1 LỜI NÓI ĐẦU Cuộc sống ngày càng phát triển kéo theo nó là sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật. Là sinh viên khoa Điện - Điện Tử chúng em dành nhiều sự quan tâm của mình đến lĩnh vực công nghệ trong cuộc sống. Song song với sự phát triển của công nghệ máy tính là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông. Dễ dàng nhận thấy nhất là sự thay đổi chóng mặt của các thiết bị viễn thông được phát triển trên các công nghệ tiên tiến nhất và đi kèm với nó là những phần mềm ngày càng thân thiện và tiện dụng. Nếu như trước đây một chiếc điện thoại di động chỉ có màn hình hiển thị với các con số thì giờ đây nó đã được biết đến như một sản phẩm đa truyền thông được tích hợp đủ loại phần mềm trên đó. Đi cùng vớ i sự phát triển về công nghệ của các mạng viễn thông thì ta còn bắt gặp sự phát triển như vũ bão của các dịch vụ được triển khai trên nó. Mạnh mẽ nhất trong sự phát triển của những dịch vụ trên hệ thống các mạng viễn thông đó là những dịch vụ được triển khai trên hệ thống SMS. Nắm bắt được sự phát triển về công nghệ cũng như nh ững lợi ích to lớn và khả năng áp dụng thực tế rất cao mà những ứng dụng triển khai trên hệ thống SMS đem lại, chúng em, những sinh viên khoa Điện - Điện Tử đã quyết định “THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG BẰNG GSM”. 2 ĐẶT VẤN ĐỀ. Hiện nay, hàng loạt các khu công nghiệp ra đời, bên cạnh tạo ra việc làm cho người dân mà còn gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường năng ở các con sông, và khu vực lân cận các khu công nghiệp này. Vì vậy, rất cần một hệ thống quan trắc để đánh giá tác động môi trường. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là địa bàn tỉnh Đồng Nai. - Đối tượng nghiên cứu là nước thải của các công ty, nhà máy và h ệ thống quan trắc tự động, liên tục. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. - Nghiên cứu tổng hợp về điều kiện Địa lý tự nhiên, kinh tế, xã hội của tỉnh Đồng Nai. - Nghiên cứu về các khái niệm, quy định trong lĩnh vực môi trường (cơ sở pháp lý, kỹ thuật quan trắc, nguyên lý hoạt động của các loại đầu dò, nguyên lý truyền thông tin). Đề xuất mô hình hệ thống quan trắc tuân thủ nước thải tự động, liên tục tại các công ty, nhà máy. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. - Phương pháp chuyên gia: tham khảo các ý kiến của các chuyên gia về môi trường, chuyên gia về điện tử, tin học. - Thu thập số liệu: + Thu thập số liệu về địa lý, kinh tế, xã hội, kết quả của các đề tài khoa học đã triển khai. + Thu thập tài liệu về hiện trạng hệ thống quan trắc, các cơ sở pháp lý, giả i pháp kỹ thuật về quan trắc tại Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường Đồng Nai. - Khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát thực địa tại cống thải tập trung của các công ty, nhà máy trên địa bàn Tp. Biên Hoà, huyện Nhơn Trạch. 3 - Xử lý số liệu thu thập và lập bản đồ: xử lý số liệu thống kê về các nguồn thải và lập bản đồ bố trí các nguồn thải cũng như bản đồ vị trí quan trắc nước thải tự động, liên tục. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC. - Có được tài liệu về điều kiện Địa lý, kinh tế xã hội tỉnh Đồng Nai cập nhật mới nhất. - Thu thập tài liệu về lĩnh vực môi trường. - Nắm bắt được nguyên lý hoạt động của các đầu dò trong phân tích môi trường và nguyên tắc truyền thông tin (truyền các kết quả quan trắc tại các trạm về Trung tâm). - Đề xuất mô hình một hệ thống quan trắc tuân thủ nước thải, tự động, liên tục phù hợp với điều kiện của tỉnh Đồng Nai. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN. - Tháng 7/2009 đến tháng 10/2009: thu thập tài liệu, số hoá các Sơ đồ, Bản đồ liên quan. - Tháng 10/2009 đến tháng 11/2009: khảo sát thực địa. - Tháng 11/2009 đến 12/2009: Tổng hợp kết quả - viết báo cáo 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GSM 1.1. Cơ bản về hệ thống mạng GSM 1.1.1, Tìm hiểu sơ lược về mạng GSM GSM được viết tắt bởi cụm từ Global System for Mobile Communications (tiếng Anh) hoặc Groupe Spécial Mobile (tiếng Pháp) tạm dịch là hệ thống thông tin di động toàn cầu. Đây là một trong những công nghệ về mạng điện thoại di động phổ biến trên thế giới. Cho đến nay công nghệ này có gần 2 tỷ thuê bao sử dụng trên phạm vi 212 qu ốc gia và vùng lãnh thổ. Do nó hầu như có mặt khắp mọi nơi trên thế giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết chuyển vùng với nhau mà thuê bao GSM có thể dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM của mình bất cứ nơi đâu. Mặt thuận lợi to lớn của công nghệ GSM là ngoài việc truyền âm thanh với chất lượng cao còn cho phép thuê bao sử dụng các cách giao tiếp khác rẻ tiền hơn đó là tin nhắn SMS. Ngoài ra để tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ thì công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị khác nhau. Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đưa ra tính năng chuyển vùng cho thuê bao của mình với các mạng khác trên toàn thế giới. Ngoài ra công nghệ GSM cũng phát triển thêm các tính năng truyền dữ liệu như GPRS, sau này truyền với tốc độ cao hơn họ sử dụng EGDE. Hình 1.1: Logo của công nghệ GSM. GSM là một tiêu chuẩn của hệ thống tế bào thế hệ thứ 2 được phát triển để giải quyết các vấn đề “phân mảnh” của hệ thống tế bào thế hệ đầu tiên ở Châu Âu. GSM là 5 hệ thống tế bào đầu tiên trên thế giới định rõ việc điều chế số, các kiến trúc và dịch vụ cấp độ mạng. Hình 1.2: Mô hình hệ thống GSM . Trước GSM, các quốc gia Châu Âu đã sử dụng các tiêu chuẩn tế bào khác nhau trên toàn lục địa và chính điều này đã cản trở khi một khách hàng muốn sử dụng một đơn vị thuê bao duy nhất trên toàn Châu Âu. GSM được phát triển để phục vụ mạng tế bào trên toàn Châu Âu và hứa hẹn nhiều dịch vụ về mạng thông qua mạng số liên kết dịch vụ ISDN hoặc PSTN. Sự thành công của mạng GSM đã vượt quá sự mong đợi của mọi người và hiện tại bây giờ là chuẩn phổ biến trên thế giới cho các thiết bị liên lạc cá nhân và vô tuyến tế bào mới. Nhiệm vụ xác định rõ hệ thống thông tin liên lạc di động chung cho Châu Âu trên băng tần 900 MHz được đảm nhiệm bởi một Uỷ ban của CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications Administrations - Hội nghị các cơ quan 6 quản lý Viễn thông và Bưu chính Châu Âu). Việc thiết lập các tiêu chuẩn cho mạng GSM được thực hiện bởi ETSI (European Telecommunications Standard Institute). Mạng GSM được chia thành 2 hệ thống chính là Hệ thống chuyển mạch và Hệ thống trạm gốc. Mỗi hệ thống này lại chứa một số các đơn vị chức năng, là nơi thực hiện các chức năng của hệ thống. Các chức năng này được thực hiệ n bằng các thiết bị phần cứng. 1.1.2, Lịch sử phát triển của mạng GSM Vào đầu thập niên 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hoá bởi CEPT và tạo ra Groupe Spécial Mobile với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đư a vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan. Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu. Và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM đã được công bố vào năm 1990. Vào cuối năm 1993, đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia. Cho đến nay công nghệ này có gần 2 tỷ thuê bao sử dụng trên phạm vi 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Và trong tươ ng lai dự kiến số lượng thuê bao vẫn còn tiếp tục tăng. 1.1.3, Giao tiếp Radio của mạng GSM GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 Mhz và 1800 Mhz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị sử dụng trước.Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 Mhz hay 450 Mhz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác. 7 Các mạng sử dụng băng tần 900 Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dải 890-915 MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dải 935-960 MHz. Các băng tần này được chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 Mhz, mỗi kênh cách nhau một khoảng 200 Khz. 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 là một khung TDMA. Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833 kbit/s và khoảng thời gian củ a một khung là 4.615 ms. 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. Mạng GSM sử dụng hai kiểu mã hoá âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1 Khz đó là mã hoá 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-EFR sử dụng full rate 12,2 kbps. Có tất cả bốn kích thước cell site trong m ạng 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 th ể 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. 1.1.4, Những thành phần cơ bản của mạng GSM Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ các dịch vụ cho khách hàng cho nên nó khá phức t ạp vì vậy sau đây sẽ chia ra thành các phần như sau: Trạm gốc và các phần điều khiển nó Base Station Subsystem (BSS). 8 Mạng và hệ thống chuyển mạch Network and Switching Subsystem (phần này gần giống với mạng điện thoại cố định). Đôi khi người ta còn gọi nó là mạng lõi (core network). Phần mạng GPRS (GPRS care network). Phần này là một phần lắp thêm để cung cấp dịch vụ truy cập Internet. Và một số phần khác phục vụ việc cung cấp các dịch vụ cho mạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS . Máy điện thoại - Mobile Equipment Th ẻ SIM (Subscriber identity module) Hình 1.3: Cấu trúc của hệ thống mạng GSM. Trạm di động (Mobile Station-MS) Trong mạng GSM, có một sự khác biệt giữa thiết bị vật lý và đăng kí thuê bao. Phần thiết bị vật lý này có thể được cài đặt trên các phương tiện (ví dụ như xe hơi…), xách tay (portable) hoặc cầm tay (hand-hold). Các phần này tách biệt với một đơn vị được gọi là modul nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity Module- SIM) chứa đăng 9 kí thuê bao. SIM và thiết bị di động kết hợp với nhau để cấu thành một trạm di động Moblile Station (MS). Không có module nhận dạng thuê bao thì Moblile Station không thể truy xuất tới mạng GSM, ngoại trừ trường hợp khẩn cấp. Việc đăng kí thuê bao liên kết với SIM card chứ không phải với thiết bị di động, do đó một thuê bao có thể sử dụng các thiết bị di động khác mà không có trở ngại gì. Điều này dẫn tới v ấn đề là nếu như MS bị mất cắp thì sẽ không có biện pháp ngăn chặn được đăng kí thuê bao với các thiết bị bị mất cắp đó. Chúng ta cần có một cơ sở dữ liệu chứa các số nhận dạng phần cứng của thiết bị gọi là bộ ghi nhận dạng thiết bị (Equipment Identity Register- EIR). Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR này được nối v ới MSC thông qua một đường báo hiệu mà cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. Bằng cách này ta cũng có thể cấm một trạm di động không phù hợp. Cần nhớ rằng việc nhận thực thuê bao được thực hiện bởi các thông số từ AUC. Cell Hệ thống được xem như là một mạng lưới của các cell vô tuyến cạnh nhau. Các cell này kết hợp với nhau để đảm bảo cho việ c phủ sóng toàn bộ vùng phục vụ. Trạm vô tuyến gốc (Base Transceiver Station -BTS) Mỗi cell có một trạm vô tuyến gốc BTS hoạt động trên một tập các kênh vô tuyến. Các kênh vô tuyến của cell này sẽ khác với các kênh vô tuyến của các cell bên cạnh để tránh hiện tượng can nhiễu. Bộ điều khiển trạm gốc (Base Station Controller - BSC) Một nhóm các trạm vô tuyến gốc BTS sẽ được điều khiển bởi một bộ đi ều khiển trạm gốc BSC. Bộ điều khiển trạm gốc BSC có nhiệm vụ quản lý các chức năng như chuyển giao (handover) và điều khiển công suất. Tổng đài di động (Mobile Switching Centre-MSC) Một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC được phục vụ bởi một tổng đài di động MSC. Tổng đài di động MSC này có chức năng kiểm soát các cuộc gọi t ới cũng như từ mạng điện thoại và các hệ thống liên lạc dữ liệu khác chẳng hạn như mạng chuyển 10 mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết dịch vụ ISDN, mạng di động mặt đất công cộng PLMN và các mạng dữ liệu công cộng cũng như các mạng cá nhân khác. Cơ sở dữ liệu (Databases) Tất cả các đơn vị chức năng đã được đề cập ở trên đều liên quan đến việc thiết lập cuộc gọi giữa một trạm di động MS và một thuê bao khác, ví dụ một thuê bao trong mạng PSTN, là một mạng cố định. Nếu không thể thực hiện một cuộc gọi tới MS, ta sẽ không cần bất cứ thiết bị nào nữa. Vấn đề nảy sinh khi ta muốn thực hiện cuộc gọi tới một MS, khi đó người khởi đầu cuộc gọi sẽ hầu như không xác định được vị trí hiện tại của MS. Do đó ta cần một số các cơ sở dữ liệu trong mạng để theo dõi MS, từ đó có thể biết được vị trí hiện thời của MS. Thành phần quan trọng nhất của các cơ sở dữ liệu là Bộ ghi định vị thường trú (Home Location Register-HLR). Khi một người nào đó mua một đăng kí thuê bao từ một hãng khai thác mạng GSM thì người này sẽ được đăng kí trong HLR của hãng khai thác đó. Bộ ghi định vị thường trú chứa đựng các thông tin về thuê bao, chẳng hạn như các dịch vụ phụ trợ (Supplementary Services) và các thông số nhận thực. Ngồi ra còn có thông tin về vị trí hiện thời của MS, có nghĩa là vùng MSC mà MS đang có mặt trong đó. Thông tin này sẽ thay đổi khi MS di động. MS sẽ gởi thông tin về vị trí (thông qua MSC/VLR) tới Bộ ghi định vị thường trú HLR của mình, vì vậy luôn đảm bảo phương tiện để thu được một cuộc gọi. Một đơn vị được gọ i là Trung tâm nhận thực (Authentication Centre- AUC) được kết nối tới Bộ ghi định vị thường trú HLR. Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khối mật mã để sử dụng cho các mục đích bảo mật. Bộ ghi định vị tạm trú (Visitor Location Register-VLR) là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin về các MS đang có mặt trong vùng do MSC quản lý. Ngay khi MS lưu động vào vùng MSC mới thì VLR mở kết nối với MSC đ ó, sẽ yêu cầu HLR cung cấp dữ liệu về MS đó. Đồng thời thì HLR sẽ được thông báo cho biết về vị trí hiện tại của MS đang nằm trong vùng do MSC nào quản lý. Sau đó, nếu như MS muốn thực hiện cuộc gọi thì Bộ ghi định vị tạm trú VLR đã có đầy đủ các thông tin cần thiết cho việc thiết lập cuộc gọi mà không cần phải truy xuất tới HLR. . những sinh viên khoa Điện - Điện Tử đã quyết định “THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG BẰNG GSM . 2 ĐẶT VẤN ĐỀ. Hiện nay, hàng loạt các khu công nghiệp ra. thuật quan trắc, nguyên lý hoạt động của các loại đầu dò, nguyên lý truyền thông tin). Đề xuất mô hình hệ thống quan trắc tuân thủ nước thải tự động, liên