Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng di động GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải

220 490 0
  • Loading ...
1/220 trang
Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 10/03/2015, 01:13

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: • Chương 1: trình bày sơ lược về mạng thông tin di động (GSM) và điều kiện cơ sở hạ tầng mạng GSM Việt Nam từ đó đưa đến tiền đề phát triển đề tài. • Chương 2: đề cập đến cơ sở thiết kế, mô hình thiết kế và mô hình triển khai hệ thống. • Chương 3: hệ thống hóa lý thuyết truyền sóng, phương pháp tính toán độ lệch vị trí và giải quy ết vấn đề suy hao khi tích hợp hai module GSM và GPS trên cùng một thiết bị. • Chương 4: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt trên hải đăng. • Chương 5: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt trên hải phao. • Chương 6: trình bày thiết kế của thiết bị phần cứng đặt tại trung tâm. • Chương 7: mô tả phần mềm quản lý toàn bộ hệ thống • Chương 8: kết quả đạt được và hướng phát triển • Phụ lục: mã chương trình của phần mềm quản lý hệ thống Tôi xin gởi cảm ơn chân thành đến Bộ Giao Thông Vận Tải, Cục Hàng Hải đã hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành đề tài. Tôi xin chân thành Cảm ơn Tổng Công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Nam, Phòng An toàn Hàng Hải, Công ty TNHH MTV Thiết bị Báo hi ệu Hàng hải Miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về mặt thời gian và cơ sở vật chất để thử nghiệm thiết bị và hệ thống trong thời gian qua. Tôi cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án vừa qua Tp. Vũng Tàu, 12/2010 Chủ nhiệm đề tài ThS. Phạm Tuấ n Anh 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 3.1.4.2 GPRS BSS 18 3.1.4.3 MSC (Mobile Services Switching Center) 19 3.1.4.4 GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) 19 3.1.4.5 HLR (Home Location Register) 19 3.1.4.6 VLR (Visistor Location Register) 20 3.1.4.7 Mạng lõi 20 3.1.5. Mã hóa kênh trong GPRS 23 3.1.6. Kết nối IP của GPRS 24 3.1.6.1 Địa chỉ IP công cộng và địa chỉ riêng 25 3.1.6.2 Địa chỉ IP động và địa chỉ tĩnh 26 3.1.6.3 Các phần kết nối IP trong GPRS 27 3.2. GPS và ứng dụng 27 3.2.1. Ứng dụng GPS tính toán độ dịch chuyển 27 3.2.1.1 Trị đo GPS 27 3.2.1.2 Định vị GPS 29 3.2.1.3 Phương pháp tính toán độ dịch chuyển và giám sát sai lệch tọa độ 31 3.2.2. WebGIS 36 3.2.2.1 Công nghệ MapServer 37 3.2.2.2 Công nghệ GeoServer 37 3.2.2.3 Công nghệ Sharpmap 38 3.2.2.4 Công nghệ Google map 38 3.3. Tích hợp GSM, GPS trên cùng bo mạch và giải pháp khắc phục nhiễu 38 3.3.1. Ảnh hưởng can nhiễu đến tín hiệu thu GPS 38 3.3.1.1 Tổng quan 38 3.3.1.2 Giảm can nhiễu trong dải tần 39 3.3.1.3 Sự can nhiễu ngoài dải tần 40 3.3.1.4 Giảm thiểu can nhiễu và tăng độ lợi bộ thu GPS 41 3.3.2. Mô phỏng LNA dùng HSPICE 42 3.3.2.1 Giới thiệu HSPICE 42 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 5.3.12. Khối Out current sensor 77 5.3.13. Khối Accu Voltage sensor 77 5.3.14. Khối Accu Charge Control 78 CHƯƠNG VI. KHỐI THIẾT BỊ TRUNG TÂM 79 6.1. Tính năng của khối 79 6.2. Sơ đồ khối 79 6.3. Chức năng các khối con 80 6.3.1. Khối vi xử lý 80 6.3.2. Khối GSM/GPRS 81 6.3.3. Khối Serial Eeprom 82 6.3.4. Khối Ethernet 83 6.3.5. Led status 83 6.3.6. Khối chuông báo động 84 6.3.7. Khối PC 84 CHƯƠNG VII. CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CHO HỆ THỐNG 85 7.1. Flowchart khối điều khiển cảm biến 85 7.2. Flowchart khối đ iều khiển nhận thông tin 87 7.3. Cấu trúc dữ liệu thu phát thông tin của thiết bị 89 7.3.1. Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi về trung tâm 89 7.3.2. Cấu trúc tin nhắn thiết bị gởi đến cài đặt thiết bị giám sát 90 7.3.3. Đáp ứng từ thiết bị giám sát khi nhận tin nhắn 90 7.3.3.1. Ứng với thao tác T1 91 7.3.3.2. Ứng với thao tác khác 92 7.3.4. Cấu trúc tin nhắn thiết bị giám sát gởi cảnh báo 93 7.4. Phần mềm giám sát và kiểm soát báo hiệu từ xa 93 7.4.1. Giới thiệu 93 7.4.2. Quy trình nghiệp vụ và tính năng hệ thống 95 7.4.2.1. Quy trình nghiệp vụ 95 7.4.2.2. Tính năng giám sát, kiểm soát 96 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 di động phổ biến nhất trên thế giới. Cho đến nay công nghệ này có gần 2 tỷ thuê bao sử dụng trên phạm vi 212 quốc gia và vùng lãnh thổ . Do nó hầu như có mặt khắp nơi trên thế giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết roaming với nhau nhờ đó mà thuê bao GSM có thể dể dàng sử dụng máy điện thoại GSM cũa mình ở bất cứ nơi đâu. Mặt thuân lợi cũa 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 roaming cho thuê bao cũa mình với các mạng khác trên toàn thế giới. Và công nghệ GSM cũng phát triển thêm các tính năng truyền dữ liệu như GPRS và sau này là truyền tốc độ cao hơn khi họ sử d ụng EGDE. 1.2. Lịch sử mạng GSM Vào đầu những năm 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 hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecomunications Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bở i nhà khai thác Radiolinja ở Finland. 2  Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thong châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Đến 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. 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 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 tùy thuộc vào độ cao củ a anten, độ lợi của anten thì 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 thể phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị… thì người ta sẽ dung các trạm Pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào. 1.4. Cấu trúc mạng GSM Mạng GSM bao gồm các thành phần sau: • Trạm gốc và các phần điều khi ển BSS (Base Station Subsytem) • Mạng và hệ thống chuyển mạch NSS (Network Station Subsytem) • Phần mạng GPRS (Global Packet Radio Service) • Một số phần khác cung cấp dịch vụ cho GSM như gọi, nhắn tin SMS (Short Message Service) • Thẻ SIM (Subscribe Identity Module) [...]... những hệ thống quản lý tân tiến như hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, hệ thống nhận dạng tự động, hệ thống camera quan sát, … Việc giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải từ xa được quan tâm từ những năm 70, bắt đầu từ việc giám sát, kiểm soát các phao báo hiệu ở mức độ đơn giản nhất là nhận biết tình trạng hoạt động (sáng/tắt) của đèn trên phao, dần dần, mức độ giám sát gần như toàn di n, giám sát và. .. Monitoring and Control): được phát triển vào đầu những năm 90 bởi công ty Navlink, hệ thống Navlink có 11   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)... hiệu hàng hải nhằm đảm bảo cho các báo hiệu hàng hải hoạt động theo đúng chức năng, liên tục và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo an 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. .. thiệu tổng quan về hệ thống báo hiệu hàng hải 2.1.1 Sơ lược hệ thống báo hiệu hàng hải • Các loại báo hiệu hàng hải Báo hiệu hàng hải gồm có các loại chính sau: Hải đăng (đèn biển) Các thiết bị báo hiệu của một hải đăng bao gồm: - Đèn chính - Đèn phụ - Beacon (Một số hải đăng có) - Racon (Một số hải đăng có) - AIS (chưa có) - Thiết bị báo hiệu hàng hải khác (hầu như ko có) 6   Hình 2.1 Hải đăng và các... ngành bảo đảm an toàn hàng hải với những công nghệ kỹ thuật tiên tiến nhất nhằm luôn bảo đảm an toàn hàng hải 24/24 và kịp thời cảnh báo và cứu hộ khi có sự cố xảy ra Đối với nước Mỹ, Anh, Pháp và các nước phát triển khác, các hạ tầng kỹ thuật của bảo đảm an toàn hàng hải đã hoàn toàn được tự động hóa, các hải đăng đã không còn công nhân canh gác từ hàng chục năm qua; các báo hiệu hàng hải đã được hiện... cho các hải đăng hoạt động tự động, không cần người trong coi từ đầu những năm 90 14   Hình 2.10 Hệ thống hải đăng hoạt động tự động và giám sát từ xa của Trinity House Mô hình đảm bảo an toàn hàng hải tiên tiến nhất hiện nay được gọi là VTS (Vessel Traffic Service), được xem như hệ thống kiểm soát không lưu” trên biển, trong hệ thống này, các báo hiệu hàng hải không chỉ thực hiện chức năng báo hiệu. .. báo hiệu hàng hải hiện nay điều nằm trong khu vực phủ sóng của mạng GSM, do vậy trong phạm vi đề tài này, hệ thống được xây dựng và phát triển trên nền tảng ứng dụng kỹ thuật và công nghệ cho mạng GSM 18   Hình 3.1 Báo hiệu hàng hải nằm trong khu vực bao phủ của sóng vô tuyến 3.2 Mô hình hệ thống Từ thực tiễn khảo sát và yêu cầu của đề tài, người viết thiết kế một hệ thống truyền nhận data qua mạng GSM. .. soát hoạt động của tất cả ngoại vi gắn trên phao như giám sát tình trạng của ắc quy, dòng nạp, dòng xả, chu kỳ chớp tắt của đèn … và mức độ giám sát, kiểm soát được phát triển ở tầm cao hơn vào đầu thập niên 90, nhiều hệ thống giám sát, kiểm soát báo hiệu hàng hải hoạt động tự động được phát triển và ứng dụng vào thực tiễn, có thể kể đến một số hệ thống như: Hệ thống giám sát và kiểm soát từ xa Navlink... 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 13   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 Wales, kênh đào Islands,... 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 . QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT & KIỂM SOÁT BÁO HIỆU HÀNG HẢI 2.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống báo hiệu hàng hải 2.1.1 Sơ lược hệ thống báo hiệu hàng hải • Các loại báo hiệu hàng hải Báo. 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. 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,
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng di động GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải, Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển báo hiệu hàng hải từ xa thông qua mạng di động GSM phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay