Xây dựng hệ thống xác định độ cao bên trong nhà và công trình sử dụng đa cảm biến áp suất45051

XÂY DỰNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO BÊN TRONG NHÀ VÀ CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG ĐA CẢM BIÊN ÁP SUẤT Hoàng Thế Hợp1, Phạm Văn Thành1,2, Trần Thị Thúy Quỳnh1, Nguyễn Hữu An2, Nguyễn Tuấn Khải1, Trần Đức Tân1 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy Email: hop97.hh@gmail.com, phamvanthanh1209@gmail.com, quynhk9d1@gmail.com, trangkhuyetnguyen@gmail.com, ntkhai666@gmail.com, tantd@vnu.edu.vn Tóm tắt— Định vị độ cao đóng vai trị quan trọng tốn định vị bên nhà cơng trình Các phương pháp định vị nhà trước hầu hết tập trung vào xác định vị trí mặt phẳng nằm ngang mà chưa vị trí theo phương thẳng đứng Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất thuật tốn xác định vị trí theo độ cao hỗ trợ cho hệ thống định vị nhà cơng trình Bên cạ nh đó, tác động môi trường độ ẩm, nhiệt độ đến áp suất xem xét loại bỏ Bài báo đề xuất hệ thống sử dụng đa cảm biến áp suất kết hợp thuật toán chỉnh “Standard Deviation” để hạn chế nhiễu môi trường tác động lên độ xác kết đo Phương pháp đề xuất thử nghiệm nhiều lần khu vực khác đạt kết tốt đặt trước điểm phát sóng (access points) nhà cơng trình Các phương pháp cần chi phí lắp đặt lớn đồng thời có thay đổi vị trí thiết bị phát sóng tịa nhà hệ thống xác định sai thơng tin vị trí người bên nhà cơng trình Điều khơng phù hợp triển khai diện rộng trường hợp khẩn cấp ví dụ hỏa hoạn, cứu nạn, cứu hộ Một hướng nghiên cứu khác thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới sử dụng cảm biến áp suất [4-14] để xác định vị trí người bên nhà cơng trình dựa giá trị áp suất đo từ cảm biến Hướng nghiên cứu khơng địi hỏi phải thiết lập trước điểm thu phát sóng giúp giảm giá thành hệ thống, có độ linh hoạt cao phù hợp để định vị độ cao môi trường trước Điển cơng trình nghiên cứu [5] sử dụng cảm biến áp suất để xác định vị trí theo chiều cao, phương pháp đề xuất dễ bị tác động thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm thay đổi làm sai lệch thông tin vị trí thu Để khắc phục vấn đề này, nhóm tác giả đề xuất sử dụng đa cảm biến áp suất q trình xác định vị trí người theo độ cao, việc kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến áp suất giúp hạn chế tác động từ điều kiện thời tiết tăng độ xác hệ thống Bằng cách sử dụng tín hiệu thu từ nhiều cảm biến áp suất để tự động chỉnh cảm biến giúp hệ thống ổn định có thay đổi tham số môi trường nhiệt độ, độ ẩm thực đo đạc, thu thập liệu vị trí khác Bố cục báo tổ chức sau: phần I nêu tổng quan phương pháp định vị vị trí theo chiều cao; phần II, miêu tả mơ hình đề xuất Trong phần III, trình bày thuật tốn đề xuất sử dụng báo Phần IV trình bày kết mơ thảo luận Cuối cùng, kết luận báo nêu trong phần V Từ khóa— Định vị độ cao, cảm biến áp suất, định vị nhà, tình khẩn cấp I II GIỚI THIỆU Định vị nhà xu hướng nghiên cứu nhiều nhà khoa học nước giới quan tâm Hệ thống định vị nhà (IPS) ứng dụng nhiều thực tế như: tìm địa điểm người nhà cơng trình, hỗ trợ định vị tình khẩn cấp, Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu đòi hỏi nhà nghiên cứu xây dựng hệ thống IPS có độ xác cao với chi phí thấp thiết lập trước điều kiện môi trường GPS công nghệ định vị ứng dung rộng rãi để định vị vị trí, tìm đường,…Mặc dù vậy, môi trường nhà cơng trình, GPS khơng thể ứng dụng suy hao lớn tường, vật cản tịa nhà Để khắc phục nhược điểm cơng nghệ này, nhiều cơng trình nghiên cứu đề xuất giải pháp khác nhau, điển cơng trình cơng bố [1] đề xuất kết hợp cảm biến áp suất công nghệ GPS Tuy nhiên, phương pháp này, thay đổi điều kiện môi trường dẫn đến sai lệch lớn kết đo được, độ tin cậy hệ thống thấp Một hướng nghiên cứu khác đề xuất xây dựng hệ thống IPS dựa vào cường độ tín hiệu thu (RSSI) từ thiết bị lắp đặt trước để xác định vị trí theo độ cao [2] xác định thời gian sóng đến (ToA) góc sóng đến (AoA) [3] để xác định vị trí người theo chiều dọc Các phương pháp thiết lập trước điều kiện có ưu điểm độ xác cao Tuy nhiên, hệ thống u cầu phải lắp III MƠ HÌNH HỆ THỐNG Cơ sở lý thuyết Dễ dàng nhận thấy áp suất khơng khí giảm lên cao với điều kiện nhiệt độ Hiện tượng mô tả công thức đề cập cơng trình cơng bố [10] Bằng cách sử dụng cảm biến áp suất để xác định độ lớn áp suất khơng khí, ta hồn tồn xác định độ chênh lệch chiều cao tương ứng Cơng trình cơng bố số [10] giúp dễ dàng tính chiều cao tương đối đối tượng so với điểm mốc tham chiếu: 193 a Tần số lấy mẫu cửa sổ thời gian = − Tần số lấy mẫu cửa sổ thời gian định phần khơng nhỏ đến độ xác giá trị áp suất đo giá trị độ cao xác định Từ loạt thí nghiệm giá trị cửa sổ thời gian thực [14], thu kết luận cửa sổ thời gian với giá trị lớn giúp loại bỏ thành phần tín hiệu bất thườ ng Ở khía cạnh khác, tăng giá trị cửa sổ thời gian đồng nghĩa với khối lượng tính tốn lớn, hệ thống đáp ứng với thay đổi giá trị độ cao chậm dẫn tới khơng đảm bảo tính thời gian thực Vì vậy, việc lựa chọn cửa sổ có độ lớn phù hợp đóng vai trò quan trọng Qua thực nghiệm tính tốn, cửa sổ có khung thời gian 1.5s tần số lấy mẫu 10Hz giá trị cửa sổ tần số lấy mẫu phù hợp, điều cơng trình cơng bố [14] nhóm tác giả (1) đó, p(z) áp suất chiều cao z, p(0) áp suất điểm tham chiếu, m khối lượng phân tử khơng khí khô, g độ lớn gia tốc trọng trường, k số Boltzmann T nhiệt độ Công thức giả định nhiệt độ chiều cao p(0) p(z) Để phù hợp với việc tính tốn chiều cao dựa áp suất sử dụng công thức nêu [11][12]: Độ cao = 44330*(1 - 55 ) (2) Thiết kế hệ thống Hệ thống gồm có ba thành phần chính: Kit Adruino Uno, cảm biến BMP180, thu phát không dây NRF24L01 Một tổ hợp Kit Adruino Uno, cảm biến BMP180 NRF24L01 tạo thành nốt để truyền nhận xử lý liệu Đầu tiên, hai cảm biến chỉnh thời điểm ban đầu Dữ liệu áp suất thu từ cảm biến BMP180 lưu trữ, xử lý Adruino Uno Sau đó, liệu áp suất nốt tham chiếu truyền đến nốt người dùng Dữ liệu áp suất với áp suất đo từ nốt người dùng so sánh để xác định độ chênh lệch nốt người dùng nốt tham chiếu thời điểm ban đầu Giá trị chênh lệch sử dụng để chỉnh hai cảm biến trình ước lượng chiều cao tương đối Sau chỉnh, liệu từ cảm biến nốt tham chiếu, nốt người dùng liệu chỉnh kết hợp để xác định chiều cao người dùng đứng so với vị trí tham chiếu Cuối cùng, thơng tin vị trí người dùng tính tốn dựa chiều cao tương đối, thơng tin độ cao tầng, độ cao nhà/cơng trình để xác định vị trí tầng người dùng b Xử lý sai lệch gây điều kiện môi trường Một nhược điểm cám biến áp suất loại cảm biến nhạy với thay đổi môi trường Các luồng không khí chuyển động ngẫu nhiên (các gió, tác động người, ) môi trường gây sai lệch không mong muốn lên giá trị áp suất Sự sai lệch minh họa Hình đây: Hình Sơ đồ khối hệ thống Các thành phần phần cứng hệ thống: i Adruino Uno: board mạch xử lý giúp xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường ii Cảm biến BMP180: Cảm biến đo áp suất tích hợp nhiệt độ iii NRF24L01: Mơ-đun truyển phát sóng vơng tuyến Hình Sự sai lệch tác động dịng khơng khí chuyển động ngẫu nhiên Độ xác hệ thống bị tác động lớ n sai lệch gây điều kiện mơi trường Như Hình 2, khoảng thời gian 22 giây đầu, người dùng đứng yên giá trị cảm biến có dao động lớn, đơi lúc sai số theo chiều cao lên đến 2.5m (xem Hình 2) Để giải vấn đề này, sử dụng phương pháp lọc giúp loại bỏ tác động khơng mong muố n lên tín hiệu Phương pháp nêu cơng trình [14] chúng tơi IV THUẬT TỐN Căn chỉnh cảm biến 194 đầu c Bù đắp sai lệnh cảm biến thời điểm ban từ cảm biến để tính giá trị Off_set (giá trị Off_set giá trị áp suất khác cảm biến BMP180 vị trí thời điểm) Giá trị Off_set dùng để kết hợp với tín hiệu thu từ nốt cảm biến người dùng để chỉnh vị trí gốc tọa độ ban đầu người dùng công thức đây: Sự khác trình chế tạo khiến cảm biển đo giá trị khác dù đặt điều kiện [13] Hình số 3(a) cho thấy chênh lệch giá trị áp suất đo hai cảm biến BMP180 độ cao trạng thái tĩnh Qua trình đo đạc thực nghiệm, nhóm tác giá thu kết luận giá trị chênh lệch có xu hướng khơng đổi cảm biến đặt điều kiện chiều cao khác Do giá trị cần bù trừ thời điểm ban đầu hệ thống để tránh sai lệch sau Hình 3(b) biểu diễn kết thu sau bù trừ hai cảm biến, cảm biến BMP180A2 (BMP2) lấy làm mốc tham chiếu Off_set = BMP1 _ - BMP2 _ (3) đó, Off_set giá trị khác biệt trung bình tín hiệu áp suất thu từ nốt tham chiếu BMP1 nốt người _ dùng BMP2 khung cửa sổ Trong báo dùng q trình này, kích thước cửa sổ _ chỉnh cảm biến thời điểm ban đầu chọn 10 mẫu tín hiệu Value = BMP2 + Off_set (4) Value giá trị áp suất thu từ nốt người dùng sau chỉnh với nốt tham chiếu Tại pha thứ hai trình đo đạc, sau loại bỏ thành phần tín hiệu khơng mong muốn chỉnh giá trị off_set, độ chênh lệch áp suất nốt tính để xác định chiều cao (thơng qua cơng thức số 2) so với vị trí tham chiếu Thơng tin độ cao kết hợp với thông tin đồ nhà/cơng trình để tìm vị trí người sử dụng bên nhà/cơng trình Lưu đồ thuật tốn chi tiết Hình (a) (b) Hình (a) Giá trị áp suất đo từ hai cảm biến BMP180A1 (BMP1) BMP180A2 (BMP2); (b) Cảm biến BMP2 dùng làm chuẩn chỉnh cảm biến BMP1 Thuật tốn đề xuất Hình lưu đồ thuật toán đề xuất báo, lưu đồ thuật toán thấy rằng, ban đầu cảm biến BMP180 thu thập giá trị áp suất nhiệt độ Tại pha trình đo đạc, liệu nhiệt độ sử dụng để chỉnh cho cảm biến BMP180 Tín hiệu áp suất nốt người dùng tín hiệu áp suất tham chiếu sau kết hợp với thuật tốn “Standard Deviation” cơng bố cơng trình số [14] nhóm tác giả Thuật tốn “Standard Deviation” sử dụng để loại bỏ thành phần tín hiệu bất thường thu từ cảm biến Dữ liệu từ nốt tham chiếu (BMP1) liệu nốt người dùng (BMP2)sau chỉnh với giá trị nhiệt độ xử lý lọc thuật toán “Standard Deviation”, truyền khối xử lý trung tâm nốt người dùng Khối xử lý trung tâm so sánh liệu thu 195 V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thực nghiệm tiến hành tịa nhà E3 Đại học Cơng Nghệ, tịa nhà tầng nhà tầng – trường Đại học Phòng cháy chữa cháy Nốt tham chiếu đặt tầng tịa nhà Trong q trình thực nghiệm, nốt người dùng cầm tay để di chuyển lên tầng thang máy thang đầu Hình Độ chênh lệch áp suất hai cảm biến vị trí ban Tại tầng tòa nhà, chỉnh cảm biến thực thu kết Hình Kết cho thấy dao động giá trị chênh lêch chiều cao vào khoảng 0.4m, giá trị cao 1m với ngơi nhà cao tầng có độ cao từ sàn đến trần vào khoảng 3.2m đến 3.5m, độ sai lệch hồn tồn chấp nhận (a) (b) Hình Độ chênh lệch chiều cao thu từ phép đo cảm biến áp suất (a) hệ thống tích hợp cảm biến áp suất (b) Hình Thuật tốn xác định độ cao kết hợp thông tin cảm biến BMP180 196 Khi so sánh với hệ thống gồm cảm biến áp suất, hệ thống sử dụng cảm biến áp suất cho kết tốt hẳn Hình 6(a) biểu diễn độ chênh lệch chiều cao áp suất đo vị trí người dùng sử dụng cảm biến áp suất; Hình 6(b) kết hệ thống xác định độ cao sử dụng cảm biến áp suất Hình kết thực nghiệm đo nhà tầng, tầng tòa nhà cao 3,2m – trường Đại học Phòng cháy chữa cháy bao gồm kịch cầu thang thang máy từ tầng lên tầng Các thực nghiệm cho kết xác việc xác định độ cao Trong trình lấy mẫu, đơi lúc có thay đổi đột ngột áp suất tốc độ người lấy mẫu chưa thực đặn Tuy nhiên, độ sai lệch nhỏ, không ảnh hưởng đến độ xác hệ thống.Trong thực nghiệm xác định vị trí độ cao sử dụng thang máy, hệ thống quạt gió thang máy, lúc trước bước vào thang, áp suất cảm biến nốt người dùng tăng mạnh sau trình thang máy di chuyển Độ dao động giá trị đo khơng nhiều, vị trí người sử dụng theo chiều cao bên nhà cơng trình xác định cách xác Hình đây: TÀI LIỆU THAM KHẢO Zaliva, V., and Franchetti, F “Barometric and GPS altitude sensor fusion”, In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Florence, Italy, 2014, 7575–7579 [2] Firas Alsehly, Tughrul Arslan and Zankar Sevak, “Indoor psitioning with floor determination in multi-story buildings”, In 2011 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, Portugal, 21-23 Sept 2011 J A del Peral-Rosado, M Bavaro, J A Lopez[3] Salcedo, G SecoGranados, P Chawdhry, J Fortuny-Guasch, P Crosta, F Zanier, and M Crisci, “Floor Detection with Indoor Vertical Positioning in LTE Femtocell Networks” in IEEE Globecom Workshops, Dec 2015 [4] Bollmeyer, C.; Esemann, T.; Gehring, H.; Hellbruck, H “Precise indoor altitude estimation based on differential barometric sensing for wireless medical applications” In Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Body Sensor Networks (BSN), Cambridge, MA, USA, 6–9 May 2013 [5] Bolanakis, D E., Kotsis, K T., and Laopuolos, T.”A prototype wireless sensor network system for a comparative evaluation of diferential and absolute barometric altimetry” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, Vol 30(2015), 20 – 28 Liu, K., Wang, Y., and Wang, J “Diferential [6] barometric altimetry asists floor identification in WLAN location fingerprinting study” In Principle and Applicatioon Progress in Location – Based Services New York: Springer International Publishing, 2014, pp 21 – 29 Bollmeyer, C., Pelka, M., Gehring, H., and [7] Hellbruck, H “ Evaluation of radio based, optical and barometric localization for indoor altitude estimation in medical applications” In Proceedings of International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, Bexco, Busan, Korea, 2014 [8] Hamid Mohammed Ali, Alaa Hamza Omran “Floor identification using smartphone barometer sensor for indoor positioning” In Iternational journal of engineering sciences and research indoor positioning, Ali, 2015 [9] L Binghao, B Harvey, and T Gallagher, “Using barometers to determine the height for indoor positioning” In Proceedings of the International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, 2013, pp 1-7 [10] Berberan-Santos, M.N.; Bodunov, E.N.; Pogliani, L On the barometric formula Am J Phys 1997, 65, 404 – 412 [11] Dimosthenis E Bolanakis “MEMS Barometers Toward Vertical Position Detection Background Theory, System Prototyping, and Measurement Analysis”, 2017 [12] H Xia, X Wang, Y Qiao, J Jian, and Y Chang, “Using Multiple Barometers to Detect the Floor Location of Smart Phones with Built-in Barometric Sensors for Indoor Positioning,” Sensors, Vol 14, No 4, 21015, pp 7857-7877 [13] D E Bolanakis, “Evaluating performance of MEMS barometric pressure sensors in differential altimetry systems” IEEE Aerosp Electron Syst Mag., vol 32, no 9, pp 34-39, 2017 [14] Nguyen Van Duong, Pham Van Thanh, Tran Van An, Nguyen Tuan Khai, Duong Thi Thuy Hang, Hoang The Hop, Tran Duc Tan, “Elevator Motion States Recognition Using BarometerSupport Indoor Positioning System” , International Conference in Vietnam on the Development of Biomedical Engineering, Ho Chi Minh City, Vietnam, June 2018 [1] (a) (b) Hình Kết đo thực nghiệm xác định tầng hệ thống (a) bộ, (b) thang máy VI KẾT LUẬN Trong báo này, chúng tơi đề xuất mơ hình, thuật toán loại bỏ sai lệch tác động dịng khơng khí bất chợt, thay đổi điều kiện môi trường Kết cho thấy độ xác hệ thống xác độ cao tốt hồn tồn ứng dụng tương lai phục vụ cho hệ thống định vị nhà cơng trình Trong nghiên cứu chúng tơi tích hợp hệ thống xác định độ cao vào hệ thống định vị nhà mà nghiên cứu để nâng cao hiệu định vị hệ thống nhà (IPS) 197 ... thấy độ xác hệ thống xác độ cao tốt hồn tồn ứng dụng tương lai phục vụ cho hệ thống định vị nhà cơng trình Trong nghiên cứu chúng tơi tích hợp hệ thống xác định độ cao vào hệ thống định vị nhà. .. lệch chiều cao áp suất đo vị trí người dùng sử dụng cảm biến áp suất; Hình 6(b) kết hệ thống xác định độ cao sử dụng cảm biến áp suất Hình kết thực nghiệm đo nhà tầng, tầng tòa nhà cao 3,2m –... Thuật tốn xác định độ cao kết hợp thơng tin cảm biến BMP180 196 Khi so sánh với hệ thống gồm cảm biến áp suất, hệ thống sử dụng cảm biến áp suất cho kết tốt hẳn Hình 6(a) biểu diễn độ chênh lệch