Đồ án nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Nhận xét của người hướng dẫn Nhận xét của người phản biện TÓM TẮT Tên đề tài Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà Sinh viên thực hiện Trần Đình Phú Số thẻ SV 105180470 Lớp 1.

Nhận xét người hướng dẫn Nhận xét người phản biện TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu Số thẻ SV: 105180470 Lớp: 18TDHCLC2 Báo cáo trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ Ultra-Wideband Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát áp dụng cho các hệ thống định vị thiết bị,tài sản các nhà máy, công ty, hướng dẫn chi đường cho người dùng các siêu thị, trung tâm thương mại.Tìm hiểu các phương pháp định vị, tham khảo mô hình định vị hãng DecaWave từ đó xây dựng hệ thống Mô hình hệ thống định vị sử dụng module DW1000 BU01 hãng DecaWave sản xuất, liệu thu thập xử lý board ESP32 đưa lên webserver ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phuc KHOA ĐIỆN NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lớp: 18TDHCLC2 Trần Đình Phu Số thẻ sinh viên: 105180470 Ngũn Hồng Dương Sớ thẻ sinh viên: 105180450 Khoa: Điện Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Tên đề tài đồ án: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Thực hiện kết nối ESP32 với module DWM1000 BU01 - Định vị khoảng các tag anchor, anchor, anchor - Tham khảo hệ thống định vị DWM1001 DecaWave Nội dung phần thuyết minh tính tốn: - Tìm hiểu các phương pháp định vị hiện có, đưa giải pháp cho đề tài - Đọc hiểu thông tin, cách sử dụng module DWM1001 DecaWave - Thực hiện cấu hình cho Tag Anchor bằng phần mềm TeraTerm - Định vị với module DWM1001, hiển thị lên mobile app webserver - Tìm hiểu VS code, lập trình ESP32 Làm các ví dụ lập trình webserver với ESP32, ESPNOW Kết nối ESP32 với chip DWM1000 BU01 - Đo khoảng cách Tag Anchor - Tổng hợp kết thực nghiệm tính toán đưa phương án tối ưu - Hiệu chinh hệ số Adelay để có sai lệch nhỏ - Xây dựng lưu đồ thuật toán cho việc tính toán khoảng Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /2022 Ngày hoàn thành đồ án: 14/07/2022 Đà Nẵng, ngày 13 tháng 07 năm 2022 Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn TS Giáp Quang Huy TS Nguyễn Khánh Quang LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, hệ thớng định vị tồn cầu GPS đã ứng dụng nhiều phần mềm thiết bị Các thiết bị không dây điện thoại thông minh đã cài đặt sẵn tính định vị toàn cầu GPS phần không thể thiếu Độ chính xác GPS sử dụng mơi trường ngồi trời cao, nhiên, hệ thống định vị tồn cầu GPS khơng thể cho kết chính xác thiết bị môi trường nhà Đặc biệt các mơi trường các tồ nhà lớn cao ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại Định vị nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan tâm nhiều năm trở lại đã có hệ thống thương mại hoá Vì vậy, nhóm chung em thực hiện đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà” nhằm mục đích tạo hệ thống định vị nhà để có thể khắc phục hạn chế GPS, giám sát các hoạt động nhà máy hay chi đường cho người dùng các trung tâm thương mại hay siêu thị,… Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Khánh Quang đã hướng dẫn hỡ trợ, chi bảo kiến thức cần thiết để hồn thành đồ án Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới đến công ty CP tư vấn công nghệ sản xuất PKH đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Đăng Khoa anh Nguyễn Hồng Thiết đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giup đỡ em, tạo cho em cách tư làm việc cách khoa học từ việc lựa chọn các nguồn tài liệu, phân tích báo, chọn lọc cách tóm tắt các ý chính đến việc quản lý lưu trữ sử dụng tối ưu các nguồn tài liệu tham khảo, tiếp cận với các công nghệ kỹ thuật tiên tiến Nhờ chi bảo hường dẫn quý giá đó mà suốt quá trình triển khai, nghiên cứu hồn thành đề tài giao cách tớt Tuy nhiên, quá trình làm đồ án kiến thức chun ngành em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi vài thiếu sót trình bày đánh giá vấn đề Rất mong nhận góp ý, đánh giá các thầy cô môn để đề tài em thêm hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn CAM ĐOAN Em xin cam đoan kết đạt sản phẩm riêng cá nhân, không chép lại người khác Trong toàn nội dung báo cáo, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất các tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan mình Sinh viên thực hiện MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu cảm ơn Lời cam đoan liêm chính học thuật Mục lục Danh sách các bảng biểu, hình vẽ sơ đồ Danh sách các cụm từ viết tắt i ii iii v ix Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHA 11 1.1 Đặt vấn đê 11 1.2 Các kĩ thuật định vị nha 11 1.2 Giải pháp cho đê tai 13 Chương 2: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TAI 14 2.1 Cơ sở lý thuyết 14 2.1.1 UWB Ranging (đo đạc khoảng cách) 14 2.1.2 Line of Sight……………………………………………………………….……….13 2.1.3 Nguồn lỗi…………………………………………………………… ……14 2.1.4 Giao tiếp………………………………………………………………… 15 2.2 Hệ thống định vị nha hãng DecaWave……………………………16 2.2.1 Thiết lập chuẩn bị hệ thống .19 2.2.2 Ví dụ cấu hình hệ thống 20 2.2.3 Hiển thị định vị app RTLS System Manager 21 2.2.4 Raspberry Gateway 31 Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHA BẰNG UWB VỚI ESP32 36 1.1 Phần cứng hệ thống 36 1.1.1 Module DWM1000 BU01 36 1.1.2 ESP32 .38 1.1.3 Kết nối phần cứng .40 1.2 Phần mêm hệ thống .41 1.2.1 VS code PlatformIO IDE 41 1.2.2 Lập trình ESP32 với VS code 42 1.4 Đo khoảng cách giữa Tag va Anchor 49 1.5 Độ trễ Antenna DWM1000 BU01 .51 1.5 Lưu đờ thuật tốn calib Antenna 54 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .55 1.1 Với điêu kiện LoS .55 1.2 Với điêu kiện NLOS 63 1.3 Khi thay đổi góc Antenna 63 1.4 Hiển thị khoảng cách giữa tag va anchor .67 KẾT LUẬN 70 TAI LIỆU THAM KHẢO .71 DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 2.1 Phương pháp Single-sided TWR 14 Hình 2.2 Double-sided TWR (3 messages) 15 Hình 2.3 Double-sided TWR (4 messages) 15 Hình 2.4 Chênh lệch thời gian đến .16 Hình Trilateration 16 Hình 2.6 Moldule DWM1000 19 Hình 2.7 Chi tiết module DWM1000 19 Hình 2.8 Vị trí Anchor Tag .20 Hình 2.9 Hệ thống với anchor tag 21 Hình 2.10 Hệ thống với 11 anchor tag 21 Hình 2.11 Màn hình giao tiếp với TeraTerm 22 Hình 2.12 Cài đặt tốc độ truyền cho port 22 Hình 2.13 Giao diện kết nối với TeraTerm 23 Hình 2.14 Giao diện app điện thoại 23 Hình 2.15 Tìm kiếm thiết bị mạng lân cận 24 Hình 2.16 Lựa chọn thiết bị để đăng ký vào network 25 Hình 2.17 Mạng các thiết bị chưa thêm vào mạng 25 Hình 2.18 Chi tiết mạng 26 Hình 2.19 Thông tin chi tiết thiết bị 27 Hình 20 Định vị tự động các Anchor .29 Hình 21 Quy ước cách sắp xếp các Anchor 30 Hình 2.22 Màn hình hiển thị định vị thành công 31 Hình 2.23 DWM1001-DEV có thêm các chân header .31 Hình 2.24 Raspberry với nut làm cầu nối 32 Hình 2.25 Lấy địa chi IP Raspberry 32 Hình 2.26 Kết nối với địa chi IP Raspberry 33 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.4 Kết thực nghiệm với Adelay mặc định - Nhận xét: Với Adelay mặc định 16384 ta nhận khoảng cách đo khoảng cách thực tế sai lệch lớn, gần 1m Nguyên nhân là hệ số Adelay mặc định chưa calib Thiết bị tín hiệu khoảng cách 65m với cường độ tín hiệu -100db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 59 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.5 Kết thực nghiệm với Adelay 16539 (calib 8m) - Nhận xét: Sau calib với khoảng cách 8m hệ số Adelay=16539, kết đo bám sát với giá trị mong muốn Sai lệch khoảng cách nằm khoảng 5cm Tổng bình phương sai lệch 0,0128 Thiết bị tín hiệu đạt khoảng cách 65m với cường độ tín hiệu -101db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 60 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.6 Kết thực nghiệm với Adelay 16532 (calib 16m) - Nhận xét: Với hệ số adelay 16532 sau calib khoảng cách đặt 16m, giá trị sai lệch khoảng cách nằm khoảng 5-7cm, chut so với giá trị calib 8m Thiết bị tín hiệu khoảng cách 65m cường độ tín hiệu -103db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 61 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.7 Kết thực nghiệm với Adelay 16537 (calib 20m) - Nhận xét: Với khoảng cách calib antenna 20m, ta giá trị Adelay 16537, giá trị sai lệch ban đầu nằm khoảng 8-10cm, dần ổn định thiết bị tín hiệu khoảng cách 65m với cường độ tín hiệu -100db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 62 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.8 Biểu đồ thể hiện các giá trị đo điều kiện LOS Hình 4.9 Biểu đồ cường độ tín hiệu đo điều kiện LOS Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 63 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà 1.2 Với điêu kiện NLOS Nhận thấy kết calib 16m chính xác ta lấy hệ số đó để thử nghiệm với điều kiện NLOS Hình 4.10 Kết đo với điều kiện NLOS 1.3 Khi thay đổi góc Antenna Trong lần đo thực hiện thay đổi các góc antenna 180,135, 90, 45 để khảo sát xem với góc quay thì tín hiệu antenna tốt Hình 4.11 Góc Antenna 45 Vì kết calib 16m cho Adelay có bình phương sai lệch nhỏ nên ta lấy hệ số để làm hệ số Adelay cho anchor Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 64 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.12 Kết đo cho góc antenna 45 - Nhận xét: Sau nghiêng antenna góc 45 kết khoảng cách nhận cho sai lệch nhỏ, 5cm Thiết bị tín hiệu khoảng cách 50m với cường độ tín hiệu -95.5db Hình 4.13 Góc Antenna 90 Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 65 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.14 Kết đo cho góc antenna 90 - Nhận xét: Với độ lệch antenna 90 ta có các kết hình trên, bình phương sai lệch cho kết tốt nhiều so với góc lệch 45 Thiết bị tín hiệu khoảng cách 50m với cường độ tín hiệu -101db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 66 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Tương tự với các góc lệch 135 180 ta có các kết đo sau: Hình 4.15 Kết đo cho góc antenna 135 - Nhận xét: Kết đo góc cho sai số xấp xi với trường hợp góc antennna 90 Tín hiệu bị tới khoảng cách 50m với cường độ -96 Hình 4.16 Kết đo cho góc antenna 180 - Nhận xét: Kết đo cho góc antenna 180 cho sai lệch khá tốt, nhiên không thể tốt bằng kết góc trước đó Tín hiệu bị khoảng cách 50m với cường độ -102,6db Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 67 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.17 Biểu đồ thể hiện giá trị db thay đổi góc quay Hình 4.18 Biểu đồ thể hiện các giá trị thay đổi góc quay Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 68 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà 1.4 Hiển thị khoảng cách giữa tag va anchor Từ kết Calib ta nhận thấy kết Adelay calib 16m cho độ chính xác cao Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 69 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.19 Thực nghiệm tag anchor Sử dụng code hiển thị khoảng cách tag anchor, nạp vào tag Hình 4.20 Code hiển thị khoảng cách tag anchor Sau chạy code, ta kết khoảng cách hiển thị lên terminal Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 70 Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Hình 4.21 Kết khoảng cách KẾT LUẬN - Kết đạt được: Hiển thị khoảng cách tag anchor, thực hiện calib để cho hệ số Adelay đạt độ chính xác cao có sai lệch 10cm Cho tag có thể cùng luc truyền nhận tính toán khoảng cách đến tag lân cận - Hướng phát triển đề tài: Xây dựng mô hình định vị máy tính điện thoại dựa liệu từ khoảng cách tag đến anchor lân cận Tìm hiểu ứng dụng các giải thuật mới, cho phép đo đạc, chuyển hệ trục tọa độ với sai số thấp có thể Tối ưu hóa phần cứng, sử dụng nguồn pin nhỏ gọn có thời lượng làm việc lâu dài, đáp ứng các ứng dụng thực tế,… Thêm khả đo tự động khoảng cách các Anchor A1, A2, A3 để có thể thiết lập hệ trục tọa độ cách linh động, áp dụng bất cứ nơi sử dụng hệ thống Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 71 TAI LIỆU THAM KHẢO [1] Anders Lagerkvist, Construction of an indoor positioning system using UWB Anders Lagerkvist [2] Zwe Yint Aung, Indoor Localization System Using Ultra-Wide band Device [3] A K Rajendra, Y Song, K Gururaj, C X Wang, G F Cai, C L Law, W P Tay and H P Chow ST Engineering-NTU Corporate Lab Nanyang Technological University, Singapore, UWB based Real-Time Cooperative Localization System [4] MDEK1001 Kit User ManualModule Development &Evaluation Kit for the DWM1001 [5] Igor Dotlic, Andrew Connell, Hang Ma, Jeff Clancy, Michael McLaughlin, Angle of Arrival Estimation Using Decawave DW1000 Integrated Circuits [6] A.R Jim´enez, F Seco, Comparing Decawave and Bespoon UWB location systems: indoor/outdoor performance analysis [7] DWM1001 Gateway Quick Deployment Guide [8] https://www.makerfabs.cc/article/esp32-uwb-indoor-positioning-test.html [9] https://www.makerfabs.cc/article/esp32-uwb-antenna-delay-calibrating.html Phụ lục ... Flight Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà MỞ ĐẦU - Mục đích thực đê tai: Hệ thống định vị GPS cho sai số lớn định vị nhà, đề tài Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị. .. tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu Số thẻ SV: 105180470 Lớp: 18TDHCLC2 Báo cáo trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống định vị nhà. .. nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan tâm nhiều năm trở lại đã có hệ thống thương mại hoá Vì vậy, nhóm chung em thực hiện đề tài ? ?Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà? ??