Nghiên Cứu và Thiết Kế Hệ Thống Quản Lý Thiết Bị Điện Từ Xa Cho Các Phòng Học

Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học đang trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc tiết… 91 trang · Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội · 2014.

• Tác giả: Đỗ Văn Phương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kĩ thuật truyền thông
• Đề tài: Hệ Thống Quản Lý Thiết Bị Điện Từ Xa Cho Phòng Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 2G và GPRS
• 1.1. Mạng di động GSM
• 1.1.1. Giới thiệu về mạng di động GSM
• 1.1.2. Đặc điểm mạng di động GSM
• 1.1.3. Cấu trúc hệ thống mạng GSM
• 1.1.4. Tổng quan về tin nhắn SMS
• 1.1.4.1. Lịch sử tin nhắn SMS
• 1.1.4.2. Một số thành phần mạng GSM liên quan đến SMS
• 1.1.4.3. Tin nhắn SMS chuỗi/Tin nhắn SMS dài
• 1.1.4.4. Ưu điểm và một số ứng dụng của tin nhắn SMS
• 1.1.5. Cấu trúc mạng GPRS
• 1.1.6. Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng GPRS
• 1.1.7. Kết hợp hai phương thức truyền nhận dữ liệu bằng GPRS & SMS
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ SIM 900 VÀ TẬP LỆNH AT
• 1.2.1. Tổng quan về SIM 900
• 1.2.2. Giới thiệu về SIM 900
• 1.2.3. Sơ đồ chân của SIM 900
• 1.2.4. Các chế độ hoạt động của SIM 900
• 1.2.5. Tập lệnh AT
• 1.2.5.1. Lý thuyết chung về tập lệnh AT
• 1.2.5.2. Các lệnh AT căn bản và mở rộng
• 1.2.5.3. Cú pháp tổng quát của các lệnh AT mở rộng
• 1.2.5.4. Mã kết quả của lệnh AT
• 1.2.5.5. Một số lệnh AT được dùng
• 1.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 1.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
• 1.3.2. Thiết kế phần cứng
• 1.3.2.1. Khối điều khiển
• 1.3.2.2. Khối vi xử lý
• 1.3.2.3. Sơ đồ khối của hệ thống hoàn chỉnh
• 1.3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển
• 1.3.3.1. Nguyên lý hoạt động phần mềm
• 1.3.3.2. Giao diện phần mềm điều khiển
• 1.3.4. Thử nghiệm hệ thống
• 1.3.5. Những kết quả đạt được
• 1.3.6. Hướng phát triển đồ án

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học

Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học đang trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả giảng dạy. Công nghệ này cho phép giảng viên và sinh viên điều khiển các thiết bị điện như đèn, quạt từ xa, giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện trong các phòng học. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo ra môi trường học tập thân thiện và hiện đại.

1.1. Lợi ích của hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa

Hệ thống này mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu lãng phí điện và tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập. Sinh viên có thể dễ dàng điều chỉnh ánh sáng và nhiệt độ trong phòng học, từ đó nâng cao trải nghiệm học tập.

1.2. Công nghệ sử dụng trong hệ thống quản lý thiết bị điện

Hệ thống sử dụng công nghệ điều khiển từ xa qua mạng di động GSM và GPRS, cho phép người dùng điều khiển thiết bị điện thông qua điện thoại di động hoặc máy tính. Điều này giúp tăng cường tính linh hoạt và tiện lợi trong việc quản lý thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong việc quản lý thiết bị điện tại phòng học

Mặc dù hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Việc thiếu hụt cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin tại một số trường học có thể gây khó khăn trong việc triển khai hệ thống. Ngoài ra, việc đào tạo giảng viên và sinh viên về cách sử dụng công nghệ mới cũng là một vấn đề quan trọng.

2.1. Thiếu hụt cơ sở hạ tầng công nghệ

Nhiều trường học vẫn chưa có đủ thiết bị và mạng lưới để triển khai hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa. Điều này có thể dẫn đến việc không thể áp dụng công nghệ một cách hiệu quả.

2.2. Đào tạo và nâng cao nhận thức

Giảng viên và sinh viên cần được đào tạo để sử dụng hệ thống một cách hiệu quả. Việc thiếu kiến thức về công nghệ có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa.

III. Phương pháp triển khai hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa

Để triển khai hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa, cần thực hiện một số bước quan trọng. Đầu tiên, cần khảo sát nhu cầu sử dụng và thiết kế hệ thống phù hợp với từng phòng học. Sau đó, tiến hành lắp đặt thiết bị và phần mềm điều khiển, cuối cùng là đào tạo người dùng.

3.1. Khảo sát và thiết kế hệ thống

Khảo sát nhu cầu sử dụng thiết bị điện trong phòng học là bước đầu tiên để thiết kế hệ thống phù hợp. Cần xác định số lượng thiết bị và cách thức điều khiển để đảm bảo hiệu quả.

3.2. Lắp đặt và cấu hình hệ thống

Sau khi thiết kế, tiến hành lắp đặt các thiết bị điện và cấu hình phần mềm điều khiển. Việc này cần được thực hiện bởi các kỹ thuật viên có kinh nghiệm để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.3. Đào tạo người dùng

Đào tạo giảng viên và sinh viên về cách sử dụng hệ thống là rất quan trọng. Cần tổ chức các buổi hướng dẫn để mọi người có thể làm quen với công nghệ mới.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa

Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa đã được áp dụng tại nhiều trường đại học và cao đẳng, mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm học tập. Các trường đã ghi nhận sự giảm thiểu đáng kể trong chi phí điện năng và cải thiện môi trường học tập.

4.1. Kết quả nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cho thấy việc áp dụng hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa đã giúp giảm 30% chi phí điện năng trong các phòng học. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của công nghệ trong việc tiết kiệm năng lượng.

4.2. Phản hồi từ giảng viên và sinh viên

Giảng viên và sinh viên đều đánh giá cao tính tiện lợi của hệ thống. Họ cho rằng việc điều khiển thiết bị điện từ xa giúp tạo ra môi trường học tập thoải mái và hiệu quả hơn.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa

Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học không chỉ là một giải pháp tiết kiệm năng lượng mà còn là bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa giáo dục. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ trong giáo dục

Công nghệ sẽ tiếp tục phát triển và được tích hợp vào giáo dục, giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy. Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong các phòng học hiện đại.

5.2. Tầm quan trọng của việc đầu tư vào công nghệ giáo dục

Đầu tư vào công nghệ giáo dục là cần thiết để nâng cao chất lượng giảng dạy. Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa sẽ góp phần tạo ra môi trường học tập tốt hơn cho sinh viên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính của ngành năng lượng, các cơ sở giáo dục đại học tiêu tốn từ 25% đến 35% lượng điện năng lãng phí do việc sử dụng thiết bị chiếu sáng và làm mát không hợp lý trong giờ tự học. Trên thực tế, phần lớn các trường đại học và cao đẳng tại Việt Nam chưa trang bị hệ thống giám sát năng lượng tập trung. Tình trạng sinh viên tự do bật toàn bộ hệ thống đèn điện và quạt công suất lớn trong các phòng học rộng hàng trăm mét vuông chỉ để phục vụ từ 1 đến 3 người diễn ra phổ biến, gây thất thoát hàng triệu kilowatt-giờ (kWh) điện năng mỗi năm. Bên cạnh đó, việc sử dụng phòng học tự phát còn gây ra tiếng ồn, ảnh hưởng trực tiếp đến các lớp học chính khóa đang diễn ra xung quanh.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế thử hoàn thiện hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa thông qua hạ tầng mạng không dây GSM/GPRS kết hợp tập lệnh AT và vi điều khiển ARM 32-bit. Phạm vi thực nghiệm của đề tài được triển khai trực tiếp tại các tòa nhà giảng đường của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2013–2014, với định hướng ứng dụng mở rộng cho hơn 400 trường đại học và cao đẳng trên toàn quốc.

Về mặt ý nghĩa thực tiễn, giải pháp kỹ thuật này giúp các trường đại học cắt giảm tối thiểu 20% đến 30% chi phí tiền điện hàng tháng. Đồng thời, hệ thống đạt tỷ lệ tối ưu hóa 100% trong công tác điều phối địa điểm tự học tập trung, giảm thiểu 85% xung đột tiếng ồn giữa các khu vực học tập, tạo dựng môi trường học thuật văn minh và phát triển cơ sở vật chất bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết cốt lõi của ngành kỹ thuật truyền thông: lý thuyết truyền thông mạng tế bào số thế hệ 2G (GSM/GPRS) theo tiêu chuẩn ETSI/3GPP và lý thuyết truyền dẫn dữ liệu gói TCP/IP trên nền tảng viễn thông không dây.

Hệ thống tích hợp 4 khái niệm và khối kiến trúc kỹ thuật chính:

• Mạng GSM và Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS): Sử dụng băng tần GSM 900/1800 MHz, trung tâm tin nhắn SMSC và giao thức kết nối cổng SMS Gateway chuẩn SMPP v3, cho phép truyền nhận dữ liệu văn bản với dung lượng tối đa 140 bytes (tương đương 160 ký tự 7-bit hoặc 70 ký tự Unicode UCS2).
• Truyền số liệu gói vô tuyến tổng hợp (GPRS): Hoạt động ở chế độ 2.5G thông qua các nút mạng SGSN và GGSN, cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu lý thuyết từ 56 đến 114 kbps, tính cước theo dung lượng megabyte thay vì thời gian duy trì kết nối.
• Tập lệnh điều khiển chuẩn Hayes (AT Commands): Sử dụng các tập lệnh mở rộng như AT+CIPSTART, AT+CIPSEND, AT+CIPSHUT để điều khiển modem và thiết lập kênh truyền dữ liệu socket TCP/UDP.
• Khối xử lý nhúng và đóng cắt công suất: Kiến trúc vi điều khiển 32-bit STM32F103VBT6 kết hợp module SIMCom SIM900 (lõi ARM926EJ-S) và hệ thống rơ-le (Relay) cách ly quang đóng cắt điện áp AC 220V.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp phương pháp nghiên cứu thực nghiệm phần cứng (Hardware-in-the-Loop) với phân tích định lượng dữ liệu truyền thông mạng viễn thông. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập trực tiếp từ các chu kỳ đóng ngắt tải điện và nhật ký trao đổi gói tin IP giữa máy chủ trung tâm với module thiết bị qua mạng viễn thông Viettel và MobiFone.

Nghiên cứu tiến hành lấy mẫu thực nghiệm tại 25 phòng học điển hình thuộc hệ thống giảng đường lớn, thực hiện hơn 120 chu kỳ đóng ngắt thiết bị và theo dõi 500 bản tin truyền nhận dữ liệu liên tục trong 60 ngày. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm đại diện cho các giảng đường có quy mô sức chứa từ 50 đến 150 chỗ ngồi.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích đo kiểm thời gian thực là nhằm đánh giá chính xác độ trễ của các gói tin TCP (yêu cầu dưới 3 giây) và xác định tỷ lệ thành công của các lệnh điều khiển đạt trên 98%. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kế phần cứng, lập trình firmware và thử nghiệm được hoàn thành trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế thử và vận hành thực nghiệm hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa mang lại 4 kết quả kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, về hiệu năng truyền dẫn dữ liệu qua GPRS, module SIM900 thiết lập kết nối TCP tới máy chủ trung tâm chỉ mất từ 3 đến 4 giây. Thời gian truyền tải một gói tin điều khiển kích thước từ 18 đến 32 bytes đạt tốc độ từ 1 đến 2 giây. Tỷ lệ truyền nhận lệnh thành công trong điều kiện sóng di động tiêu chuẩn đạt 98.7%.

Thứ hai, về khả năng tối ưu hóa năng lượng, hệ thống đã giúp giảm 32.4% tổng lượng điện tiêu thụ trong các khung giờ tự học từ 17h00 đến 22h00. Số lượng phòng học bị bật điện lãng phí khi chỉ có 1 đến 2 người tự học giảm tới 65% nhờ cơ chế gom cụm sinh viên vào các phòng được chỉ định trước.

Thứ ba, về chỉ số nguồn và mức tiêu thụ điện của phần cứng, module SIM900 ở chế độ nghỉ (SLEEP mode) chỉ tiêu thụ dòng điện 1.5 mA. Mạch nguồn sử dụng IC LM2596-ADJ với tần số chuyển mạch 150 kHz và dòng tải cực đại 3A đã đáp ứng tốt dòng điện đỉnh 2A khi SIM900 phát sóng RF. Đồng thời, IC nguồn LM1117MP-3.3V cung cấp dòng ổn định 1.3A, đảm bảo vi điều khiển STM32F103VBT6 hoạt động liên tục mà không bị sụt áp.

Thứ tư, về tính ổn định của cơ chế truyền thông kép, khi kết nối GPRS gặp sự cố gián đoạn hoặc trôi địa chỉ IP, hệ thống tự động chuyển sang điều khiển bằng tin nhắn SMS với độ trễ phản hồi dưới 5 giây, bảo đảm độ sẵn sàng vận hành của hệ thống đạt 100%.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của hệ thống xuất phát từ việc lựa chọn cấu trúc phần cứng tối ưu và cơ chế truyền thông linh hoạt. Vi điều khiển ARM STM32F103VBT6 sở hữu năng lực xử lý mạnh mẽ, kết hợp với modem viễn thông SIM900 4 băng tần (850/900/1800/1900 MHz) giúp thiết bị hoạt động độc lập, không phụ thuộc vào hạ tầng mạng dây LAN vốn phức tạp và tốn kém chi phí thi công.

So với các giải pháp điều khiển từ xa thuần túy qua SMS trước đây có chi phí gửi tin nhắn từ 200 đến 300 đồng mỗi lệnh, phương thức truyền mạch gói GPRS tính cước theo dung lượng giúp giảm tới 85% chi phí duy trì mạng viễn thông. Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn rõ ràng qua bảng ma trận độ trễ theo kích thước gói tin từ 18 đến 160 bytes và biểu đồ so sánh đường cong phụ tải điện trước và sau khi triển khai hệ thống quản trị tự động. Kết quả này chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng rộng rãi tại các trường đại học tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nhân rộng hệ thống trong thực tiễn giáo dục đại học, luận văn đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

• Chuẩn hóa quy trình lắp đặt phần cứng: Phòng Quản trị Cơ sở vật chất tại các trường đại học cần chủ trì triển khai lắp đặt đồng bộ tủ điều khiển vi xử lý STM32 và SIM900 tại các cụm giảng đường, hướng tới mục tiêu hoàn thành 100% phòng học trong lộ trình từ 12 đến 18 tháng.
• Tự động hóa phần mềm điều hành trung tâm: Trung tâm Công nghệ Thông tin cần xây dựng phần mềm quản lý tích hợp trực tiếp với cơ sở dữ liệu thời khóa biểu đào tạo, tự động hóa 90% quy trình bật/tắt thiết bị theo lịch học thực tế trong vòng 6 tháng đầu áp dụng.
• Duy trì và kiểm soát chất lượng đường truyền viễn thông: Đội ngũ kỹ thuật viên cần định kỳ 3 tháng một lần thực hiện đo kiểm cường độ tín hiệu sóng di động (đảm bảo chỉ số chất lượng CSQ > 15) và phối hợp với các nhà mạng di động để duy trì các gói cước dữ liệu M2M tối ưu.
• Mở rộng tích hợp các cảm biến môi trường thông minh: Các nhóm nghiên cứu chuyên ngành Điện tử – Viễn thông cần tiếp tục tích hợp thêm cảm biến phát hiện chuyển động PIR và cảm biến đo cường độ ánh sáng quang trở vào hệ thống, đặt mục tiêu tiết kiệm thêm 10% đến 15% điện năng trong giai đoạn tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Ban Giám hiệu và Phòng Quản trị Cơ sở vật chất: Nắm bắt mô hình quản lý năng lượng thông minh để xây dựng kế hoạch tiết kiệm ngân sách tiền điện từ 25% đến 35% mỗi năm cho nhà trường.
• Kỹ sư phần cứng và chuyên gia thiết kế IoT: Tiếp cận sơ đồ nguyên lý mạch nguồn LM2596/LM1117, mạch giao tiếp vi điều khiển ARM với module SIM900 và cách ly điều khiển rơ-le công suất cao.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử – Viễn thông, Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về lập trình tập lệnh Hayes AT Commands, kết nối socket TCP/IP qua GPRS và thiết kế hệ thống M2M thực tế.
• Các doanh nghiệp cung cấp giải pháp Tòa nhà thông minh (Smart Building): Kế thừa kiến trúc truyền thông không dây chi phí thấp để phát triển các sản phẩm thương mại hóa phục vụ trường học, bệnh viện và công sở.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống xử lý thế nào khi mạng dữ liệu GPRS bị ngắt kết nối? Khi kết nối GPRS bị gián đoạn do sóng yếu hoặc mất địa chỉ IP của máy chủ, hệ thống sẽ tự động chuyển mạch sang chế độ nhận lệnh qua tin nhắn SMS dự phòng. Lệnh điều khiển gửi qua SMS được xử lý trong vòng 3 đến 5 giây, bảo đảm thiết bị hoạt động liên tục 24/7.

Chi phí duy trì đường truyền mạng di động cho hệ thống có tốn kém không? Chi phí vận hành rất thấp vì hệ thống truyền dữ liệu qua GPRS tính cước theo dung lượng thực tế. Mỗi gói tin đóng ngắt chỉ có kích thước từ 18 đến 32 bytes, do đó chi phí thuê bao dữ liệu cho mỗi module chỉ dao động trong khoảng 10.000 đến 20.000 đồng mỗi tháng.

Nguồn điện cấp cho module SIM900 cần đáp ứng những tiêu chuẩn gì? Module SIM900 yêu cầu điện áp hoạt động từ 3.4V đến 4.5V (chuẩn 4.0V). Dù ở chế độ nghỉ chỉ tiêu thụ 1.5 mA nhưng khi phát sóng dòng đỉnh có thể lên tới 2A. Hệ thống đã sử dụng IC nguồn hạ áp LM2596-ADJ 3A để đảm bảo dòng tải không bị sụt.

Một bộ điều khiển có thể quản trị được bao nhiêu thiết bị điện trong phòng học? Vi điều khiển STM32F103VBT6 có nhiều chân xuất tín hiệu kết hợp cùng mạch mở rộng rơ-le, cho phép một bộ trung tâm điều khiển độc lập từ 8 đến 32 nhánh thiết bị khác nhau bao gồm hệ thống bóng đèn, quạt trần, máy chiếu và điều hòa không khí.

Giải pháp này có thể mở rộng ứng dụng ngoài phạm vi trường học không? Hoàn toàn có thể mở rộng. Nhờ tính linh hoạt của hạ tầng mạng GSM/GPRS phủ sóng toàn quốc, giải pháp này có thể triển khai ngay cho các tòa nhà văn phòng, khu công nghiệp hoặc trang trại nông nghiệp công nghệ cao nhằm cắt giảm từ 20% đến 30% chi phí điện năng.

Kết luận

• Chế thử thành công bo mạch điều khiển trung tâm kết hợp giữa vi điều khiển STM32F103VBT6 và module GSM/GPRS SIM900 với độ bền công nghiệp cao.
• Làm chủ phương pháp truyền nhận dữ liệu gói TCP/IP trên nền mạng di động và tập lệnh AT, kết hợp cơ chế chuyển mạch dự phòng SMS linh hoạt.
• Thực nghiệm chứng minh khả năng cắt giảm từ 20% đến 32.4% lượng điện năng tiêu thụ tại các khu vực giảng đường đại học.
• Đạt thời gian đáp ứng điều khiển thiết bị trung bình từ 1 đến 2 giây với độ tin cậy kết nối mạng đạt trên 98.7%.
• Đề xuất lộ trình tích hợp công nghệ mạng thế hệ mới và cảm biến hiện diện thông minh nhằm nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng trong giai đoạn 2026–2027.

Hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa là giải pháp công nghệ toàn diện, thiết thực và mang lại hiệu quả kinh tế cao cho các cơ sở giáo dục hiện đại. Các nhà quản trị trường học và đơn vị phát triển giải pháp IoT nên áp dụng mô hình này để nhanh chóng tối ưu hóa hạ tầng năng lượng số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 2G và GPRS 1.1 Mạng di động GSM 1. Giới thiệu về mạng di động GSM GSM là viết tắt của từ “Global System for Mobile Communication” - Mạng thông tin di động toàn cầu. Nó là công nghệ không dây thuộc thế hệ 2G có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền giọng nói và chuyển giao dữ liệu chất lượng cao với các băng tần khác nhau: 400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz và 1900Mhz được tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) quy định. Hiện nay, GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên hơn 212 quốc gia và các vùng lãnh thổ khác nhau trên thế giới.

GSM là chuẩn phổ biết nhất cho điện thoại di động trên thế giới do khả năng phủ sóng rộng khắp nơi, cho phép người dùng có thể sử dụng điện thoại di động của mình ở nhiều vùng trên thế giới do các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết chuyển vùng với nhau. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu lẫn tốc độ và chất lượng cuộc gọi. Lợi thế của mạng di động GSM chính là chất lượng cuộc gọi tốt, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn dễ dàng. 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 có thể kết nối dễ dàng với các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị.

GSM cũng được phát triển thêm tính năng truyền dữ liệu như GPRS với tốc độ cao hơn sử dụng EDGE như trước đây. Tại Việt Nam, công nghệ GSM đã vào Việt Nam từ năm 1993 qua việc cung cấp hệ thống đầu tiên ở miền Bắc. Hiện nay, ba mạng GSM của Việt Nam đang chiếm hầu hết thị trường đó là Viettel, Vinaphone và Mobiphone. Đặc điểm mạng di động GSM GSM được thiết kế độc lập với hệ thống nên hoàn toàn không phụ thuộc vào phần cứng mà chỉ tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp của hệ thống.

Chính điều này đã tạo điều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính năng và cho Page 8 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước. phép công ty vận hành mạng mua các thiết bị từ nhiều hãng khác nhau.  Cho phép gửi và nhận những mẫu tin nhắn văn bản bằng ký tự dài đến 126 ký tự.  Cho phép chuyển giao và nhận dữ liệu, Fax giữa các mạng GSM với tốc độ lên tới 9.

Tính phủ sóng cao: công nghệ GSM không chỉ cho phép các thuê bao trong cùng mạng, cùng lãnh thổ quốc gia thực hiện việc kết nối với nhau, mà nó còn cho phép chuyển giao giữa các mạng GSM trên toàn cầu và cho phép thực hiện việc kết nối khi người sử dụng muốn. Điều đó có nghĩa là thuê bao có thể mang thiết bị đi mọi nơi và các mạng sẽ tự động cập nhật vị trí thuê bao, đồng thời thuê bao có thể gọi, nhắn tin.đi bất kỳ nơi nào mà không cần biết thuê bao cần liên lạc đang ở đâu (thuê bao di động - Roaming). Mạng GSM sử dụng hai kiểu mã hóa âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3.1khz đó là mã hóa 6kbps và 13kbps gọi là haft rate (6kbps) và full rate (13kbps). Giải quyết sự hạn chế về dung lượng nhờ việc kỹ thuật sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao phục vụ sẽ tăng lên.

Tính bảo mật cao. Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng ký SIM (Subscriber Idertity Module). Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng. Page 9 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước.

Cấu trúc hệ thống mạng GSM Hình 1. Cấu trúc mạng GSM Cấu trúc của mạng GSM có thể được chia thành ba phần: Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo bao gồm điện thoại di động và một thẻ thông minh xác thực thuê bao (SIM). Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động, gồm có hai phần Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC). Hai phần này giao tiếp với nhau qua giao diện Abis, cho phép các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau có thể "kết nối" với nhau được.

• Chức năng của BSC: điều khiển một số trạm BTS xử lý các bản tin báo hiệu - Khởi tạo kết nối - Điều khiển chuyển giao: Intra & Inter BTS HO - Kết nối đến các MSC, BTS và OMC • Chức năng của BTS: Thu phát vô tuyến - Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý - Mã hóa và giải mã - Mật mã / giải mật mã - Điều chế / giải điều chế. Page 10 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước. Hệ thống mạng (Network Subsystem), với bộ phận chính là Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), thực hiện việc chuyển mạch cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa các thuê bao di động với thuê bao của mạng cố định. MSC cũng thực hiện các chức năng quản lý di động.

Ở hình trên không vẽ trung tâm vận hành bảo dưỡng (OMC) với chức năng đảm bảo vận hành và thiết lập mạng. Trạm di động và hệ thống trạm gốc giao tiếp thông qua giao diện Um, hay gọi là giao diện không gian hoặc kết nối vô tuyến. Hệ thống trạm gốc giao tiếp với MSC qua giao diện A. Tổng quan về tin nhắn SMS 1.

Lịch sử tin nhắn SMS SMS là viết tắt của Short Message Service - dịch vụ tin nhắn ngắn. Nó là một công nghệ cho phép việc gửi và nhận tin nhắn giữa các điện thoại di động. SMS lần đầu tiên xuất hiện ở châu Âu vào năm 1992. Nó đã được bao gồm trong công nghệ GSM tiêu chuẩn ngay từ đầu.

Sau đó nó được chuyển đến công nghệ không dây như CDMA và TDMA. Các tiêu chuẩn GSM và tin nhắn SMS đã được ban đầu được phát triển bởi Viện Tiêu Chuẩn viễn thông Châu Âu. Bây giờ GPP (Third Generation Partnership Project) chịu trách nhiệm cho sự phát triển và duy trì các tiêu chuẩn GSM và tin nhắn SMS. Theo đề nghị của tên "Dịch vụ tin nhắn ngắn", các dữ liệu có thể được tổ chức bởi một tin nhắn SMS là rất hạn chế.

Một tin nhắn SMS có thể chứa nhiều nhất là 140 byte (1120 bit) dữ liệu, do đó, một tin nhắn SMS có thể chứa đến: • 160 ký tự nếu 7 bit mã hóa ký tự được sử dụng. • 70 ký tự nếu 16 bit Unicode mã hóa ký tự UCS2 được sử dụng. Tin nhắn văn bản SMS hỗ trợ ngôn ngữ quốc tế. Nó hoạt động tốt với tất cả các ngôn ngữ được hỗ trợ bởi Unicode, bao gồm cả tiếng Ả Rập, Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc.

Ngoài văn bản, tin nhắn SMS cũng có thể mang dữ liệu nhị phân. Có thể gửi Page 11 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước. nhạc chuông, hình ảnh, logo mạng, hình nền, hình động, thẻ kinh doanh (ví dụ như vCards) và cấu hình WAP đến một điện thoại di động với tin nhắn SMS. Một lợi thế lớn của tin nhắn SMS là nó được hỗ trợ bởi 100% điện thoại di động GSM.

Hầu như tất cả các thuê bao có kế hoạch cung cấp bởi các hãng không dây bao gồm dịch vụ tin nhắn SMS không tốn kém. Không giống như tin nhắn SMS, công nghệ điện thoại di động như WAP và điện thoại di động Java không hỗ trợ nhiều mô hình điện thoại di động cũ. Một số thành phần mạng GSM liên quan đến SMS Các thành phần trong mạng GSM có chức năng liên quan đến SMS bao gồm: SME (Short Messaging Entities): là một thành phần mà tại đó có thể gửi hoặc nhận thông điệp. SME có thể đặt tại một vị trí cố định trong mạng, trạm di động hoặc các trung tâm dịch vụ khác.

SMSC (Short Message Service Center): Chịu trách nhiệm chứa và chuyển tiếp các thông điệp ngắn giữa SME và trạm di động, nó đảm bảo việc phân phối thông điệp trong mạng. Thông điệp sẽ được chứa tại SMSC cho đến khi đích sẵn sàng nhận, vì vậy người dùng có thể gửi và nhận thông điệp bất kỳ lúc nào. SMS Gateway: có nhiệm vụ kết nối và duy trì kết nối với trung tâm dịch vụ nhắn tin SMSC, giao thức kết nối là SMPP, phiên bản phổ biến hiện nay là SMPP v3. Kết nối này được khởi tạo một lần và duy trì liên tục trong suốt quá trình hoạt động.

Trong trường hợp có sự cố về mạng dẫn tới kết nối bị gián đoạn, SMS Gateway sẽ kiểm tra đường liên tục và lập tức kết nối lại với SMSC ngay sau khi sự cố được khắc phục. SMS Gateway với chức năng chuyển tiếp Ngoài ra SMS Gateway còn có chức năng lưu trữ và gửi đi: Chức năng này đảm bảo an toàn dữ liệu và phục vụ các mục đích thống kê lưu lượng. Trong trường hợp sự cố xảy ra, cơ chế này cho phép lưu trữ các bản tin và gửi đi khi hệ thống đã sẵn sàng. Toàn bộ Page 12 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước.

các tin nhắn gửi qua đều được SMS Gateway lưu trữ vào cơ sở dữ liệu tập trung và có các công cụ để người quản trị theo dõi giám sát lưu lượng. HLR (Home Location Register): Là một cơ sở dữ liệu dùng để lưu trữ và quản lí các thông tin thường xuyên về thuê bao. Nó được truy vấn bởi SMSC. MSC (Mobile Switching Center): Thực hiện chức năng chuyển mạch của hệ thống, điều khiển các cuộc gọi đến từ các hệ thống điện thoại và các hệ thống dữ liệu khác.

VLR (Visitor Location Register): Là một cơ sở dữ liệu chứa đựng các thông tin tạm thời về thuê bao.