Hệ thống định vị trong nhà sử dụng bluetooth thế hệ mới p2

12 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1 Giới thiệu Trong môi trường nhà thường sóng điện từ lan truyền khá phức tạp và chịu nhiều ảnh hưởng của vật cản, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, và các điều kiện biến đổi Do đó, việc tính toán hệ số suy hao đường truyền trong nhà phụ thuộc lớn vào các đặc điểm thiết kế, kết cấu, vật liệu xây dựng, các loại tòa nhà Nhiều công nghệ dựa trên sóng điện từ đã được đề xuất để sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà Tuy nhiên, không có đủ các công trình nghiên cứu để.

CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Trong mơi trường nhà thường sóng điện từ lan truyền phức tạp chịu nhiều ảnh hưởng vật cản, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, điều kiện biến đổi Do đó, việc tính tốn hệ số suy hao đường truyền nhà phụ thuộc lớn vào đặc điểm thiết kế, kết cấu, vật liệu xây dựng, loại tịa nhà… Nhiều cơng nghệ dựa sóng điện từ đề xuất để sử dụng hệ thống định vị nhà Tuy nhiên, đủ cơng trình nghiên cứu để khẳng định công nghệ tiêu chuẩn cho định vị nhà, GPS trở thành tiêu chuẩn trời Một số giải pháp sử dụng cho hệ thống định vị nhà là: Wi-Fi, ZigBee, Radio băng thông cực rộng, Bluetooth truyền thống Bluetooth lượng thấp Bên cạnh đó, thuật tốn định vị một phần thiếu hệ thống định vị nhà Phần luận văn trình bày sở lý thuyết truyền sóng mơi trường tịa nhà, loại tín hiệu thường sử dụng hệ thống định vị nhà thuật toán định vị phổ biến 2.2 Phân loại hệ thống định vị Ngày nay, kỹ thuật công nghệ khác [14] sẵn sàng cho việc phát triển hệ thống định vị sẵn có [15] Yêu cầu lựa chọn hệ thống định vị cụ thể để phù hợp với nhu cầu môi trường khác đợ xác, mơi trường nhà/ngồi trời, kỹ thuật, phương pháp khác nhau, bảo mật quyền riêng tư, thiết bị khả dụng Từ quan điểm công nghệ, phân loại hệ thống vị trí phân loại theo Hình 2.1 12 Hình 2.1 Phân loại hệ thống theo dõi vị trí [16] Trong Hình 2.1, phân loại lần phân loại theo phương pháp định vị, biến tín hiệu thu, kỹ thuật đo lường cuối phân theo thiết bị 2.2.1 Phân loại theo phương pháp định vị Từ khía cạnh định vị, ba loại ước tính vị trí kỹ thuật sử dụng để xác định tọa đợ vị trí bao gồm cảm biến tiệm cận, phương pháp góc phương pháp trễ tín hiệu [15] Ước tính khoảng cách tiệm cận khơng dựa phạm vi, kỹ thuật khơng tính tốn tọa đợ vị trí xác mục tiêu theo dõi Vì thế, loại ước tính vị trí mợt phương pháp "thơ" Cả phương pháp góc phương pháp trễ tín hiệu kỹ thuật dựa phạm vi tính tốn vị trí xác tọa đợ mục tiêu theo dõi từ liệu đo Do đó, loại vị trí ước tính mợt phương pháp "chi tiết" Sự khác biệt chúng cách ước lượng Phương pháp góc tính tốn tọa đợ vị trí từ góc vị trí mục tiêu vị trí tham chiếu, phương pháp trễ tín hiệu tính tốn tọa đợ vị trí từ khoảng cách vị trí mục tiêu tham chiếu địa điểm 13 2.2.2 Phân loại theo biến tín hiệu thu Từ Hình 2.1, có ba loại biến tín hiệu sử dụng để tìm liệu cảm biến liên quan đến vị trí Các biến rất dễ đo đạc là: góc nhận được, thời gian truyền cường đợ tín hiệu - Các góc nhận vị trí mục tiêu tham chiếu biến đo để ước tính góc - Thời gian truyền khoảng thời gian cần thiết để một tín hiệu từ máy phát đến người nhận Vì tốc đợ lan truyền mợt loại tín hiệu qua mơi trường khơng đổi nên thuận tiện để tìm khoảng cách máy phát máy thu từ thời gian lan truyền - Cường đợ tín hiệu đo máy thu nhận tín hiệu từ máy phát Nếu khoảng cách xa hơn, cường đợ tín hiệu trở nên yếu suy giảm đường dẫn Sử dụng mối quan hệ này, tìm thấy khoảng cách cách đánh giá tổng suy hao Cả thời gian truyền cường đợ tín hiệu cung cấp khoảng cách máy phát máy thu, chúng sử dụng ước tính khoảng cách từ đợ trễ tín hiệu 2.2.3 Phân loại theo kỹ thuật đo lường Có bốn loại kỹ thuật đo lường Đó góc đến (AOA), thời gian đến (TOA), thời gian khác biệt điểm đến (TDOA) cường đợ tín hiệu nhận (RSS) - Góc đến (AoA) Góc đến (AoA) mợt đặc tính khác sử dụng để định vị nhà Nó cố gắng ước tính hướng truyền tín hiệu, tức góc mà từ tín hiệu đến người nhận AoA thường đạt cách sử dụng một loạt ăngten Các ăng-ten vị trí khác nhau, khơng gian khác dẫn đến khác biệt thời gian đến, biên đợ pha - Thời gian nhận tín hiệu (TOA) phương pháp ước lượng vị trí cách đo khoảng thời gian từ tín hiệu vơ tuyến gửi từ nguồn phát đến tín hiệu nhận thiết bị nhận Khoảng cách người gửi Máy thu tín hiệu 14 xác định cách sử dụng thời gian truyền tín hiệu đo tín hiệu biết vận tốc Tín hiệu tốc đợ lan truyền khơng đổi biết, thời gian di chuyển tín hiệu sử dụng để tính tốn trực tiếp khoảng cách Hai cách tiếp cận sử dụng để thực phương pháp khác Cách tiếp cận sử dụng một máy phát để truyền tín hiệu đến nhiều máy thu Tất máy thu sau chuyển tiếp thời gian đến tín hiệu họ đến một hệ thống để so sánh Một cách tiếp cận khác sử dụng nhiều máy phát để gửi tín hiệu đến người nhận Bợ thu đo thời gian đến tất tín hiệu so sánh hệ thống máy thu Cách tiếp cận có vấn đề kỹ thuật tất máy phát phải đồng bợ hóa để chúng gửi tín hiệu phân đoạn thời gian nhất định Ngồi ra, tín hiệu bị mất nhận nhiều tín hiệu lúc thời gian truyền tín hiệu xác khoảng thời gian phân đoạn thời gian - TDOA phiên cải tiến TOA để tránh đồng bợ hóa khó khăn vấn đề mất gói liệu Để triển khai TDOA, cần phải có mợt máy phát để gửi hai tín hiệu khác với tốc đợ lan truyền khác Khi hai tín hiệu nhận máy thu, đo khác biệt thời gian đến hai tín hiệu Sử dụng khác biệt thời gian đến, thời gian bay (TOF) một tín hiệu tìm thấy xác thời gian lan truyền tín hiệu - RSSI mợt phương pháp để tìm khoảng cách từ suy giảm đường truyền Nếu công suất truyền biết, tổng đợ suy giảm q trình truyền tín hiệu qua đường dẫn tính cách lấy công suất truyền trừ 2.2.4 Phân loại theo thiết bị Từ khía cạnh thiết bị hệ thống định vị Hình 2.1, có ba công cụ đo lường khoảng cách: mảng anten, máy thu phát RF, đầu dị siêu âm Trong số đó, mảng ăng ten sử dụng để đo góc tín hiệu thu [17] so sánh đợ lệch pha tín hiệu từ anten khác Kết đo sử dụng phạm vi AOA 15 Nếu sử dụng bộ thu phát RF, đo cơng śt nhận cung cấp cho RSS phương pháp khác Trong hầu hết bộ thu phát RF, một ghi chuyên dụng sử dụng để lưu trữ báo cường độ tín hiệu (RSSI) Do đó, mợt cách chi phí thấp thuận tiện để đo khoảng cách Nếu sử dụng bộ thu phát RF bộ chuyển đổi siêu âm, chúng đo thời gian đến tín hiệu Do đó, sử dụng phương pháp TOA khác Nếu bợ thu phát RF đầu dị siêu âm sử dụng [18], sau có hai tín hiệu khác nhau: RF tín hiệu siêu âm truyền qua đường dẫn với tốc độ khác Trong phạm vi nhỏ ứng dụng, thời gian lan truyền RF bỏ qua coi khơng giây siêu âm cần thời gian lâu Do đó, chênh lệch thời gian hai tín hiệu đo bắt đầu bợ đếm thời gian tín hiệu RF đến dừng bợ đếm thời gian tín hiệu siêu âm đến máy thu 2.3 Truyền dẫn sóng điện từ 2.3.1 Các chế lan truyền sóng điện từ Có chế truyền vô tuyến: tượng phản xạ, tán xạ nhiễu xạ - Phản xạ: sóng đập vào bề mặt phẳng - Tán xạ: sóng đập vào vật có bề mặt khơng phẳng vật có chiều dài so sánh với chiều dài bước sóng - Nhiễu xạ: sóng chạm tới vật thể có kích thước lớn nhiều chiều dài bước sóng 16 Hình 2.2 Hiện tượng đa đường thơng tin vơ tuyến 2.3.2 Nhiễu truyền sóng điện từ Lý tưởng nhất khoảng cách bộ nhận tín hiệu nguồn phát tín hiệu mợt đường thẳng, nghĩa khơng có vật cản khoảng cách phù hợp Trong thực tế, tín hiệu truyền có mợt số ngun nhân làm suy giảm tín hiệu nhận Các ngun nhân gây nhiễu tín hiệu thu chủ yếu bao gồm: 2.3.2.1 Suy hao truyền dẫn Các phép tính truyền sóng hệ thống khơng dây thực tế cho thấy tín hiệu trải qua một tượng gọi mất đường Mất đường giải thích đơn giản cơng suất truyền tiêu hao theo quãng đường mà tín hiệu truyền một môi trường cụ thể Từ nghiên cứu khác nhau, rõ ràng môi trường nhà khác biệt đáng kể so với mơi trường ngồi trời theo nhiều cách Các mơ hình mất đường dẫn nhà cần xem xét thay đổi sơ đồ mặt bằng, vật liệu xây dựng sử dụng tòa nhà, loại số lượng thiết bị văn phòng sử dụng, số người làm việc di chuyển họ, quy mô thiết bị thông minh sử dụng vùng lân cận… 17 Có mợt số mơ hình đưa để tính tốn định lượng tổn thất đường truyền, bao gồm ray tracing, mơ hình tổn thất đường dẫn đơn giản, mơ hình Okumura Hata; với mơ hình có hiệu śt tùy tḥc vào mơi trường ứng dụng Ví dụ, theo mơ hình tổn thất đường dẫn đơn giản, cơng śt nhận giảm theo định luật hàm số mũ d s− , với η hệ số suy hao đường truyền số mũ kênh truyền Cơng śt tín hiệu khoảng cách d máy thu-máy nhận phụ tḥc hệ số suy hao đường truyền Mơ hình tổn thất đường dẫn đơn giản hóa mợt mơ hình nghiên cứu kỹ lưỡng Tuy nhiên, khoảng cách máy thu-máy nhận tiến tới 0, mô hình bị lỗi điểm đặc biệt ds = Trong mơ hình này, ds = 0, cơng suất nhận vượt công suất truyền tiến tới vô cùng, điều thực tế Một số kỹ thuật sử dụng để khắc phục nhược điểm Bất chấp hạn chế này, mơ hình tổn thất đường dẫn mợt mơ hình tính tốn suy hao cơng śt hợp lý giảm đợ phức tạp phân tích hệ thống Ngồi tượng mất đường dẫn, tượng Hiện tượng trễ đa đường đóng mợt vai trị quan trọng tín hiệu không dây thảo luận 2.3.2.2 Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) Multipath-Fading một tượng rất phổ biến truyền thông không dây gây tượng đa đường (Multipath) Các đường truyền không trực tiếp đến máy thu lệch theo thời gian không gian, điều gây hiệu ứng phạm vi hẹp (small-scale fading) thông tin vơ tuyến di đợng như: trải trễ, trải góc trải Doppler, dẫn tới suy giảm cường độ xoay pha tín hiệu (fading) khơng giống thời điểm hoặc/và tần số khác Bởi số lượng lớn tia phân tán mơi trường, tín hiệu nhận tổng rất nhiều tín hiệu truyền Do đó, tín hiệu nhận bao gồm có biên đợ, pha, góc đến khác Điều gây dao đợng đáng kể biên đợ tín hiệu nhận với thời gian dẫn đến một tượng gọi 18 Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) hiệu ứng phạm vi hẹp (smallscale fading) biểu diễn fading đa đường thể Hình 2.3 Hình 2.3 Biểu diễn trễ đa đường Mơ hình hóa biến đợng đa đường điều cần thiết, tùy tḥc vào mơi trường kênh, có mợt số mơ hình phát triển áp dụng để nắm bắt thống kê fading kênh Các mô đun bao gồm: phân bố fading Rayleigh, phân bố fading Nakagami-m, phân bố fading Rician… 2.3.2.3 Hiệu ứng Doppler Khi thiết bị di động chuyển động, vận tốc gây thay đổi tần số tín hiệu truyền dọc theo đường dẫn tín hiệu Hiện tượng gọi dịch chuyển Doppler Tín hiệu dọc theo đường khác có dịch chuyển Doppler khác nhau, tương ứng với tỷ lệ thay đổi giai đoạn Sự khác biệt dịch chuyển Doppler tín hiệu khác tập trung lại thành phần tín hiệu fading gọi trải Doppler Các kênh có dải Doppler lớn có thành phần tín hiệu thay đổi độc lập pha theo thời gian [19] Nếu trải Doppler đáng kể so với băng thơng tín hiệu truyền đi, tín hiệu nhận bị mờ nhanh (fast fading) Mặt khác, trải Doppler kênh nhỏ nhiều so với băng thông băng tần sở tín hiệu, tín hiệu trải qua trình mờ dần (slow fading) [20] Vì vậy, thuật ngữ mờ chậm mờ nhanh đề cập đến tốc độ thay đổi độ lớn pha kênh tín hiệu thay đổi Bởi nhiều phản xạ tín hiệu truyền đến máy thu lần, điều dẫn đến nhiễu ký 19 hiệu (ISI) cố bit Sự phân tán thời gian kênh gọi trải trễ đa đường một tham số quan trọng để đánh giá khả hoạt động hệ thống truyền thông không dây 2.4 Cường độ tín hiệu thu RSSI Cường đợ cơng śt nhận từ mợt tín hiệu sử dụng để ước tính khoảng cách tất sóng điện từ có mối quan hệ nghịch đảo bình phương công suất nhận khoảng cách [21] thể biểu thức sau: Pr  d2 (2-1) Pr cơng śt nhận khoảng cách d từ máy phát Công thức rõ ràng nói khoảng cách tín hiệu truyền tính tốn cách so sánh khác biệt công suất truyền công suất nhận, hay gọi “suy hao đường truyền” Trong thực tế đo lường, gia tăng suy hao tăng khoảng cách khác mơi trường khác Điều dẫn đến đặc điểm môi trường sử dụng số mũ suy hao đường truyền n hiển thị biểu thức sau [16] Pr = P( d0 ) (d / d0 ) n (2-2) Pd công suất nhận đo khoảng cách d0 Thông thường, d0 cố định một số d0 = m Số mũ suy hao đường truyền n biểu thức một tham số quan trọng nhất đặc điểm môi trường Nếu gia tăng suy hao đường truyền mạnh khoảng cách tăng, giá trị số mũ suy hao đường truyền n lớn thể Hình 2.4 dịng cho biết suy giảm mất đường truyền n = 2.0 Đường gạch ngang bên cạnh nét liền dòng suy giảm n = 2,5… 20 Hình 2.4 Ảnh hưởng số mũ suy hao đường truyền [16] Một đặc điểm quan trọng khác cấu thành quy tắc suy hao đường truyền Hình 2.4 điểm đầu đường cong Điểm bắt đầu tất đường cong cố định -37 dBm Nếu cài đặt nhỏ hơn, tất đường cong dịch chuyển xuống thấp Trong thực tế, xác P(d0) = -37 dBm Vì thế, P(d0) mợt thơng số quan trọng đặc trưng cho môi trường hầu hết mô-đun thu phát vô tuyến, phép đo công suất nhận một phụ chức Giá trị đo cung cấp mơ-đun khơng nhận xác dBm Tuy nhiên, báo cường đợ tín hiệu nhận (RSSI) sử dụng để biểu thị điều kiện mức công suất nhận Điều dễ dàng chuyển đổi thành cơng śt nhận cách bù đắp để hiệu chỉnh đến mức xác RSSI thường thực hầu hết tiêu chuẩn truyền thông không dây Các tiêu chuẩn tiếng bao gồm IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 Giá trị RSSI đo giai đoạn tần số trung gian, trước bộ khuếch đại tần số trung gian, giai đoạn băng gốc mạch Sau nhận giá trị RSSI, bộ xử lý vi điều khiển với bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số 21 (ADC) tích hợp chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số Giá trị sau lưu trữ mợt ghi bộ điều khiển để thu thập liệu nhanh chóng • RSSI mơi trường nhà Mặt khác, tín hiệu truyền dẫn mơi trường nhà phải điều chỉnh cho phù hợp để tránh nhiễu từ khu vực xung quanh Điều mơ hình suy hao đường truyền tín hiệu vơ tuyến truyền qua tường với đợ suy giảm tín hiệu cao Việc triển khai nhà yêu cầu nút tham chiếu phải cố định bên trần nhà để tránh chướng ngại vật phải có đợ cao chúng Mặc dù kỹ thuật RSSI một kỹ thuật có chi phí thấp dễ dàng thực hiện, nhược điểm nó khơng cung cấp đợ xác rất tốt, với mức trung bình từ đến m Điều chủ yếu phép đo RSSI có xu hướng dao đợng theo thay đổi môi trường nhiễu đa đường, vật cản thường gặp môi trường nhà 2.5 Cơng nghệ định vị nhà 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 cơng nghệ cảm biến vị trí chuyển động điện thoại thông minh mở khả ứng dụng cho việc định vị nhà Tuy nhiên Các công nghệ không dây sử dụng rất phổ biến toàn cầu Các hệ thống định vị dựa cơng nghệ khơng dây tận dụng sở hạ tầng có để giảm thiểu chi phí Bằng cơng nghệ khơng dây, có đề cập đến tần số cao công nghệ tần số thấp Ví dụ, cơng nghệ khơng dây tần số cao phổ biến nhất sử dụng WiFi [22], Zigbee [23], RFID [24] Bluetooth [25] Tuy nhiên, công nghệ tần số thấp công nghệ dựa ánh sáng vật lý có mợt số nghiên cứu thương mại sử dụng [26] Ví dụ: Light Fidelity hay cịn gọi Li-Fi một công nghệ không dây dạng công nghệ giao tiếp ánh sáng (VLC) Những công nghệ sử dụng thành công khứ cho định vị điều hướng, với phổ biến chúng khiến chúng trở thành giải 22 pháp lý tưởng cho định vị nhà Ngồi cịn có công nghệ WiFi HaLow [25], BLE phiên 5.0 [25] LoRaWAN [27] thiết kế đặc biệt cho thiết bị IoT ➢ Một số công nghệ định vị nhà • IEEE 802 11 - WiFi Chuẩn IEEE 802.11, thường gọi WiFi, một tiêu chuẩn phổ biến nhất công nghệ sử dụng để định vị nhà Phạm vi truyền dẫn Wifi nhà thay đổi từ 3,3 m với băng thông 6,7 Gbit/s (quảng cáo IEEE 802.11), lên đến 70 m với băng thông 600 Mbit/s (IEEE 802.11 n), hoạt đợng 2,4 GHz, GHz 60 GHz Ngoài ra, mạng WiFi thiết kế cho rất nhiều thiết bị từ điện thoại thơng minh máy tính xách tay đến phablet đồng hồ thơng minh Sự sẵn có tín hiệu WiFi thiết bị hỗ trợ WiFi mợt lợi cho định vị số lượng thiết bị di động thiết bị điểm tham chiếu tăng lên Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến sử dụng để cải thiện chất lượng tín hiệu WiFi Đồng thời, khơng cần triển khai thêm phần cứng với công nghệ WiFi Ngày số lượng thiết bị thu phát wifi ngày tăng, kênh 2,4 GHz GHz trở nên tải nhiễu tăng, giảm dung lượng mạng Thật vậy, Wi-Fi truyền thống ban đầu không thiết kế để giải vấn đề Thay vào IEEE 802.11ah - WiFi HaLow đời WiFi HaLow [26] thiết kế phép kết nối với nhiều thiết bị mới, trường hợp sử dụng tiết kiệm điện nhà thông minh thành phố thông minh, phương tiện kết nối hỗ trợ khái niệm IoT nói chung Nó mở rợng WiFi thành băng tần 900 MHz phép kết nối lượng thấp cần thiết cho thiết bị IoT Phạm vi truyền gấp đôi phạm vi WiFi chất lượng tín hiệu tốt mơi trường nhiều vật cản, chẳng hạn môi trường nhà phức tạp với nhiều đồ đạc tường Nó hoạt đợng nhiều chế đợ truyền từ tốc độ thấp từ 150 Kbp/s đến 347 Kbp/s Khả hoạt động với công suất thấp, phạm vi truyền dẫn cao suy hao lan truyền thấp khiến WiFiHaLow một ứng cử viên sáng giá cho IoT Mặt khác, 23 WiFiHaLow tương đối so với công nghệ khác, mắt vào năm 2017, không phổ biến rộng rãi mất một thời gian trước có bị sở hạ tầng HaLow • Zigbee Zigbee mợt giao thức truyền thông cấp cao biết đến với đơn giản, sử dụng lượng thấp an toàn mạng [23] Nó dựa tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, xác định điểm hoạt động Wireless Mạng Khu vực Cá nhân (WPAN) với ăng-ten tốc đợ liệu thấp Chúng ta kiểm sốt luồng thơng tin ngăn chặn bất kỳ việc mất liệu cách sử dụng Các thiết bị sử dụng Zigbee thiết kế với tính chất lượng liên kết cho phép dễ dàng xác định phép đo RSSI Zigbee thường sử dụng để địa hóa WSN yêu cầu lượng thấp Trong thiết kế IoT với Zigbee cần triển khai thêm sở hạ tầng, phần cứng • Bluetooth Bluetooth mợt công nghệ không dây để trao đổi liệu khoảng cách ngắn Các IEEE chuẩn hóa Bluetooth IEEE 802.15.1, khơng cịn trì tiêu chuẩn này, quản lý SIG Được giới thiệu Bluetooth Special Interest Group vào năm 2010, Bluetooth Low Energy (BLE) thiết kế cho ứng dụng không yêu cầu số lượng lớn truyền liệu, đồng thời giảm tiêu thụ điện chi phí lắp đặt thiết bị Định vị nhà liên kết với Bluetooth với iBeacon dựa BLE quảng bá Apple Inc… Hệ thống định vị nhà quy mô lớn dựa iBeacons triển khai áp dụng vào thực tế Tương tự Zigbee, BLE một công nghệ sử dụng WPAN Việc tiêu thụ điện thấp BLE dẫn đến số lượng lơn thiết bị IoT BLE 4.0 đạt tốc độ 25 Mbit/s khoảng cách 60 m Các ứng dụng sử dụng BLE tăng lên rất nhiều vài năm qua Một số thiết bị phát triển, lĩnh vực chăm sóc sức khỏe [28], thể thao, thể dục, an ninh giải trí gia đình Beacon thiết bị nhỏ, chi phí rẻ, chứa mợt CPU, WiFi Alliance công bố Bluetooth 5.0 đối thủ WiFi HaLow thiết kế IoT Nó khẳng định có tốc đợ gấp đơi phiên trước, phạm vi truyền dài bốn lần trao đổi liệu nhanh tám lần Sự đơn giản phổ biến thiết bị IoT 24 lợi Bluetooth Các kích thước nhỏ beacon chi phí thấp chúng với hiệu lượng BLE tuổi thọ kéo dài, sử dụng để tăng cường định vị một môi trường phức tạp mà không can thiệp vào sở hạ tầng khơng dây • RFID Thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) thiết kế chủ yếu để truyền lưu trữ liệu [23] Cần có mợt đầu đọc RFID giao tiếp với thẻ RFID Có hai loại RFIDS RFID chủ đợng hoạt đợng dải tần số siêu cao (UHF) vi sóng Cần kết nối với nguồn điện cục bộ truyền ID chúng định kỳ lên 100 m RFID thụ động, chúng hoạt động không cần pin phạm vi truyền dẫn 1-2 m Trong kỷ nguyên IoT, RFID một giải pháp đầy hứa hẹn Đợ xác chúng khơng đủ cao chúng khơng có sẵn nhiều thiết bị di đợng • LoRaWAN LoRaWAN mợt cơng nghệ tiêu thụ điện thấp, tầm xa sử dụng để phát triển mạng diện rộng cá nhân (PWAN) [27] Ban đầu phát triển Liên minh LoRa, LoRaWAN giao thức truyền tần số thấp 915MHz Lợi ích việc sử dụng tần suất thấp bước sóng cho phép mợt khoảng cách lớn mà tín hiệu tiếp cận Do đó, xuyên qua tường vật cản mà khơng có vấn đề Nó khơng cịn dễ bị nhiễu khơng gây trở ngại cho bất kỳ thiết bị truyền băng tần 2.4GHz Nhược điểm việc sử dụng tần số thấp giảm tốc độ liệu gửi thiết bị truyền Đối với thiết bị di chuyển với tốc độ cao mợt khu vực rợng lớn, LoRa một lựa chọn tốt với IoT Tuy nhiên phạm vi ngắn, hiệu śt LoRa khơng cao, chi phí lớn thiết bị bổ sung cần thiết để thiết lập mợt nút LoRa • LiFi: LiFi mợt cơng nghệ VLC [29] VLC một tập hợp Giao tiếp không dây quang (OWC), sử dụng điốt phát quang làm phương tiện phép truyền thông tốc độ cao Dữ liệu truyền điều chỉnh cường độ ánh sáng LED khoảng thời gian nano giây, nhanh để mắt người phát 25 2.6 Kỹ thuật định vị nhà Kỹ thuật định vị yếu tố cần xem xét ban đầu thiết kế hệ thống định vị Điều kỹ thuật định vị xác định cách tính tốn, phương pháp sử dụng tính khoảng cách lựa chọn thiết bị Trong phần này, chi tiết kỹ thuật ước lượng vị trí cách sử dụng ước lượng tiệm cận, góc đợ trễ 2.6.1 Ước lượng tiệm cận (Proximity Estimation) Ước lượng tiệm cận thường sử dụng nút cảm biến không dây mạng lưới Thuật tốn định vị sử dụng tiệm cận khơng đưa kết xác vị trí thực tế đối tượng so với điểm tham chiếu., tọa đợ vị trí khơng xác định lấy vị trí nút cảm biến xung quanh Như vậy, khơng phù hợp để chọn cho ứng dụng theo dõi vị trí Tuy nhiên, rất tốt cho việc mạng cảm biến quy mơ lớn [30] Nhiều cách tiếp cận để ước lượng khoảng cách đề xuất Điển hình bao gồm thuật toán centroid [21], lược đồ DV-hop [32], point-intriangulation test (APIT) [30] Thuật tốn Centroid phát tất thơng tin vị trí có nút tham chiếu đến tất nút mục tiêu khác Thuật toán Centroid khơng coi đủ xác tính đơn giản khơng đầy đủ Khó khăn thuật toán centroid số lượng nút tham chiếu xem xét ước tính Theo mặc định, tổng số tham chiếu xung quanh nút mà nút đích phát giao tiếp… "khoảng cách" đo dạng đếm bước nhảy phương pháp tiếp cận khơng có phạm vi khơng thực khoảng cách nhiệm vụ khác Do đó, số lượng nút tham chiếu xung quanh bị giới hạn cấp độ thứ hai (bước nhảy) thơng điệp qua Thuật tốn địa hóa DV-Hop [32] đề xuất để xem xét đếm bước nhảy để ước tính khoảng cách Cơng việc sử dụng cách tiếp cận tương tự định tuyến vectơ thuật toán 26 Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận yêu cầu xây dựng một lưới vị trí cho trước phát tín hiệu tới đối tượng, đó, thời gian triển khai chi phí hệ thống định vị sử dụng thuật toán cao so sánh với kỹ thuật khác 2.6.2 Uớc lượng dựa góc (Triangulation Estimation) Triangulation (kỹ thuật định vị dựa góc) mợt cách tiếp cận lượng giác để xác định một vị trí khơng xác định dựa hai góc khoảng cách chúng Trong mạng cảm biến, hai nút tham chiếu yêu cầu nằm đường sở nằm ngang cho trục x hai nút cảm biến nằm đường sở thẳng đứng trục y Khoảng cách dr hai nút tham chiếu đường sở đo giai đoạn ban đầu lưu trữ bợ nhớ Hai góc α1và α2 đo đường sở đường tạo nút tham chiếu nút đích Hình 2.5 Hình 2.5 Ước lượng tam giác [16] Trong Hình 2.5, nút tham chiếu R1 R2 tạo thành đường sở trục X Nút tham chiếu R1 sử dụng lại để tạo đường sở trục Y với nút tham chiếu R3 Mợt nút đích T1 di chuyển tự khu vực Dựa phép toán tam giác bản, tọa đợ vị trí (x,y) T1 xác định cách sử dụng kết hợp R1 R3 để tìm x, kết hợp R1 R2 để tìm y [17] 27 x= y= d ry sin( y1 )sin( y ) sin( y1 +  y ) (2-3) d rx sin( x1 ) sin( x ) sin( x1 +  x ) (2-4) Ngồi ra, biểu thức cải cách thành một cách đơn giản cách sử dụng nhận dạng lượng giác [17] x= y= d ry tan −1 ( y1 ) + tan −1 ( y ) (2-5) d rx tan ( x1 ) + tan −1 ( x ) (2-6) −1 Đối với trường hợp thứ hai, tính tốn thực bên nút mục tiêu định vị một la bàn gắn vào nút cảm biến La bàn cung cấp định hướng nút cảm biến Tất nút tham chiếu phát tín hiệu tới nút mục tiêu Do đó, nút mục tiêu đo góc α, β γ từ tín hiệu nhận ba nút tham chiếu Hình 2.6 Nút mục tiêu tính tốn tọa đợ vị trí sử dụng phương pháp Triangulation chuyển kết đến hệ thống lưu trữ liệu giám sát Hình 2.6 Ước tính nút mục tiêu định vị [16] 28 Sử dụng mô-đun la bàn điện tử (EMC) gắn vào nút cảm biến, phần bù góc θ nhận Góc lệch θ sử dụng để điều chỉnh tất phép đo thành tham chiếu Do đó, tất góc cho phương pháp Triangulation sử dụng (23), (2-4) (2-5), (2-6) tìm thấy sau [16]:  x1 = (  −  ) − 0.5 (2-7)  x = −( −  ) + 1.5 (2-8)  y1 = −( −  ) +  (2-9)  y = −( −  ) (2-10) Với công nghệ ngày nay, việc thực quy mơ lớn hồn tồn đạt Vì thế, thuật toán định vị nhà phải đủ tốt cho mạng quy mô lớn hoạt động 2.6.3 Uớc lượng dựa độ trễ tín hiệu (Trilateration Estimation) Phương pháp Trilateration (kỹ thuật định vị dựa độ trễ tín hiệu) sử dụng để tìm mợt vị trí khơng xác định Tuy nhiên, khác biệt trilateration triangulation liệu cung cấp cho q trình ước tính Thay đo góc vị trí, trilateration sử dụng khoảng cách vị trí để ước tính tọa đợ vị trí cần xác định; sử dụng giá trị RSSI để tính khoảng cách Trong đó, khoảng cách vị trí tham chiếu vị trí cần xác định coi bán kính nhiều đường trịn có tâm vị trí tham chiếu Do đó, vị trí chưa biết giao điểm tất mặt cầu Hình 2.7 29 Hình 2.7 Phương pháp định vị Triliteration Nếu mức tín hiệu từ ba trạm gốc khác vị trí thiết bị di đợng vị trí xấp xỉ giao điểm ba đường tròn Việc bổ sung nhiều điểm truy cập giúp tính tốn khoảng cách với gia tăng đợ xác cao Đối với khơng gian 3D cần tối thiểu Raspberry Pi, Raspberry Pi không gian 2D Trong mơi trường 3D cần thêm trục z, cịn mơi trường 2D cầntrục x, y Tuy nhiên khơng gian 3D khối lượng tính tốn khó khăn phức tạp nhiều, đợ xác so với mơi trường 2D Trong Hình 2.7, ba nút tham chiếu phân bổ ngẫu nhiên Một nút mục tiêu di chuyển xung quanh nút tham chiếu Nút định vị (P) định vị cách sử dụng tọa độ tham chiếu nút (R1, R2 R3) khoảng cách (d1, d2, d3) nút tham chiếu nút đích Giả sử mơi trường 2D có n Raspberry sử dụng (xi,yi), i = 1, 2, … n, khoảngcách từ Raspberry thứ i đến Beacon cần định vị ri, i = 1, 2, … n Từ đó, có phương trình hình tròn: (x – xi) + (y – yi) = di2 (2-11) Trong đó: (x, y) tọa đợ Beacon cần định vị Với Raspberry Pi P1, P2, P3 có tọa đợ (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) 30 d12 = ( x1 − x)2 + ( y1 − y)2 (2- 12) d22 = ( x2 − x)2 + ( y2 − y)2 (2-13) d12 = ( x1 − x)2 + ( y1 − y)2 (2- 14) Từ phương trình (2-12), (2-13), (2-14) giải x y, tọa đợ vị trí nút mục tiêu có biểu thức sau: x= AY32 + BY13 + CY21 2( x1Y32 + x2Y13 + x3Y21 ) (2-15) y= AX 32 + BX13 + CX 21 2( y1 X 32 + y2 X13 + y3 X 21 ) (2-16) Trong đó: A = x12 + y12 − d12 (2-17) B = x22 + y22 − d22 (2-18) C = x32 + y32 − d32 (2-19) X 32 = ( x3 − x2 ) (2-20) X13 = ( x1 − x3 ) (2-21) X 21 = ( x2 − x1 ) (2-22) Y32 = ( y3 − y2 ) (2-23) Y13 = ( y1 − y3 ) (2-24) Y21 = ( y2 − y1 ) (2-25) Và Tuy nhiên, có trường hợp khơng thể định vị mợt vị trí cụ thể, ba vịng trịn tạo ba máy phát khơng giao ba vịng trịn giao tạo nên mợt vùng chồng lấn, dẫn đến kết khơng xác Để giải vấn đề này, cần kết hợp thêm phương pháp tối ưu để đưa kết xác 31 Hình 2.8 Các trường hợp Tam giác hóa Triliteration cần cải thiện [33] Từ khoảng cách, có mợt số phương pháp tốn học để giải hệ phương trình phương pháp Có ba phương pháp để ước tính vị trí từ giá trị RSSI: Ước lượng bình phương tối thiểu (Least Square Estimation – LSE), định vị ba đường biên (Three Border Position), định vị trọng tâm (Centroid Position), nhiên phương pháp LSE cho kết tốt hai phương pháp lại 2.7 Bộ lọc Kalman Bợ lọc Kalman mợt cơng cụ ước tính tối ưu hố, nghĩa bợ lọc giảm thiểu sai số trung bình tham số ước tính với giả định nhiễu hệ thống có phân bố Gauss Bợ lọc Kalman rất phổ biến tiện lợi ứng dụng thời gian thực, có tốc độ nhanh giá trị quan sát thời điểm xử lý đo Bộ lọc Kalman dựa hai phương trình:   X k = Ak x k −1+ Bk u k + w k −1   z k = H k x k +v k (2-26) Trong xk véc tơ biểu diễn trạng thái thực tế (vị trí xác thiết bị) thời điểm k uk tín hiệu điều khiển bợ lọc Mỗi giá trị ước tính trạng thái 32 thời điểm k mợt hàm tuyến tính trạng thái thời điểm trước xk −1 với tín hiệu điều khiển nhiễu q trình w k −1 zk véc tơ giá trị đo được, mợt hàm tuyến tính trạng thái thực tế xk với nhiễu đo đạc vk Ak, Bk, Hk véc tơ mà A mơ hình chuyển trạng thái, Bk mơ hình điều khiển đầu vào Hk mơ hình quan sát Bộ lọc Kalman thực hai giai đoạn phép đo thực từ tín hiệu quan sát được, giai đoạn dự đoán ban đầu giai đoạn cập nhật Vì có nhiễu nên khơng tính xác xk mà ướng lượng Kalman filter mợt hàm ước lượng đệ quy (recursive estimator) cho phép làm việc ➢ Thuật tốn ước lượng sau: • Bước dự đốn ban đầu (predict)   X k / k −1 = F x k −1/ k −1 + Bk uk + wk (2-27) Pk / k −1 = Fk Pk −1/ k −1 Fk + Qk T (2-28)  Ở X k ký hiệu dự đoán giá trị xk dựa thông tin giá trị thời điểm k-1 Ma trận P dùng để (ước lượng) ma trận hiệp phương sai ước lượng x • Update:  - Độ lệch so với quan sát (measurement residual): yk = zk − H k x k /k −1 (2-29) - Thặng dư hiệp phương sai (residual covariance): Sk = H k Pk / k −1 H + Rk (2-30) T −1 - Kalman tối ưu: Kk = Pk H k Sk (2-31) T   - Ước lượng điều chỉnh (updated estimate): x k /k = x k /k −1 + K k yk (2-32) - Hiệp phương sai cho ước lượng (updated estimate covariance): Pk / k = (1 − K k H k ) Pk / k −1 (2-33) 33 Bộ lọc Kalman thực hai giai đoạn phép đo thực từ tín hiệu quan sát được, giai đoạn cập nhật thời gian giai đoạn cập nhật đo lường Trong giai đoạn cập nhật thời gian, trạng thái ước lượng dựa vào phương trình giai đoạn cập nhật đo lường, trạng thái ước tính cập nhật với giá trị đo [34] 2.8 Kết luận Môi trường nhà thường sóng điện từ lan truyền phức tạp chịu nhiều ảnh hưởng vật cản, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, điều kiện biến đổi Do đó, việc tinh tốn hệ số suy hao đường truyền nhà phụ thuộc lớn vào đặc điểm thiết kế, kết cấu, vật liệu xây dựng, loại tịa nhà…Trong luận văn này, tơi chọn mơ hình truyền sóng Log-normal dành cho định vị dùng BLE Trong mục sở lý thuyết trình bày công nghệ định vị dùng phổ biến nay, nhiên với giới hạn luận văn ứng dụng việc định vị vị trí để tạo nên mơi trường nhà thông minh, cụ thể sử dụng module Raspberry Pi để định vị vị trí vật phẩm nhà đính kèm thiết bị BLE Beacon thông qua công nghệ Bluetooth Phương pháp định vị lựa chọn phương pháp Tam giác hóa Trilateration Mục trình bày chi tiết công nghệ đinh vị Bluetooth sử dụng BLE 34 ... trường nhà 2.5 Công nghệ định vị nhà Khi tín hiệu vệ tinh GPS khơng 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... thuật định vị nhà Kỹ thuật định vị yếu tố cần xem xét ban đầu thiết kế hệ thống định vị Điều kỹ thuật định vị xác định cách tính tốn, phương pháp sử dụng tính khoảng cách lựa chọn thiết bị Trong. .. nghệ cảm biến vị trí chuyển đợng điện thoại thơng minh mở khả ứng dụng cho việc định vị nhà Tuy nhiên Các công nghệ không dây sử dụng rất phổ biến toàn cầu Các hệ thống định vị dựa công nghệ