BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TỔNG CÔNG TY BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI MIỀN NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2011
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁO HIỆU
HÀNG HẢI TỪ XA THÔNG QUA MẠNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG GSM PHỤC VỤ
BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI Chủ nhiệm đề tài
ThS. Phạm Tuấn Anh

9491

Vũng Tàu, 2012
LỜI NÓI ĐẦU

Báo cáo này là kết quả của quá trình thực hiện đề tài Nghiên cứu Khoa học “Nghiên cứu
xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng điện thoại
di dộng GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải” đăng ký năm 2010 do ThS. Phạm Tuấn
Anh làm chủ nhiệm, Tổng Công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Nam chủ trì.
Báo cáo gồm có 8 chương và 1 phụ lục:
•


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG. 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Lịch sử mạng GSM 1
1.3 Giao tiếp radio 2
1.4 Cấu trúc mạng GSM 3
1.5 Hạ tầng mạng GSM Việt Nam và cơ sở phát triển hệ thống 4
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6
2.1 Cơ sở thiết kế 6
2.2 Mô hình hệ thống 7
2.3 Định hướng kỹ thuật và công nghệ 9
2.3.1. Mô hình đa lớp và kh
ả năng xử lý 9
2.3.2. Mô hình triển khai 10
2.3.3. Công nghệ nền 11
2.3.4. Công nghệ triển khai 11
2.4 Phần mềm/Hệ thống giám sát và kiểm soát báo hiệu từ xa 11
2.4.1. Giới thiệu 11
2.4.2. Qui trình nghiệp vụ 12
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN 15
3.1. Mạng GSM và công nghệ GPRS 15
3.1.1. Tổng quan 15
3.1.2. Các kiểu chuyển mạch 16
3.1.2.1 Chuyển mạch kênh 16
3.1.2.2 Chuyển mạch gói 16
3.1.3. Đặc điểm của hệ thống GPRS 16
3.1.4. Kiến trúc mạng GPRS 17
3.1.4.1 TE 18

3.3.2.2 Khai báo linh kiện 43
3.3.2.3 Khai báo nguồn 46
3.3.2.4 Các kiểu phân tích 50
3.3.2.5 Kết quả mô phỏng 51
CHƯƠNG IV. KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN HẢI ĐĂNG 54
4.1. Tính năng của khối 54
4.2. Sơ đồ khối 54
4.3. Chức năng các khối con 55
4.3.1. Khối vi xử lý 55
4.3.2. Khối GSM/GPRS 57
4.3.3. Khối cảm biến đọc chu kỳ đèn chính./phụ 58
4.3.4. Khối cảm biến dòng đèn chính./phụ 59
4.3.5. Khối cảm biến acquy 60
4.3.6. Khối cảm biến Serial Eeprom 61
4.3.7. Led status 62
CHƯƠNG V. KHỐI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ĐẶT LÊN PHAO 63
5.1. Tính năng của khối 63
5.2. Sơ đồ khối 63
5.3. Chức năng các khối con 64
5.3.1. Khối vi xử lý 64
5.3.2. Khối GPS 66
5.3.3. Khối GSM 67
5.3.4. Nguồn cấp 69
5.3.5. Memory storage 70
5.3.6. Cảm biến phát hiện trộm 71
5.3.7. Cảm biến dòng 72
5.3.8. Led status 74
5.3.9. Light disk 75
5.3.10. Khối Light disk control 75
5.3.11. Khối Clash sensor 76

7.4.2.2.1. Đăng nhập hệ thống 96
7.4.2.2.2. Quản lý thông tin 98
7.4.2.2.3. Giám sát trực tuyến 100
7.4.2.2.4. Báo cáo 103
7.4.2.2.5. Cấu hình 104
7.5. Kết quả 104
7.5.1. Phạm vi và phương pháp thử nghiệm 105
7.5.2. Kết quả 107
7.5.2.1. Về mặt định tính 108
7.5.2.2. Về mặt định lượng 108
CHƯƠNG VIII. KẾT QUẢ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111
8.1. Kết quả luận án 111
8.2. Hướng phát triể
n 111
PHỤ LỤC 112
1. Một số hình ảnh phao và hải đăng
2. Sourcecode phát triển hệ thống
TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CƠ SỞ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

1.1. Giới thiệu chung
GSM, còn gọi là mạng thông tin di động toàn cầu, là cụm từ viết tắt cũa Global
System for Mobile communication. Đây là một trong những công nghệ về mạng điện thoại

1.3. Giao tiếp Radio
GSM là mạng điện thoại di động do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng
bằng cách tìm kiếm, kết nối với các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động
trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng tần 900Mhz và 1800Mhz. Vài nước ở Châu
Mỹ thì sử dụng băng tần 850Mhz và 1900Mhz do băng 900Hhz và 1800Mhz ở nơi này đã
bị sử dụng trước.
Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400Mhz hay 450Mhz chỉ có ở Scandinavia
sử dụng do các bă
ng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác.
Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dãi 890-
915Mhz và đường downlink sử dụng tần số trong dãi 935-960 Mhz. Họ chia các băng tần
này thành 124 kênh với độ rộng băng thong 25Mhz, mổi kênh cách nhau 1 khoảng 200Khz.
Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia ra
8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate. Có 8 khe thời gian gộp lại gọi thành một khung
TDMA. Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833Kbit/s và khoảng th
ời gian của một
khung là 4.615ms.
Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watts đối với băng GSM
850/900Mhz và tối đa là 1 watts đối với băng GSM 1800/1900Mhz.
Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hóa âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3.1 Khz đó là mã
hóa 6 và 13 Kbps gọi là Full rate (13 Kbps) và Haft rate (6 Kbps). Để nén họ sử dụng hệ
thống có tên là Linear Predictive Coding (LPC).
Vào năm 1997 thì họ cải tiến thêm cho mạng GSM là bộ mã GSM-ERR sử dụng full rate
12.2 kbps.
3

Có tất cả 4 kích thước cell site trong mạng GSM đó là marco, micro, pio và umbrella.
Vùng phủ sóng của mổi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell được lắp trên cột
cao hoặc trên các tòa nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư,
pico cell thì tầm phủ song chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng

mạng này đã phủ kín toàn bộ vùng biển gần bờ Việt Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho ngư
dân đánh bắt tại các ngư trường xa bờ.
Theo kết quả đo kiểm đầu tháng 5/2011 của Viettel, hơn 3.000 km vùng biển gầ
n bờ
Việt Nam đã được Viettel phủ sóng điện thoại di động. Tại những ngư trường lớn như Cà
Mau – Kiên Giang, Bà Rịa – Vũng Tàu, vùng phủ sóng cách đất liền lên tới hơn 200 km.
5

Với tầm phủ rộng, ngư dân đánh bắt xa bờ tại nhiều vùng biển có thể sử dụng điện thoại di
động để liên lạc với người thân tại đất liền. Ngoài ra, người dùng có thể truy cập Internet
qua GPRS/EDGE để đọc tin tức, cập nhật giá cả, thời tiết,… ngay giữa biển khơi.

Hình 1.2 Viettel phủ sóng khắp vùng biển Việt Nam (Nguồn: Viettel)
Với những điều kiện thuận lợi trên, chúng tôi đã đưa ra những giải pháp hiệu quả nhất,
đó là hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa bằng đường truyền sóng điện
thoại di động GSM/GPRS. Giải pháp này với ưu điểm là sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn là
các trạm thu phát sóng
điện thoại di động mà đã phủ sóng khắp toàn đất nước nên không
cần xây dựng những trạm thu phát, trạm trung chuyển. Với công nghệ được nghiên cứu
trong nước cũng cho nhiều ưu điểm như giá sản phẩm thấp, dễ dàng nâng cấp và tích hợp
với các sản phẩm trong nước, tiện lợi trong công tác bảo dưỡng và sửa chữa, phù hợp với
điều kiện môi trường của vùng nhi
ệt đới và góp phần trong công cuộc công nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước.

6

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT & KIỂM SOÁT BÁO HIỆU HÀNG HẢI
2.1 Giới

8

Hình 2.2 Phao/tiêu và các thiết bị ngoại vi
Tiêu báo hiệu
Thiết bị báo hiệu trên tiêu
- Đèn
- Racon
- AIS (Một số tiêu có)
Thiết bị cung cấp năng lượng
- Pin năng lượng mặt trời
Phao và tiêu (đăng tiêu, chập tiêu) là các thiết bị báo hiệu dẫn luồng.
• Cấu tạo hoạt động chung của một báo hiệu
Cấu tạo chung của một đèn biển gồm có hai phần chính: nguồn cung cấp nguồn và hệ
thống chức năng. Nguồn cung cấp thường là điện lưới, máy phát điện và pin năng lượng mặt
trời. Hệ th
ống chức năng gồm có đèn, thường có đèn chính và đèn phụ, hệ thống các thiết bị
điện tử phụ trợ giúp đèn hoạt động, trong đó chủ yếu các cảm biến để xác định ngày/đêm để
giúp chọn chế độ hoạt động thích hợp.

Cảm biến 1
Cảm biến 2
Đèn
Motor 2
Tủ điều
khiển II
Motor 1
Tủ điều
khiển 1
Ổn áp
CB

toàn hàng hải trên biển. Việc giám sát báo hiệu hàng hải gồm có:
Quản lý luồng: luồng được hiểu như là “con đường” trên biển, luồng được thiết lập và
phân biệt bởi hệ thống các phao hoặc tiêu báo hiệu, người điều khiển tàu bè dựa vào hệ

thống phao/tiêu báo hiệu này để nhận biết “con đường” và đi theo, do vậy, quản lý luồng
chính là quản lý hệ thống phao/tiêu báo hiệu để đảm bảo luôn hoạt động liên tục, đúng chức
năng, nghĩa là đảm bảo “con đường” trên biển luôn thông suốt.
Chớp
Quang tr
ở
Accu
Tiết chế
Solar
panel
Đèn
10


Hình 2.5 Minh họa về luồng (hay còn gọi là “đường” trên biển)
Quản lý hải đăng: hải đăng có vai trò định hướng, dẫn đường, cảnh báo nguy hiểm cho
các con tàu đi trong đêm. Quản lý hải đăng nhằm đảm bảo hải đăng luôn hoạt động liên tục,
đa số các hải đăng đều có trạm có người ở tại hải đăng, và có công nhân quản lý hải đăng.
Tuy nhiên cũng có một số hải
đăng không có người quản lý trực tiếp ở đó, vì do điều kiện
khó khăn không thể ở được. Nên công tác bảo đảm cho đèn luôn hoạt động là điều khó.
2.2 Tổng
quan về tình hình phát triển trong và ngoài nước
11

2.2.1 Ngoài nước

khả năng kết nối và xử lý cùng lúc nhiều báo hiệu hàng hải, gồm cả phao và hải đăng, cho
phép giám sát và điều khiển tính năng của các báo hiệu hàng hải từ xa.

Hình 2.6 Mô hình hệ thống giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải từ xa Navlink
Trong hệ thống này, các báo hiệu hàng hải (phao, hải đăng) được gắn các thiết bị giám
sát hoạt động và gởi thông tin về trung tâm theo các chế độ hoạt động định kỳ hoặc khẩn
cấp, hệ thống phần mềm thu thập thông tin gởi về và giúp người bảo đảm an toàn hàng hải
có được thông số hoạt động của các báo hiệu một cách tứ
c thời (real-time). Phương thức
truyền nhận dữ liệu được sử dụng trong hệ thống này gồm có: đường truyền vệ tinh, sóng
VHF, sóng di động.
13

Trên thế giới có một số thiết bị của các nước Ấn Độ, Tây Ban Nha, Trung Quốc, tuy
nhiên, để phát huy hết tính năng ưu việt thì cần phải xây dựng hệ thống giám sát, kiểm soát,
nghĩa là phải nắm rất rõ về công nghệ chế tạo thiết bị.

Hình 2.7 Thiết bị giám sát, kiểm soát phao báo hiệu của Ấn độ

Hình 2.8 Thiết bị giám sát, kiểm soát phao báo hiệu của Tây Ban Nha
Bên cạnh việc giám sát và kiểm soát từ xa, một số tổ chức còn phát triển và ứng dụng
công nghệ cho phép các báo hiệu hàng hải hoạt động tự động, không người trông coi và chỉ
can thiệp điều khiển khi cần thiết. Ví dụ: Hải đăng Bishop Rock, vận hành tự động từ năm
14

1991, và đến 21/12/1992 thì hoàn toàn giám sát và điều khiển từ xa, không cần có người
trông coi.

Hình 2.9 Hải đăng Bishop Rock (Anh)
Tổ chức Trinity House (thuộc Anh), quản lý gần 80 hải đăng thuộc vùng biển Anh, xứ

Từ tình hình thực tế trên, năm 2008, tác giả bắt đầu hướng nghiên cứu sản xuất thiết
bị giám sát, kiểm soát báo hiệu bằng việc sử dụng module tích hợp Fastrack Supreme do
hãng sản xuất Wavecom (Đức) cung cấp làm nền tảng phát triển thiết bị.

Hình 2.11 Module GSM tích hợp Fastrack Supreme
Module Fastrack Supreme là module GSM tích hợp, có nhiều tính năng và lĩnh vực
ứng dụng rộng như:
- Hệ thống theo dỏi tình trạng ô tô (tình trạng hoạt động ô tô…)
- Đọc tự động các thiết bị đo lường (đồng hồ điện, nước, nhiệt độ, độ ẩm…)
- Quản lý từ xa các hệ thống tự động (dây chuyền sản xuất, nội dung thông tin…)
- Thiết bị định tuyến cuộc gọi thông minh (FCT)
- Hệ thống điện thoại công cộng di động
- Quản lý hệ thống an ninh (Camera không dây, báo động…)
17

Module Fasttrack hoạt động tương thích với tất cả các mạng di động của các nhà cung
cấp dịch vụ chỉ bằng một thao tác gắn Simcard. Đi kèm với module này là hệ điều hành
Open AT OS, được phát triển bởi nhà sản xuất nhằm mang lại tiện ích cho các nhà phát
triển.
Việc sử dụng module tích hợp giúp việc phát triển thiết bị tiện lợi và đơn giản hơn tuy
nhiên, gặp phải một số hạ
n chế sau:
- Thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng do module tích hợp được thiết kế với quá nhiều
tính năng, điều này không phù hợp trong điều kiện sử dụng trên biển, có sự hạn chế
về nguồn năng lượng.
- Sử dụng các cơ chế giao tiếp dữ liệu, cơ chế hoạt động theo tiêu chuẩn nhà sản
xuất, không phù hợp theo điều kiện thực tế ở Việt Nam.
- Giá thành thiết bị cao do giá module tích hợp cao, dẫn đến khó triển khai trên qui
mô rộng.
Năm 2009, tác giả tiếp tục phát triển cải tiến thiết bị theo hướng sử dụng các module rời