Sviluppo hardware e software di un sistema di fleet management basato su sistema GPS/GSM

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Introduzione 
Questo lavoro di tesi è finalizzato alla progettazione hardware e software ed alla 
realizzazione in forma prototipale di un dispositivo a microcontrollore che rilevi le 
coordinate GPS di un veicolo e le trasmetta a una stazione di monitoraggio remota 
utilizzando la rete GSM. 
Se il veicolo è in movimento, il dispositivo sarà anche in grado di memorizzarne il percorso 
su una memoria flash SD che potrà successivamente essere visualizzata grazie al software 
gratuito GOOGLE EARTH. 
Per assolvere a queste funzioni il sistema incorporerà un modulo GPS per la rilevazione 
delle coordinate ed un modulo GSM per la trasmissione a distanza mediante SMS, delle 
coordinate. 
Inoltre il dispositivo potrà essere gestito in più modi: 
 mediante comunicazione seriale RS232 
 mediante comunicazione USB 
 mediante SMS. 
Tramite USB e seriale RS232 si potrà modificare il firmware (che sarà di competenza del 
programmatore), mentre tramite SMS si potranno solo far eseguire i comandi 
preimpostati nel firmware (quindi questa funzione è per l’utente finale) 
Questo lavoro è stato pensato per applicazioni di “fleet management”, ossia per la 
gestione di flotte di veicoli commerciali e non; esso può quindi essere utilmente 
impiegato da tutte quelle aziende che dispongono di un parco macchine più o meno 
esteso e che vogliono monitorarne gli spostamenti per i più svariati fini (controllo 
dell’operato dei propri dipendenti, antifurto, pianificazione della manutenzione, ecc.). 
La tesi è suddivisa in tre capitoli: 
 nel primo capitolo sarà descritto il sistema e la parte hardware che lo 
compone. 
 nel secondo capitolo sarà descritta la parte software utilizzata per questo 
lavoro. 
 nel terzo capitolo sarà spiegato il funzionamento del dispositivo finale e di 
alcune funzioni aggiuntive create ad hoc.
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Capitolo 1  
Descrizione del sistema 
In questo capitolo verranno descritti brevemente i sistemi GPS e GSM, la struttura hardware del 
dispositivo e il funzionamento dei moduli che lo compongono ossia 
 Scheda Arduino UNO 
 Modulo GPS shield 
 Modulo GSM shield 
1.1 Il sistema GPS 
Il termine GPS è un’ abbreviazione di Global Positioning System. 
E’ un sistema  di posizionamento e navigazione satellitare che fornisce posizione ed orario 
ovunque sulla Terra a condizione che il target o ricevitore sia visibile da  almeno 4 satelliti 
del sistema (di questa esigenza si darà a breve giustificazione). 
Il sistema è gestito dal governo degli Stati Uniti d'America ed è liberamente accessibile da 
chiunque sia dotato di apposito ricevitore. 
Attualmente il grado di accuratezza raggiungibile con ricevitori civili è dell’ordine del 
metro, ma questo valore può variare in base alle condizioni meteorologiche, al numero di 
satelliti visibili dal ricevitore, alla sensibilità del ricevitore. 
Tralasciando il segmento spaziale (satelliti) e il segmento di controllo (stazioni di controllo 
terrestri), focalizziamo la nostra attenzione sul segmento utente: il ricevitore GPS. 
Questo non fa altro che misurare il tempo impiegato dal segnale radio per percorrere il 
tratto satellite-ricevitore. 
Confronta l’ora contenuta nel segnale radio ricevuto dal satellite con l’ora del proprio 
orologio. Quest’ultimo è sincronizzato con l’orologio a bordo del satellite. Questa 
sincronizzazione avviene ogni volta che il dispositivo viene avviato. 
Per determinare la posizione, il ricevitore, istante per istante, deve risolvere un sistema di 
4 incognite:
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 Latitudine 
 Longitudine 
 Altitudine 
 Tempo 
Per poter effettuare questi calcoli necessita di almeno 4 equazioni in quattro incognite. 
Le quattro equazioni sono date dai 4 satelliti. 
 La precisione può essere ulteriormente incrementata con questi sistemi: 
 WAAS (statunitense) o l'EGNOS (europeo): questi sistemi (perfettamente 
compatibili tra di loro) consistono in uno o due satelliti geostazionari che inviano 
dei segnali di correzione. 
 Differential-GPS (DGPS): utilizza un collegamento radio per ricevere dati DGPS da 
una stazione di terra ed ottenere un errore sulla posizione di un paio di metri 
(utile per le imbarcazioni e  gli aerei). 
 DGPS-IP sfrutta, anziché onde radio, la rete Internet per l'invio di informazioni di 
correzione. 
1.1.1 Sistema WAAS 
Il sistema WAAS (Wide Area Augmentation System) utilizza una serie di stazioni di 
riferimento a terra per calcolare messaggi di correzione GPS. 
I valori misurati delle stazioni di riferimento vengono inviati alla stazione Master che, 
manda, tempestivamente, i messaggi di correzione ai satelliti geostazionari WAAS (più o 
meno ogni 5 secondi). 
Questi satelliti, ritrasmettono sulla terra i messaggi di correzione, dove i ricevitori GPS 
dotati di WAAS utilizzano queste correzioni per calcolare la loro posizione con maggiore 
precisione. 
Questi messaggi includono informazioni del tipo: ritardi ionosferici, asincronie degli 
orologi di ogni singolo satellite ed altri errori simili. 
WAAS è stato concepito per il suo utilizzo in applicazioni critiche come l’aeronautica. 
L’utilizzo di WAAS può aumentare l’accuratezza, nel posizionamento, da 10 m (senza 
WAAS) a 3 m (utilizzando WAAS). 
L’attuale sistema WAAS funziona solo per il Nord America (dove sono posizionate le 
stazioni base di riferimento).
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Ciononostante, dal primo di aprile 2005, è operativa una versione europea del sistema 
WAAS: il sistema EGNOS (European Geographic Navigation Overlay System), che 
garantisce, agli strumenti compatibili, una precisione intorno ai due metri. 
Inoltre il sistema garantisce l'affidabilità del dato GPS, ricevuto dai satelliti. Consente un 
calcolo della quota molto più preciso, e in futuro sarà utilizzato anche per la navigazione 
aeronautica. 
1.1.2 Sistema EGNOS 
Operativo dall’inizio del 2006, EGNOS (Acronimo di European Geographic Navigation 
Overlay System) è il sistema satellitare Europeo di correzione che permette, a tutti i GPS 
predisposti a riceverne i segnali, di ottenere una precisione intorno ai 2.5 m. Inoltre, 
assicurando l’affidabilità del dato GPS ricevuto dai satelliti, il sistema consente un calcolo 
della quota estremamente piu preciso, che in futuro molto prossimo verrà utilizzato 
anche per la navigazione aeronautica. Insieme ai due sistemi gemelli WAAS (per il 
continente Americano) e MSAS (per l’estremo oriente), il sistema garantirà, una volta 
pienamente operativo, l acopertura mondiale. 
EGNOS è basato su tre elementi: 
 Una rete di satelliti geostazionari (ovvero con posizioni fisse sulla superficie 
della terra, al contrario dei satelliti GPS, che sono orbitanti); a questi satelliti si 
aggiungerà tra breve un terzo satellite (Artemis) il cui segnale al momento 
viene solo ricevuto, ma non acquisito; 
 Una rete di stazioni terrestri di elaborazione dei ritardi del segnale emesso dai 
satelliti GPS a causa della ionizzazione della troposfera; 
 Le stazioni centali di elaborazione dei dati. 
I satelliti cui il sistema si appoggia sono gli altri due dell’ Inmarsat, che, analogamente a 
quanto detto pei il WAAS, vengono aggiornati da terra e ritrasmettono i dati di 
correzione su frequenze e con formato compatibili con i ricevitori GPS ad uso civile 
1.1.2.1 Come funziona l’EGNOS 
È dunque il caso di spiegare il funzionamento di quello che è il sistema più interessante,se 
non altro perché riguarda l’Europa; resta inteso che il discorso fatto si applica tale e quale 
ai sistemi gemelli WAAS e MSAS. 
Le cose vanno così: l astazioni a terra rilevano l’errore dei dati trasmessi dai satelliti GPS, 
imputabile in massima parte alla ionizzazione degli strati più bassi dell’atmosfera,
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confrontando la propria posizione (calcolata tramite i dati dei satelliti GPS) con i dati 
generati dal loro sitema (elaborati basandosi esclusivamente sui dati delle orbite dei 
satelliti e sulla posizione certificata della stazione). Per estendere l’area monitorata e 
poter dare, con una sola stazione, dati inerenti a piu zone geografiche, è stata creata una 
rete di punti di rilevamento capaci di valutare il margine di errore relativo a ciascuno di 
essi e informarne la stazione stessa. Le stazioni di elaborazione dell’errore dei dati GPS 
sono posizionate su tutto il terrtorio europeo, e rilevano ciascuna un modello di errore 
valido per la rispettiva zona di pertinenza. I dati rilevati vengono inviati ad una stazione 
centrale di elaborazione. 
Una simile struttura operativa realizza un “reticolo” di fattori di correzione molto fitto, i 
cui dati vengono aggiornati in tempo reale, in quanto le condizioni di propagazione del 
segnale GPS attraverso l’atmosfera mutano rapidamente in relazione alle condizioni 
dell’atmosfera stessa. 
I fattori di correzione vengono inviati ai satelliti WAAS/EGNOS, per poter essere 
finalmente ritrasmessi a terra utilizzando la frequenza GPS (per l’esattezza la L1) e ricevuti 
dai terminali utente abilitati. 
Il terminale che li riceve seleziona i dati validi per i punti del “reticolo” a lui piu vicini, e li 
applica ai satelliti che sta ricevendo in quel momento ed utilizzando per il calcolo della sua 
posizione. 
L’area di copertura del sistema è attualmente estesa, oltre che all’Europa, anche a tutto il 
Nord Africa (compresi Marocco sett., Tunisia, Algeria e Libia). 
1.1.2.2 GALILEO 
Il sistema di posizionamento Galileo è un sistema satellitare globale di navigazione 
civile sviluppato in Europa come alternativa al Global Positioning System (NAVSTAR 
GPS), controllato invece dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. 
La sua entrata in servizio è prevista per il 2014 e conterà 30 satelliti orbitanti su 3 piani 
inclinati rispetto al piano equatoriale terrestre e ad una quota di circa 24.000 km. 
Un sistema di posizionamento globale satellitare come Galileo è un sistema basato su una 
costellazione di satelliti artificiali in grado di fornire con estrema precisione le 
coordinate geografiche (longitudine, latitudine,quota) e la velocità di qualsiasi mezzo 
fisso o mobile in ogni punto in prossimità della superficie Terra e nell'atmosfera, con 
continuità temporale.
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I sistemi di posizionamento satellitari oggigiorno esistenti sono il GPS statunitense e 
il GLONASS russo, nati in piena guerra fredda per applicazioni militari e il cui utilizzo 
civile è ancora oggi, in linea di principio, subordinato alle necessità di impiego 
militare dei due stati. 
Per diversi anni, il sistema GLONASS non è stato più mantenuto in perfetta efficienza; 
pertanto l’unico sistema di posizionamento satellitare disponibile praticamente in 
tutto il globo terrestre è stato il sistema statunitense GPS (il ripristino del sistema 
GLONASS è stato una priorità del governo di Vladimir Putin a partire dal 2000 e 
nell'ottobre 2011 l'intera costellazione orbitale di 24 satellites con copertura globale 
è stata ripristinata). Proprio la necessità di rompere il monopolio USA di un servizio 
su scala globale ha spinto l’Europa a varare Galileo. 
Il sistema Galileo sarà composto da tre sezioni principali, detti genericamente segmenti: 
 Il segmento spaziale, detto in inglese Galileo Space Segment (GSS), costituito 
principalmente dalla costellazione dei satelliti; 
 Il segmento terrestre, detto in inglese Galileo Ground Segment (GGS), che 
include il centro di controllo detto in inglese Ground Control System (GCS), le 
stazioni remote e l'intera rete di comunicazione; 
 Il segmento utente, detto in inglese Galileo User Segment (GUS). 
Le stazioni di monitoraggio ricevono continuamente i segnali emessi da tutti i satelliti 
della costellazione. I dati raccolti da ciascuna stazione comprendono il segnale di clock del 
satellite, la sue correzioni rispetto al tempo universale UTC (Universal Time 
Coordinate), le effemeridi del singolo satellite e vari altri segnali di stato. 
Le effemeridi informano il ricevitore sull’esatta posizione del satellite nello spazio, così 
che il ricevitore possa conoscere esattamente dove si trova l’origine del segnale che ha 
ricevuto. 
Ogni satellite trasmette le proprie effemeridi ed in aggiunta un almanacco, che è 
un’informazione più generale rispetto a quella contenuta nelle effemeridi, e che riguarda 
la posizione di tutti i satelliti della costellazione Galileo. In tal modo, il ricevitore sa 
sempre dove e quando ricercare i satelliti nel momento dell’individuazione della 
posizione. 
Una volta raccolti, i dati vengono inviati alla stazione di elaborazione centrale che ha il 
compito di eseguire tutte le misure necessarie per correggere le informazioni inviate dai 
satelliti Galileo. 
Il centro di controllo effettua una stima dell’orbita e dell’offset d’orologio previsti per 
ciascun satellite nelle ore successive; quindi le orbite previste vengono parametrizzate ed
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i dati re-inviati ai satellite, i quali, a loro volta, inserendoli nei dati di comunicazione che 
diffondono continuamente (che pertanto sono indicati con effemeridi trasmesse, in 
inglese broadcast ephemerides) li comunicheranno agli utenti durante le ore successive. 
Gli utilizzatori finali saranno sia civili che militari. Ogni utente sarà dotato di un ricevitore 
Galileo capace di acquisire i segnali emessi dai satelliti Galileo per stimare il suo 
posizionamento tridimensionale in tempo reale. 
1.1.3 Il DGPS 
il DGPS (differential GPS) è un sistema differenziale di ausilio della navigazione che 
fornisce, ai ricevitori predisposti, delle indicazioni aggiuntive grazie alle quali questi 
riescono a limitare l’errore di posizionamente imposto dalla rete satellitare NAVSTAR. Si 
parla di differenziale perrchè il metodo che sta alla sua basa consiste nello sfruttarer la 
differenza tra i dati di posizionamento ricavati da un ricevitore campione, installato in una 
posizione ben  nota che pernde il nome di Stazione Base, e quelli determinati dai ricevitori 
civiliche si trovano nella zona corrispondente a quella della stazione base. 
Il DGPS permette di eliminare gli errori che affliggono i rilevamenti basati sul solo segnale 
GPS civile e si basa essenzialmente su un concetto: pe runa certa area, zona del globo 
terrestre, gli errori che portano all’imprecisone del calcolo della posizione sono, nei limiti 
del possibile, prevedibili e quindi quantificabili con esattezza; le problematiche che 
concorrono a rendere poco precisa la localizzazione civile sono note e derivano dalla 
propagazione dei segnali nell’atmosfera e dalle dispersioni e riflessioni su ostacoli a terra, 
dalle imprecisioni dell’orologio e dall’attivazione della funzione Selective Availability  
Riuscendo a prevederle è possibile costruire dei modelli matematici in grado di anticipare 
anche quello che è l’errore dovuto al ritardo di propagazione del segnale orario. 
Allo scopo, nel corso degli anni, gli operatori del settore sono riusciti a mettere a punto 
una sorta di mappa della Terra, definendo per ciascuna area, i valori degli errori di 
posizionamento derivanti dai suddetti fattori. 
Il sistema DGPS ha in memoria, area per area, le informazioni rigardanti l’errore stimato, 
che rende note attraverso vari mezzi di comunicazione e che un qualsiasi ricevitore GPS 
puo usare piu o meno liberamente. 
Il DGPS è un sistema complementare che sta a terra e da terra comunica con i ricevitori 
civiliche si trovano nella sua zona d’appartenenza, zona per la quale possono applicarsi i 
suddetti fattori di correzione..
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Consta di un certo numero di Stazioni Base dette Beacon (dall’inglese FARO, GUIDA) 
situate in una posizione nota, che sono ciascuna composta da: 
 Un ricevitore GPS molto preciso in una posizione nota 
 Un ricevitore radioche riceve i dati di correzione 
 Un trasmettitore radio che ritrasmette, in tempo reale, i dati di correzione, a 
beneficio dei ricevitori GPS civili che operano nelle vicinanze 
Nella pagina successiva vediamo un esempio di: 
 sistema DGPS  
 antenna DGPS a terra 
 antenna DGPS su imbarcazione 
 sistema DGPS-IP