České vysoké učení technické v Praze. Fakulta elektrotechnická. Diplomová práce Petr Špika

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Diplomová práce 2010 Petr Špika

2 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra měření Monitorování polohy pohybujícího se vozidla Leden 2010 Autor: Bc. Petr Špika Vedoucí: doc. Ing. Jaroslav Roztočil, CSc.

3 i Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací. Dále prohlašuji, že nemám námitek proti půjčování nebo zveřejňování mé diplomové práce nebo její části se souhlasem katedry. V Praze 5.ledna Petr Špika

4 ii

5 iii Abstrakt První část diplomové práce je rešeršního charakteru. Stručně popisuje principy, výhody a nevýhody jednotlivých současných metod používaných pro sledování polohy pohybujících se vozidel. Druhá část této práce popisuje možnosti, jakými lze zařízení monitorující polohu automobilu realizovat. Diskutovány jsou dva možné modely - zařízení sestavené z jednotlivých částí a zařízení využívající programovatelný GSM modul. Třetí, již praktická a nejobsáhlejší část práce, se zabývá konkrétní realizací monitorovacího systému. Detailně popisuje hardwarové a softwarové řešení založené na využití GSM modulu Siemens XT65. V závěru práce jsou diskutovány dosažené výsledky a je naznačeno možné budoucí vylepšení (rozšíření) navrženého systému. Summary The master thesis consists of three main parts. The first part provides an overview and description of the methods which are used for monitoring of location of moving vehicles. There are presented the principles, advantages and disadvantages of the most widely used methods. The second part describes the possible ways of the realization of such monitoring systems. There are discussed two possible cases - the devices assembled from individual parts and the devices using a programmable GSM module. The third part is practical and most comprehensive. It deals with the main goal of the thesis, which is a practical realization of a car location monitoring system. It describes in detail hardware and software solutions based on the programmable GSM module Siemens XT65. Finally, the achieved results and the possible improvements of designed system are mentioned at the end of the project.

6 iv Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu mé diplomové práce panu doc. Ing. Jaroslavu Roztočilovi, CSc. za vstřícnou a ochotnou spolupráci. Dále panu Ing. Ondřeji Janovskému z firmy Alarex-Group s.r.o. za zapůjčení GSM modulu a pomoc při řešení technických problémů, které během psaní práce vznikaly. Velké poděkování bych rád věnoval také mým rodičům za maximální podporu během celého studia.

7 Obsah Úvod 1 1 Analýza možností monitorování polohy pohybujícího se vozidla Monitorování polohy pomocí globálních navigačních systémů Monitorování polohy pomocí GSM sítě Radiové zaměřování Návrh systému monitorujícího polohu vozu Požadavky na navrhovaný systém Možnosti realizace systému monitorujícího polohu vozu Poskládání systému z jednotlivých částí Využití programovatelného GSM modulu Praktická realizace systému pro sledování polohy automobilu Popis realizovaného řešení Hardwarová část řešení GSM modul Siemens XT M2M universal motherboard Návrh vstupů a výstupů Softwarová část řešení - modul Siemens XT Stručný úvod do MIDletů Použité vývojové prostředí Popis navržené řídící aplikace Načtení parametrů Inicializace Stav READY Stav sledování s UDP protokolem v

8 OBSAH vi Stav sledování s TCP protokolem Příprava dat k odeslání Zpracování příchozího hovoru Zpracování příchozí SMS zprávy Ukončení programu Softwarová část řešení - serverová strana Java UDP server Java TCP server Databáze Zpracování uložených dat Navržené webové rozhraní - vzhled Navržené webové rozhraní - popis Navržené webové rozhraní - technické řešení Zobrazení nejnovější souřadnice Zobrazení souřadnic z daného období Generování GPX souboru a jeho zobrazení Odeslání GPX na FTP server a ovou adresu Praktické otestování systému Statické testování Testování ve vozidle Závěrečné zhodnocení 54 Seznam zkratek 55 Seznam obrázků 57 Seznam tabulek 59 Použitá literatura 60 A Schéma a blokový diagram modulu Siemens XT65 61 B Technické parametry GSM modulu Siemens XT65 63 C Ukázka využití prostředí NetBeans pro vývoj MIDletů 67

9 OBSAH vii D Stavový diagram 70 E Zařízení ve vozidle a vygenerované trasy 72

10 Úvod Tato diplomová práce se zabývá tématem monitorování polohy jedoucího vozidla. Ačkoliv se jedná o téma, jež bylo jistě již mnohokráte rozebíráno, jde o téma stále zajímavé. Důkazem toho je stále rostoucí nabídka zařízení a služeb poskytujících on-line monitoring vozidel. Lze se o tom snadno přesvědčit např. zadáním termínů jako monitoring vozidel, elektronická kniha jízd, sledování vozidel a jim podobných do některého z internetových vyhledávačů. Nabízena jsou řešení od jednoduchých GSM modulů odesílajících pouze informace o poloze automobilu, až po komplexní softwarové systémy nabízející mimo sledování polohy daného vozidla (či skupiny vozidel) i celou škálu doplňkových služeb. Takovýmito službami mohou být např. vedení elektronické knihy jízd, dálkové sledování požadovaných parametrů vozidel (např. teplot v nákladním prostotu, stavu paliva,...) atd. Samostatnou kapitolou jsou pak firmy nabízející zabezpečení a vyhledávání vozidel. I v této oblasti je nabídka služeb v České Republice již poměrně široká. Cílem této práce je udělat rešerši popisující metody, jež se dnes pro lokalizaci vozidel používají, zamyslet se nad tím, jakým způsobem lze systémy monitorující polohu vozu realizovat, a na základě toho zkusit navrhnout a realizovat vlastní systém, jenž by byl pro sledování vozu využitelný. 1

11 1 Analýza možností monitorování polohy pohybujícího se vozidla V době psaní této práce se pro monitorování polohy pohybujících se objektů využívá třech způsobů založených na třech rozdílných principech. První možností, jak určit polohu nějakého objektu (v našem případě vozidla), je využití některého z globálních navigačních systémů. Další možností je využití vhodných funkcí, které jsou poskytovány mobilními telefony a mobilními operátory (tzv. GSM lokalizace), a poslední způsob, jak určit polohu vozidla, je využití radiového vyhledávání. 1.1 Monitorování polohy pomocí globálních navigačních systémů Globální družicové navigační systémy, anglicky Gobal Navigation Satellite Systems (GNSS), jsou systémy umožňující přesné určování 3D polohy a času s celosvětovým pokrytím. Zjednodušeně lze GNSS popsat jako družicové radiové dálkoměrné systémy 1. Mezi nejznámější GNSS patří zejména americký systém s původním jménem NAVSTAR GPS (jehož vývoj byl zahájen již v roce 1973), ruský GLONASS a evropský projekt s názvem Galileo 2. Cílem této práce však není detailně popsat princip těchto systémů. Případní zájemci mohou nalézt podrobné informace jak o principu, tak o aktuálním stavu vývoje uvedených systémů na oficiálních webových stránkách těchto projektů (např. [10], [11], [12]) a na mnoha dalších webech zabývajících se danou tématikou. Pro účely této práce je podstatné to, že z uživatelského hlediska je pro využití GNSS potřeba pouze adekvátní přijímač. Takový přijímač je pak schopen vypočítat svoji polohu s přesností na desítky až 1 Dálkoměrný družicový - pro určení polohy zaměřovaného objektu se využívá známé vzdálenosti tohoto objektu od kosmických družic, jejichž poloha je známa. 2 Mimo zmíněných celosvětových globálních navigačních satelitních systémů je vyvíjeno nebo již funguje i několik menších regionálních systémů, jako je např. čínský Beidou-1, indický IRNSS nebo japonský QZSS. 2

12 1.2. MONITOROVÁNÍ POLOHY POMOCÍ GSM SÍTĚ 3 jednotky metrů 1, což je pro určení polohy pohybujícího se vozidla dostačující. Hlavní výhody lokalizace pomocí GNSS Služba dostupná zdarma 24 hodin denně kdekoliv na světě. Relativně vysoká přesnost určení polohy. Hlavní nevýhody lokalizace pomocí GNSS Nutnost přímé viditelnosti oblohy přijímačem. Relativně dlouhá doba potřebná pro prvotní určení polohy po zapnutí přijímače. Tato doba záleží na mnoha faktorech (viditelnost družic, změna polohy přijímače od jeho posledního zapnutí,...). Za ideálních podmínek může být v rozsahu sekund, za nepříznivých okolností může dosahovat až jednotek minut. 1.2 Monitorování polohy pomocí GSM sítě Lokalizace pomocí GSM sítě je založená na využití znalostí její struktury a monitorování činnosti lokalizovaného mobilního zařízení, které je do ní přihlášeno. Využíváno je několika metod s rozdílnou přesností určení polohy. Základní z metod využívá tzv. Cell ID (Obrázek 1.1). GSM síť je tvořena sítí základnových stanic (tzv. BTS), jež vytváří buňkovou strukturu. Pomocí Cell ID, neboli identifikačního čísla buňky, a známé polohy základnové stanice pak lze určit polohu mobilního zařízení, které je k dané buňce, resp. základnové stanici, přihlášeno. Poloha základnových stanic je známa a velikost buněk se pohybuje v závislosti na lokalitě od cca 100 až 500 metrů čtverečních v městských oblastech až po jednotky či desítky kilometrů čtverečních v odlehlých nezastavěných oblastech. S takovouto přesností může být tedy stanovena i poloha daného mobilního zařízení. S využitím výpočtu průniků buněk (mobilní zařízení přijímá signál z více základnových stanic) lze přesnost lokalizace dle dostupných informací zvýšit na přibližně 300m. 1 Ve speciálních nebo vědeckých aplikacích může být pak přesnost určení polohy v řádu centimetrů až milimetrů.

13 1.2. MONITOROVÁNÍ POLOHY POMOCÍ GSM SÍTĚ 4 Obrázek 1.1: Lokalizace s využitím metody Cell ID Pro další zpřesnění určení polohy mobilního zařízení v GSM síti lze využít výpočtu doby šíření průchodu signálu mezi tímto zařízením a sítí pomocí parametru Timing Advance (TA). Ze znalosti parametru TA a rychlosti šíření signálu lze pak určit i vzájemnou vzdálenost mobilního zařízení a základnové stanice. Udávaná přesnost určení této vzdálenosti je přibližně 500 metrů. Přibližnou polohu lokalizovaného zařízení (s přesností na desítky metrů) lze pak určit při znalosti jeho vzdálenosti od tří BTS jednoduchou triangulací. Obrázek 1.2: Metoda Timing advance Další možnou metodou pro určení polohy GSM zařízení je metoda Enhanced Observed Time Difference (E-OTD). Ta je založená na sledování časových rozdílů mezi příchody signálů od tří a více základnových stanic. Pozice mobilního zařízení je v tomto případě vypočtena s přesností m. S přesností určení polohy kolem 300 metrů lze také počítat při použití metody nazývané Angle of Arrival. Tato metoda vyžaduje použití směrových antén a znalosti vyzařovacích

14 1.2. MONITOROVÁNÍ POLOHY POMOCÍ GSM SÍTĚ 5 charakteristik. Měření úhlu, pod kterým je signál přijímán, se provádí v základnové stanici nebo mobilním zařízením. Výsledkem jsou přímky, které stanicí a mobilním zařízením procházejí. Poloha je poté stanovena jako průnik těchto přímek (Obrázek 1.3). Obrázek 1.3: Metoda Angle of Arrival Poslední metoda, která bude v rámci popisu GSM lokalizace zmíněna, je metoda Enhanced Cell Global Identity (E-CGI). Jedná se o vylepšení metod Cell ID a Timing advance o měření úrovní signálů. Dle [5] E-CGI používá pro výpočet vzdálenosti mezi mobilním zařízením a základnovou stanicí model šíření signálů. Podle naměřených úrovní signálů v místě mobilního zařízení a znalosti vysílacích výkonů základnových stanic jsou tak predikovány oblasti s nejpravděpodobnějším výskytem uživatele. Jeho poloha je poté obvykle stanovena jako těžiště této oblasti. Přesnost metody E-CGI je kolem m pro městské oblasti a 250m-8km pro venkovské oblasti. Více informací o GSM lokalizaci, včetně odkazů na další zdroje zabývající se danou problematikou, lze nalézt v [5]. Hlavní výhody GSM lokalizace Možnost lokalizace i v oblastech, kde není možný příjem GPS signálu (interiéry budov, garáže atd.). Možnost zjištění polohy daného mobilního zařízení operátorem. Dnes již standardně nabízená služba (zpoplatněná).

15 1.3. RADIOVÉ ZAMĚŘOVÁNÍ 6 Hlavní nevýhody GSM lokalizace Menší přesnost v porovnání s lokalizací pomocí GNSS. Náročnější implementace (málo dokumentace, složité výpočty,...). 1.3 Radiové zaměřování Radiové vyhledávání pracuje na principu radiolokačního zaměření miniaturního zdroje signálu. Pro zaměření se používá síť radiových zaměřovačů pokrývajících požadovanou oblast. Tato metoda je používána zejména velkými firmami nabízejícími zabezpečení vozidel 1. Pro přesné zaměření jsou v takových případech používána vyhledávací vozidla a letadla. Tato metoda dle dostupných informací umožňuje dobře lokalizovat požadované objekty i v podzemních a krytých prostorách. Hlavní výhody radiového zaměřování Možnost lokalizace i v případech, kde není k dispozici GPS signál a signál GSM je také nedostupný, či záměrně rušený. Hlavní nevýhody radiového zaměřování Nutné speciální technické vybavení (pro plošné monitorování prostoru nutné vybudování sítě monitorovacích stanic, pro dohledání nutnost speciálně vybavených vozidel či letadel). 1 Příkladem může být firma SECAR BOHEMIA, a. s. a její systém vyhledávání vozidel SHERLOG.

16 2 Návrh systému monitorujícího polohu vozu Cílem této práce je navrhnout systém, který bude monitorovat polohu vozidla a zjištěné souřadnice bude schopný v reálném čase posílat prostřednictvím GSM sítě na určené cílové zařízení. Takovýmto zařízením má být GSM modem nebo mobilní telefon či FTP server zapojený v síti Internet. V následující části budou probrány základní možnosti realizace systému monitorujícího polohu vozu a v další části pak bude takovýto systém konkrétně navržen a realizován. 2.1 Požadavky na navrhovaný systém Jak již bylo uvedeno výše, navrhovaný systém musí být schopný zejména zjistit svoji polohu a tu odeslat na požadované cílové zařízení. Pro tento účel musí disponovat vhodnými prostředky. Mimo to by měl být také snadno ovladatelný, stabilní a dobře implementovatelný do elektrické instalace automobilu. Z toho vyplývají i další požadavky, které je třeba brát při návrhu zařízení v potaz. Mezi hlavní takové požadavky patří: Možnost zařízení dálkově ovládat Mělo by být možné dálkově, tj. prostřednictvím GSM sítě, zapnout/vypnout odesílání souřadnic na přednastavené cílové zařízení a zjišťovat, např. pomocí SMS zpráv, aktuální stav zařízení. Možnost ovládat základní funkce zařízení také lokálně Pomocí tlačítek či přepínačů by mělo být možné zapnout zařízení do pohotovostního režimu, aktivovat/deaktivovat odesílaní dat a bezpečně vypnout zařízení. Stabilita V zařízení by mělo být zajištěno ošetření maxima možných chyb, které mohou během 7

17 2.2. MOŽNOSTI REALIZACE SYSTÉMU MONITORUJÍCÍHO POLOHU VOZU 8 provozu nastat, a ty řádně ošetřit. V úvahu připadá například také použití softwarového či hardwarového watchdogu. Rozumný formát odesílaných dat Odesílaná data by měla být v takovém formátu, aby bylo možné jejich další snadné využití. V úvahu přichází navrhnout jiný formát výstupních dat pro jejich odesílání ve formě SMS zpráv na mobilní telefon a jiný např. pro jejich odesílání na server. Možnost modifikace Zařízení by mělo disponovat dostatkem vstupů/výstupů tak, aby v případě dodatečných požadavků na činnost systému 1, toto mohlo být provedeno co nejjednodušeji, ideálně jen úpravou softwaru. 2.2 Možnosti realizace systému monitorujícího polohu vozu Požadované zařízení je samozřejmě možné navrhnout a konstruovat mnoha způsoby. Zařízení však vždy bude muset obsahovat část schopnou zjistit polohu (tj. GPS přijímač), část schopnou komunikovat se sítí mobilního operátora (tj. mobilní telefon či GSM modul) a část, která se postará o řízení činnosti celého zařízení a zpracovávání dat Poskládání systému z jednotlivých částí Jedním z možných řešení, jak zařízení realizovat, je poskládat jej z jednotlivých výše uvedených částí (viz Obrázek 2.1). Obrázek 2.1: Orientační schéma monitorovacího systému poskládaného z jednotlivých částí 1 Může se jednat např. o požadavek moci na dálku vypnout motor, odposlouchávat interiér vozu atd.

18 2.2. MOŽNOSTI REALIZACE SYSTÉMU MONITORUJÍCÍHO POLOHU VOZU 9 Při výběru jednotlivých částí máme následující možnosti: Výběr GPS části Co se výběru GPS přijímačů týká, je na dnešním trhu výběr skutečně široký. Vybírat lze z příjímačů osazených různě výkonnými chipsety 1, vybavených různými druhy komunikačních rozhraní 2, podporujících různé GPS protokoly 3, různé typy napájení atd. Dobře si lze představit např. využití průmyslových OEM GPS přijímačů firmy Leadtek. Ukázka takového přijímače určeného pro SMD montáž je na Obrázku 2.2 (více například přímo na Obrázek 2.2: GPS přijímač LR9805ST firmy Leadtek Výběr GSM části Tato část může být v nejjednodušším případě tvořena obyčejným mobilním telefonem ovládaným AT příkazy prostřednictvím sériového rozhraní. Mnohem sofistikovanější řešení však přináší využití GSM modulů. Ty jsou mnohem lépe přizpůsobeny pro dané použití (konstrukce, připojení externí antény, způsob napájení, absence displeje, klávesnice a hla- 1 Dnes asi nejpoužívanější jsou GPS chipsety založené na SiRF StarIII architektuře ( com/products/gps_chip.html). Z dalších jmenujme např. chipsety NEMERIX ( com), MTK, SONY atd. 2 Nejčastěji jsou GPS přijímače vybaveny rozhraním RS232, ale existují i moduly vybaveny např. rozhraním bluetooth či CompactFlash. 3 Pojmem GPS protokoly jsou zde myšleny jak podporované formáty výstupních dat GPS přijímače (NMEA-0183, SiRF Binary,... ), tak přijímačem podporované GPS systémy jako takové (v dnešní době jen GPS a Glonass).

19 2.2. MOŽNOSTI REALIZACE SYSTÉMU MONITORUJÍCÍHO POLOHU VOZU 10 sové části,...). I v této oblasti je paleta dostupných produktů již dostatečně široká. Asi nejznámější jsou výrobky firmy Siemens (moduly TC35i, MC39i, TC63,...) nebo dále pak např. firem Motorola (G24) či SonyEricsson (GR47, GR48,...). Mimo zmíněné prověřené kvalitní moduly renomovaných firem lze však samozřejmě sehnat i levnější moduly od noname výrobců. Výběr řídící části Hardware řídící části by měl obsahovat alespoň následující komponenty: Paměť pro uložení řídícího programu a dat. Digitální výstupy pro spínání diagnostických signálů (např. LED diod) a pro ovládání pomocných obvodů zařízení. Digitální vstupy pro snímání řídících vstupů a stavových hlášení pomocných obvodů systému. Mimo to musí být řídící jednotka schopná: Komunikovat s GPS přijímačem prostřednictvím některého z GPS protokolů. Komunikovat s GSM modulem prostřednictvím AT příkazů. Zpracovávat data (převod dat z GPS přijímače do požadovaného formátu pro odeslání,...). Je patrné, že výše uvedené funkce může plnit např. celá řada mikroprocesorů. Ať už některý z velkého množství jednodušších mikroprocesorů pro všeobecné použití (příkladem může být např. Atmel řady 8052) nebo některý ze složitějších, např. DSP, mikroprocesorů, které nabízejí větší výpočetní výkon (24bitové procesory Motorola DSP56000,...). Výhody systému poskládaného z jednotlivých částí Možnost postavit si zařízení skutečně na míru. Možnost levného řešení.

20 2.2. MOŽNOSTI REALIZACE SYSTÉMU MONITORUJÍCÍHO POLOHU VOZU 11 Nevýhody systému poskládaného z jednotlivých částí Složitější návrh Využití programovatelného GSM modulu Další možnost jak monitorovat polohu vozu je využít programovatelného GSM modulu. Takovéto moduly jsou přímo určeny pro vzdálenou komunikaci, monitoring nebo řízení. Obsahují v sobě již většinu prostředků potřebných pro daný účel. Zjednodušeně si je lze představit jako spojení GSM a řídící části z řešení diskutovaného výše (Obrázek 2.3). Obrázek 2.3: Využití programovatelného GSM modulu Mezi nejznámější výrobce programovatelných GSM modulů patří firma Siemens 1. Moduly této firmy jsou založeny na Java TM technologii a po jejich doplnění o pomocné obvody (obvody napájení, spouštění,...) a naprogramování a nahrání příslušné Java aplikace představují moderní řešení pro návrh M2M aplikací. Výhody programovatelných GSM modulů Zjednodušení výsledného řešení (menší pravděpodobnost poruch). Zmíněné moduly jsou osvědčené a vyzkoušené mnoha uživateli. Lze využít doplňkových služeb (update softwaru prostřednictvím GSM sítě,...). Nevýhody programovatelných modulů Do jisté míry omezený výběr modulů. Vyšší cena. 1 Z dalších výrobců lze uvést např. firmu Motorola a její GSM moduly G24.

21 3 Praktická realizace systému pro sledování polohy automobilu V následujících částech bude popsána konkrétní realizace systému umožňujícího dálkově sledovat polohu vozu. Nejdříve bude čtenáři navržený systém popsán a vysvětleno jeho fungování, dále pak budou detailněji popsány jednotlivé části realizovaného řešení. 3.1 Popis realizovaného řešení Jako stavební kámen požadovaného zařízení byl zvolen programovatelný GSM modul XT65 firmy Siemens (Obrázek 3.1). Tento modul byl zvolen s ohledem na vlastnosti, které vývojáři nabízí a které jsou pro daný účel ideálně vyhovující. Výhodou tohoto modulu je integrovaný citlivý GPS chip a za jistou výhodu se dá považovat i možnost ovládat tento modul aplikací psanou v jazyce Java TM MicroEdition (JavaME TM ). V našem případě je řídící aplikace navržena tak, že modul umožňuje odesílání GPS souřadnic prostřednictvím UDP či TCP protokolu na cílové zařízení či po vyžádání (prozvonění) ve formě SMS zprávy na číslo volajícího. Jako cílová zařízení pro UDP resp. TCP přenos byl zvolen UDP resp. TCP server běžící na vzdáleném osobním počítači zapojeném v síti internet. Obě serverové aplikace byly naprogramovány v programovacím jazyku Java a pro přenos dat v rámci GSM sítě byla zvolena datová služba GPRS. Maximální možná frekvence vyčítání dat z GPS přijímače je 1 sekunda. S takovouto minimální periodou lze také data z modulu na server odesílat. Implementována byla také funkce postupného odesílání, kdy se neposílají souřadnice jednotlivě, ale ukládají se do dočasného bufferu a odesláno je až několik souřadnic najednou. To dává GSM modulu dostatek času na přijetí hovoru či SMS zprávy v době mezi odesíláním dat. V případě postupného odesílání jsou data odesílána jednou za 15 až 24 sekund a počet v paketu odesílaných souřadnic je závislý na nastavené periodě vyčítání dat z GPS přijímače. V případě maximální frekvence vyčítání dat (tj. jednou za sekundu) je v paketu odesíláno 12

22 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST ŘEŠENÍ souřadnic, v případě, že jsou GPS data vyčítána jednou za tři sekundy, je odesíláno 5 souřadnic atd. Překročí-li perioda vyčítání dat hranici čtrnácti sekund, je odesílána pouze jedna souřadnice a perioda odesílání dat je rovna nastavené periodě vyčítání dat z GPS přijímače. Ovládat modul je možné jak lokálně, tak vzdáleně. Lokální ovládání je řešeno dvěma přepínači a dvěma tlačítky. Jeden přepínač slouží k aktivaci/deaktivaci odesílání dat na server, druhý pak k vypnutí modulu. Zapnutí modulu a spuštění řídícího programu je automatické (po přivedení napájení). Tlačítka slouží k restartování modulu. Vzdáleně lze ovládat pouze aktivaci resp. deaktivaci odesílání dat na server, a to prostřednictvím SMS zprávy s textem SLEDOVANI resp. READY. Po pouhém prozvonění SIM karty modulu je na číslo volajícího odeslána SMS zpráva informující o aktuálním stavu modulu, o počtu souřadnic, které již byly od zapnutí modulu na server odeslány, a zejména pak o aktuální pozici modulu. Souřadnice jsou odeslány ve formě odkazu na což umožňuje si v mobilu, pokud ten to podporuje, okamžitě v internetovém prohlížeči aktuální pozici modulu, resp. automobilu, zobrazit. Na straně serverů jsou přijatá data zkontrolována a uložena do MySQL databáze. Toto řešení rozšiřuje možnosti dalšího zpracování přijatých souřadnic a jedná se zcela jistě o lepší způsob řešení, než by bylo odesílání dat ve formě souborů na FTP server či ve formě přílohy jako součást ů. Nicméně i tyto funkce byly implementovány. Díky navrženému webovému rozhraní je možné vyčítat data z databáze, vizualizovat je, či z nich generovat datové soubory se strukturou založenou na datovém formátu GPX a tyto soubory pak odesílat na FTP server či jako přílohy ových zpráv. Vizualizace dat ve webovém rozhraní je opět založena na využití serveru a stejné mapy jsou použity také pro zobrazení trasy uložené ve vygenerovaných GPX souborech. 3.2 Hardwarová část řešení Ačkoliv by bylo možné požadované zařízení poskládat z několika částí tak, jak bylo naznačeno v druhé kapitole, bylo po zvážení všech pro a proti rozhodnuto využít pro daný účel již zmiňovaný GSM modul Siemens XT65. Následující podkapitoly obsahují základní popis tohoto modulu a popis vývojové desky M2M universal motherboard 2.0, která byla v práci také použita. Dále je pak popsána technická realizace vstupů/výstupů sloužících pro řízení činnosti modulu.

23 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST ŘEŠENÍ GSM modul Siemens XT65 XT65 spojuje Quad-band GSM/GPRS modul s GPS přijímačem a programováním v jazyce JavaME TM. Reklamní slogany doslova píší: Siemens XT65 je vůbec první modul, který integruje GSM a GPS v naprostém souladu, nejde jen o pouhou kombinaci. Výrobci fleetmanagementu nebo navigace založené na GPS mohou svoje produkty vyvinout podstatně dříve a za nižší náklady hlavně díky platformě JavaME TM. Čtyřpásmová podpora umožňuje sledování nákladů osob, vozidel a dalších objektů v jakékoliv síti GSM. O pravdivosti a váze takovýchto tvrzení lze samozřejmě polemizovat. Jde samozřejmě především o reklamu. Pravdou však zůstává, že technické parametry toho modulu jej skutečně předurčují pro použití v oblasti transportu, logistiky, zabezpečovací techniky, nebo jako je tomu v našem případě, v oblasti on-line sledování polohy. Základní parametry GSM modulu Siemens XT65: GSM pásma 850/900/1800/1900 MHz GPRS třídy 12, podpora kódovacích schémat CS1 až CS4 J2ME profil IMP-NG, CLDC 1.1 HI Provozní teplota -30 Caž+65 C Napájecí napětí 3.3V až 4.5V Rozměry 34x59x3,5mm Obrázek 3.1: GSM modul Siemens XT65

24 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST ŘEŠENÍ 15 Některé z dalších parametrů modulu Siemens XT65: GPS přijímač - Architektura: SiRF, 16 kanálů, L MHz - Podporované protokoly: NMEA-0183, RTCM 2.2 a UBX binární protokol - Podporované módy: GPS, AGPS, DGPS, SBAS - Přesnost určení polohy: 2.5m CEP, 5.0m SEP - Přesnost s využitím DGPS/SBAS: 2.0m CEP, 3.0m SEP - Doba startu (průměrné hodnoty): Hot start < 3.5s, Warm start 33s, Cold start 34s Sériové rozhraní - Osmivodičové rozhraní (ITU-T V.24 protokol) - Přenosová rychlost: 300 bps až bps - RTS0/CTS0 a XON/XOFF flow control - Multiplex vyhovující GSM Multiplexer protokolu Deset vstupně/výstupních programovatelných pinů (GPIO) - jeden z pinů lze využít jako čítač pulsů o frekvenci až 1KHz USB 2.0 Full Speed (12Mbit/s) I2C sběrnice s přenosovou rychlostí až 400kbps SPI sběrnice s přenosovou rychlostí až do 6.5Mbps 1 Dvě analogová audio rozhraní (2 mikrofonní vstupy a 2 výstupy na sluchátka) SIM rozhraní podporující 3V a 1.8V SIM karty Z výše uvedených parametrů je patrné, že modul disponuje dostatečným množstvím funkcí. Ty umožňují nejenom plnit požadovaný úkol, tedy moci určovat polohu a tuto bezdrátově posílat na nějaké cílové zařízení, ale lze jich využít i pro případné rozšíření aplikace 1 Když je aktivní SPI sběrnice nelze využívat rozhraní I2C

25 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST ŘEŠENÍ 16 o další funkcionality (viz závěr práce). Blokové schéma modulu lze nalézt v příloze A, kompletní technickou specifikaci v příloze B a celkový podrobný popis hardwaru modulu pak v [1] M2M universal motherboard 2.0 Modul XT65 jako základ požadované aplikace je třeba doplnit dalšími podpůrnými částmi. Je třeba zpřístupnit požadovaná rozhraní a vstupně/výstupní piny 1, navrhnout obvody napájení, spouštění atd. Ačkoli by návrh výše uvedených částí neměl být extrémně složitý 2, lze využít některého z již hotových řešení. Zajímavou variantou bylo použití univerzální desky M2M universal motherboard 2.0, kterou vyrábí firma Alarex-Group s.r.o. Tato vývojová deska (Obrázek 3.2) byla navržena pro maximální využití GSM modulů podporující JavaME TM technologii 3 a pro usnadnění vývoje M2M aplikací, ve kterých se tyto moduly využívají. Její hlavní výhodou je, že obsahuje všechny podpůrné obvody potřebné pro činnost modulu a že veškerá rozhraní použitého modulu jsou z Board-To-Board konektoru vyvedena na standardní konektory umístěné po obvodu desky. Obrázek 3.2: M2M universal motherboard Samotný modul je vybaven pouze 80ti pinovým Board-To-Board konektorem. 2 Při návrhu by bylo možné vycházet z ukázkových zapojení podpůrných obvodů uvedených v [1] či ostatních PDF dokumentech dodávaných k modulu. 3 Jedná se o moduly TC65, AC75, XT 65/75, ale kompatibilita je zaručena i s TC63, MC75 a při použití konektorové redukce i s moduly HC15/25.

26 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST ŘEŠENÍ 17 Základní parametry vývojové desky: - Rozměry 89x107x21mm - Napájecí napětí 7V - 60V - Oboustranná deska plošného spoje - Kompletní osazení z jedné strany - RoHS Dále tato deska obsahuje: - Dva kanály rozhraní RS232 přepínatelné do 3V TTL úrovní - Spínané zdroje pro napájení modulu - Obvody pro dobíjení připojeného akumulátoru (kterým lze desku s modulem napájet) - Výklopný držák SIM karty - Konfigurovatelný watchdog 1 - Externí konektor pro stavovou LED diodu GSM modulu - SYNC LED Kompletní technickou specifikaci použité vývojové desky lze nalézt v [4] Návrh vstupů a výstupů Jak již bylo uvedeno výše, navržená aplikace využívá dvou tlačítek a dvou přepínačů. Tlačítka pro resetování modulu jsou již součástí vývojové desky. Pro připojení přepínače aktivujícího/deaktivujícího odesílání dat a přepínače vypínajícího modul byly využity dva z deseti digitálních vstupů/výstupů (označované GPIO), které GSM modul nabízí. Další dva z těchto univerzálních vstupů/výstupů byly využity pro signalizaci pomocí LED diod. Jedna dioda je aktivována po úspěšné inicializaci modulu a bliká s periodou rovnou periodě vyčítání dat z GPS přijímače. Druhá LED dioda svítí při aktivovaném odesílání dat. Za další signalizační diodu lze považovat SMD LED diodu, která je součástí vývojové desky. Tato dioda svítí v případě aktivní komunikace v rámci GSM sítě a lze tak podle ní detekovat např. aktivní GPRS přenos dat. 1 Pro oživování watchdogu lze použít GPIO pin 9 nebo 10, čas watchdogu lze volit v rozsahu s nebo 1-15 min (vyřazení watchdogu z činnosti je také možné).