Hệ thống định vị trong nhà sử dụng bluetooth thế hệ mới p1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN XUÂN BÁCH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã chuyên ngành 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Ngọc Sơn Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 năm 20.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN XUÂN BÁCH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã chuyên ngành: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Sơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Tấn Lũy - Chủ tịch Hội đồng TS Trần Hữu Toàn - Phản biện PGS.TS Lê Mỹ Hà - Phản biện TS Nguyễn Trọng Tài - Ủy viên TS Nguyễn Thế Kỳ Sương - Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN XUÂN BÁCH MSHV: 18104891 Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1992 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã chuyên ngành: 8520203 I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu xây dựng thực nghiệm một hệ thống định vị sử dụng raspberry pi beacon C2640 dựa thuật toán trilateration II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo định số 841/QĐ-ĐHCN ngày 10 tháng năm 2020 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 10 tháng 01 năm 2021 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Ngọc Sơn Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân mình, tơi nhận rất nhiều quan tâm giúp đỡ q Thầy cơ, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, tơi xin chân thành gửi đến quý Thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, quý Thầy cô Khoa Công nghệ Điện Tử - người với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tơi suốt thời gian học tập trường Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Sơn, người định hướng, tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Qua xin gửi đến gia đình bạn bè lời cảm ơn chân thành hỗ trợ để tơi hồn thành tốt luận văn Trong q trình thực luận án chắn khơng thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cô để học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm hồn thiện luận văn Sau cùng, xin kính chúc q Thầy Cơ Trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM, TS Nguyễn Ngọc Sơn dồi sức khỏe, đạt nhiều thành công cuộc sống giữ vững lửa đam mê việc truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Xin chân thành cảm ơn! i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị phát triển ngày đạt đến đợ xác cao dựa vào phát triển đa dạng công nghệ truyền thông không dây (GPS, Wi-Fi, Bluetooth…) dùng để định vị vị trí rất tốt mơi trường ngồi trời Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất hệ thống định vị GPS khó truyền qua tường, cửa kính, nên khơng hoạt đợng tốt tịa nhà Nhiều nghiên cứu thực khám phá cách tiếp cận để xác định vị trí nhà Mợt kỹ thuật phổ biến liên quan đến việc sử dụng giá trị báo cường đợ tín hiệu (RSSI) nhận từ Bluetooth Low Energy (BLE) để đo khoảng cách thiết bị thu (raspberry pi) phát (beacon) sau xác định vị trí người dùng không gian nhà cách áp dụng định vị thuật toán chẳng hạn phương pháp trilateration Mục tiêu thiết kế hệ thống hoạt động ổn định, đợ xác cao siêu tiết kiệm lượng Tuy nhiên, khó có liệu xác giá trị RSSI khơng ổn định ảnh hưởng yếu tố môi trường xung quanh thời tiết, độ ẩm, rào cản vật lý nhiễu từ tín hiệu khác Trong luận văn này, đề xuất một hệ thống theo dõi vị trí nhà giúp cải thiện hiệu suất cách tối ưu hóa tín hiệu RSSI khơng ổn định nhận từ BLE Tơi áp dụng thuật tốn lọc dựa Kalman để giảm nhiễu giá trị RSSI nhận ii ABSTRACT Over the years, navigation systems have been developed and increasingly reached high accuracy based on the diverse development of wireless communication technologies (GPS, Wi-Fi, Bluetooth ) for positioning Excellent location in the outdoor environment However, the biggest disadvantage of GPS navigation system is that it is difficult to pass through walls, glass doors, so it does not work well in the building Many studies are exploring new approaches for indoor location measurement One popular technique involves using the received signal strength indicator (RSSI) values from the Bluetooth Low Energy (BLE) beacons to measure the distance between the receiver (raspberry pi) and the transmitter (beacon) then determining the position of the user in an indoor space by applying a positioning algorithm such as the trilateration method The target of this design is the system stable operation, high accuracy and ultra energy efficient However, it remains difficult to obtain accurate data because RSSI values are unstable owing to the influence of elements in the surrounding environment such as weather, humidity, physical barriers, and interference from other signals In this paper, i propose an indoor location tracking system that improves performance by optimization unstable RSSI signals received from BLE beacons I apply a filter algorithm based on the average filter and the Kalman filter to reduce the noise of the received RSSI value iii LỜI CAM ĐOAN Luận văn cơng trình nghiên cứu tơi, thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Ngọc Sơn Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, không chép từ bất kỳ một nguồn bất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan Học viên Trần Xuân Bách iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống định vị nhà .5 1.2 Tổng quan công trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Nội dung nghiên cứu .11 1.4 Bố cục luận văn .11 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Phân loại hệ thống định vị 12 2.2.1 Phân loại theo phương pháp định vị 13 2.2.2 Phân loại theo biến tín hiệu thu 14 2.2.3 Phân loại theo kỹ thuật đo lường 14 2.2.4 Phân loại theo thiết bị 15 2.3 Truyền dẫn sóng điện từ 16 2.3.1 Các chế lan truyền sóng điện từ 16 2.3.2 Nhiễu truyền sóng điện từ 17 v 2.4 Cường đợ tín hiệu thu RSSI 20 2.5 Công nghệ định vị nhà .22 2.6 Kỹ thuật định vị nhà 26 2.6.1 Ước lượng tiệm cận (Proximity Estimation) 26 2.6.2 Uớc lượng dựa góc (Triangulation Estimation) 27 2.6.3 Uớc lượng dựa độ trễ tín hiệu (Trilateration Estimation) 29 2.7 Bộ lọc Kalman 32 2.8 Kết luận 34 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 35 3.3 Các bước xác định RSSI 36 3.4 Đặc trưng môi trường .37 3.5 Xác định khoảng cách từ RSSI .38 3.6 Lọc nhiễu RSSI dùng Kalman 38 3.7 Các bước Trilateration 40 3.8 Kết Luận 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 4.1 Các bước cấu hình mơ hình thực nghiệm .43 4.1.1 Cấu hình phần cứng 43 4.1.2 Cấu hình mạng .46 4.1.3 Cấu hình để hiển thị vị trí ứng dụng 47 4.2 Khảo sát giá trị RSSI .50 4.3 Thực định vị 57 4.4 Đánh giá đợ xác hệ thống .57 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 66 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 góc Euler Hình 1.2 Phương pháp thuật toán đề xuất Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống đề xuất dựa BLE cho bệnh viện .10 Hình 2.1 Phân loại hệ thống theo dõi vị trí .13 Hình 2.2 Hiện tượng đa đường thông tin vô tuyến 17 Hình 2.3 Biểu diễn trễ đa đường 19 Hình 2.4 Ảnh hưởng số mũ suy hao đường truyền 21 Hình 2.5 Ước lượng tam giác 27 Hình 2.6 Ước tính nút mục tiêu định vị 28 Hình 2.7 Phương pháp định vị Triliteration 30 Hình 2.8 Các trường hợp Tam giác hóa Triliteration cần cải thiện 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 35 Hình 3.2 Sơ đồ khối lọc nhiễu dùng Kalman 38 Hình 3.3 Các vị trí cho Trilateration Đơn giản hóa 41 Hình 4.1 Thơng tin dị tìm beacon 43 Hình 4.2 Phần cứng yêu cầu .44 Hình 4.3 Hệ điều hành RASBIAN 45 Hình 4.4 Tín hiệu trả raspberry beacon cần định vị 46 Hình 4.5 Cấu trúc mạng 47 Hình 4.6 Dữ liệu cập nhật liên tục lên cloud 48 Hình 4.7 Cấu hình để hiển thị vị trí ứng dụng 49 Hình 4.8 Cấu hình tọa đợ đợng chọn Raspberry Pi 50 Hình 4.9 Biểu diễn khảo sát 100 kết Rssi 50 Hình 4.10 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m Raspberry Pi trước sau có bợ lọc kalman 51 Hình 4.11 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m Raspberry Pi trước sau có bộ lọc kalman 53 Hình 4.12 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m Raspberry Pi trước sau có bợ lọc kalman 55 Hình 4.13 Kết thử nghiệm định vị hệ thống 57 Hình 4.14 Sai số kết thực nghiệm 58 Hình 4.15 Kết định vị sau thêm bợ lọc trung bình .59 Hình 4.16 Sai số thực nghiệm sau thêm bợ lọc trung bình 59 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Giá trị hệ số suy hao đường truyền n 37 Bảng 4.1 Tổng hợp kết RSSI Raspberry Pi 52 Bảng 4.2 So sánh độ lệch chuẩn Raspberry Pi 52 Bảng 4.3 Kết ước lượng Raspberry Pi 52 Bảng 4.4 Tổng hợp kết RSSI Raspberry Pi 53 Bảng 4.5 So sánh độ lệch chuẩn Raspberry Pi 54 Bảng 4.6 Kết ước lượng Raspberry Pi 54 Bảng 4.7 Tổng hợp kết RSSI Raspberry Pi 55 Bảng 4.8 So sánh độ lệch chuẩn Raspberry Pi 55 Bảng 4.9 Kết ước lượng Raspberry Pi 56 Bảng 4.10 Kết định vị Raspberry Pi 56 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AOA Angle of Arrival Góc đến BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth lượng thấp CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Global System for Hệ thống thơng tin di đợng tồn cầu GSM IEEE Mobile Communications Institute of Electrical and Hội Kỹ sư Điện Điện tử Electronics Engineers IMU Inertial Measurement Unit Đơn vị đo lường quán tính IOT Internet of Things Internet Vạn Vật IPS Indoor Positioning System Hệ thống định vị nhà LBS Indoor Location Based Services Dịch vụ dựa vị trí nhà LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng OWC Optical Wireless Communication Giao tiếp không dây quang học PC Personal Computer Máy tính cá nhân PWAN Personal Wide Area Networks Mạng diện rộng cá nhân RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập tạm thời RF Radio frequency Tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến RSSI Receive Signal Strength Indicator Chỉ báo cường đợ tín hiệu nhận TDoA Time Difference of Arrival Chênh lệch thời gian đến TOA Time of Arrival Thời gian đến URL Uniform Resource Locator Định vị tài nguyên thống nhất ix UWB Ultra-wideband Băng thông siêu rộng VLC Visible light communication Giao tiếp ánh sáng nhìn thấy WLAN Wireless Local Area Network mạng cục bộ không dây x MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thời đại tự đợng hóa, khả điều hướng, định vị người thiết bị môi trường nhà ngày trở nên quan trọng số lượng cơng trình nghiên cứu ứng dụng thực tiễn ngày tăng Với xuất hệ thống định vị vệ tinh, hiệu suất định vị trời trở nên tuyệt vời, hệ thống định vị toàn cầu GPS biết đến với khả định vị rất tốt để đường đi, bất kỳ nơi phạm vi rộng lớn Tuy nhiên hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối mặt với khó khăn tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho đợ xác kết giảm đáng kể Những khó khăn chủ yếu gặp phải môi trường nhà, tầng hầm môi trường ngầm tịa nhà lớn Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng hệ thống định vị nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị nhà (Indoor Positioning System) có khả giải tốt vấn đề này, một thách thức lớn nhất hệ thống định vị nhà phải xác định xác vị trí sử dụng thiết bị thơng minh (Phone, PC, vv ) vấn đề gặp phải tính ổn định, chi phí cao, cơng śt tiêu thụ lớn đợ xác thấp Mong muốn nhu cầu hệ thống định vị nhà (IPS) ngày phổ biến thị trường Hệ thống định vị nhà không dây bắt đầu trở nên phổ biến năm gần Đã có nhiều cơng nghệ đề x́t thảo luận Wifi, BLE, LTE, UWB, công nghệ lai mở khả ứng dụng tín hiệu cho việc định vị nhà Mặc dù nhiều nghiên cứu giải pháp thay cho GPS, khơng có công nghệ số tạo tác động đáng kể lĩnh vực, cho coi một tiêu chuẩn cho định vị nhà Mục tiêu nghiên cứu Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị nhà, hệ thống định vị nhà cần lựa chọn tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị Sự phổ biến công nghệ không dây Wi-Fi hay Bluetooth mở khả ứng dụng tín hiệu cho việc định vị nhà Bên cạnh đó, thuật tốn định vị mợt phần khơng thể thiếu hệ thống định vị nhà Luận văn trình bày, thiết kế cơng nghệ Bluetooth Low Energy với thông số kỹ thuật, ưu điểm vào giới thiệu hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy [1, 2], khắc phục nhược điểm công nghệ Bluetooth trước đây, với ưu điểm nỗi bật như: Siêu tiết kiệm lượng, cho phép thiết bị hoạt động vài năm với một viên pin nhỏ (coin-cell battery), không yêu cầu sở hạ tầng riêng biệt; hoạt động ổn định Bluetooth Low Energy một công nghệ với khả cao thực định vị nhà mục tiêu nghiên cứu luận văn Kết luận văn nhằm hỗ trợ việc phân tích tính khả thi việc sử dụng công nghệ Bluetooth LE trong nhà để tìm vị trí bất kỳ vật thể dựa tiếp cận báo cường đợ tín hiệu (RSSI) Đối tượng Phạm vi nghiên cứu Luận văn trình bày loại tín hiệu thường sử dụng hệ thống định vị nhà (Wifi, BLE, LTE, UWB ); thông qua phương pháp thuật toán định vị Các phương pháp ước lượng vị trí phổ biến Góc tín hiệu đến (AOA), Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) Chỉ báo cường đợ tín hiệu (RSSI), thuật tốn định vị Triangulation, Trilateration, sâu nghiên cứu chủ yếu cơng nghệ định vị nhà “Bluetooth beacons” từ đưa ưu điểm thiết thực công nghệ định vị nhà sử dụng BLE Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Luận văn tập trung xây dựng ứng dụng nhà thông minh dựa hệ thống định vị nhà với công nghệ Bluetooth lượng thấp, ứng dụng phát triển tảng Android cho người dùng Cụ thể sản phẩm nhà gắn thiết bị Beacon CC2640, ta xác định vị trí chúng thơng qua Raspberry Pi (có kết nối Bluetooth) nhờ liệu từ Beacon Sau liệu đưa lên Web server Từ Web Server gửi liệu một ứng dụng định vị viết Android điện thoại Ý nghĩa thực tiễn đề tài “Hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy” đem lại phát triển hệ thống định vị nhà Công nghệ sử dụng rộng rãi nhà máy, công ty, gia đình hay khu dịch vụ cơng cợng nhờ ưu điểm vượt trợi mà mang lại Hiện công ty nhiều lĩnh vực từ ngành quảng cáo, thiết kế đồ, hay lĩnh vực y tế ngành hàng hải phát triển công nghệ định vị nhà Những tên tuổi lớn đáng kể Google hay Nokia dẫn đầu giải pháp Các ứng dụng thực tế như: - Tìm địa điểm tịa nhà văn phịng lớn, tòa nhà trường đại học, khu trung tâm, viện bảo tàng, bệnh viện - Tình khẩn cấp: điều hướng cứu hợ khoanh vùng tình khẩn cấp - Theo dõi người tài sản – bệnh nhân, trẻ em, khách tham quan, du khách, ví dụ: theo dõi hành lý sân bay; giao nhận, vận chuyển hàng hóa theo dõi container kho, bến cảng, sân bay… xác định vị trí thiết bị nhà máy, văn phòng bệnh viện - Các ứng dụng xã hợi: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe nhà; quảng cáo dịch vụ Hơn nữa, sử dụng BLE tầm gần giúp hệ thống hoạt đợng bị ảnh hưởng sóng vơ tuyến khác mơi trường hoạt đợng như: Wifi, LTE, GSM, radio,… cơng nghệ BLE trở thành một công nghệ tương lai việc định vị vị trí nhà CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống định vị nhà Định vị nhà mợt kỹ thuật cung cấp vị trí liên tục theo thời gian thực đối tượng người mợt khơng gian khép kín thơng qua phép đo Định vị nhà chủ yếu sử dụng tòa nhà, nhà kho, nhà máy văn phòng để giám sát theo dõi người, thiết bị, hàng hóa Hệ thống định vị nhà (IPS) sử dụng cảm biến công nghệ truyền thông để định vị đối tượng môi trường nhà IPS thu hút quan tâm giới khoa học doanh nghiệp có hợi thị trường lớn để áp dụng cơng nghệ Có nhiều khảo sát trước hệ thống định vị nhà; nhiên, hầu hết chúng chưa có tác động đáng kể lĩnh vực này, bỏ qua cơng nghệ có liên quan, mợt phương diện cấu trúc phân loại cịn hạn chế; cuối cùng, c̣c khảo sát nhanh chóng trở nên lỗi thời một lĩnh vực động IPS Sự phổ biến công nghệ không dây Wi-Fi hay Bluetooth mở khả ứng dụng tín hiệu cho việc định vị nhà Định vị nhà ln ý tới mợt lĩnh vực phát triển nhanh chóng 1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Nhu cầu cao IPS thúc đẩy ngày nhiều công trình nghiên cứu vịng 15 năm trở lại Số lượng nghiên cứu IPS đưa giai đoạn rất lớn, phản ánh số lượng cơng trình nghiên cứu liên quan đến IPS gần Số lượng khảo sát đáng ý tập trung vào khía cạnh vấn đề chung chung, nghiên cứu đề cập ngắn gọn kỹ thuật định vị nhà Tuy nhiên, mợt số giải một số vấn đề cụ thể IPS; nghiên cứu nói chung khác biệt với nghiên cứu trước không cách cung cấp tối ưu giải pháp IPS cách đề xuất nguyên tắc phân loại cách nghiên cứu khía cạnh cụ thể ứng dụng cụ thể [3] Dưới mợt số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu ➢ Hệ thống định vị nhà dành cho người cho ứng dụng thị trường [4] Hệ thống dựa quán tính người dùng Hệ thống quán tính tính tốn vị trí riêng người dùng mà khơng cần bất kỳ trợ giúp từ sở hạ tầng vật lý Cảm biến quán tính đo lực tác dụng lên cảm biến chuyển đợng vật thể gắn cảm biến tính tốn Thơng thường, cảm biến qn tính gắn với tạo thành quán tính đơn vị đo lường (IMU), hình thành gia tốc kế trục, quay hồi chuyển trục trục từ kế (Từ kế cảm biến quán tính, nhiên nghiên cứu đưa vào đơn vị đo lường qn tính thuật ngữ điển hình sử dụng) Có hai loại hệ thống dẫn đường qn tính: • Hệ thống dây đeo: hệ thống tích hợp hai lần gia tốc người dùng để ước tính vị trí • Hệ thống bước dẫn đầu (SHS): hệ thống ước tính vị trí cách thêm vào ban đầu vectơ ước tính vị trí đại diện cho chiều dài bước bước đầu người dùng Bất kể cách tiếp cận sử dụng, bước hệ thống điều hướng qn tính tính tốn định hướng tương đối cảm biến thể người dùng Các phép đo IMU thể khung tọa độ cảm biến, bất gắn IMU vào người dùng, trục khung tọa đợ cảm biến khơng trùng với trục khung điều hướng Bất kỳ sai lệch trục tạo sai số phép đo; đó, ước tính định hướng tương đối một phần quan trọng một hệ thống điều hướng quán tính Sự biến đổi tương đối hai khung tọa đợ thu cách xoay quanh ba trục, góc bánh xe thể dạng Góc Euler Định nghĩa góc Euler hiển thị Hình 1.1 Hình 1.1 góc Euler ➢ Thuật tốn định vị nhà sử dụng WiFi cải tiến trọng số Fusion [5] Trong nghiên cứu này, một thuật tốn mở rợng cải tiến trình bày để ước tính vị trí mục tiêu Thuật tốn đề x́t dựa thuật tốn fingerprinting, vị trí mục tiêu cải thiện bước thuật toán truyền thống, hiển thị Hình 1.2 Hình 1.2 Phương pháp thuật toán đề xuất Thuật toán đề xuất dựa thuật toán fingerprinting bao gồm hai giai đoạn: quy trình thu nhận offline quy trình định vị online • Q trình thu nhận offline bao gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Thu thập tín hiệu WiFi nhà Giai đoạn thu thập tín hiệu WiFi dựa đồ thu thập điểm Bản đồ thu thập điểm hình thành cách chia nhà định vị thành một lưới điểm tương đương Sau đó, Tín hiệu WiFi gốc thu thập cách sử dụng thiết bị di động vị trí điểm - Giai đoạn 2: Xử lý lỗi thu thập tín hiệu WiFi nhà Giai đoạn xử lý tín hiệu WiFi gốc cách phân loại lỗi thu thập Có ba loại lỗi: lỗi hệ thống, lỗi tổng hợp lỗi ngẫu nhiên - Giai đoạn 3: Xây dựng sở liệu vị trí Cơ sở liệu vị trí fingerprinting vị trí chủ yếu chứa thơng tin sau: giá trị trung bình cường đợ tín hiệu WiFi gốc, đợ lệch chuẩn cường đợ tín hiệu WiFi gốc giá trị trung bình cường đợ tín hiệu WiFi xử lý • Q trình định vị trực tuyến bao gồm giai đoạn: - Giai đoạn 1: Vị trí fingerprinting phù hợp Giai đoạn sử dụng để giảm số lượng fingerprinting có thể, để rút ngắn thời gian định vị - Giai đoạn 2: Cải thiện định vị khoảng cách Euclide ➢ Kỹ thuật định vị nhà không dây dựa công nghệ Ultra Wideband (UWB) [6] UWB một công nghệ nhất, xác đầy hứa hẹn UWB dựa việc truyền xung cực ngắn sử dụng kỹ thuật gây lan rộng lượng vô tuyến (trên diện rộng dải tần số) với phổ công suất rất thấp Tần số thấp xung UWB cho phép tín hiệu hoạt đợng hiệu vượt qua chướng ngại vật tường đồ vật Có ba lĩnh vực ứng dụng để sử dụng UWB: (1) truyền thông cảm biến; (2) định vị theo dõi; (3) radar Các kỹ thuật định vị UWB thực tế cung cấp cho theo dõi đợ xác nhà theo thời gian thực cho một số ứng dụng kho lưu trữ định vị di động đèn hiệu cho dịch vụ khẩn cấp, điều hướng nhà cho người khiếm thị, theo dõi người dụng cụ, trinh sát quân Dữ liệu cao tốc độ UWB đạt tới 100 Megabits giây (Mbps) Ngồi ra, dạng sóng xung băng thơng rợng cực ngắn giúp giảm bớt ảnh hưởng nhiễu đa đường tạo điều kiện xác định TOA cho truyền dẫn máy phát máy thu tương ứng, điều làm cho UWB trở thành một giải pháp hấp dẫn cho định vị nhà công nghệ khác Trên thực tế, UWB cung cấp tỷ lệ xác cao giảm thiểu lỗi đến centimet Do đó, UWB coi mợt lựa chọn phù hợp nhất cho quan trọng ứng dụng định vị địi hỏi kết xác cao Ngồi cịn có rất nhiều nghiên cứu điển Yassin cộng [7] nghiên cứu một phần giới hạn định vị, ngắn gọn có mợt số lượng nhỏ tài liệu dùng tham khảo dành cho nghiên cứu khác Nó có mợt phần dành riêng để kết hợp định vị hợp nhất liệu, báo cung cấp ví dụ thú vị thiếu rõ ràng định nghĩa tách hai khái niệm Sakpere cộng [8] nghiên cứu gần tất công nghệ, không hạn chế ứng dụng cụ thể, có số lượng lớn tài liệu, thảo luận thách thức nhược điểm công nghệ Basiri cộng [9] cung cấp đánh giá nghiên cứu IPS tình trạng thực một cuộc khảo sát chủ yếu người dùng LBS thông thường, nhà nghiên cứu LBS, nhà phân tích thị trường LBS nhà phát triển ứng dụng LBS Một cuộc khảo sát một cần thiết, cho việc sử dụng mục tiêu IPS rõ ràng vượt ngồi cơng trình học thuật cơng bố… 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước Cùng với phát triển công nghệ IOT, định vị nhà ý đến Việt nam, lĩnh vực hệ thống định vị nhà (IPS) rất mới, mở nhiều thách thức hợi cụ thể Đã có nhiều nghiên cứu nước “Định vị nhà” Trong [10, 11] tác giả nghiên cứu chung, giới thiệu phương pháp định vị nhà, việc định vị nhà trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng có nhiều ứng dụng Internet of Things Trong [12] tác giả sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị nhà “Bluetooth lượng thấp” từ đưa giải pháp nâng cao đợ xác cho hệ thống, viết đưa mơ hình tốn học phương pháp đề x́t để tính tốn vị trí người dùng Kết triển khai thử nghiệm cho thấy hệ thống cải thiện đợ xác định vị đáng kể so với hệ thống khác Không tập trung vào nghiên cứu chung cải thiện độ xác, cơng trình nghiên cứu gần cịn mở rợng vào thực tiễn, ứng dụng [13], Hình 1.3 tác giả xây dựng một hệ thống định vị nhà dựa BLE cho bệnh viện Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống đề xuất dựa BLE cho bệnh viện [13] Hệ thống cung cấp chức khám sức khỏe y tế mới-đăng ký, quản lý lịch trình ứng dụng bệnh nhân điều hướng Tác giả triển khai mợt trang web chức ứng dụng, bên cạnh đó, tạo một app android cho bệnh nhân quản lý lịch tìm vị trí, phịng khám 10 1.3 Nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung xây dựng ứng dụng nhà thông minh dựa hệ thống định vị nhà với công nghệ Bluetooth lượng thấp, ứng dụng phát triển tảng Android cho người dùng - Xây dựng hệ thống công nghệ Bluetooth lượng thấp phương pháp Triliteration từ tối ưu xác kết từ việc định vị - Làm giảm sai số từ kết từ định vị vị trí bợ lọc kalman - Xây dựng hoàn thiện ứng dụng định vị tảng di động cho người dùng tảng Android 1.4 Bố cục luận văn Cấu trúc luận văn phân thành chương sau: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan vê luận văn - Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp định vị nhà - Chương 3: Thiết kế thi công (lựa chọn công nghệ phương pháp định vị sử dụng, đưa thử nghiệm) - Chương 4: Trình bày mơ hình thực tế, kết đạt - Chương 5: Kết luận hướng phát triển 11 ... định vị mợt phần thiếu hệ thống định vị nhà Luận văn trình bày, thiết kế cơng nghệ Bluetooth Low Energy với thông số kỹ thuật, ưu điểm vào giới thiệu hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth. .. đo Định vị nhà chủ yếu sử dụng tòa nhà, nhà kho, nhà máy văn phòng để giám sát theo dõi người, thiết bị, hàng hóa Hệ thống định vị nhà (IPS) sử dụng cảm biến công nghệ truyền thông để định vị. .. phải môi trường nhà, tầng hầm mơi trường ngầm tịa nhà lớn Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng hệ thống định vị nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị nhà (Indoor