Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
LỜI NÓI ĐẦU
Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện
giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới và đây là một dịch vụ mang lại
giá trị gia tăng cao dựa trên công nghệ viễn thông, thông tin và kĩ thuật điện tử.
Đối với ngành vận tải, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các
phương tiện giao thông sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức
quản lý tập trung hiện đại. Bài đồ án này em đề cập đến việc xây dựng hệ thống
quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết kế thiết bị thu thập
dữ liệu GPS cho các phương tiện.
Bài đồ án của em bao gồm các phần sau:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
1.1. Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.2. Tổng quan về hệ thống GSM/GPRS
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.1. Cấu trúc chung hệ thống định vị GPS
2.2. Nguyên lý hệ thống
2.3. Thiết kế hệ thiết bị định vị GPS
2.3.1. Giới thiệu Module SIM548
2.3.2. Cấu trúc Module SIM 548
2.3.3. Tập lệnh giao tiếp
2.3.4. Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR
2.3.5. Vi điều khiển AT mega 128
2.3. Thiết kế mạch nguyên lý
2.4. Lập trình VĐK AT mega 128
2.4.1. Phần mềm CodeVision AVR ứng dụng lập trình
2.4.2. Lập trình AVR điều khiển Module SIM548
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SERVER GPRS
3.1. Khái quát về hệ thống thu thập thông tin qua GPRS
3.2. Giao diện Server trên máy tính có kêt nối Internet

các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các
xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal
Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở
hữu.
- Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
- Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
- Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ
(5m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
- Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.

Page 3


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 1.1. Qũy đạo các vệ tinh GPS
Công nghệ định vị toàn cầu GPS được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam
từ giữa những năm 1990, chủ yếu phục vụ cho việc thu thập dữ liệu tọa độ chính
xác (x, y, z) của các điểm trắc địa gốc làm cơ sở lưới trắc địa thấp hơn, mà từ
các điểm này các công tác đo vẽ hiện trạng trên mặt đất được tiến hành. Trong
những năm gần đây , với sự xuất hiện của các thiết bị GPS cầm tay đơn giản, rẻ
tiền thì việc thu thập dữ liệu về vị trí càng trở lên phổ biến trên thế giớí. Tuy
nhiên, ở Việt Nam thì việc phổ biến thiết bị cầm tay vào việc xác định hạ tầng
cơ sở đô thị vẫn còn nhiều hạn chế, do một số nguyên nhân như: sự phức tạp của
thiết bị cầm tay GPS, sự hiểu biết về GPS còn nhiều hạn chế, hạn chế về độ
chính xác của thiết bị cầm tay… Nhằm phổ biến việc sử dụng các thiết bị GPS
cầm tay vào công tác thu thập dữ liệu hạ tầng cơ sở đô thị ra ngoài thực tiễn sản
xuất, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng các thiết bị GPS
cầm tay.

module

L

Internet

GSM

GPRS

network

module

Monitoring Centrer

ATmega 128

GPRS-GPS
Sensor
Hình 1.2. Hệ thống GPS

1.2. TỔNG QUAN VỀ GSM VÀ GPRS
1.2.1. Khái niệm về GSM
Khái niệm mạng di động GSM (Global System for Mobile Communication).
Công nghệ GSM hay còn được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu,
dựa trên công nghệ TDMA tiêu chuẩn Châu Âu. Công nghệ đa truy cập phân
chia theo thời gian TDMA là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một
Page 5



Page 6


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
hiện nhiệm vụ vận hành và bảo trì mạng, như theo dõi lưu lượng cảnh báo khi
cần thiết.
b. Kiến thức dạng địa lý
Với mọi mạng điện thoại, kiến trúc là nền tảng quan trọng để xây dựng qui
trình kết nối cuộc thoại đến đúng đích. Với mạng di động thì điều này lại càng
quan trọng: do người dùng luôn di chuyển nên kiến trúc phải có khả năng theo
dõi được vị trí của thuê bao.
c. Ô (cell)
Là đơn vị cơ bản của hệ thống tế bào, được định nghĩa theo vùng phủ sóng
của BTS. Mỗi ô được cấp một số định danh duy nhất gọi là CGI (Cell Global
Identity). Để phủ sóng toàn quốc, người ta cần đến một số lượng rất lớn BTS.
Như hiện nay Mobifone đã lắp đặt khai thác trên 1000 trạm BTS.
d. Vùng định vị (LA-Location Area)
Nhiều ô được ghép nhóm và gọi là một LA. Trong mạng, vị trí của thuê bao
do LA khu vực của thuê bao nắm giữ. Số định danh cho LA được lưu thành
thông số LAI (Location Area Identity) ứng với từng thiết bị di động (điện thoại
di động) trong VLR. Khi thiết bị di chuyển sang ô của LA khác thì bắt buộc phải
đăng ký lại vị trí với mạng, nếu dịch chuyển giữa các ô trong cùng một LA thì
không phải thực hiện qui trình trên. Khi có cuộc gọi đến thiết bị, thông điệp
được phát ra (broadcast) toàn bộ các ô của LA đang quản lý thiết bị.
e. Vùng phục vụ của MSC
Nhiều vùng LA được quản lý bởi một MSC. Để có thể kết nối cuộc thoại đến
thiết bị di động, thông tin vùng dịch vụ MSC cũng được theo dõi và lưu lại
HLR.

- ME (Mobile Equipment): Thiết bị di động.
- SIM (Subscriber Identity Module): Thiết bị nhận diện người đăng ký
thuê bao điện thoại di động.
* Mobile Equitment:
ME là thiết bị phần cứng hỗ trợ việc truy cập các dịch vụ mạng, bản thân nó
không chứa các thông tin về thuê bao, ME có thể là điện thoại di động, máy
phát, máy tính…, mỗi ME có một số định dạng duy nhất IMEI (International
Mobile Equitment Identity) do nhà sản xuất quy định với mục đích là giúp nhà

Page 8


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
khai thác mạng di động quản lý thiết bị, ngăn ngừa sự hoạt động của các ME
không hợp lệ.
* Thẻ Sim:
- IMSI (International Mobile Subcriber Identity – số nhận dạng thuê bao di
động quốc tế): là số nhận dạng giúp cho mạng GSM có thể định tuyến cuộc gọi
đến thuê bao cũng như tính cước.
- TMSI (Temporary Mobile Subcriber Identity – số nhận dạng thuê bao tạm
thời): Là số nhận dạng duy nhất do MSC cung cấp cho thuê bao khách, giúp bảo
mật cho thuê bao, nó có thể thay đổi giữa các cuộc gọi cũng như đang tiến hành
cuộc gọi.
- LAI (Location area Identity – số nhận dạng vùng định vị): Dùng để xác
định một vùng định vị trong đó có thuê bao đang di chuyển.
- Ki – Khóa nhận thực thuê bao, dùng trong quá trình nhận thực của thuê bao.
- MSISDN – Số điện thoại thực của thuê bao.
Như vậy, SIM chứa thông tin về các dịch vụ mà thuê bao có thể truy cập.
Không có SIM thì người sử dụng ME không thể thực hiện gọi đi hay nhận cuộc

+ Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ được thiết lập.
* Thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động:
Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị
không được biết chính xác. Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện
công việc xác định vị trí của thiết bị di động.
- Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN.
Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạng
PSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp.
- GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong
HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ.
- HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho
thiết bị. Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả
về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến.
- HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ.
- MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC.
- GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR

Page 10


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
- MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản lý
LA này.
- BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA.
- Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại.
- BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin.
- Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng thái
của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị.
- MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đỗ chuông. Nếu thiết bị di

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băng
GSM 850/900 Mhz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 Mhz.
Mã hóa âm thanh và phủ sóng:
GSM sử dụng khá nhiều kiểu mã hóa thoại để nén tần số audio 3,1KHz vào
trong khoảng 5.6 and 13 kbit/s. Ban đầu, có 2 kiểu mã hoá là bán tốc (haft rate
-5.6 kbps)và toàn tốc (Full Rate -13 kbit/s)). Để nén họ sử dụng hệ thống có tên
là mã hóa dự đoán tuyến tính (linear predictive coding – LPC). GSM được cải
tiến hơn vào năm 1997 với mã hóa EFR (mã hóa toàn tốc cải tiến -Enhanced
Full Rate), kênh toàn tốc nén còn 12.2 kbit/s. Sau đó, với sự phát triển của
UMTS, EFR được tham số lại bởi kiểu mã hóa biến tốc, được gọi là AMRNarrowband.
Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico
và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường.
Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại
được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng
vài chục mét trở lại, nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà. Umbrella lắp bổ
sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell.
Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten
thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng
phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm). Một số khu vực trong
nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu
thị… thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài
trời vào.
1.2.2. Khái niệm về GPRS
Page 12


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
GPRS (General Packet Radio Service) là dịch vụ truyền tải mới cho hệ thống
GSM, nó cải thiện một cách hiệu quả việc truy nhập vô tuyến tới các mạng

Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
được nâng cấp phần mềm, ngoại trừ BSC (Base Station Center) phải được nâng
cấp phần cứng. Hai nút mạng mới được giới thiệu, đó là nút hỗ trợ dịch vụ
GPRS - SGSN (Serving GPRS Support Node) và nút hỗ trợ cổng GPRS GGSN
(Gateway GPRS Support Node) nhằm bổ sung chức năng chuyển mạch gói bên
cạnh chức năng chuyển mạch kênh của mạng.
SOG
MSC/VLR
BTS

BSC

HLR
AUC

SMS-SC

MS

IP
Network

SGSN

GGSN

Corporate
Network


SGSN và GGSN dựa trên đường truyền vô tuyến có sẵn để xây dựng mạng
chuyển mạch gói GPRS dựa trên protocol TCP/IP tương thích với mạng Internet
thông dụng, cho phép cung cấp cho các thuê bao trong mạng những dịch vụ mới
hấp dẫn hơn.
Ta sẽ chỉ xét đến giao thức TCP/UDP phù hợp với mục đích của đồ án . Giao
thức TCP/UDP (Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol – giao
thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức dữ liệu gói người sử dụng) : TCP chuyển
các khối điều khiển dữ liệu gói (PDU) của GTP trong mạng đường trục GPRS
cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy (như X.25). TCP cung cấp
Page 15


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các
PDU của GTP. UDP chuyển các PDU cảu GTP cho các giao thức không cần
phải có một liên kết dữ liệu tin cậy (ví dụ như IP). UDP cung cấp khả năng bảo
vệ chống lại việc PDU của GTP bị ngắt quãng và chuyển các bản tin báo hiệu
giữa các GSN.
Một số đặc điểm của mạng GPRS :
• Tốc độ dữ liệu : GPRS tận dụng các khe thời gian 9.6 Kbps của mạng
GSM để triển khai dịch vụ, nên tốc độ dữ liệu là rất chậm so với các mạng
truyền số liệu gói khác. Tốc độ thực sự phụ thuộc vào số khe thời gian
được dùng cho dịch vụ GPRS.
• Phương thức tính cước : dựa vào dữ liệu truyền nhận, không dựa vào
thời gian kết nối.
c. Mô hình hệ thống truyền nhận dữ liệu qua mạng GPRS
Với tính năng kết nối với các hệ thống mạng bên ngoài thông qua GGSN,
GPRS cho phép thiết lập một đường truyền từ đầu cuối thuê bao mạng GSM sử
dụng dịch vụ GPRS đến một đầu cuối của các hệ thống mạng khác, qua đó cho


MSC

GPRS
Mobile
or
Operate

SGSN

SGSN

Intra-operator
backhome
Network

BTS

BSC

Intra-operator
backhome
Network

BG

BG

Intra-operator
backhome

Với đầu cuối mạng GPRS, có nhiều sản phẩm phù hợp với yêu cầu của hệ
thống. Điển hình là các modem GSM có hỗ trợ GPRS. Thiết bị này được cung
cấp bởi nhiều hãng, như Sony Ericsson, Nokia, Wavecom, SIMCOM, … Sản
Page 17


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
phẩm của SIMCOM (SIM300, SIM508,SIM548C …) được lựa chọn do các tính
năng sau:
· Hỗ trợ GPRS.
· Hỗ trợ khả năng truyền nhận dữ liệu TCP/UDP.
· Giá thành thấp.
· Thiết kế phần cứng đơn giản.
· Được điều khiển bằng tập lệnh AT, cho phép điều khiển dễ dàng.
Trong bài đồ án này giải pháp của em là sử dụng module SIM548C của
hãng SIMCOM .

Page 18


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3
mảng:
2.1.1. Chùm vệ tinh
Chùm vệ tinh của hệ GPS hiện có tất cả là 28 vệ tinh làm việc và dự phòng.


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 2.2. Hệ thống người sử dụng
2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Hình 2.3. Nguyên lý của hệ thống

Page 21


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện
Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau,
được gọi là L1, L2. Những thiết bị nhận tín hiệu GPS bắt sóng L1, ở dải tần số
UHF 1575,42Mhz, bắt sóng L2 ở tần số 1227.6 Mhz. Một đài phát thanh FM
thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh
định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 20.200 km.Các vệ
tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2 (Giải L là phần
sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng
tần số L1 575,42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là
chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối
tượng cứng như núi và nhà. Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau –
mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch:
- Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ
tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang
vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.
- Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở
mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin

phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh.
2.3. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ GPS
2.3.1. Giới thiệu Module SIM548
Đây là module GSM/GPRS và GPS của hãng SIMCOM:

Page 23


Xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông bằng công nghệ GPS và thiết
kế thiết bị thu thập dữ liệu GPS cho các phương tiện

Hình 2.4. Module SIM548
Module SIM548 có thể hoạt động với các tần số sau GSM 900 MHz, DCS
1800MHz và PCS 1900MHz và cũng hỗ trợ kỹ thuật GPS định vị vị trí bằng vệ
tinh.
Với kích thước nhỏ 55mm x 34mm x 3.0 mm,module này có thể sử dụng
cho các ứng dụng như Smart phone,PDA phone,thiết bị định vị GPS cầm tay
hay điện thoại.
Chúng ta có thể giao tiếp với module thông qua chuẩn đế 60 chân dành
riêng cho module SIM548. Thông qua đế chuẩn 60 chân này,chúng ta có thể sử
dụng module với các mục đích :
- Bàn phím,bảng nút nhấn hay SPI LCD.
- Một port giao tiếp nối tiếp dành cho GSM và hai port nối tiếp dành
cho GPS giúp cho việc thiết kế và phát triển ứng dụng một cách dễ
dàng hơn thông qua việc giao tiếp bằng tập lệnh AT.
- Bộ sạc cho pin.
- Các ngõ vào ra dành cho chức năng nghe, gọi và xử lý âm thanh.
- Các ngõ vào của bộ chuyển đổi AD.
2.3.2. Cấu trúc Module SIM 548
Để sử dụng và giao tiếp với module SIM508 phải thông qua một chuẩn đế cắm

Và cung cấp một dòng ra Inorm= 20uA
dành cho nguồn dự trữ khi
có nguồn chính,để tiết
kiểm

CHG_IN

I

năng

lượng

của

nguồn dự trữ.
Nguồn cung cấp cho bộ Vmax=5.25V
sạc pin của module. Đồng Vmin=1.1 *VBAT
thời giúp cho module nhận Vnorm=5.1V

GND

ra bộ sạc.
Chân nối đất dành cho các

PWRKEY

ứng dụng số.
Ngõ vào dùng để mở và VILmax=0.3*VB