NGHIÊN CỨU VÀ HIỆN THỰC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LORA

NGHIÊN CỨU VÀ HIỆN THỰC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LORA Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh, Nguyễn Mạnh Thảo, Trịnh Lê Huy Đại học Công nghệ Thông tin, Thành phố Hồ Chí Minh ĐHQG –.

NGHIÊN CỨU VÀ HIỆN THỰC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG TỊA NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ LORA Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh, Nguyễn Mạnh Thảo, Trịnh Lê Huy Đại học Cơng nghệ Thơng tin, Thành phố Hồ Chí Minh ĐHQG – HCM, Thành phố Hồ Chí Minh huytl@uit.edu.vn TĨM TẮT— Bài báo tiếp cận tìm hiểu chức Ranging LoRa – thiết bị giao tiếp tầm xa, chức cho phép đo lường khoảng cách hai thiết bị thông qua phương thức đo thời gian thời gian truyền tín hiệu (RToF - Return Time of Flight) Sau hiểu cách thức định vị thiết bị LoRA thông qua chức Ranging, nhóm tác giả tiến hành áp dụng chức Ranging vào giải toán định vị nhà Trong q trình giải tốn định vị, nhóm nghiên cứu hiệu chỉnh bổ sung trường hợp cho toán phép đo ba cạnh tam giác giúp tăng độ xác định vị Kết việc ứng dụng công nghệ LoRa vào tốn định vị nhà cho độ xác khơng 5m Từ khóa— LoRa, ranging, positioning I GIỚI THIỆU Hiện nay, dịch vụ định vị nhà ngày sử dụng rộng rãi Định vị nhà có nhiều ứng dụng cung cấp hệ thống định vị nhà cho người mù khiếm thị, định vị thiết bị tòa nhà, giúp đỡ khách du lịch tham quan bảo tàng tìm lối khẩn cấp xảy hỏa hoạn, theo dõi trẻ em nơi đông đúc, theo dõi thiết bị đắt tiền Các ứng dụng định vị nhà u cầu thuộc tính chất lượng khác nhau, hệ thống định vị nhà phải lựa chọn cẩn thận để đáp ứng yêu cầu ứng dụng Một số công nghệ định vị nhà phổ biến WiFi, GSM, A-GPS, Bluetooth, Zigbee, UWB với độ xác, phạm vi hoạt động, khả xuyên tường, lượng tiêu thụ, chi phí mơ tả chi tiết lập thành bảng so sánh thể Bảng Bảng Bảng so sánh công nghệ định vị nhà Độ Chính Xác Phạm Vi Hoạt Động Khả Năng Xuyên Tường Năng Lượng Tiêu Thụ Chi Phí WiFi 1-5m GSM 10-50m A-GPS 5-10m Bluetooth 1-5m Zigbee 1-10m UWB 6-10cm LoRa1 1-5m 50m 40km >20km 10m 300m 45-300m 12km Trung bình Thấp Thấp Thấp Trung bình Cao Trung bình Cao Cao Cao Thấp Thấp Cao Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Cao Thấp Các công nghệ định vị nhà có giới hạn, wifi độ xác cao, chi phí thấp hoạt động với khoảng cách ngắn, lượng tiêu thụ cao; Bluetooth độ xác cao, lượng tiêu thụ chi phí thấp, phạm vi hoạt động khả xuyên tường thấp; zigbee lượng tiêu thụ chi phí thấp độ xác thấp Trong mơi trường nhà cao tầng, xảy hỏa hoạn, thiên tai, hệ thống điện, wifi bị ngắt, thiết bị sử dụng wifi, tiêu thụ điện cao khơng thể trì hoạt động Đòi hỏi nghiên cứu xây dựng hệ thống tối ưu hơn, vừa cho độ xác cao, hoạt động với khoảng cách xa, lượng tiêu thụ chi phí triển khai thấp Hệ thống định vị nhà sử dụng LoRa đề xuất Hình 1 Số liệu thu thập hệ thống định vị ngồi trời Hình Hệ thống định vị đề xuất sử dụng công nghệ LoRa Hệ thống bao gồm Master node đặt vị trí khác tịa nhà Các Master node có nhiệm vụ xác định khoảng cách từ đến slave cần định vị, sau gửi thơng tin khoảng cách xác định đến Station đặt bên ngồi tịa nhà Các Station có nhiệm vụ gửi kết nhận lên cloud lưu trữ, tính tốn Các nhân viên cứu hộ cứu nạn thơng qua phần mềm theo dõi vị trí người/ vật cần thực cứu hộ cứu nạn II PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ NGƯỜI DÙNG TRONG NHÀ SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ LORA A Cơng nghệ Lora LoRa truyền liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần mạch khuếch đại cơng suất; từ giúp tiết kiệm lượng tiêu thụ truyền/nhận liệu Các mô đun Lora có giá thành rẻ tiêu tốn lượng LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi Chirp Spread Spectrum, liệu băm xung cao tần để tạo tín hiệu có dãy tần số cao tần số liệu gốc Sau tín hiệu cao tần tiếp tục mã hoá theo chuỗi chirp signal trước truyền ăng-ten để gửi Bộ truyền nhận SX1280 hãng sản xuất Semtech sản xuất, sử dụng công nghệ LoRa tầng số 2.4GHz với khả chịu nhiễu cao Điều giúp LoRa trở thành thiết bị lý tưởng giải pháp không dây mạnh mẽ có độ tin tưởng cao Việc định vị dựa chức xác định khoảng cách SX1280 việc đo thời gian việc truyền tín hiệu cặp thu phát SX1280 Sau thu tín hiệu hai thiết bị, LoRa tiến hành chuyển đổi từ LSB (bit có trọng số thấp) sang khoảng cách Lý thuyết chuyển đổi từ giá trị ghi sang khoảng cách [m] tính theo cơng thức: 𝐷𝑅𝑇𝑜𝐹 = ( 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡2( 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑒𝑟 ) ∗ 150 ) 212 ∗ 𝐵𝑊 Trong đó: DRToF: khoảng cách Complement2(register): Bù giá trị ghi BW: Băng thông điều chế tính theo đơn vị Mhz Như tác giả trình bày phần trên, Master tạo xung clock cục dùng để tính thời gian truyền gói tin (RToF) dựa q trình đồng hóa gói tin phản hồi từ Slave Q trình Slave đồng hóa với Master tồn độ trễ Nếu tần số xung nhịp xác Slave khác với tần số Master việc tính tốn thời gian gặp sai số, dẫn đến khoảng cách đo lường bị tính tốn sai Lỗi gọi lỗi dao động thạch anh (crystal timing error) Độ trễ tích lũy thơng qua đường truyền nhận radio tín hiệu truyền qua hai khối xử lý tín hiệu kỹ thuật số tương tự Thơng thường, độ trễ tính thiết kế mơ đun cụ thể Q trình cân chỉnh độ trễ thực qua bước Đầu tiên, tính độ phân giải khoảng cách thông qua công thức: 𝐷𝐿𝑆𝐵 = 𝑐 212 𝐵𝑊 Trong đó: 𝐷𝐿𝑆𝐵 : Độ phân giải khoảng cách (Distance resolution), đơn vị meter 𝑐: Vận tốc ánh sáng = ∗ 108 𝑚/𝑠 𝐵𝑊: Băng thông sử dụng (Bandwith), đơn vị Hz Giá trị cân chỉnh lại kết (Calibration value) tính sau: 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝐷𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐷𝐿𝑆𝐵 Trong đó: RangingResult: Giá trị đo lường thơ ghi Dcable: Độ phân giải khoảng cách thiết bị truyền môi trường sử dụng dây dẫn B Phương pháp định vị người dùng nhà Thiết bị LoRa liên lạc với thơng qua sóng vô tuyến, từ thông tin thu phát ta tính khoảng cách hai thiết bị Khi khoảng cách tính tốn ta sử dụng phép đo ba cạnh tam giác để xác định vị trí tượng mặt phẳng Oxy Tuy nhiên phần lớn trường hợp, sóng truyền thiết bị phát thiết bị thu bị ảnh hưởng mơi trường vật cản, từ dẫn tới sai số đo lường khoảng cách từ thiết bị phát đến thiết bị thu Cơng thức khơng cịn xác, cần hiệu chỉnh ứng với trường hợp sai số Hình minh họa trường hợp ba vòng tròn tạo khoảng từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua kỹ thuật đo thời gian bay gói tin RToF Tuy nhiên, ba vịng trịn khơng gặp điểm cụ thể, vịng trịn giao khơng giao Khoảng cách tính tốn khác với khoảng cách thực tế, ba vịng trịn tạo lúc, sai số đo lường thời gian bay gói tin, vịng trịn khơng giao điểm mà giao nhiều điểm Để giải vấn đề này, tác giả kế thừa cải tiến nghiên cứu Kwak Sung với nghiên cứu khác để tăng cường độ xác việc xác định tọa độ thiết bị thu biết khoảng cách từ thiết bị phát đến thiết bị thu Phương pháp chia đường trịn tạo Hình Các đường trịn tạo khoảng cách từ thiết bị phát khoảng cách từ thiết bị phát đến thiết bị thu thành đến thiết bị thu trường hợp đo thực tế trường hợp Trường hợp hai đường tròn giao hai giao điểm đường trịn khơng bao phủ tâm đường tròn kia: Đây trường hợp phổ biến thường xuyên bắt gặp xác định tọa độ thiết bị thu Khoảng cách từ thiết bị phát A(xA, yA) B(xB, yB) đến thiết bị thu tạo hai đường trịn với bán kính da db giao hai điểm Tác giả minh họa trường hợp Hình Trong Hình 3, hai đường tròn tiếp xúc giao hai điểm Tuy nhiên hai giao điểm nằm vùng khơng gian tâm hai đường trịn đường trịn khơng phủ tâm đường trịn Với trường hợp này, tác giả tiến hành kẻ đường thằng qua giao điểm Và đường thẳng qua hai giao điểm sử dụng để tính tọa độ thiết bị nhận Điều kiện để trường hợp xảy ra: { Hình Hai đường trịn giao hai giao điểm đường trịn khơng bao phủ tâm đường tròn 𝑑𝑎𝑏 >= 𝑑𝑎 𝑑𝑎𝑏 >= 𝑑𝑏 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑏 Khi đó: 𝑑𝑠𝑐 = 𝑑𝑎 + (𝑑𝑎𝑏 − 𝑑𝑎 − 𝑑𝑏) ∗ (𝑑 𝑏⁄𝑑 𝑎) Hoặc: { Hình Hai đường trịn khơng giao 𝑑𝑎 + 𝑑𝑏 < 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑎 = 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑎𝑏 + 𝑑𝑏 >= 𝑑𝑎 Khi đó: 𝑑𝑎𝑐 = 𝑑𝑎𝑏 ∗ (1 − 𝑑 𝑏 ⁄( 𝑑𝑎 + 𝑑𝑏)) Hoặc: { 𝑑𝑏 >= 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑎𝑏 + 𝑑𝑎 >= 𝑑𝑏 Khi đó: 𝑑𝑎𝑐 = 𝑑𝑎 ∗ 𝑑𝑎 𝑏⁄( 𝑑𝑏 + 𝑑𝑎) Trường hợp đường tròn chứa đường tròn Trường hợp sai số đo lường lớn nhỏ dẫn đến việc hai đường tròn tạo khoảng cách từ điểm phát đến điểm thu không giao đường tròn chứa đường tròn lại Tác giả minh họa trường hợp Hình Ở trường hợp này, đường thẳng dùng để xác định tọa độ thiết bị thu qua điểm nằm đường thẳng nối hai tâm đường trịn vng góc với đường thẳng nối hai tâm, thỏa: { 𝑑𝑎 > 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑎𝑏 + 𝑑𝑏 < 𝑑𝑎 Khi đó: 𝑑𝑎𝑐 = 𝑑𝑎𝑏 ∗ 𝑑 𝑏⁄𝑑 𝑎 Hoặc: { Hình Đường tròn chứa đường tròn 𝑑𝑏 > 𝑑𝑎𝑏 𝑑𝑎𝑏 + 𝑑𝑎 < 𝑑𝑏 Khi đó: 𝑑𝑎𝑐 = 𝑑𝑎 ∗ 𝑑𝑎 𝑏⁄𝑑 𝑏 Xác định vị trí cần định vị Điểm cần tìm trung bình cộng điểm giao ba đường thẳng tạo cách kẻ đường vng góc dựa vào quan hệ cặp đường trịn minh họa Hình 𝑥𝐷 + 𝑥𝐸 + 𝑥𝐹 Hình Hình minh họa cách xác định vị trí điểm cần định 𝑦𝐷 + 𝑦𝐸 + 𝑦𝐹 𝑦𝑆 = vị thông qua phép đo ba cạnh tam giác III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ CAO TẦNG 𝑥𝑆 = Hệ thống thử nghiệm gồm phần: phần ứng dụng cài đặt máy tính chạy hệ điều hành windows có nhiệm vụ kết nối lấy liệu từ server, xử lí liệu, tính tốn hiển thị kết lên giao diện người dùng; phần server có nhiệm vụ nhận liệu từ thiết bị, lưu trữ liệu trả liệu cho ứng dụng có yêu cầu; phần thiết bị có nhiệm vụ liên lạc, xác định khoảng cách với gửi giá trị khoảng cách đo lưu trữ server Phần thiết bị bao gồm master node slave node, node mô-đun ESP8266 mô-đun LoRa ESP8266 giao tiếp với LoRa thông qua chuẩn giao tiếp SPI, điều khiển LoRa thu phát tín hiệu xác định khoảng cách với Sau nhận liệu phù hợp, ESP8266 gửi liệu lên Cosmos Database lưu trữ thông qua IoT Hub Microsoft Azure IoT Hub sản phẩm đám mây thuộc khối Nền tảng (Nền tảng dịch vụ - PaaS), hỗ trợ kết nối thiết bị IoT tới cloud từ cloud tới thiết bị IoT Hub nhận liệu từ thiết bị IoT xử lý theo thời gian thực cloud Ứng dụng máy tính lấy liệu từ Cosmos Database thông qua Azure Functions Hình Kiến trúc hệ thống thử nghiệm định vị nhà cao tầng IV KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM A Triển khai thiết bị thử nghiệm Hình 10 Mẫu thử phạm vi hoạt động theo chiều ngang có vật cản nhà cao tầng Tòa nhà dùng để triển khai hệ thống thử nghiệm tòa nhà E trường Đại học Công nghệ Thông tin – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Nhóm tác giả tiến hành đặt thiết bị tầng khác tịa Hình Mẫu thử phạm vi hoạt động theo chiều dọc nhà nhận thấy số trường hợp với khoảng nhà cao tầng cách cố định thiết bị LoRa khơng thể thu phát tín hiệu với (đường xanh thu phát tín hiệu, đường đỏ khơng thể thu phát tín hiệu) Từ nhóm tác giả định triển khai hệ thống thử nghiệm với hai trường hợp bố trí theo chiều ngang Hình 11 Hình 12 Hình 11 Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm Hình 12 Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm Giao diện ứng dụng bao gồm giao diện chính: giao diện Cài đặt thơng tin cấu hình hệ thống định vị giúp người triển khai hệ thống thao tác thêm, sửa, xóa lưu thơng tin cần thiết triển khai hệ thống phần cứng, định danh thiết bị, giúp đồng liệu tính tốn; giao diện quản lí tịa nhà giúp thêm thơng tin người cần định vị, chuyên viên, sinh viên, nghiên cứu viên, giảng viên thường xuyên học tập làm việc đây; Giao diện hiển thị kế định vị giúp trực quan hóa kết định vị Hình 13 Giao diện Cài đặt thơng tin cấu hình hệ thống định vị admin Hình 14 Giao diện quản lí tịa nhà người quản lí Hình 15 Giao diện Hiển thị kết định vị B Kết thử nghiệm hệ thống Kết thử nghiệm hệ thống với sơ đồ bố trí Hình 13 Hình 14 thể Bảng Bảng Bảng Bảng kết thực nghiệm STT Mã mẫu E76_014 E76_034 E76_123 E76_124 Số lượng mẫu 11552 10368 3760 3760 Số test đúng* 11419 10356 3738 3717 Tỉ lệ (%) 98.85 99.88 99.41 98.86 Độ xác (m) 2.47 1.97 1.55 3.67 Bảng Bảng kết thực nghiệm STT Mã mẫu Số lượng mẫu Số test đúng* Tỉ lệ (%) Độ xác (m) E72_012_2 8432 8413 99.77 5.24 E72_014_2 5104 5097 99.86 2.55 E72_023_2 5088 4174 82.04 3.7 E72_024_2 5104 5030 98.55 4.64 E72_124_2 5104 5101 99.94 3.17 E72_014_4 3840 3837 99.92 3.07 Bảng so sánh kết thử nghiệm hệ thống thử định vị nhà sử dụng công nghệ LoRa với số hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ khác thể Bảng Bảng Bảng so sánh độ xác tương đối định vị nhà LoRa công nghệ khác Độ Chính Xác WiFi 1-5m GSM 10-50m A-GPS 5-10m Bluetooth 1-5m Zigbee 1-10m UWB 6-10cm LoRa 1.5-5.2m V KẾT LUẬN Việc sử dụng LoRa vào việc xây dựng hệ thống định vị nhà hoàn toàn khả thi Đặc biệt hệ thống định vị nhà với ngữ cảnh cứu hộ cứu nạn hỏa hoạn thiên tai Độ xác hệ thống