CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan và lý do thực hiện đề tài Bài toán định vị các đối tượng là một lớp các bài toán liên quan đến việc xác định trực tuyến hoặc không trực tuyến vị trí của các đối tượng cần quan tâm. Vị trí của các đối tượng sẽ được sử dụng để đưa ra các quyết định hợp lý một cách tự động bởi các hệ thống nhúng. Đây là các bài toán có nhu cầu thực tế cao. Giải quyết các bài toán này sẽ mang lại lợi ích kinh tế to lớn cho xã hội.
GPS là một hệ thống định vị được phổ biến rộng rãi trên toàn cầu. Nhiều địa điểm, vị trí không thể xác định được chính xác nếu như không có hệ thống GPS, ví dụ: những nơi xa xôi, hiểm trở, trên biển, rừng sâu, núi cao. hay những nơi mà không có vị trí hay cột mốc nào để tham khảo. Với sự cải tiến kỹ thuật của thiết bị, cũng như sự đa dạng của nhiều nhà cung cấp và số lượng vệ tinh được phóng lên không gian, hệ thống GPS đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ đo đạc trắc địa đến xác định địa hình, từ ứng dụng cho cá nhân đến những mục đích quân sự, v.v… GPS trên thế giới đã ra đời và hình thành từ rất lâu.
Những ứng dụng của GPS đã trở nên rất phổ biến và không thể thiếu ở các nước phát triển. Ví dụ: Ở Mỹ, GPS đã được tích hợp trong hầu hết các xe hơi trong việc tìm đường. Ngoài ra, việc gắn thiết bị định vị có thể hỗ trợ người dùng giảm bớt các nguy cơ mất mát về tài sản. Tại Việt Nam, GPS đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều công ty.
Đây là một thị trường tiềm năng và là công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc xây dựng hệ thống định vị ở nước ta. Hiện nay, việc quản lý vị trí các đối tượng một cách tự động là một yêu cầu thiết yếu của các tổ chức và cá nhân. Hiện tại các hệ thống kiểm soát các phương tiện giao thông vận tải dùng công nghệ GPS đang triển khai trong nước chủ yếu được hiện thực bởi các công ty nước ngoài, nhưng giá thành sản phẩm còn khá đắt và quan trọng hơn là việc làm chủ công nghệ còn gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, để có SVTH: Nguyễn Quang Huy - 09070960 2 thể áp dụng một cách hiệu quả vào nước ta, vấn đề nắm bắt được công nghệ và giảm giá thành thiết bị trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
Việc tự phát triển các thiết bị hỗ trợ theo dõi định vị đối tượng sẽ giúp tăng tính uyển chuyển, mở rộng của hệ thống. Trong các hệ thống nhúng hiện nay, công nghệ nhúng ARM được sử dụng ngày một rộng rãi với ưu điểm về sức mạnh, tốc độ, khả năng tích hợp các hệ điều hành nhúng (RTX, Window CE, Embedded Linux, Android…) cho phép giải những bài toán đòi hỏi năng lực xử lý cao, ổn định và tiêu thụ điện năng thấp trong nhiều lĩnh vực như quân sự, dân sự cũng như trong công nghiệp. Hầu hết các ứng dụng truyền thông đa phương tiện, xử lý âm thanh, hình ảnh, thiết bị di động như điện thoại, PDA. các đều có bộ xử lý trung tâm là vi xử lý ARM.
Với những tính năng ưu việt về phần cứng cũng như tính dễ dàng và uyển chuyển trong phát triển ứng dụng phần mềm, việc xây dựng các thiết bị định vị đối tượng dựa trên công nghệ nhúng ARM là phù hợp với xu hướng hiện nay. Hiện nay, công nghệ GPS đang được nghiên cứu và triển khai cho các hệ thống quản lý xe của các công ty vận tải. Mỗi công ty có hàng trăm xe chuyên chở trên khắp đất nước nên một hệ thống định vị chính xác lộ trình của xe sẽ đem lại lợi ích kinh tế rất lớn cho các công ty cũng như góp phần vào sự phát triển chung của đất nước. Sản phẩm dựa trên công nghệ GPS giải quyết bài toán định vị là phù hợp và hiệu quả cho yêu cầu trên.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, tôi đề nghị được 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”.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu đặt ra của đề tài là nghiên cứu và tìm ra một giải pháp nhằm ứng dụng công nghệ GPS vào các hệ thống định vị và giám sát đối tượng với giá thành thấp, tốc độ phát triển nhanh và tính mở rộng cao. Giải pháp đưa ra có thể nhận biết được trạng thái của đối tượng trong quá trình hoạt động đồng thời có thể giao tiếp với máy chủ trung tâm với khả năng hỗ trợ các tính năng, dịch vụ liên quan đến vị trí, đường đi cho các đối tượng. Các công việc chính cần thực hiện của đề tài bao gồm: SVTH: Nguyễn Quang Huy - 09070960 3 • Xây dựng phần cứng cho thiết bị định vị/giám sát đối tượng bao gồm: o Nghiên cứu bộ xử lý ARM, phương pháp thiết kế và lập trình hệ thống nhúng trên cơ sở ARM. o Tích hợp module thu tín hiệu GPS cho thiết bị định vị.
o Hỗ trợ giao tiếp máy chủ trung tâm qua mạng không dây GPRS. o Phát triển phần mềm nhúng trên board mạch xử lý chính với khả năng phân tích dữ liệu GPS, nhận biết trạng thái của đối tượng và gửi các thông tin về máy chủ khi cần. • Xây dựng website tại máy chủ để hỗ trợ việc quản lý đối tượng. Cụ thể o Nghiên cứu khả năng tích hợp bản đồ Google trong hệ thống định vị.
o Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác trong ánh xạ bản đồ của Google. o Xây dựng website quản lý xe buýt để thử nghiệm và kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống. SVTH: Nguyễn Quang Huy - 09070960 4 CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 2.1 Các giải pháp định vị đối tượng Hiện nay trên thế giới, các thiết bị sử dụng công nghệ GPS khá phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải cũng như trong đời sống [2, 3]. Các thiết bị hộp đen [21] có khả năng thu sóng GPS được gắn trên các máy bay, các loại xe vận tải, taxi… Hộp đen sẽ ghi lại thông tin về vị trí, tốc độ, thời gian, khoảng cách, hướng di chuyển của đối tượng.
Nhờ các thông tin này, các đơn vị quản lý phương tiện giao thông có thể nắm được chi tiết về tốc độ, vị trí, thời gian dừng của phương tiện và nhiều thông tin liên quan khác. Từ đó có những chính sách phù hợp giúp đem lại hiệu quả kinh tế cao. Ngoài ra, khi có sự cố trong quá trình hoạt động như tai nạn, hỏng hóc., việc xác định nguyên nhân cũng có thể được thực hiện dễ dàng thông qua các thông tin trong hộp đen.1 Thiết bị hộp đen trong các phương tiện giao thông. Ngoài những thiết bị được gắn trên các phương tiện giao thông, công nghệ GPS còn được tích hợp vào các điện thoại cầm tay, trên đó có hỗ trợ sẵn phần mềm quản lý vị trí, các tiện ích về tìm đường đi với sự giúp đỡ của bản đồ số hoá.
SVTH: Nguyễn Quang Huy - 09070960 5 Hình 2.2 Điện thoại di động hỗ trợ GPS và bản đồ số. Hiện nay các hệ thống dựa trên nền tảng công nghệ GPS được phân thành 2 loại: hệ thống không trực tuyến (offline) và hệ thống trực tuyến (online) [1]. Đối với các hệ thống không trực tuyến, dữ liệu GPS được thu thập và lưu trữ vào bộ nhớ ngay trên thiết bị thu GPS của đối tượng di chuyển. Dữ liệu này có thể được xử lý tự động bởi mạch xử lý chính của thiết bị hoặc trả về trung tâm khi xe về đến trạm điều hành.
Các hệ thống này có thể được tích hợp thêm một bản đồ số với các chức năng, cơ sở dữ liệu tương đối đầy đủ nhằm hỗ trợ hệ thống ra quyết định trong quá trình di chuyển. Một số hệ thống offline phổ biến hiện nay như: thiết bị hộp đen, thiết bị dẫn đường cho xe hơi [3]. có khả năng hoạt động độc lập mà không cần phải kết nối đến trung tâm quản lý (server). Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm của hệ thống offline khi không thể cung cấp khả năng quản lý trực tuyến khi đối tượng đang hoạt động.3 Thiết bị dẫn đường cho xe hơi.
SVTH: Nguyễn Quang Huy - 09070960 6 Đối với các hệ thống trực tuyến, thiết bị gắn trên đối tượng di chuyển có khả năng liên lạc và trao đổi thông tin với máy chủ của trung tâm quản lý trong suốt quá trình hoạt động [2]. Việc giao tiếp, truyền nhận dữ liệu có thể được thực hiện qua nhiều cách thức khác nhau như sử dụng tín nhắn SMS, kết nối GPRS nhờ modem GSM/GPRS. Dữ liệu GPS sẽ bao gồm rất nhiều thông tin như vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, thời gian., ngoài ra các thông tin về trạng thái của đối tượng tại thời điểm xử lý như mức tiêu thụ xăng, tình trạng cửa xe và các thiết bị trên xe, nhiệt độ. cũng có thể được thêm vào trong dữ liệu gửi về trung tâm.
Từ đó, trạm điều hành có thể hỗ trợ các dịch vụ cho đối tượng ngay tại thời điểm diễn ra các sự cố ngoài mong muốn hoặc lưu trữ phục vụ cho mục đích kiểm tra và quản lý sau này.2 Phương pháp xác định vị trí đối tượng Đối với các hệ thống dựa trên công nghệ GPS, vấn đề quan trọng nhất là phải xác định được vị trí hiện tại của đối tượng trong quá trình hoạt động và di chuyển. Nhờ vào các thông tin trong dữ liệu GPS, công việc này hiện nay đã trở nên đơn giản và dễ dàng hiện thực. Tuy nhiên kết quả thu được bị ảnh hướng khá lớn bởi tính chính xác của dữ liệu GPS gửi về. Do ảnh hưởng của môi trường, sai số của vệ tinh, các trạm điều khiển mặt đất và hạn chế của các thiết bị thu tín GPS, dữ liệu vị trí nhận được luôn có sự sai lệch so với vị trí thực của đối tượng [1].
Sai số trung bình của các thiết bị thu GPS có thể dao động từ 10 – 15 m, do đó việc xác định ví trí chính xác của đối tượng là một thách thức không nhỏ đối với các hệ thống định vị dựa vào công nghệ GPS. Để khắc phục vấn đề này, rất nhiều những phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng nhằm cải thiện độ chính xác trong định vị đối tượng. Một trong những hướng tiếp cận phổ biến và đem lại hiệu quả cao đó là sử dụng phương pháp ánh xạ bản đồ (Map-Matching) [6].
