Thiết kế và chế tạo hệ thống chống trộm xe máy

N CỨU Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Dũng MSSV: 13030682 Ngày, tháng, năm sinh: 24/06/1996 Nơi sinh: Vũng Tàu Chuyên Ngành: Tự động hóa I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo hệ thống chống trộm cho xe máy II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: · Tìm hiểu về Mạch Arduino UNO R3. · Đưa ra các phương án nghiên cứu. · Thiết kế và chế tạo hệ thống chống trộm cho xe máy. · Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI: 01/11/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: 31/03/2019 V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S. Phạm Chí Hiếu CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Phạm Chí Hiếu Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày... tháng ..năm 2019 SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hoàng Dũng PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Phan Ngọc Hoàng Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đề tài đều trung thực, do tôi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu. Đề tài này không sao chép các đề tài đã có từ trước. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình. Trường đại học BÀ RỊA-VŨNG TÀU không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). Vũng Tàu, ngày ... tháng ... năm 2019 Người cam đoan Nguyễn Hoàng Dũng Lời nhận xét của hội đồng phản biện Chủ tịch hội đồng Lưu Hoàng Phản biện 1 Phan Thanh Hoàng Anh Phản biện 2 Châu Nguyễn Ngọc Lan Ủy viên Phạm Văn Tâm Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Những thiết bị điện, điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất. Từ những thời gian đầu phát triển ngành kỹ thuật điện tử đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm. Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người. Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của ngành kỹ thuật điện tử, sau một thời gian học tập được quý thầy cô trong viện giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong ngành Điện-Điện tử, cùng với sự nổ lực của bản thân, em đã nghiên cứu đề tài “thiết kế và chế tạo hệ thống chống trộm cho xe máy“ nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng LỜI CẢM ƠN Trước khi bắt đầu nghiên cứu khoa học, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin cảm ơn quý thầy cô ngành Điện-Điện tử đã tận tình truyền đạt kiến thức cũng như giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt, em xin ghi nhớ sự nhiệt tình của thầy Phạm Chí Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn và đã giúp em hoàn thành đề tài này. Sau cùng, em cũng xin cảm ơn những người bạn đã đóng góp ý kiến và hỗ trợ thông tin để em hoàn thiện đề tài. Vũng tàu, ngày ..tháng.. năm 2019 Sinh viên thực hiện chính (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hoàng Dũng Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng MỤC LỤC Đề mục Trang NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 01 1.1. Nhu cầu tự động hóa ở Việt Nam ...................................................................... 01 1.2. Mục tiêu của đề tài ................ 01 1.3. Tính tối ưu của đề tài ........................................................................................ 01 CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ............................... 02 2.1. Giới thiệu về mạch Arduino UNO R3 .... 02 2.1.1. Nguồn sử dụng ..... 03 2.1.2. Các chân năng lượng.... 03 2.1.3. Bộ nhớ sử dụng..... 04 2.1.4. Các cổng vào/ra trên Arduino board ........ 04 2.1.5. Lập trình cho Arduino ...... 05 2.2. Module SIM800A ... 06 2.2.1. Kết nối Module SIM800A ... 06 2.2.2. Thông số kỹ thuật của module Sim800A mini V1... 07 2.2.3. Chức năng các chân của module... 08 2.3. Giới thiệu về module GPS GY-NEO 6M V2.. 08 2.3.1. Thông số kỹ thuật của module GPS................................. 09 2.3.2. Chức năng các chân của module... 09 2.3.3. Sơ lược về GPS......... 10 2.3.4. Sự hoạt động của GPS...... 11 2.3.5. Các thành phần của GPS........... 12 2.3.6. Tín hiệu GPS........ 13 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH. ............................... 14 3.1. Sơ đồ nguyên lý........... 14 3.2. Sơ đồ mạch in............. 14 3.3. Mô hình thực tế....... 15 3.4. Chương trình........ 15 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.......................... 21 4.1. Kết luận........... 21 4.1.1. Ưu điểm của đề tài .............. 21 4.1.2. Nhược điểm của đề tài...... 21 4.2. Hướng phát triển.......... 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 22 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Nhu cầu tự động hóa ở Việt Nam Tự động hóa là một lĩnh vực công nghệ rất quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia. Khi ngành này phát triển và được ứng dụng rộng rãi thì nó sẽ góp phần cải thiện đáng kể trong mọi lĩnh vực của đời sống. Nhưng hiện tại ở nước ta ngành này vẫn còn rất thiếu và yếu về quy mô hình lẫn năng lực làm chủ công nghệ. Điều đó làm hạn chế rất lớn đến sự phát triển của đất nước. Nhưng nhìn về mặt tích cực thì đó cũng là cơ hội để ngành này khai thác nhu cầu rất lớn từ nhiều vấn đề. Và một nhu cầu cấp thiết mà hàng ngày vẫn thường xuyên xảy ra ở nước ta đó là phòng tránh nạn trộm cắp xe gắn máy. Việc có một thiết bị giúp chúng ta có thể điều khiển bật tắt xe máy từ xa nhằm nâng cao khả năng bảo vệ tài sản của mình, đồng thời có thể định vị được chiếc xe mọi lúc mọi nơi là rất cần thiết. 1.2. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu mô hình chống trộm và định vị xe máy thông qua sóng điện thoại. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học về lập trình. - Ứng dụng các công nghệ gần gũi với cuộc sống con người để xây dựng lên hệ thống điều khiển từ xa. 1.3. Tính tối ưu của đề tài - Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu. - Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sở thực tế. - Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 2 CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.1. Giới thiệu về Mạch Arduino NANO Arduino NANO là dòng mạch Arduino phổ biến, sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính (như Arduino Uno) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó. Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ gọn (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp cho các newbie, vì giá rẻ hơn Arduino Uno nhưng dùng được tất cả các thư việt của mạch này. Hình 2.1. Board mạch Arduino NANO Hình 2.2. Chip Atmega 328 Arduino NANO sử dụng vi điều khiển chính là: ATmega328 (tương tự Board Arduino Uno r3). Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ servo, làm một trạm đo nhiệt độ–độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, hay những ứng dụng khác. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 3 2.1.1. Nguồn sử dụng Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12VDC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO. 2.1.2. Các chân năng lượng GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino NANO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. 5V: Cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. 3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino NANO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Nano có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn. RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ. Lưu ý: Arduino NANO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm–dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino NANO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy, khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể. Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích. Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino NANO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board. Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328. Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino NANO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 4 Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino NANO sẽ làm hỏng vi điều khiển. Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino NANO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng. Khi sử dụng mạch Arduino, đặc biệt một số bạn mới bắt đầu tiếp xúc, làm quen thì việc cấp nguồn nên thận trọng. Theo mình thì nên sử dụng nguồn 5V chuẩn qua USB, hoặc sử dụng nguồn 9v cấp cho cổng đầu vào mạch Arduino. Tránh trường hợp hỏng mạch Arduino. 2.1.3. Bộ nhớ sử dụng Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino NANO có: 32KB bộ nhớ Flash: Những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu. 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): Giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Đây giống như một chiếc ổ cứng mini–nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM. 2.1.4. Các cổng vào/ra trên Arduino Board Hình 2.3. Các cổng ra/vào Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 5 Mạch Arduino NANO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau: 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Dùng để gửi (transmit–TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết. Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analog Write(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác. LED 13: trên Arduino NANO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng. Arduino NANO Broad có 8 chân analog (A0 → A7) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino NANO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. 2.1.5. Lập trình cho Arduino Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 6 do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình tin học thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn. Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây. Hình 2.4. Giao diện lập trình 2.2. Module SIM800A Hình 2.5. Module SIM800A Mini Module sim800 mini sử dụng nguồn khoảng 3.7V ~ 5V DC, có thể dùng pin lithium nhưng không được quá 5V nếu không các linh kiện điện tử sẽ bị cháy. 2.2.1. Kết nối Module SIM800A Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 7 Module này sử dụng giao diện TTL, có thể được kết nối trực tiếp với MCU, ARM, mà không cần thiết bị chuyển đổi và không sử dụng các liên kết máy tính như cổng USB, RS232, RS485 và liên kết nối tiếp khác, module sẽ bị cháy. 2.2.2. Thông số kỹ thuật của module Sim800A mini V1 · IC chính: Module GSM GPRS Sim800A. · Nguồn cấp: 4.5-5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino). Khuyên dùng nguồn 2A để đảm bảo hiệu suất hoạt động của SIM. · Tích hợp Khe Micro Sim. · Tích hợp led báo trạng thái Sim800A. · Tích hợp tụ bù điện dung cao và Diode giảm áp để có thể cấp 5VDC và nguồn dòng thấp. · Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA. · Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A. · Kích thước: 2.5 cm x 3.1 cm. Hình 2.6. Mặt trước Module sim800A Mini Hình 2.7. Mặt sau Mudule sim800A Mini Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 8 Hình 2.8. Các chân của Modile sim800A mini 2.2.3. Chức năng các chân của module: · GND: Chân Mass, cấp 0V. · 5V: Nguồn dương cấp 4.5~5VDC nuôi Module Sim800A hoạt động. · BAT: Nếu sử dụng pin Lion 3.7VDC thì dùng chân này để cấp nguồn. · DTR: Chân chức năng của Module SIM800A, có thể không sử dụng. · TXD: Chân truyền Uart TX. · RXD: Chân nhận Uart RX. · LL: Chân Linein_L của Sim800, có thể không sử dụng. · LR: Chân Linein_R của Sim800, có thể không sử dụng. · McN: Chân Mic_N của Sim800, có thể không sử dụng. · McP: Chân Mic_P của Sim800, có thể không sử dụng. 2.3. Giới thiệu về module GPS GY-NEO 6M V2 Hình 2.9. Module GPS NEO 6M V2 Mạch GPS Ublox Neo6 sử dụng module NEO-6M-0-001 của hãng U- Blox. Mạch GPS Ublox với hiệu suất bắt sóng cao kèm theo 1 anten GPS gốm. Module có tích hợp sẵn EEPROM, tất cả các thông tin cấu hình có thể được lưu trữ Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 9 trong EEPROM. Trên mạch có tích hợp 1 pin dự phòng, khi nguồn chính ngắt, pin dự phòng có thể duy trì trong 30 phút cho dữ liệu GPS được lưu trữ. 2.3.1. Thông số kỹ thuật của module GPS · Module GPS: Neo-6M-0-001 của hãng U-Blox. · Điện áp cung cấp: 3.3-5V. · Giao tiếp UART TTL. · Baudrate: 4800, 9600 (mặc định), 19200, 38400, 57600, 115200, 230400. · Khi chưa bắt được sóng chân PPS (tương ứng với con led trên mạch) sẽ sáng liên tục, Khi bắt được sóng tương ứng con led sẽ nhấp nháy. Hình 2.10. Các chân của Module gps neo 6m v2 2.3.2. Chức năng các chân của module · GND: Chân Mass, cấp 0V. · 5V: Nguồn dương cấp 4.5~5VDC nuôi Module GPS NEO 6M V2 hoạt động. · BAT: Nếu sử dụng pin Lion 3.7VDC thì dùng chân này để cấp nguồn. · PPS: Chân chức năng của Module GPS NEO 6M V2, sau gần 1s sẽ xuất 1 xung ra (có thể kết nối với led). · TXD: Chân truyền Uart TX. · RXD: Chân nhận Uart RX. Để sử dụng với Arduino Cần kết nối chân theo bảng sau: NEO-6M Arduino VCC 5V GND GND RX TX TX RX Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 10 Lưu ý quan trọng: Để module có thể định vị chúng ta cần đưa module (anten) ra ngoài trời và chờ trong vòng 2 đến 3 phút để module thực hiện các quá trình thiết lập ban đầu. 2.3.3. Sơ lược về GPS Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System-GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào. Các nước trong Liên minh Châu Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ. Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian. Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng. Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh. Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 11 GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ ( Giá của module GPS cũng khá đắt, khoảng trên 300k). Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Tuy nhiên bạn phải đưa máy thu GPS đến nơi thoáng đãng để nó hoạt động thật sự chính xác. 2.3.4. Sự hoạt động của GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa. Ở phần sau, chúng ta sẽ tìm hiểu cách lấy các thông tin này từ các vệ tinh. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 12 2.3.5. Các thành phần của GPS GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng. Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại. a) Phần không gian Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm/1giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định. b) Phần kiểm soát Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 13 c) Phần sử dụng Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này (SmartPhone, module GPS, ...). 2.3.6. Tín hiệu GPS Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. (dải 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 là 1575.42 MHz trong dải 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. L1 chứa hai mã " giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS. Tín hiệu GPS chứa ba mẫu 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 quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống. Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 14 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH 3.1. Sơ đồ nguyên lý Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lí 3.2. Sơ đồ mạch in Hình 3.2 Sơ đồ mạch in Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 15 3.3. Mô hình thực tế 3.4. Chương trình #include TinyGPSPlus gps; double latitude, longitude; #include SoftwareSerial SIM800L(2, 3); String response; int lastStringLength = response.length(); String link; int relay = 4; String phone1 = "0971799383"; //sdt 2 String phone2 = "0919005337"; //sdt 1 String phone3 = "0397102915"; // sim8 void setup() { pinMode(relay, OUTPUT); digitalWrite(relay, HIGH); Serial.begin(9600); SIM800L.begin(9600); Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 16 SIM800L.println("AT+CMGF=1"); SIM800L.println("AT+CLIP=1"); Serial.println("SIM800L started at 9600"); delay(1000); Serial.println("Setup Complete! SIM800L is Ready!"); SIM800L.println("AT+CNMI=2,2,0,0,0"); } void loop() { if (SIM800L.available()>0) { response = SIM800L.readStringUntil('\n'); Serial.println(response); } if(lastStringLength != response.length()) { GPS(); //Phone 1 if((response.indexOf(phone1) == 8) /*|| (response.indexOf(phone3) == 8)*/) { SIM800L.println("ATH"); digitalWrite(relay, LOW); delay(1000); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84971799383\"\r") ; delay(1000); SIM800L.println("DA KHOA"); delay(100); Serial.println("HELLO"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } if(response.indexOf("TOADO 1") == 0) Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 17 { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84971799383\"\r"); delay(1000); SIM800L.println(link); delay(100); Serial.println("send!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } else if(response.indexOf("TAT 1") == 0) { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84971799383\"\r"); delay(1000); digitalWrite(relay, LOW); delay(1000); SIM800L.println("DA TAT"); delay(100); Serial.println("TAT!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } else if(response.indexOf("BAT 1") == 0) { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); delay(1000); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84971799383\"\r"); digitalWrite(relay, HIGH); delay(1000); SIM800L.println("DA BAT"); delay(100); Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 18 Serial.println("BAT!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } // Phone 2 if((response.indexOf(phone2) == 8) /*|| (response.indexOf(phone3) == 8)*/) { SIM800L.println("ATH"); digitalWrite(relay, LOW); delay(1000); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84919005337\"\r"); delay(1000); SIM800L.println("DA KHOA"); delay(100); Serial.println("HELLO"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } if(response.indexOf("TOADO 2") == 0) { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84919005337\"\r"); delay(1000); SIM800L.println(link); delay(100); Serial.println("send!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } else if(response.indexOf("TAT 2") == 0) { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 19 SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84919005337\"\r"); delay(1000); digitalWrite(relay, LOW); delay(1000); SIM800L.println("DA TAT"); delay(100); Serial.println("TAT!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } else if(response.indexOf("BAT 2") == 0) { SIM800L.println("AT+CMGF=1"); delay(1000); SIM800L.println("AT+CMGS=\"+84919005337\"\r"); digitalWrite(relay, HIGH); delay(1000); SIM800L.println("DA BAT"); delay(100); Serial.println("BAT!"); SIM800L.println((char)26); delay(1000); } } } void GPS() { if(Serial.available()) { gps.encode(Serial.read()); } if(gps.location.isUpdated()) Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 20 { latitude = gps.location.lat(); longitude = gps.location.lng(); link = "www.google.com/maps/place/" + String(latitude, 6) + "," + String(longitude, 6); Serial.println(link); } } Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Hoàng Dũng 21 Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1. Kết Luận 4.1.1. Ưu điểm của đề tài - Mạch nhỏ gọn, tiện lợi. - Đáp ứng đượ