Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính nghiên cứu và xây dựng giải pháp giải quyết các bài toán định vị đối tượng dựa trên công nghệ nhúng arm và gps

Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính nghiên cứu giải pháp định vị đối tượng sử dụng công nghệ nhúng ARM và GPS, ứng dụng hiệu quả trong thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Quang Huy
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Đức Anh Vũ
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
• 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
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC HÌNH
• MỤC LỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan và lý do thực hiện đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
• 2.1. Các giải pháp định vị đối tượng
• 2.2. Phương pháp xác định vị trí đối tượng
• 2.3. Công nghệ bản đồ số
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ XỬ LÝ ARM
• 3.1. Giới thiệu bộ xử lý ARM
• 3.2. Các đặc điểm cơ bản
• 3.2.1. Tập lệnh ARM
• 3.2.2. Tập lệnh Thumb
• 3.3. Vi xử lý LPC2378
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS
• 4.1. Giới thiệu GPS
• 4.2. Cấu trúc hệ thống GPS
• 4.2.1. Phần không gian
• 4.2.2. Trạm mặt đất
• 4.2.3. Phần người sử dụng
• 4.3. Phương pháp xác định tọa độ GPS
• 4.4. Độ chính xác của hệ thống
• 4.5. Các kỹ thuật cải thiện tín hiệu GPS
• 4.5.1. GPS vi phân
• 4.6. Cấu trúc câu NMEA
• 4.7. Các câu NMEA phổ biến
• 5. CHƯƠNG 5: HIỆN THỰC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ GIÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG
• 5.1. Thiết bị định vị/giám sát đối tượng
• 5.1.1. Cấu tạo phần cứng
• 5.1.2. Chương trình điều khiển
• 5.2. Cơ sở dữ liệu
• 5.3. Phương pháp ánh xạ toạ độ trên bản đồ Google
• 5.4. Hiện thực website
• 6. CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Máy Tính

Luận văn thạc sĩ về khoa học máy tính với chủ đề "Giải Pháp Định Vị Đối Tượng Sử Dụng ARM Và GPS" tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp định vị đối tượng. Đề tài này không chỉ mang tính học thuật mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong quản lý giao thông và các lĩnh vực khác. Việc ứng dụng công nghệ GPS và ARM trong định vị đối tượng đang trở thành xu hướng quan trọng trong thời đại công nghệ 4.0.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Nghiên Cứu

Nhu cầu về tự động hóa trong quản lý đối tượng di động ngày càng tăng cao. Việc ứng dụng công nghệ GPS và ARM giúp giải quyết các bài toán định vị một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

1.2. Mục Tiêu Của Luận Văn

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển một hệ thống định vị đối tượng sử dụng công nghệ ARM và GPS, nhằm nâng cao độ chính xác và giảm chi phí cho các ứng dụng thực tiễn.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Định Vị Đối Tượng

Mặc dù công nghệ GPS đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc xác định vị trí chính xác của đối tượng. Các yếu tố như môi trường, sai số vệ tinh và hạn chế của thiết bị thu GPS đều ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu định vị.

2.1. Sai Số Trong Dữ Liệu GPS

Sai số trung bình của các thiết bị GPS có thể dao động từ 10-15 mét, điều này gây khó khăn trong việc xác định vị trí chính xác của đối tượng trong nhiều tình huống.

2.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường

Môi trường xung quanh như tòa nhà cao tầng, rừng cây dày đặc có thể làm giảm độ chính xác của tín hiệu GPS, dẫn đến việc xác định vị trí không chính xác.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Định Vị Đối Tượng

Để cải thiện độ chính xác trong định vị đối tượng, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là ánh xạ bản đồ, giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu GPS.

3.1. Ánh Xạ Bản Đồ Map Matching

Ánh xạ bản đồ là quá trình chuyển đổi tọa độ GPS sang tọa độ trên bản đồ, giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí của đối tượng.

3.2. Sử Dụng Thông Tin Địa Lý

Kết hợp thông tin địa lý và topo của bản đồ với dữ liệu GPS có thể nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí của đối tượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Giải Pháp Định Vị

Giải pháp định vị đối tượng sử dụng công nghệ ARM và GPS có nhiều ứng dụng thực tiễn trong quản lý giao thông, theo dõi phương tiện và các lĩnh vực khác. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả quản lý.

4.1. Quản Lý Giao Thông

Hệ thống định vị giúp theo dõi và quản lý các phương tiện giao thông, từ đó tối ưu hóa lộ trình và giảm thiểu thời gian di chuyển.

4.2. Theo Dõi Tài Sản

Việc gắn thiết bị định vị trên tài sản giúp giảm thiểu nguy cơ mất mát và tăng cường an ninh cho các đối tượng cần theo dõi.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Đề Tài

Luận văn đã chỉ ra rằng việc ứng dụng công nghệ ARM và GPS trong định vị đối tượng là một giải pháp khả thi và hiệu quả. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ hơn nữa với sự cải tiến của các thiết bị và công nghệ mới.

5.1. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Công nghệ định vị sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của các thiết bị thông minh và mạng Internet vạn vật (IoT), mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu và phát triển các giải pháp định vị không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ ngành giao thông vận tải, việc ứng dụng các giải pháp giám sát hành trình phương tiện di động giúp doanh nghiệp tối ưu hóa từ 15% đến 25% chi phí vận hành và giảm thiểu hơn 30% thời gian nhàn rỗi của đội xe. Tuy nhiên, tại Việt Nam giai đoạn 2010 - 2012, thị trường thiết bị định vị hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào các sản phẩm nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao hơn từ 40% đến 60% so với giá trị thực tế, đồng thời gây khó khăn lớn trong việc làm chủ công nghệ và tùy biến phần mềm quản lý.

Trước yêu cầu cấp thiết của việc tự động hóa quản lý giao thông đô thị, 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" do học viên Nguyễn Quang Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đinh Đức Anh Vũ tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán định vị trực tuyến với chi phí thấp và tính mở rộng cao.

Mục tiêu cụ thể của công trình là thiết kế hoàn chỉnh bo mạch phần cứng nhúng dựa trên vi xử lý ARM, tích hợp module viễn thông GPS/GPRS và xây dựng hệ thống phần mềm máy chủ quản lý trực tuyến trên nền bản đồ số Google Maps. Đề tài được triển khai thử nghiệm thực tế trên hệ thống xe buýt tại Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 9 năm 2010 đến tháng 1 năm 2012. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng khi cắt giảm hơn 50% chi phí sản xuất thiết bị phần cứng, duy trì tần suất cập nhật dữ liệu định kỳ 5 đến 10 giây một lần và cải thiện độ chính xác định vị trong phạm vi 3 đến 5 mét sau khi áp dụng thuật toán ánh xạ bản đồ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa ba nền tảng lý thuyết cốt lõi: kiến trúc máy tính nhúng RISC 32-bit, nguyên lý định vị vệ tinh toàn cầu và mô hình mạng truyền thông không dây di động.

Đầu tiên, lý thuyết kiến trúc vi xử lý ARM, cụ thể là lõi ARM7TDMI-S, cung cấp nền tảng xử lý hiệu năng cao với cấu trúc đường ống ba giai đoạn và tập lệnh nén Thumb 16-bit giúp tiết kiệm từ 35% đến 40% dung lượng bộ nhớ chương trình mà vẫn bảo toàn tốc độ tính toán. Thứ hai, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) vận hành dựa trên nguyên lý đo ba cạnh tam giác không gian (Trilateration) từ mạng lưới tối thiểu 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 20.200 km với vận tốc xấp xỉ 11.200 km/h (tương đương 7.000 dặm/giờ). Thiết bị chỉ cần nhận tín hiệu từ 3 đến 4 vệ tinh để xác định chính xác kinh độ, vĩ độ, độ cao và vector vận tốc.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: chuẩn giao tiếp NMEA 0183 (phân tích cấu trúc các bức điện GPGGA, GPRMC, GPGSA, GPGSV), giao thức mạng vô tuyến gói tổng hợp GPRS (General Packet Radio Service) và kỹ thuật ánh xạ bản đồ (Map-Matching) nhằm nắn chỉnh tọa độ thực tế khớp với hình học không gian của mạng lưới giao thông trên nền tảng Google Maps API.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm của luận văn được thu thập trực tiếp từ các chuyến xe buýt hoạt động trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh, với cỡ mẫu kiểm thử bao gồm hơn 5.000 bản ghi dữ liệu tọa độ GPS gửi về máy chủ qua kết nối GPRS. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu xác suất ngẫu nhiên phân tầng theo các khung giờ cao điểm, giờ thấp điểm và các tuyến đường có mật độ vật cản cao tầng phức tạp nhằm đánh giá độ tin cậy của tín hiệu.

Tác giả lựa chọn phương pháp thiết kế phần cứng theo cấu trúc module hóa (Modular Architecture) kết hợp với mô hình máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM) trong lập trình nhúng để phân tích cú pháp NMEA theo thời gian thực. Lý do lựa chọn FSM là nhằm tối ưu hóa tài nguyên bộ nhớ hạn chế của vi điều khiển LPC2378 (32 kB SRAM cục bộ và 8 kB SRAM ngoại vi), ngăn ngừa triệt để hiện tượng tràn bộ đệm ngắt UART khi module SIM548C truyền dữ liệu liên tục ở tốc độ 9600 bps.

Tiến trình nghiên cứu được triển khai theo 3 giai đoạn rõ ràng: giai đoạn 1 (tháng 9/2010 - 03/2011) nghiên cứu lý thuyết vi xử lý ARM và giao tiếp GPS; giai đoạn 2 (tháng 04/2011 - 09/2011) thiết kế bo mạch mẫu, khối nguồn LM2576/AMS1117 và lập trình firmware; giai đoạn 3 (tháng 10/2011 - 01/2012) tích hợp hệ thống Web server và kiểm thử thực địa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế tạo thử nghiệm và đo đạc thực tế đã mang lại 4 kết quả định lượng nổi bật:

Thứ nhất, bo mạch phần cứng nhúng tích hợp vi điều khiển LPC2378 (hoạt động tại xung nhịp 72 MHz) và module tích hợp SIM548C (kết hợp cả GPS và GSM/GPRS) vận hành ổn định trong dải điện áp công nghiệp từ 9V đến 12V DC, tiêu thụ năng lượng thấp hơn 45% so với các dòng thiết bị sử dụng kiến trúc CISC cùng thời kỳ.

Thứ hai, bộ phân tích cú pháp NMEA tối ưu hóa bằng thuật toán máy trạng thái đạt độ chính xác xử lý 99,8% đối với các bản tin GPGGA và GPRMC, thời gian trích xuất dữ liệu chỉ mất dưới 2 mili-giây cho mỗi chu kỳ nhận lệnh qua cổng nối tiếp.

Thứ ba, tỷ lệ truyền nhận dữ liệu thành công từ thiết bị về Web server thông qua phương thức HTTP GET qua mạng GPRS đạt mức trung bình 94,5% trong điều kiện thực tế tại đô thị. Đặc biệt, hệ thống đã giải quyết triệt để sự cố mất sóng viễn thông bằng cơ chế lưu đệm tự động 100% dữ liệu vào thẻ nhớ SD dung lượng 1 GB đến 2 GB và tự động gửi bù khi tín hiệu kết nối được khôi phục.

Thứ tư, việc ứng dụng thuật toán Map-Matching cải tiến kết hợp giữa thông tin hướng di chuyển trong câu GPRMC và dịch vụ Directions của Google Maps đã giảm thiểu sai số định vị từ biên độ 10 - 15 mét của máy thu GPS thông thường xuống còn dưới 3 - 5 mét trên giao diện bản đồ số.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng sai lệch tọa độ GPS trong môi trường đô thị bắt nguồn từ hiệu ứng đa đường (Multipath Effect), khi các tòa nhà cao tầng và cây xanh dày đặc phản xạ hoặc che chắn sóng vệ tinh. Trong các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng bộ lọc Kalman hoặc logic mờ thường đòi hỏi máy chủ phải thực hiện khối lượng tính toán ma trận rất lớn, gây nghẽn cổ chai khi số lượng phương tiện giám sát đồng thời vượt quá 100 xe.

Giải pháp ánh xạ topo kết hợp API định tuyến được đề xuất trong luận văn này giúp giảm tải hơn 60% thời gian xử lý tại máy chủ mà vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí đạt trên 95%. Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày rõ nét thông qua biểu đồ so sánh quỹ đạo di chuyển của xe buýt trước và sau khi xử lý: đường di chuyển thô ban đầu có xu hướng nhảy cóc xuyên qua các tòa nhà, nhưng sau khi qua thuật toán cải tiến, toàn bộ vệt di chuyển đã được nắn thẳng hàng hoàn hảo theo tim đường giao thông. Điều này chứng minh giải pháp phần mềm hoàn toàn đủ năng lực bù đắp cho những khiếm khuyết vật lý của phần cứng giá rẻ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và mở rộng khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và tổ chức cụ thể:

Thứ nhất, nâng cấp vi điều khiển trung tâm lên các dòng vi xử lý ARM Cortex-M4 hoặc Cortex-A với xung nhịp xử lý từ 150 MHz đến 400 MHz, tích hợp hệ điều hành thời gian thực (như FreeRTOS hoặc Embedded Linux) nhằm tăng cường khả năng đa nhiệm và bảo mật dữ liệu, do các kỹ sư thiết kế phần cứng thực hiện trong lộ trình 6 tháng.

Thứ hai, tích hợp module thu GPS hỗ trợ công nghệ đa hệ thống định vị (kết hợp đồng thời GPS, GLONASS và Galileo) cùng thuật toán vi phân DGPS để nâng độ chính xác định vị đạt ngưỡng dưới 1,5 mét trong vòng 12 tháng, do các trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông chủ trì triển khai.

Thứ ba, chuyển đổi phương thức truyền dữ liệu từ giao thức HTTP GET truyền thống sang giao thức WebSockets hoặc MQTT nhằm giảm thiểu 30% đến 40% dung lượng băng thông GPRS, hạ độ trễ truyền dữ liệu xuống dưới 500 mili-giây, do nhóm phát triển phần mềm máy chủ thực hiện trong quý tiếp theo.

Thứ tư, phát triển ứng dụng di động đa nền tảng dành cho hành khách công cộng để tra cứu thời gian thực tuyến xe buýt đến trạm dừng, hướng tới mục tiêu giảm 20% thời gian chờ đợi của người dân và thúc đẩy tăng trưởng 15% lưu lượng sử dụng xe buýt đô thị do Sở Giao thông Vận tải phối hợp các doanh nghiệp vận tải thực hiện trong giai đoạn 2013 - 2015.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính với các ứng dụng thực tiễn chuyên sâu:

Nhóm 1: Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và phần cứng IoT - Học hỏi phương pháp thiết kế bo mạch vi điều khiển 32-bit LPC2378, kỹ thuật ổn định nguồn công nghiệp LM2576/AMS1117 và quy trình lập trình giao tiếp với module viễn thông SIMCOM qua tập lệnh AT.

Nhóm 2: Doanh nghiệp và hợp tác xã quản lý vận tải - Tiếp cận giải pháp công nghệ quản lý đội xe (Fleet Management) tự chủ với chi phí phần cứng tiết kiệm hơn 50% so với thiết bị ngoại nhập, phục vụ giám sát xe khách, xe container và taxi.

Nhóm 3: Lập trình viên Web GIS và hệ thống thông tin địa lý - Nắm bắt phương pháp xử lý dữ liệu GPS chuẩn NMEA, kỹ thuật ánh xạ bản đồ (Map-Matching) và tích hợp Google Maps API vào bài toán hiển thị lộ trình trực tuyến.

Nhóm 4: Học viên cao học và sinh viên ngành Khoa học Máy tính - Tham khảo mô hình nghiên cứu khoa học chuẩn mực kết hợp giữa thiết kế phần cứng, thuật toán xử lý dữ liệu và xây dựng ứng dụng dịch vụ máy chủ hoàn chỉnh.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả lựa chọn vi xử lý LPC2378 trên nền tảng ARM7 thay vì các dòng vi điều khiển 8-bit hay 16-bit? Vi xử lý LPC2378 sở hữu kiến trúc ARM 32-bit với tốc độ xử lý 72 MHz và tập lệnh Thumb 16-bit giúp tiết kiệm 35% đến 40% bộ nhớ. Các dòng chip 8-bit hoặc 16-bit cũ không đủ tốc độ tính toán để xử lý đồng thời luồng dữ liệu NMEA liên tục và quản lý kết nối truyền dữ liệu mạng GPRS.

Module SIM548C đóng vai trò gì và có ưu điểm gì trong thiết bị định vị? Module SIM548C tích hợp đồng thời bộ thu định vị GPS độ nhạy cao và modem GSM/GPRS trên cùng một module phần cứng 60 chân. Thiết kế tích hợp này giúp giảm hơn 30% diện tích bo mạch in, hạ giá thành linh kiện và đơn giản hóa việc lập trình điều khiển qua tập lệnh AT.

Hệ thống xử lý như thế nào khi xe di chuyển vào khu vực mất kết nối sóng viễn thông GPRS? Khi mất tín hiệu GPRS, chương trình điều khiển của vi xử lý LPC2378 sẽ tự động kích hoạt bộ nhớ đệm và ghi toàn bộ gói tin tọa độ GPS vào thẻ nhớ ngoài SD dung lượng từ 1 GB đến 2 GB. Ngay khi có sóng trở lại, dữ liệu sẽ được đọc và truyền bù lên Web server.

Thuật toán ánh xạ bản đồ (Map-Matching) giải quyết vấn đề gì trong bài toán quản lý xe buýt? Tín hiệu GPS đô thị thường có sai số từ 10 đến 15 mét do nhà cao tầng che khuất. Thuật toán Map-Matching sử dụng dữ liệu topo đường sá và góc di chuyển từ câu GPRMC để nắn tọa độ thực tế khớp chính xác vào tuyến đường trên Google Maps, loại bỏ hiện tượng hiển thị xe chạy lệch đường.

Hệ thống Web server giao tiếp với thiết bị nhúng qua phương thức nào để ghi nhận hành trình? Thiết bị nhúng truyền dữ liệu tọa độ, vận tốc và thời gian lên Web server thông qua phương thức HTTP GET chuẩn đến tệp xử lý PHP. Máy chủ sau đó phân tích tính hợp lệ của chuỗi dữ liệu và lưu vào cơ sở dữ liệu MySQL để phục vụ việc truy xuất và hiển thị thời gian thực.

Kết luận

• Chế tạo thành công thiết bị định vị nhúng hoàn chỉnh trên nền tảng vi xử lý ARM LPC2378 và module SIM548C với chi phí thấp và độ bền cao.
• Xây dựng thuật toán phân tích cú pháp NMEA tối ưu bằng máy trạng thái hữu hạn, xử lý chính xác 99,8% bản tin GPS với độ trễ dưới 2 mili-giây.
• Hiện thực hệ thống máy chủ giám sát phương tiện giao thông tích hợp Google Maps API và thuật toán Map-Matching, đưa sai số hiển thị xuống dưới 5 mét.
• Thử nghiệm thành công trên mạng lưới xe buýt Thành phố Hồ Chí Minh với độ ổn định truyền nhận qua mạng di động đạt 94,5%.
• Khẳng định tính khả thi của việc làm chủ công nghệ nhúng trong nước, tạo tiền đề cắt giảm 50% chi phí đầu tư thiết bị giám sát hành trình.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2013 đến năm 2014, hệ thống sẽ được tối ưu hóa giao thức truyền thông nhẹ và nâng cấp phần cứng định vị đa vệ tinh. Hãy kết nối ngay với các chuyên gia kỹ thuật hệ thống nhúng và công nghệ GIS để ứng dụng giải pháp định vị phương tiện thông minh vào bài toán quản trị vận tải của doanh nghiệp bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].