ............................................................................................ 19 1.1.8 Biểu diễn dữ liệu...................................................................................................... 19 1.1.9 Biên dịch Raster sang Vector................................................................................... 22 1.1.10 Chiếu bản đồ và các hệ tọa độ ............................................................................... 23 1.1.11 Mã hóa địa lý các địa chỉ ....................................................................................... 24 1.1.12 Thống kê ................................................................................................................ 24 1.1.13 Bộ đọc GIS............................................................................................................. 25 1.1.14 Web API ................................................................................................................ 25 1.1.15 Phần mềm GIS mã nguồn mở và miễn phí ............................................................ 25 1.1.16 Các thành phần của GIS......................................................................................... 26 1.2 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS........................................................................ 27 1.2.1 Phân hệ không gian.................................................................................................. 29 1.2.2 Phân hệ Người sử dụng........................................................................................... 29 1.2.3 Phân hệ Điều khiển ................................................................................................. 30 1.2.4 Cấu trúc tín hiệu GPS ............................................................................................. 31 1.2.5 Các hệ thời gian ...................................................................................................... 33 1.2.6 Các nguồn gây lỗi và sai lệch vị trí trong GPS....................................................... 34 Mục lục Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 5 1.2.6.1 Lỗi lịch thiên văn .............................................................................................. 35 1.2.6.2 Khả năng chọn lọc ............................................................................................ 35 1.2.6.3 Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu ........................................................................ 37 1.2.6.4 Lỗi đa đường..................................................................................................... 38 1.2.6.5 Biến đổi tâm pha anten ..................................................................................... 40 1.2.6.6 Nhiễu đo lường máy thu ................................................................................... 40 1.2.6.7 Trễ tầng điện ly ................................................................................................. 41 1.2.6.8 Trễ tầng đối lưu................................................................................................. 43 1.2.6.9 Sai số khoảng cách tương đương ...................................................................... 44 1.2.7 Khối thu GPS........................................................................................................... 45 1.2.7.1 Sơ lược về NMEA 0183 ................................................................................... 45 1.2.7.2 Định dạng chung của bản tin ............................................................................ 46 1.2.7.3 IC thu tín hiệu GPS GPM1315 ......................................................................... 48 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................................... 51 2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát ................................................................................................ 51 2.2 Cấu trúc và chức năng hệ thống...................................................................................... 52 2.3 Thuật toán điều khiển ..................................................................................................... 54 2.3.1 Giải thuật chia sẻ kênh truyền.................................................................................. 54 2.3.2 Hoạt động................................................................................................................. 55 2.3.2 Lưu đồ thuật toán..................................................................................................... 56 2.3.3 Thuật toán truyền đồng bộ ....................................................................................... 57 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ CÁC MODULE ĐẦU CUỐI ........................................................ 61 3.1 Thiết kế trạm di động MS (Mobile Station) ................................................................... 61 3.1.1 Vi điều khiển............................................................................................................ 62 3.1.1.1 Lựa chọn vi điều khiển ..................................................................................... 62 3.1.1.2 Giới thiệu Vi điều khiển AVR Atmega128 ...................................................... 62 3.1.1.3 Giao tiếp USART.............................................................................................. 64 3.1.2 Khối điều chế và giải điều chế GMSK .................................................................... 71 3.1.2.1 Phương pháp điều chế số khoá dịch pha tối thiểu GMSK................................ 71 3.1.1.2 Bộ phát GMSK ................................................................................................. 75 3.1.2.3 IC điều chế và giải điều chế GMSK ................................................................. 77 3.1.3 Khối khuếch đại RF ................................................................................................. 81 3.1.4 Thiết bị thu phát FM ................................................................................................ 83 3.1.5 Các khối phụ khác.................................................................................................... 88 3.1.5.1 Khối hiển thị ..................................................................................................... 88 3.1.5.2 Khối đọc thẻ từ ................................................................................................. 90 3.1.5.3 Khối cảm biến................................................................................................... 91 3.1.6 Nguồn nuôi hệ thống................................................................................................ 91 3.2 Thiết kế trạm trung tâm BS (Base Station)..................................................................... 92 3.3 Chế tạo các module phần cứng ....................................................................................... 95 3.4 Phần mềm vi điều khiển.................................................................................................. 96 3.4 Tổng kết .......................................................................................................................... 99 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ TRUNG TÂM .................................... 100 4.1 Xử lý, hiển thị dữ liệu bản đồ ....................................................................................... 100 4.1.1 Hệ quy chiếu trắc địa ............................................................................................. 100 Mục lục Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 6 4.1.2 Phần mềm GIS ....................................................................................................... 102 4.1.3 MapServer.............................................................................................................. 103 4.1.4 Thực hiện giải pháp ............................................................................................... 105 4.2. Biểu diễn vị trí không gian trên bản đồ ....................................................................... 107 4.2.1 Xác định vị trí các phương tiện.............................................................................. 107 4.2.2 Biểu diễn vị trí và thông tin chi tiết của phương tiện ............................................ 108 4.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu................................................................................................ 109 4.3.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu và sơ đồ quan hệ ................................................................ 109 4.3.2 Thủ tục quản lý các phương tiện và lái xe ............................................................. 111 4.4 Quản lý kết nối truyền thông nối tiếp (COM) .............................................................. 111 4.4.1 Cài đặt và điều khiển kết nối ................................................................................. 111 4.4.2 Truyền và nhận dữ liệu .......................................................................................... 112 4.5. Cập nhật thông tin định vị........................................................................................... 112 4.6 Chức năng tìm kiếm...................................................................................................... 113 4.7 Chức năng gửi thông tin đến xe.................................................................................... 113 CHƯƠNG V. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ................................................................................................................................................ 114 5.1 Ảnh hưởng nguồn nhiễu từ anten ................................................................................. 114 5.2 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống................................................................................ 115 5.2.1 Thử nghiệm hệ thống............................................................................................. 115 5.2.3 Thử nghiệm hệ thống truy cập nhiều user ............................................................. 121 5.3 Hướng phát triển đề tài ................................................................................................. 121 KẾT LUẬN............................................................................................................................. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 126 PHỤ LỤC 1. SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ............................................................................... 127 PHỤ LỤC 2. HÌNH ẢNH SẢN PHẨM PHẦN CỨNG......................................................... 132 PHỤ LỤC 3. QUYẾT ĐỊNH SỐ 05/2007/QĐ-BTNMT NGÀY 27 THÁNG 2 NĂM 2007 – SỬ DỤNG HỆ THỐNG THAM SỐ TÍNH CHUYỂN GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC TẾ WGS- 84 VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VN-2000........................................................................... 134 Danh sách hình vẽ, bảng biểu và các từ viết tắt Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 7 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu diễn dữ liệu trong GIS.................................................................................... 20 Hình 1.2 Các thành phần của một hệ thống thông tin địa lý GIS ...................................... 26 Hình 1.3 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS............................................................... 27 Hình 1.4 Các thành phần của GPS........................................................................................ 28 Hình 1.5 Phân hệ không gian ................................................................................................. 29 Hình 1.6 Phân hệ người sử dụng ........................................................................................... 30 Hình 1.7 Phân hệ điều khiển .................................................................................................. 31 Hình 1.8 Nguồn gây lỗi và sai lệch vị trí GPS....................................................................... 34 Hình 1.9 Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên khi có SA..................................... 36 Hình 1.10 Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên sau khi chấm dứt SA ............... 37 Hình 1.11 Ảnh hưởng của phân tập đa đường ..................................................................... 39 Hình 1.12 IC thu GPS GPM1315 .......................................................................................... 48 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát ............................................