GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tổng quan và lý do thực hiện đề tài
Bài toán định vị các đối tượng liên quan đến việc xác định vị trí của chúng, cả trực tuyến lẫn không trực tuyến Vị trí này sẽ được sử dụng để tự động đưa ra quyết định hợp lý bởi các hệ thống nhúng Những bài toán này có nhu cầu thực tế cao và việc giải quyết chúng sẽ mang lại lợi ích kinh tế lớn cho xã hội.
GPS là hệ thống định vị toàn cầu, rất quan trọng trong việc xác định vị trí chính xác, đặc biệt ở những khu vực khó tiếp cận như biển, rừng sâu và núi cao Nhờ vào sự phát triển công nghệ và số lượng vệ tinh ngày càng tăng, GPS đã trở thành công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, từ đo đạc trắc địa đến ứng dụng cá nhân và quân sự.
GPS đã có mặt trên toàn cầu từ lâu và ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là ở các nước phát triển Tại Mỹ, GPS được tích hợp trong hầu hết các xe hơi để hỗ trợ tìm đường, đồng thời thiết bị định vị giúp giảm thiểu nguy cơ mất mát tài sản Tại Việt Nam, GPS thu hút sự quan tâm của nhiều công ty, trở thành một công cụ quan trọng trong việc xây dựng hệ thống định vị tiềm năng cho đất nước.
Hiện nay, việc quản lý vị trí các đối tượng tự động là yêu cầu thiết yếu cho tổ chức và cá nhân Các hệ thống kiểm soát phương tiện giao thông sử dụng công nghệ GPS chủ yếu do các công ty nước ngoài triển khai tại Việt Nam, nhưng giá thành sản phẩm vẫn còn cao và việc làm chủ công nghệ gặp nhiều khó khăn.
Việc áp dụng công nghệ một cách hiệu quả tại Việt Nam đang trở nên cấp thiết, đặc biệt là trong việc nắm bắt công nghệ và giảm giá thành thiết bị Tự phát triển các thiết bị hỗ trợ theo dõi và định vị sẽ tăng cường tính linh hoạt và mở rộng khả năng của hệ thống.
Công nghệ nhúng ARM đang ngày càng phổ biến trong các hệ thống nhúng nhờ vào sức mạnh, tốc độ và khả năng tích hợp nhiều hệ điều hành như RTX, Windows CE, Embedded Linux và Android Điều này cho phép giải quyết các bài toán yêu cầu xử lý cao, ổn định và tiêu thụ điện năng thấp trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quân sự, dân sự và công nghiệp Hầu hết các ứng dụng truyền thông đa phương tiện, xử lý âm thanh, hình ảnh và thiết bị di động như điện thoại và PDA đều sử dụng vi xử lý ARM làm bộ xử lý trung tâm Với những ưu điểm vượt trội về phần cứng và khả năng phát triển ứng dụng phần mềm linh hoạt, việc xây dựng các thiết bị định vị dựa trên công nghệ nhúng ARM hoàn toàn phù hợp với xu hướng hiện nay.
Công nghệ GPS đang được áp dụng rộng rãi trong hệ thống quản lý xe của các công ty vận tải, giúp định vị chính xác lộ trình cho hàng trăm xe trên khắp đất nước Hệ thống này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các doanh nghiệp mà còn góp phần vào sự phát triển chung của đất nước Sản phẩm dựa trên công nghệ GPS là giải pháp hiệu quả cho nhu cầu định vị hiện nay Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu và xây dựng giải pháp giải quyết các bài toán định vị đối tượng dựa trên công nghệ nhúng ARM và GPS”.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu giải pháp ứng dụng công nghệ GPS vào hệ thống định vị và giám sát với chi phí thấp, tốc độ phát triển nhanh và khả năng mở rộng cao Giải pháp này cho phép nhận biết trạng thái của đối tượng trong quá trình hoạt động và giao tiếp với máy chủ trung tâm, hỗ trợ các tính năng và dịch vụ liên quan đến vị trí và đường đi Các công việc chính của đề tài bao gồm việc phát triển và triển khai hệ thống này.
Xây dựng phần cứng cho thiết bị định vị và giám sát bao gồm nghiên cứu bộ xử lý ARM và thiết kế hệ thống nhúng dựa trên ARM Thiết bị tích hợp module thu tín hiệu GPS để định vị chính xác, đồng thời hỗ trợ giao tiếp với máy chủ trung tâm qua mạng không dây GPRS Phần mềm nhúng được phát triển trên board mạch xử lý chính, có khả năng phân tích dữ liệu GPS, nhận biết trạng thái của đối tượng và gửi thông tin về máy chủ khi cần thiết.
Xây dựng một website trên máy chủ nhằm hỗ trợ quản lý đối tượng, bao gồm việc nghiên cứu khả năng tích hợp bản đồ Google vào hệ thống định vị, cải thiện độ chính xác trong ánh xạ bản đồ Google, và phát triển một website quản lý xe buýt để thử nghiệm và kiểm tra tính chính xác của hệ thống.
CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
Các giải pháp định vị đối tượng
Hiện nay, công nghệ GPS đã trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và đời sống Các thiết bị hộp đen gắn trên máy bay, xe vận tải, taxi có khả năng thu sóng GPS, ghi lại thông tin về vị trí, tốc độ, thời gian, khoảng cách và hướng di chuyển Nhờ vào những dữ liệu này, các đơn vị quản lý giao thông có thể theo dõi chi tiết về hoạt động của phương tiện, từ đó đưa ra các chính sách tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế Hơn nữa, trong trường hợp xảy ra sự cố như tai nạn hoặc hỏng hóc, việc xác định nguyên nhân cũng trở nên dễ dàng hơn thông qua thông tin từ hộp đen.
Hình 2.1 Thiết bị hộp đen trong các phương tiện giao thông
Công nghệ GPS không chỉ được sử dụng trên các phương tiện giao thông mà còn được tích hợp vào điện thoại cầm tay, giúp người dùng dễ dàng quản lý vị trí và tìm đường với sự hỗ trợ của bản đồ số hóa.
Hình 2.2 Điện thoại di động hỗ trợ GPS và bản đồ số
Hiện nay, hệ thống GPS được chia thành hai loại: hệ thống không trực tuyến (offline) và hệ thống trực tuyến (online) Hệ thống offline lưu trữ dữ liệu GPS trên thiết bị thu của đối tượng di chuyển, cho phép xử lý tự động hoặc gửi về trung tâm khi trở về trạm điều hành Những hệ thống này thường được tích hợp với bản đồ số và cơ sở dữ liệu để hỗ trợ quyết định trong quá trình di chuyển Một số thiết bị offline phổ biến như hộp đen và thiết bị dẫn đường cho xe hơi hoạt động độc lập mà không cần kết nối với trung tâm quản lý Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống offline là không thể cung cấp khả năng quản lý trực tuyến khi đối tượng đang hoạt động.
Hình 2.3 Thiết bị dẫn đường cho xe hơi
Hệ thống trực tuyến sử dụng thiết bị gắn trên đối tượng di chuyển để liên lạc và trao đổi thông tin với máy chủ trung tâm quản lý trong suốt quá trình hoạt động Việc truyền nhận dữ liệu có thể thực hiện qua nhiều phương thức, bao gồm tin nhắn SMS và kết nối GPRS thông qua modem GSM/GPRS Dữ liệu GPS cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, và thời gian, cùng với các thông tin trạng thái như mức tiêu thụ xăng, tình trạng cửa xe, thiết bị trên xe và nhiệt độ Thông tin này giúp trạm điều hành hỗ trợ dịch vụ kịp thời trong các tình huống khẩn cấp và lưu trữ để phục vụ cho việc kiểm tra và quản lý sau này.
Phương pháp xác định vị trí đối tượng
Trong các hệ thống GPS, xác định vị trí hiện tại của đối tượng là yếu tố then chốt Mặc dù việc này đã trở nên dễ dàng nhờ vào dữ liệu GPS, nhưng độ chính xác của thông tin nhận được vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như môi trường và sai số từ vệ tinh Sai số trung bình của thiết bị GPS thường dao động từ 10 – 15 m, gây khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí Để cải thiện độ chính xác này, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu, trong đó phương pháp ánh xạ bản đồ (Map-Matching) nổi bật với khả năng cải thiện đáng kể kết quả Kỹ thuật này kết hợp tọa độ GPS với thông tin địa lý và hình học topo của bản đồ, qua đó nâng cao hiệu quả của các hệ thống định vị GPS.
Hiện nay, các giải thuật và phương pháp ánh xạ bản đồ đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Các kỹ thuật này được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất riêng của từng phương pháp Một số hướng tiếp cận phổ biến trong lĩnh vực này bao gồm nhiều kỹ thuật đa dạng và sáng tạo.
Dựa vào tốc độ lấy mẫu dữ liệu GPS, có hai loại tần số lấy mẫu: cao và thấp Nhiều nghiên cứu tập trung vào bài toán ánh xạ với tần số lấy mẫu thấp, thường từ 2 đến 5 phút mỗi tọa độ Khi dữ liệu GPS được gửi thưa thớt, mối liên hệ giữa các tọa độ giảm, gây khó khăn trong việc xác định vị trí chính xác của đối tượng Do đó, cần phát triển các phương pháp giải quyết riêng cho những tình huống này.
Dựa vào thông tin từ bản đồ và dữ liệu GPS, bao gồm thông tin địa lý, hình học, topo và hướng di chuyển, chúng ta có thể nâng cao độ chính xác trong việc ánh xạ bản đồ.
Các kỹ thuật nâng cao trong lĩnh vực này bao gồm bộ lọc Kalman, logic mờ, mô hình voting và các phương pháp dựa trên xác suất Bên cạnh đó, một số phương pháp cũng được phát triển để giải quyết các bài toán ánh xạ riêng biệt, chẳng hạn như ánh xạ bản đồ với ràng buộc về thời gian di chuyển của đối tượng và ánh xạ trong điều kiện không trực tuyến.
Công nghệ bản đồ số
Một trong những yếu tố quan trọng của phương pháp ánh xạ bản đồ là giải pháp bản đồ đi kèm, bao gồm cơ sở dữ liệu bản đồ với thông tin địa lý và hình học Các giải pháp này thường được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ hoặc hệ thống định vị GPS, nhưng chi phí phát triển cao và thời gian thực hiện lâu Do đó, các tổ chức và cá nhân có nhu cầu trang bị hệ thống định vị có thể lựa chọn giải pháp bản đồ trực tuyến và miễn phí để tiết kiệm chi phí và thời gian.
Các dịch vụ bản đồ hiện nay cung cấp API (Application Programming Interface) cho phép người dùng nhúng bản đồ vào trang web và yêu cầu các dịch vụ như xác định địa điểm và tìm đường Những API này cũng cho phép người dùng thao tác trên bản đồ, thêm các đối tượng như marker, infowindow, và polyline, giúp đáp ứng nhu cầu hiển thị và quản lý thông tin vị trí Tại Việt Nam, có một số nhà cung cấp dịch vụ bản đồ phổ biến.
1650km (1650km.com) cung cấp các API miễn phí với đầy đủ các dịch vụ thông thường Tuy nhiên, đối với những ứng dụng phức tạp hơn liên quan đến quản lý thông tin, giải pháp này vẫn chưa thực sự hiệu quả.
Vietbando (vietbando.com) cung cấp một API phong phú với nhiều chức năng, giúp người dùng thao tác trên bản đồ dễ dàng hơn Mặc dù Vietbando miễn phí cho các API thông thường, nhưng một số dịch vụ quan trọng yêu cầu người dùng phải trả phí, điều này có thể không phù hợp với tiêu chí giảm giá thành của hệ thống.
Hình 2.4 Dịch vụ bản đồ 1650km và Vietbando
Diadiem (diadiem.com.vn) cung cấp các tính năng tương tự như Vietbando với giao diện đẹp mắt và đang triển khai bản đồ 3D Tuy nhiên, người dùng cần phải trả phí để sử dụng các API của dịch vụ này.
Google Maps (maps.google.com) cung cấp bản đồ toàn cầu và các API miễn phí, hỗ trợ đầy đủ chức năng cần thiết cho việc thao tác trên bản đồ.
Việc sử dụng các API cho bản đồ giúp tiết kiệm thời gian phát triển và chi phí bảo trì, là giải pháp lý tưởng cho việc tích hợp vào hệ thống quản lý phương tiện giao thông với giá thành thấp.
Hình 2.5 Dịch vụ bản đồ Diadiem và Google
BỘ XỬ LÝ ARM
Giới thiệu bộ xử lý ARM
Vào đầu những năm 90, ngành công nghiệp bán dẫn đã hình thành một chuỗi sản xuất liên kết bao gồm thiết kế, sản xuất, đóng gói và kiểm định Nhiều công ty sản xuất bán dẫn đã phát triển mạnh mẽ, bên cạnh đó còn có các công ty chuyên về thiết kế.
Advanced RISC Machines (ARM) là công ty hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế vi xử lý, chuyên cung cấp các lõi IP hiệu năng cao cho các nhà sản xuất bán dẫn mà không sản xuất hay bán chip trực tiếp Khi kiến trúc hệ thống ARM7 (kiến trúc hệ thống v3) được chấp nhận và ứng dụng, thị trường vi xử lý nhúng chủ yếu bị chi phối bởi các loại 8 bit và 16 bit.
Các bộ vi xử lý 16 bit không đáp ứng đủ yêu cầu cho các ứng dụng cao cấp như điện thoại di động và modem, vì vậy cần sử dụng bộ vi xử lý 32 bit với mật độ mã lập trình cao hơn Để giải quyết vấn đề này, nhánh T trong kiến trúc ARM đã được phát triển, được gọi là tập lệnh Thumb 16 bit Thumb là một trong những điểm nổi bật của công nghệ ARM, với ARM7TDMI (kiến trúc hệ thống v4) là bộ xử lý đầu tiên hỗ trợ tập lệnh này, cho phép chuyển đổi sang chế độ làm việc với Thumb Nhờ đó, bộ vi xử lý 32 bit có thể hoạt động với tập lệnh 16 bit Thumb, tạo ra cầu nối giữa các hệ thống 16 bit cũ và công nghệ mới.
Kiến trúc ARM mang đến bộ xử lý hiệu năng cao, thúc đẩy sự phát triển của hệ thống nhúng và công nghệ ARM Mặc dù có dự đoán về sự phát triển của bộ vi xử lý 16 bit, nhưng thực tế cho thấy chúng không phát triển mạnh mẽ như mong đợi Nguyên nhân chính là do bộ vi xử lý 32 bit vừa mạnh mẽ hơn vừa có giá thành rẻ hơn, dẫn đến việc các ứng dụng nhúng chuyển sang sử dụng trực tiếp thế hệ 32 bit.
Hiện nay, có khoảng 50 hệ điều hành nhúng tương thích với bộ xử lý ARM, bao gồm Embedded Linux, QNX, Micrium, MontaVista, Windows CE, Symbian, Android, Lynyos và VxWorks Các hệ điều hành nhúng mở này đã tạo nền tảng cho các thiết bị nhúng cao cấp, hiện diện rộng rãi trong nhiều sản phẩm như điện thoại di động, PDA và máy nghe nhạc MP3.
ARM đã trở thành thương hiệu hàng đầu thế giới trong lĩnh vực ứng dụng sản phẩm nhúng, nổi bật với tính năng cao, tiết kiệm năng lượng và giá cả phải chăng Sự chiếm lĩnh thị trường của ARM đã thúc đẩy công ty không ngừng phát triển và ra mắt nhiều phiên bản mới Những thành công quan trọng trong sự phát triển của ARM trong thập niên gần đây đã khẳng định vị thế của hãng trong ngành công nghệ.
• Giới thiệu ý tưởng về định dạng các chỉ lệnh được nén lại (Thumb) cho phép tiết kiệm năng lượng và giá thành ở những hệ thống nhỏ
• Giới thiệu họ điều khiển ARM7, ARM9, ARM11, Cortex và “Strong ARM”
• Phát triển môi trường làm việc ảo của ARM trên PC
• Các ứng dụng cho hệ thống nhúng dựa trên nhân xử lý ARM ngày càng trở nên rộng rãi
Sở dĩ bộ xử lý ARM được sử dụng rộng rãi là vì các đặc điểm sau:
Cấu trúc mở của hệ thống giúp tối ưu hóa quy trình xử lý thuật toán, bảo vệ CPU khỏi quá tải và tiết kiệm bộ nhớ cũng như năng lượng Thumb®-2 mang lại sự cải thiện đáng kể về mật độ code, trong khi DSP cho phép xử lý tín hiệu trực tiếp trong lõi RISC Jazelle® tăng tốc độ xử lý Java, và TrustZone® cung cấp môi trường bảo mật tối đa cho phần cứng và phần mềm.
Bộ xử lý với tần số từ 1MHz đến 1GHz được cải tiến về cấu trúc, mang lại hiệu năng xử lý cao cho các ứng dụng đa phương tiện và Java nhờ vào khả năng mạnh mẽ và đa năng của chúng.
Bộ vi xử lý ARM được ưa chuộng rộng rãi nhờ vào sự sẵn có của các công cụ hỗ trợ phần cứng và phần mềm cho mọi cấu trúc 32-bit.
Vi xử lý ARM nổi bật với khả năng tiêu thụ điện năng thấp nhất trong ngành công nghiệp, đạt hiệu suất MIPS cao mỗi Watt Điều này giúp kéo dài thời gian sử dụng pin, đồng thời vẫn cung cấp các tính năng tiên tiến.
Chi phí silicon thấp nhờ vào bộ xử lý ARM và các sản phẩm IP khác, giúp tối ưu hóa việc sử dụng silicon và bộ nhớ cho các thiết bị không dây Các đặc tính cấu trúc như công nghệ lõi Thumb và Thumb-2 không chỉ giảm kích thước mã nguồn mà còn tối thiểu hóa diện tích và chi phí của silicon.
ARM là cấu trúc vi xử lý được hỗ trợ rộng rãi, với nhiều hệ điều hành, middleware và công cụ phong phú Các giải pháp codec đa phương tiện được tối ưu hóa cho bộ vi xử lý ARM đều có sẵn trong cộng đồng kết nối ARM, mang đến sự lựa chọn đa dạng cho người dùng.
Các đặc điểm cơ bản
ARM là bộ xử lý RISC 32-bit [16] với các đặc điểm
• Kiến trúc load/store: gồm 2 chế độ địa chỉ (thanh ghi-thanh ghi, thanh ghi- hằng)
Các câu lệnh 32-bit với chiều dài cố định giúp đơn giản hóa quá trình giải mã và tối ưu hóa cơ chế pipeline Sự ra đời của tập lệnh Thumb (16-bit) và Jazelle (8-bit) đã mang lại những cải tiến đáng kể, nâng cao mật độ câu lệnh.
• Hỗ trợ các kiểu dữ liệu 8/16/32-bit
• Hầu hết các lệnh được thực thi trong một chu kỳ đơn
Bài viết này giới thiệu hỗ trợ 7 chế độ hoạt động cơ bản, bao gồm chế độ User, nơi hầu hết các tác vụ chạy mà không có ưu tiên, chế độ FIQ với ngắt độ ưu tiên cao xảy ra, và chế độ IRQ, nơi ngắt độ ưu tiên thấp (thông thường) diễn ra.
Supervisor là chế độ cho phép thực thi các lệnh ngắt phần mềm khi vào trạng thái reset Chức năng Abort được sử dụng để xử lý các vi phạm trong việc truy xuất bộ nhớ Undef đảm nhận việc xử lý các lệnh không xác định, trong khi chế độ System ưu tiên sử dụng các thanh ghi tương tự như chế độ user.
Tập thanh ghi của lõi ARM bao gồm 37 thanh ghi, trong đó có 1 thanh ghi bộ đếm chương trình, 1 thanh ghi trạng thái hiện tại, 5 thanh ghi lưu trữ trạng thái chương và 30 thanh ghi đa dụng Cấu trúc của tập thanh ghi và cách sắp xếp vào các dãy (bank) sẽ thay đổi tùy thuộc vào chế độ hoạt động.
Hình 3.1 Các thanh ghi của bộ xử lý ARM
• R14: thanh ghi liên kết chương trình con Thanh ghi này sẽ lưu giá trị của thanh ghi R15 khi lệnh rẽ nhánh đến chương trình con BL được thực hiện
• cpsr (current program status register): thanh ghi trạng thái hiện tại của chương trình
Hình 3.2 Thanh ghi trạng thái chương trình của bộ xử lý ARM
Các cờ mã điều kiện N, Z, C, V phản ánh trạng thái kết quả của các lệnh số học và luận lý (ALU) Chúng cũng được sử dụng để xác định xem một lệnh có được thực thi hay không.
• I, F: các bit để cấm ngắt quãng
• mode: xác định chế độ hoạt động cho bộ xử lý
• Các bit Q và J tương ứng chỉ có trong các kiến trúc 5TE/J ; bit T chỉ có trong kiến trúc v4T
Các câu lệnh trong bộ xử lý có chiều dài 32-bit hoặc 16-bit, với giá trị của thanh ghi bộ đếm chương trình (PC) được lưu trong các bit [31:2] cho 32-bit và [31:1] cho 16-bit Các bit [1:0] hoặc [0] không xác định Đối với bộ xử lý 8-bit, bốn câu lệnh sẽ được đọc cùng một lúc.
Khi có một “exeption” xảy ra:
• Trạng thái chương trình sẽ được chép vào thanh ghi spsr_ từ thanh ghi cpsr
Các bit trong CPSR sẽ được thiết lập thích hợp khi chuyển sang trạng thái ARM, với các bit mode được điều chỉnh theo chế độ hoạt động hiện tại Ngoài ra, các cờ cấm ngắt quãng cũng sẽ được thiết lập nếu cần thiết.
• Ánh xạ các thanh ghi vào các dãy (bank) thích hợp
• Lưu địa chỉ trở về trong thanh ghi lr_
• Thiết lập bộ đếm về địa chỉ của vector tương ứng
Khi thoát khỏi chương trình xử lý ngoại lệ, cần phục hồi thanh ghi CPSR từ thanh ghi SPSR_ và khôi phục thanh ghi bộ đếm PC từ thanh ghi LR_.
Tất cả các câu lệnh trong tập lệnh ARM đều có khả năng thực thi có điều kiện Bộ xử lý ARM áp dụng kiến trúc load-store, không cho phép thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu trực tiếp giữa các vùng nhớ Để sử dụng dữ liệu, các giá trị cần được chuyển vào thanh ghi trước Các lệnh tương tác với bộ nhớ chính bao gồm: LDR/STR, LDM/STM và SWP.
Tập lệnh Thumb rút gọn tập lệnh ARM 32-bit xuống còn 16-bit, giúp tiết kiệm từ 35-40% bộ nhớ Sự mở rộng này làm cho các bộ xử lý trở nên đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí Các câu lệnh chỉ sử dụng một nửa dung lượng bộ nhớ so với tập lệnh 32-bit mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hay làm tăng kích thước mã chương trình.
Chỉ những thanh ghi với chỉ số thấp R0-R7 mới được sử dụng Các thanh ghi còn lại (R8-R15) có thể được sử dụng với mã hợp ngữ.
Vi xử lý LPC2378
Vi xử lý LPC2378 là một sản phẩm dựa trên nền tảng ARM, lý tưởng cho các ứng dụng cần truyền nhận dữ liệu tuần tự Nó tích hợp nhiều giao tiếp như 10/100 Ethernet MAC, USB 2.0 Full Speed, 4 giao tiếp UART, 2 kênh CAN, 1 cổng SPI, 2 cổng SSP, 3 giao tiếp I2C, 1 giao tiếp I2S và 1 MiniBus, mang lại sự linh hoạt cho các dự án phát triển.
LPC2378 là vi điều khiển tích hợp bộ xử lý ARM7TDMI-S, hỗ trợ mô phỏng emulation với tốc độ hoạt động lên đến 72 MHz ARM7TDMI-S là bộ xử lý đa dụng 32-bit, mang lại hiệu suất cao và tiêu thụ điện năng thấp Bộ xử lý này sử dụng hai tập lệnh: tập lệnh ARM chuẩn 32-bit và tập lệnh THUMB 16-bit.
Hình 3.3 Sơ đồ khối LPC2378
LPC2378 không chỉ tích hợp các module ngoại vi cơ bản mà còn có bus cục bộ ARM7, cho phép truy xuất tốc độ cao đến bộ nhớ on-chip Kiến trúc bus vi điều khiển được cải tiến theo tiêu chuẩn AMBA, bao gồm hai loại bus: AHB (Advanced High-Performance Bus).
LPC2378 sử dụng bộ xử lý ARM7TDMI-S với cấu hình cố định, hoạt động ở chế độ little-endian Việc tích hợp 17 phép giao tiếp với các ngoại vi tốc độ cao như Ethernet, USB, DMA và bộ nhớ ngoại, cùng với APB (Advanced Peripheral Bus), cho phép kết nối hiệu quả với các chức năng ngoại vi on-chip khác.
LPC2378 hỗ trợ hai loại bus AHB để đảm bảo khối Ethernet hoạt động độc lập, không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác AHB1 được sử dụng cho giao tiếp với bộ điều khiển vector ngắt quãng, bộ điều khiển DMA đa dụng, bộ điều khiển bộ nhớ ngoài, giao tiếp USB và 8 kB SRAM Trong khi đó, AHB2 chỉ dành riêng cho khối Ethernet và 16 kB SRAM.
Bộ xử lý ARM có thể quản lý một không gian địa chỉ bộ nhớ 4 GB Các module ngoại vi được phân bố vào các vùng nhớ khác nhau
Hình 3.4 Phân vùng bộ nhớ các module ngoại vi trong LPC2378
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS
Giới thiệu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một công nghệ định vị dựa trên vệ tinh nhân tạo, cung cấp dữ liệu liên tục từ các vệ tinh qua sóng vô tuyến Các thiết bị trên mặt đất nhận tín hiệu này và xử lý để cung cấp thông tin hữu ích như tọa độ địa lý, vận tốc và thời gian cho người dùng.
Hệ thống sử dụng hơn 24 vệ tinh, nhưng để xác định vị trí, thiết bị chỉ cần nhận tín hiệu từ 3 vệ tinh thông qua phương pháp đo ba cạnh tam giác (Trilateration).
Hệ thống GPS, ban đầu được gọi là NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), được phát triển bởi chính phủ Mỹ nhằm phục vụ cho quân đội Sau vụ tai nạn máy bay Korean Air Lines năm 1983, nhu cầu sử dụng thông tin định vị trong đời sống dân sự trở nên rõ ràng, dẫn đến việc hệ thống GPS được cung cấp miễn phí cho các ứng dụng định vị dân sự, phục vụ cho kinh tế, khoa học kỹ thuật và nâng cao chất lượng cuộc sống.
Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống GPS gồm có 3 thành phần:
• Phần không gian (Space segment): các vệ tinh
• Phần kiểm soát (Control segment): các trạm mặt đất
• Phần sử dụng (User segment): bộ phận thu tín hiệu
Hình 4.1 Các thành phần của hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh hoạt động quanh Trái Đất, thực hiện 2 vòng quay mỗi ngày với tốc độ 7.000 dặm/giờ (khoảng 11.300 km/h) ở độ cao 12.000 dặm (khoảng 19.300 km) Quỹ đạo của các vệ tinh được thiết kế để đảm bảo rằng từ bất kỳ điểm nào trên bề mặt Trái Đất, ít nhất 4 vệ tinh có thể được nhìn thấy, giúp cung cấp vị trí chính xác cho người dùng.
Hình 4.2 Các vệ tinh của hệ thống GPS
Các vệ tinh gửi tín hiệu vô tuyến xuống mặt đất Tín hiệu này mang theo các thông tin về vệ tinh:
• Vệ tinh gửi thông tin
• Vị trí chính xác của vệ tinh
• Vệ tinh có hoạt động bình thường không
• Ngày giờ vệ tinh gửi tín hiệu
Các vệ tinh nhân tạo sử dụng năng lượng mặt trời và có tuổi thọ khoảng 10 năm Mỗi vệ tinh có khả năng xác định thời gian truyền tín hiệu một cách chính xác.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời gian hiện tại khi truyền dữ liệu đến máy thu GPS Tổng cộng có 20 vệ tinh, mỗi vệ tinh giữ một vị trí cụ thể trong không gian, đảm bảo độ chính xác cao cho quá trình định vị.
Máy thu GPS chỉ nhận tín hiệu từ vệ tinh mà không có khả năng truyền tín hiệu Tín hiệu này có thể xuyên qua các vật như mây, kính và nhựa, nhưng sẽ bị nhiễu khi gặp các vật thể đặc như tòa nhà, núi đá hoặc những vật chứa nhiều kim loại và nước.
Sử dụng máy thu GPS trong các tòa nhà cao tầng hay trong rừng rậm có thể làm giảm hiệu quả truyền nhận tín hiệu
Máy thu GPS sử dụng tín hiệu từ 3 vệ tinh để xác định kinh độ và vĩ độ, đồng thời theo dõi chuyển động Khi nhận tín hiệu từ 4 vệ tinh, máy thu GPS có thể xác định thêm độ cao so với mặt nước biển, tính toán tốc độ, hướng di chuyển và cung cấp nhiều thông tin khác về vị trí.
Các trạm điều khiển mặt đất đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra khả năng hoạt động của vệ tinh, xác minh tính hợp lệ của tín hiệu và điều chỉnh quỹ đạo của vệ tinh từ xa Mảng điều khiển bao gồm nhiều thành phần thiết yếu.
Có tổng cộng 6 trạm theo dõi tự động trên toàn cầu, không cần người vận hành Mỗi trạm có nhiệm vụ theo dõi và nhận dữ liệu từ vệ tinh GPS, sau đó truyền thông tin về quỹ đạo và thời gian nhận được tới trạm điều khiển trung tâm.
Trạm điều khiển trung tâm, tọa lạc tại Colorado Springs, Colorado, chịu trách nhiệm nhận thông tin về quỹ đạo và thời gian từ các trạm theo dõi Nhiệm vụ của trạm là hiệu chỉnh độ chính xác của dữ liệu khi cần thiết và truyền tải thông tin đã được điều chỉnh tới vệ tinh thông qua các ăng ten mặt đất.
Các ăng ten mặt đất đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian từ trạm điều khiển trung tâm, sau đó truyền đạt thông tin này đến các vệ tinh tương ứng.
Hình 4.3 Các trạm điều khiển GPS (1994)
Mảng người dùng của thiết bị thu GPS chủ yếu là các thiết bị cầm tay, dễ dàng mang theo Thiết bị này có chức năng thu thập và xử lý tín hiệu từ các vệ tinh GPS, giúp xác định và hiển thị vị trí địa lý, vận tốc và thời gian trên màn hình Lưu ý rằng thiết bị thu GPS không gửi tín hiệu ngược lại vệ tinh.
Hình 4.4 Một thiết bị thu GPS
4.3 Phương pháp xác định tọa độ GPS
Việc xác định tọa độ chính xác là nhu cầu thiết yếu của người dùng thiết bị GPS, mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống như tìm đường trên bộ và trên biển, theo dõi hành trình xe tải, hỗ trợ thông tin cho phi công, và phục vụ công tác cứu hộ khẩn cấp.
Để xác định vị trí của máy thu GPS, người ta sử dụng phương pháp "Phép đo ba cạnh tam giác" (Trilateration) Phương pháp này cho phép xác định vị trí một điểm trong không gian dựa vào khoảng cách từ điểm đó đến ba điểm đã biết Trong hệ thống GPS, máy thu GPS là điểm cần xác định, trong khi các vệ tinh là những điểm đã biết Khi thiết bị nhận tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh, nó có thể cung cấp thêm thông tin về độ cao của đối tượng.
Hình 4.5 Phương pháp xác định toạ độ GPS.
Độ chính xác của hệ thống
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã áp dụng rào chắn SA (Selective Availability) để giảm độ chính xác của máy thu GPS phi quân sự, phân chia GPS thành ba cấp dịch vụ: dịch vụ định vị chính xác (PPS), dịch vụ định vị chuẩn không rào chắn (SPS without SA) và dịch vụ định vị chuẩn có rào chắn (SPS with SA) Trong đó, PPS cung cấp độ chính xác cao nhất, chỉ dành cho quân đội Mỹ và các đồng minh thân cận, cho phép truy cập mã "chính xác" P và loại bỏ rào chắn SA Các dịch vụ SPS có độ chính xác thấp hơn và chỉ được truy cập mã hạn chế.
“kém” C/A (Coarse/Acquistion Code) ở băng tần L175,42 MHz
Các kỹ thuật cải thiện tín hiệu GPS
GPS vi phân (DGPS) là một kỹ thuật cải thiện độ chính xác trong định vị bằng cách sử dụng tín hiệu từ một trạm chuẩn ở vị trí cố định Trạm chuẩn nhận tín hiệu từ vệ tinh, tự động tính toán vị trí và thời gian, sau đó so sánh với dữ liệu thực tế để xác định sai lệch do môi trường và hiệu ứng rào chắn SA Thông tin sai lệch này được chuyển đến máy thu, giúp nâng cao độ chính xác so với GPS thông thường DGPS bao gồm hai loại: GPS cục bộ (LADGPS) và GPS diện rộng (WADGPS).
GPS cục bộ, hay còn gọi là GPS vi phân, là hệ thống GPS sử dụng máy thu để nhận thông tin hiệu chỉnh về khoảng cách và pha sóng mang từ một trạm chuẩn nằm trong tầm nhìn thẳng Do đặc điểm này, máy thu GPS chỉ hoạt động hiệu quả trong khu vực gần trạm chuẩn, dẫn đến tên gọi GPS cục bộ Thông tin hiệu chỉnh bao gồm việc điều chỉnh quỹ đạo từ vệ tinh, sai số đồng hồ (bao gồm cả hiệu ứng rào chắn SA) và độ trễ truyền sóng.
GPS diện rộng sử dụng mạng lưới trạm chuẩn rộng lớn để xác định các lỗi như lỗi đồng hồ, trễ truyền sóng và lỗi quỹ đạo Thông tin này được tính toán và truyền đến máy thu GPS qua vệ tinh viễn thông hoặc mạng thông tin di động mặt đất.
Hệ thống WAAS (Wide Area Augmentation System) là một mạng lưới vệ tinh và trạm mặt đất cung cấp khả năng sửa lỗi cho tín hiệu GPS, giúp nâng cao độ chính xác trong việc định vị Các bộ thu hỗ trợ WAAS có thể đạt độ chính xác GPS trong vòng 3 mét với xác suất 95% Tuy nhiên, hiện tại, hệ thống này chỉ được triển khai tại Bắc Mỹ.
WAAS bao gồm khoảng 25 trạm tham khảo mặt đất, trong đó có 2 trạm chủ trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các trạm tham khảo khác Hệ thống này thực hiện việc sửa lỗi tín hiệu GPS để nâng cao độ chính xác và tin cậy của thông tin định vị.
Hệ thống WAAS không chỉ hoạt động trên đất liền mà còn mở rộng ra biển, điều mà DGPS chưa thực hiện được Tại những khu vực có hỗ trợ WAAS, người dùng không cần trang bị thêm tính năng nào khác, tạo ra một lợi thế lớn cho công nghệ này.
Hình 4.6 Độ chính xác của các phương pháp xác định toạ độ GPS
Độ chính xác trung bình của tín hiệu GPS thường đạt khoảng 100 m khi không loại bỏ rào chắn SA Sau khi loại bỏ SA, độ chính xác cải thiện xuống còn 15 m Sử dụng kỹ thuật DGPS, độ chính xác có thể đạt 3-5 m, và với sự hỗ trợ của WAAS, độ chính xác có thể dưới 3 m.
Chuẩn NMEA
NMEA stands for the National Marine Electronics Association, which establishes specifications for voltage communication and data transfer among electronic devices used in marine environments.
Chuẩn giao tiếp NMEA 0183 được sử dụng trong các thiết bị điện tử đường thủy như máy đo độ sâu bằng âm thanh, máy đo vận tốc gió, la bàn hồi chuyển, hệ thống lái tự động cho tàu và máy thu GPS Về mặt vật lý, NMEA 0183 quy định việc truyền tải các bit thông qua giao thức UART RS-232.
Giao thức NMEA 0183 sử dụng 232 với 8 bit dữ liệu, 1 bit stop và không có parity, hỗ trợ nhiều tốc độ truyền khác nhau, với tốc độ mặc định là 4800 bit/s Các thông điệp trong giao thức này được cấu trúc bằng các ký tự ASCII và được gọi là các câu NMEA Nội dung chi tiết về các câu NMEA sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.
• Mỗi câu NMEA bắt đầu bằng ký tự $
Các ký tự sau dấu $ biểu thị loại câu, bao gồm hai phần: phần đầu xác định thiết bị sử dụng câu, trong khi phần sau chỉ rõ ý nghĩa của câu.
• Các trường dữ liệu được phân cách bởi dấu “,”
• Khi trường dữ liệu cuối cùng kết thúc, ký tự tiếp sau nó là dấu “*”
Checksum, được biểu thị bằng 2 ký tự số sau dấu “*”, là một phép XOR bit của tất cả các ký tự giữa dấu “$” và dấu “*” Mặc dù checksum không bắt buộc cho hầu hết các câu dữ liệu, nhưng nó là yêu cầu bắt buộc đối với các câu RMA, RMB và RMC.
• Câu kết thúc với ký tự
Ví dụ : một câu NMEA hoàn chỉnh có dạng như sau
4.6.2 Các câu NMEA phổ biến
Các câu NMEA, bao gồm NMEA GPS, được phân thành hai loại chính là output và input Các câu output cung cấp thông tin GPS và thường gặp bao gồm nhiều loại khác nhau.
• GPGGA: thời gian, vị trí và dữ liệu tĩnh
• GPRMC: thời gian, ngày, vị trí, vector vận tốc (độ lớn và hướng)
• GPGSA: chế độ hoạt động của bộ thu GPS, những vệ tinh được sử dụng và giá trị DOP (Dilution Of Precision)
GPGSV là thông tin về các vệ tinh mà máy thu GPS có khả năng "nhìn thấy" Đối với câu NMEA input, thường là các câu đặc trưng của từng nhà sản xuất như Garmin, SiRF, và Motorola.
SiRF cung cấp 8 câu lệnh đầu vào, trong đó câu lệnh phổ biến nhất là PSRF100, được sử dụng để thiết lập giao thức (SiRF binary hoặc NMEA) và các thông số liên quan đến giao tiếp UART RS-232 Một trong những câu lệnh quan trọng là GPGGA, cung cấp dữ liệu về vị trí GPS.
Câu GGA cung cấp thông tin quan trọng về kinh độ, vĩ độ, độ cao, số lượng vệ tinh có thể nhìn thấy và độ sai số do vị trí tương đối của các vệ tinh.
Thành phần Ví dụ Đơn vị Mô tả
Message ID $GPGGA Câu NMEA cho thiết bị
GPS, loại câu GGA UTC Time 123456.789 hhmmss.sss 12 giờ 34 phút 56giây
789/1000 giây (Muốn biết giờ Hà Nội ta cộng thêm
Vĩ độ 1032.2475 ddmm.mmmm 10 độ 32 phút
Kinh độ 10658.3416 dddmm.mmmm 106 độ 58 phút
3416/10000 phút Đông/Tây E E = đông, W = tây
1 0 = dữ liệu không hợp lệ
1 = dữ liệu GPS hợp lệ
2 = dữ liệu DGPS hợp lệ
Số vệ tinh sử dụng 07 từ 0 đến 12
Position Xem chú thích (*) để biết thêm chi tiết
MSL Altitude 9.0 mét Mean Sea Level Altitude: độ cao so với mực nước biển trung bình
Units M mét Đơn vị của MSL Altitude
Chiều cao Geoid mét Chiều cao của mặt Geoid so với mặt Ellipsoid tham chiếu WGS84 Xem chú thích (**) để biết thêm chi tiết
Units M mét Đơn vị của chiều cao
Age of Diff Corr giây Thời gian kể từ lúc nhận được tín hiệu cập nhật DGPS
0000 ID của trạm DGPS Xem chú thích (***) để biết thêm chi tiết
kết thúc thông điệp
Bảng 4.1 Các trường dữ liệu câu GPGGA
DOP, hay Dilution Of Position, đề cập đến ảnh hưởng của vị trí tương đối giữa các vệ tinh đến độ chính xác của máy thu GPS Khi các vệ tinh trên bầu trời gần nhau, chỉ số DOP sẽ cao, dẫn đến khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí của máy thu HDOP (Horizontal DOP) là chỉ số DOP liên quan đến kinh độ và vĩ độ, phản ánh mức độ chính xác trong việc xác định vị trí.
Mặt Geoid là một mặt tưởng tượng, tương ứng với mực nước biển trong điều kiện tĩnh, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hay dòng chảy Bên cạnh mặt Geoid, còn có nhiều loại mặt khác mô tả hình dạng Trái Đất, trong đó có mặt WGS84, một mặt tham chiếu mô phỏng bề mặt Trái Đất hình ellip tròn xoay, được giới thiệu vào năm 1984.
DGPS (Differential GPS) là phương pháp nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS thông qua việc sử dụng các trạm DGPS Các trạm này thu tín hiệu từ vệ tinh GPS, thực hiện tính toán hiệu chỉnh và truyền tín hiệu DGPS đến máy thu GPS nhằm cải thiện độ chính xác Tại Việt Nam, hệ thống DGPS đã được triển khai tại Quảng Nam và Phú Quốc Câu GPRMC (Recommended Minimum Specific GPS Data) cũng là một phần quan trọng trong dữ liệu GPS.
Ngoài thời gian và vị trí, GPRMC còn cung cấp thông tin về ngày, vận tốc, hướng chuyển động
Thành phần Ví dụ Đơn vị Mô tả
Message ID $GPRMC ID của câu GPRMC
UTC Time 161229.487 hhmmss.sss 16 giờ 12 phút 29 giây
Status A A = dữ liệu hợp lệ
V = dữ liệu không hợp lệ
Vĩ độ 3732.2475 ddmm.mmmm 37 độ 32 phút 2475/10000 phút
Kinh độ 12158.3416 dddmm.mmmm 121 độ 58 phút 3416/10000 phút Đông/Tây W E = đông, W = tây
0.13 Knots Vận tốc tính bằng Knot
309.62 độ Hướng của vector vận tốc so với vector hướng từ máy thu GPS lên hướng Bắc
Date 120598 ddmmyy ngày 12 tháng 05 năm 1998
004.2 độ Độ sai lệch giữa phương Bắc
Nam la bàn nam châm và phương Bắc Nam thật Đông/Tây W E = đông, W = tây
kết thúc thông điệp
Bảng 4.2 Các trường dữ liệu câu GPGMC c Câu GPGSA (GPS DOP and active satellites)
Câu GPGSA cung cấp thông tin về số lượng vệ tinh đang được sử dụng và chỉ số DOP (Dilution Of Precision) DOP thể hiện ảnh hưởng của vị trí tương đối của các vệ tinh đến độ chính xác trong việc xác định vị trí Giá trị DOP càng nhỏ thì độ chính xác của vị trí càng cao, với giá trị 1 tương ứng với độ chính xác tuyệt đối.
Thành phần Ví dụ Đơn vị Mô tả
Message ID $GPGSA ID của câu GPGSA
Mode 1 A A = automatic, cho phép tự động chuyển đổi giữa 2D và 3D (3D nghĩa là ngoài kinh vĩ độ, còn có thêm độ cao)
Mode 2 3 1 = chưa xác định được vị trí
2 = 2D (sử dụng thông tin của
3 = 3D (sử dụng thông tin của
Vệ tinh sử dụng 07 ID của vệ tinh ở kênh 1
Vệ tinh sử dụng 02 ID của vệ tinh ở kênh 2
Vệ tinh sử dụng ID của vệ tinh ở kênh 12
PDOP 1.8 Position DOP: DOP cho tính toán 3D (kinh vĩ độ và độ cao)
HDOP 1.0 Horizontal DOP: DOP cho tính toán 2D (kinh vĩ độ)
VDOP 1.5 Vertical DOP: DOP cho tính toán độ cao
kết thúc thông điệp
Bảng 4.3 Các trường dữ liệu câu GPGSA d Câu GPGSV (Satellites in View)
Câu GPGSV cung cấp thông tin về các vệ tinh mà máy thu GPS có thể phát hiện dựa trên dữ liệu nhận được, đồng thời cho thấy khả năng tiếp nhận tín hiệu từ những vệ tinh này.
30 liệu này Mỗi câu GSV chỉ có thể cung cấp dữ liệu 4 vệ tinh và do đó có thể cần tới
3 câu để có đầy đủ thông tin 12 vệ tinh (số lượng tối đa có thể thấy được đồng thời)
Số lượng vệ tinh trong GSV có thể vượt quá số lượng trong GGA do GSV bao gồm cả những vệ tinh không được sử dụng cho việc xác định vị trí Ngoài ra, các câu GSV có thể không xuất hiện liên tiếp với nhau.
Có 7 vệ tinh quan sát, cần 2 thông điệp, thông điệp 1 có 4 vệ tinh
Thành phần Ví dụ Đơn vị Mô tả
Message ID $GPGSV ID của câu GSV
ID vệ tinh 07 ID của vệ tinh
Elevation 79 độ Góc giữa đường thẳng nối máy thu
GPS với vệ tinh so với mặt đất (tối đa
90) Azimuth 048 độ Góc giữa vector nối máy thu GPS- hình chiếu vệ tinh lên mặt đất và vector nối máy thu GPS-cực Bắc (tối đa 360)
HIỆN THỰC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ GIÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG 32
Thiết bị định vị/giám sát đối tượng
Module định vị GPS được lắp đặt trên các đối tượng di chuyển như người và phương tiện giao thông (taxi, xe buýt, ) Nó bao gồm một vi điều khiển trung tâm kết nối với module GPS, module GSM/GPRS, và các module mở rộng khác như module hiển thị và tương tác người dùng Hệ thống cũng hỗ trợ các giao tiếp mở rộng như UART, SPI và giao tiếp thẻ nhớ.
Hình 5.2 Sơ đồ khối các module trong thiết bị định vị GPS
Vi điều khiển sử dụng giao tiếp UART để nhận dữ liệu từ module GPS và điều khiển module GSM/GPRS Module GPS thu tín hiệu từ vệ tinh và gửi dữ liệu theo chuẩn NMEA Vi điều khiển phân tích dữ liệu để trích xuất thông tin vị trí (kinh độ, vĩ độ), thời gian (ngày - giờ), vận tốc và hướng di chuyển Các thông tin này được gửi định kỳ lên WebServer.
Tập tin "record.php" sử dụng phương thức GET theo giao thức HTTP 1.1 để kết nối với WebServer Kết nối này được thực hiện thông qua module GSM/GPRS, và việc điều khiển module này được thực hiện bằng các câu lệnh AT.
Bản mẫu module định vị GPS tích hợp vi điều khiển LPC2378 của hãng NXP, module SIM548C của hãng SIMCOM SIM548C tích hợp module GPS, module GSM/GPRS
Hình 5.3 Bản mẫu thiết bị định vị/giám sát đối tượng
5.1.1 Cấu tạo phần cứng a Khối nguồn
Hình 5.4 Khối cung cấp nguồn cho thiết bị định vị GPS
Nguồn cung cấp có thể sử dụng nguồn DC (nguồn pin, adapter ) hoặc nguồn
IC ổn áp LM2576 cung cấp điện áp ổn định 5V cho module SIM548C Sau khi ổn áp, nguồn 5V được chuyển qua IC AMS1117 để tạo ra điện áp 3.3V cung cấp cho vi điều khiển LPC2378 và các module ngoại vi khác.
Module SIM548C được kết nối vào board mạch chính thông qua một socket gồm
60 chân SIM548C được tích hợp sẵn module GPS và module GSM/GPRS Trạng thái hoạt động của module GSM/GPRS được hiển thị thông qua đèn LED
Đèn LED "NETLIGHT" hiển thị trạng thái kết nối mạng GSM/GPRS của module SIM548C, với tần số sáng/tắt phản ánh tình trạng này Anten GPS hoạt động với nguồn 5V qua chân GPS_VANT Module này cũng đã được tích hợp sẵn socket cho SIM card Người dùng có thể khởi động lại module GSM/GPRS bằng cả phần cứng và phần mềm, với chân PWRKEY hỗ trợ khởi động lại phần cứng, trong khi chân GPS_M-RST cho phép khởi động lại module GPS.
GPS_RXA GPS_TXB GPS_RXB GPS_VRTC
GPS_VCC_RF GPS_VANT GPS_TXB GPS_RXB
GPS_TIMEMARK GPS_WAKEUP 10 R73 GPS_VCC_RF GPS_VANT GPS_VCC
Hình 5.5 Khối SIM548C c Khối vi điều khiển trung tâm, I/O và giao tiếp mở rộng
Khối trung tâm của board mạch sử dụng vi điều khiển LPC2378, cho phép nạp chương trình qua cổng JTAG hoặc UART LPC2378 hỗ trợ 4 kênh UART, trong đó 2 kênh được dành cho giao tiếp với module GPS và module GSM/GPRS, còn 2 kênh còn lại phục vụ cho các chức năng mở rộng.
Khối hiển thị LCD cùng các cổng xuất/nhập như LED và switch giúp người dùng dễ dàng tương tác với thiết bị Thiết bị cũng tích hợp khe cắm thẻ nhớ ngoài, cho phép lưu trữ thông tin cần thiết trong quá trình hoạt động và hỗ trợ giao tiếp mở rộng qua SPI.
Hình 5.6 Khối hiện thị LCD và giao tiếp thẻ nhớ
Vi điều khiển nhận dữ liệu từ module GPS qua ngắt UART và lưu trữ vào một buffer Dữ liệu này sau đó được phân tích để trích xuất thông tin cần thiết Trong trường hợp không kết nối GPRS, thông tin sẽ được ghi vào thẻ nhớ hoặc gửi lên WebServer để hiển thị trên bản đồ cho người dùng.
Hình 5.7 Lược đồ chương trình điều khiển chính của thiết bị định vị GPS a Giao tiếp module GPS
Dữ liệu từ bộ thu GPS theo định dạng NMEA sẽ được phân tích để lấy thông tin cần thiết như tọa độ, ngày giờ, vận tốc và hướng đi Chương trình chỉ tập trung phân tích hai loại lệnh GGA (Global Positioning System Fixed Data) và RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data), vì đây là những thông tin quan trọng cho bài toán Cấu trúc dữ liệu của hai loại lệnh này được định nghĩa rõ ràng để phục vụ cho việc xử lý thông tin.
Hình 5.8 Cấu trúc dữ liệu thông tin GPS
Khi nhận dữ liệu GPS, nó sẽ được chuyển đến bộ phân tích NMEA, nơi các trường như lệnh, dữ liệu và checksum được tách biệt và lưu trữ trong các buffer riêng biệt Dữ liệu từ các buffer sẽ được kiểm tra và phân tích để trích xuất thông tin cần thiết, sau đó lưu trữ theo cấu trúc dữ liệu quy định Chỉ những thông tin hợp lệ, được xác định dựa trên checksum, mới được lưu lại.
Cấu trúc của một câu dạng chuẩn NMEA có dạng :
$cc…c, dd…d, …, dd d*hh
• $ : ký tự bắt đầu một câu NMEA
• hh: giá trị checksum (gồm 2 chữ số hex)
Bộ phân tích NMEA có nhiệm vụ tách biệt các trường lệnh, dữ liệu và checksum, sau đó lưu trữ chúng vào các buffer được chỉ định Để thực hiện nhiệm vụ này, bộ phân tích NMEA được thiết kế dưới dạng một máy trạng thái đơn giản với 5 trạng thái khác nhau.
Hình 5.9 Sơ đồ máy trạng thái của bộ phân tích NMEA
Trạng thái tìm ký tự bắt đầu là quá trình kiểm tra dữ liệu từ máy thu GPS (ký hiệu: btData) nhằm phát hiện ký tự bắt đầu của câu lệnh.
‘$’ Khi đã phát được ký tự ‘$’, chuyển sang trạng thái 2
Trong trạng thái nhận dạng câu lệnh, các ký tự từ trường lệnh được thu nhận và ghép nối thành chuỗi, sau đó lưu trữ vào buffer chỉ định Quá trình thu nhận kết thúc khi ký tự phân cách trường ',' được nhận, và máy sẽ chuyển sang trạng thái 3.
41 hợp, chuỗi lệnh nhận được vượt quá chiều dài quy định (tức đã có lỗi) thì mày sẽ được reset về trạng thái ban đầu
Trong trạng thái nhận dữ liệu, tất cả các ký tự được nhận sẽ được lưu trữ trong bộ đệm dành cho trường dữ liệu Quá trình nhận chỉ kết thúc khi gặp ký tự báo đến phần checksum ‘*’, ký tự kết thúc câu ‘’, hoặc khi chuỗi ký tự vượt quá chiều dài cho phép Nếu nhận được ký tự báo đến phần checksum, máy sẽ chuyển sang trạng thái 4; ngược lại, máy sẽ quay về trạng thái đầu để chuẩn bị nhận câu NMEA mới hoặc reset do lỗi.
(4) Trạng thái lấy ký tự checksum1: Ở trạng thái này, máy sẽ thu nhận ký tự checksum thứ nhất và chuyển sang trạng thái 5
Trong trạng thái lấy ký tự checksum thứ hai, máy sẽ nhận ký tự này và kết hợp với ký tự checksum thứ nhất để tạo thành một số hex, nhằm kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu nhận được Sau đó, máy sẽ quay lại trạng thái đầu tiên để chuẩn bị cho việc nhận câu tiếp theo.
Webserver
Để xác minh tính chính xác của mô hình hệ thống, một phiên bản thử nghiệm của website quản lý xe buýt tại TP Hồ Chí Minh đã được phát triển với các thành phần cần thiết.
5.2.1 Cơ sở dữ liệu a Hiện trạng hệ thống xe buýt TP Hồ Chí Minh
Mạng lưới xe buýt tại TP Hồ Chí Minh là một chính sách quan trọng của chính phủ, nhằm giảm thiểu phương tiện cá nhân, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tình trạng tắc nghẽn giao thông trong thành phố.
Hiện nay, Thành phố Hồ Chí Minh có hơn 100 tuyến xe buýt đang hoạt động, với mỗi tuyến được quản lý bởi một đơn vị chủ quản riêng Các đơn vị này chịu trách nhiệm cho một hoặc nhiều tuyến xe buýt khác nhau.
Mỗi tuyến xe buýt có lộ trình và thời gian di chuyển nhất định, với các tuyến khác nhau nhưng có thể giao nhau tại một số điểm Lộ trình bao gồm các tuyến đường và điểm dừng quan trọng mà xe buýt sẽ đi qua, với mỗi tuyến có lượt đi và lượt về có thể khác nhau Trạm đầu mối là nơi tập trung nhiều tuyến xe buýt, có thể là điểm bắt đầu hoặc kết thúc của một tuyến, và một tuyến có thể sử dụng cùng một trạm đầu mối hoặc có trạm đầu mối khác nhau cho lượt đi và lượt về.
Các tuyến xe buýt hoạt động từ 2h30 đến 20h30, với thời gian bắt đầu và kết thúc khác nhau tùy theo từng tuyến Mỗi tuyến có nhiều chuyến xe buýt lần lượt đến các nhà chờ hoặc trạm dừng để đón khách Thời gian giãn cách giữa các chuyến xe sẽ thay đổi theo từng thời điểm trong ngày, bao gồm thời gian giãn cách cao điểm và thấp điểm.
Nhà chờ hay trạm dừng là những điểm dừng nhỏ cho hành khách chờ đón xe và xuống xe Các trạm này được bố trí dọc theo lộ trình của các tuyến xe buýt, phục vụ nhu cầu di chuyển của người dân Mỗi nhà chờ có thể nằm trên lộ trình đi hoặc lộ trình về của một tuyến xe buýt nhất định.
Nhà chờ xe buýt 45 là điểm dừng cho nhiều tuyến xe khác nhau Các chuyến xe buýt sẽ dừng lại để đón hành khách nếu có người đang chờ tại nhà chờ.
Mỗi tuyến xe buýt có các trạm dừng cố định trong lộ trình, và lái xe không được phép dừng xe đón khách tại những trạm không có trong danh sách quy định Hành khách cần xác định tuyến xe buýt mình muốn đi và đến đúng trạm dừng tương ứng.
Cơ sở dữ liệu được tổ chức thành các bảng để quản lý thông tin cần thiết về người dùng, bao gồm lái xe và quản lý, cũng như thông tin về xe buýt, tuyến xe buýt, lộ trình, trạm dừng và chuyến xe buýt Ngoài ra, dữ liệu vị trí được thu thập từ thiết bị định vị GPS trong quá trình hoạt động cũng được lưu trữ.
Hình 5.12 Mô hình quan hệ cơ sở dữ liệu quản lý hệ thống xe buýt
Các bảng trong cơ sở dữ liệu bao gồm:
• UserData (tài khoản người dùng, có thể là lái xe hoặc quản lý)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 User_index auto_index 10 PK
2 Name string 50 Tên tài khoản
Bảng 5.1 Các trường dữ liệu của bảng UserData
• DriverData (thông tin lái xe)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 Driver_index auto_index 10 PK
2 Driver_name string 50 Tên lái xe
3 Sex char 1 M(Male) or F(Female)
5 License_no string 20 Bằng lái
6 Join_date date Ngày vào công ty
7 Phone_no string 12 Số điện thoại
Bảng 5.2 Các trường dữ liệu của bảng DriverData
• BusData (thông tin các xe buýt)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 Bus_index auto_index 10 PK
2 Plate_no string 10 Biển số xe
3 Phone_no string 12 SIM card assigned to bus
4 Bus_year string 4 The manufacture year
5 Join_date date Ngày nhập vào công ty
6 Description string 100 Mô tả khác
• BusAssign (cấp quyền điều khiển xe buýt cho các lái xe)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 BA_index auto_index PK
2 Assign_date date Ngày cấp
3 Assign_time time Giờ cấp
Bảng 5.3 Các trường dữ liệu của bảng BusAssign
• BusRoute (các tuyến xe buýt)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 Route_index int Mã tuyến
2 Route_name string 50 Tên tuyến
4 Trip_no int 3 Unit: trip
5 Travel_time int 3 Unit: minute
6 Operating_from time Thời gian bắt đầu
7 Operating_to time Thời gian kết thúc
8 Rush_period int 2 Unit: minute
9 Normal_period int 2 Thời gian giãn cách
10 Route_type string 20 Trợ giá/không
11 Terminal_station_D int 10 Trạm bắt đầu lượt đi
12 Terminal_station_R int 10 Trạm bắt đầu lượt về
Bảng 5.4 Các trường dữ liệu của bảng BusRoute
• BusStation (các trạm xe buýt)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 Station_index auto_index PK
2 Address_no string 10 Địa chỉ trạm
Bảng 5.5 Các trường dữ liệu của bảng BusStation
• RouteAssign (quy định các trạm dừng cho từng tuyến xe buýt)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 RA_index auto_index PK
4 Direction char 1 D(departure) or R(return)
Bảng 5.6 Các trường dữ liệu của bảng RouteAssign
• TripAssign (sắp xếp các chuyến xe thuộc một tuyến nào đó)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 Trip_index auto_index PK
4 Direction char 1 D(departure) or R(return)
5 Depart_time time Thời gian rời bến
6 Arrive_time time Thời gian về bến
7 Assign_date date Ngày quyết định
8 Assign_time time Giờ quyết định
Bảng 5.7 Các trường dữ liệu của bảng TripAssign
• DrivingRecord (dữ liệu gửi về từ thiết bị định vị GPS)
STT Thuộc tính Kiểu KThước Chú giải
1 DR_index auto_index PK
4 GPS_date date Ngày theo dữ liệu GPS
5 GPS_time time Giờ theo dữ liệu GPS
6 Recv_date date Ngày nhận (server)
7 Recv_time time Giờ nhận (server
Bảng 5.8 Các trường dữ liệu của bảng DrivingRecord
Bản đồ Google hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định vị và giám sát Google cung cấp nhiều API miễn phí, cho phép người dùng dễ dàng thao tác trên bản đồ và tích hợp các dịch vụ liên quan đến vị trí, địa điểm và tìm đường vào hệ thống của mình.
Google cung cấp nhiều đối tượng như marker, icons, polylines và infowindow, cho phép người dùng tự do thao tác trên bản đồ Việc hỗ trợ hiện thực hóa các đối tượng theo yêu cầu của người dùng mang lại tính linh hoạt cao cho hệ thống.
Trong giới hạn đề tài, một số đối tượng cơ bản của bản đồ Google được sử dụng để hiện thực hệ thống định vị GPS bao gồm:
Marker là một công cụ xác định vị trí trên bản đồ, với biểu tượng chuẩn của Google Người dùng có thể sử dụng hàm constructor google.maps.Marker để thiết lập các thuộc tính ban đầu cho marker thông qua đối tượng Marker options Hai thuộc tính quan trọng nhất của marker là vị trí và biểu tượng.
• position: xác định toạ độ (vĩ độ, kinh độ) cho vị trí của marker
• map: xác định đối tượng Map mà marker được đặt lên
Google cho phép phát hiện sự kiện click trên marker, cùng với việc điều chỉnh hiệu ứng và biểu tượng của marker Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, các đối tượng marker của Google có thể được tùy chỉnh mà vẫn đảm bảo tương thích với các hàm sự kiện cơ bản.
InfoWindows là một đối tượng quan trọng giúp hiển thị thông tin mà người dùng mong muốn khi nhấn vào marker Các thuộc tính cơ bản của InfoWindows bao gồm khả năng tùy chỉnh nội dung hiển thị và vị trí xuất hiện trên bản đồ.
• content: nội dung hiển thị trong cửa số của đối tượng khi được mở ra
• maxWidth: quy định kích thước tối đa cho khung cửa sổ của đối tượng
• position: xác định vị trí nơi cửa sổ xuất hiện
Nội dung hiển thị có thể được định dạng trong một thẻ với kích thước tùy ý, cho phép người dùng điều chỉnh theo nhu cầu sử dụng Bên cạnh đó, Polylines và mảng các Polyline cũng có thể được sử dụng để thể hiện dữ liệu một cách linh hoạt.
