Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành CNTT Học viện công nghệ bưu chính viễn thông. Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ thông tin PTIT

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành CNTT Học viện công nghệ bưu chính viễn thông. Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ thông tin PTIT. Đề tài: Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà...........................................................

Trang 1

Đề tài: “Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong

xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà”

Giảng viên hướng dẫn : TS Ngô Quốc Dũng

Sinh viên thực hiện: Trần Đại Nam MSSV: B15DCCN381

Hệ: Đại học chính quy

HÀ NỘI - 2019

Trang 2

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong xây dựng hệ thống chỉ

đường trong nhà”

Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quốc Dũng

Sinh viên thực hiện: Trần Đại Nam

MSSV: B15DCCN381

Hệ: Đại học chính quy

Trang 3

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

………

Hà Nội, 12/2019 Giảng viên phản biện

Trang 4

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

Hà Nội, 12/2019 Giảng viên hướng dẫn

Trang 5

Em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Bố, Mẹ, các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ

và động viên em trong những lúc khó khăn cũng như trong suốt thời gian học tập và nghiêncứu

Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép,nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong sự cảm thông và tận tình chỉbảo của quý Thầy Cô và các bạn

Sinh viên thực hiện Trần Đại Nam

Trang 6

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN 2

1.1 Hệ thống định vị trong nhà 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.2 Phân loại 2

1.2 Đặt vấn đề 4

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 6

2.1 Đề xuất phương pháp 6

2.2 Hệ thống định vị trong nhà bằng BLE 6

2.2.1 Bluetooth 6

2.2.2 Bluetooth Low-energy 7

2.2.3 Quét thiết bị BLE trên hệ điều hành Android 8

2.2.4 Xác định vị trí người dùng 9

2.2.5 Lọc nhiễu RSSI thu được bằng bộ lọc Kalman 12

2.3 Tổng quát về Unity 14

2.3.1 Unity là gì? 14

2.3.2 Tính năng chính của Unity 15

2.3.3 Các thành phần chính trong Unity Editor 15

2.3.4 Các khái niệm cơ bản trong Unity 17

2.4 Thực tế tăng cường 21

2.4.1 Định nghĩa 21

2.4.2 Cách thức và nguyên lý hoạt động 22

2.4.3 Điểm khác so với thực tế ảo (VR) 24

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHỈ ĐƯỜNG TRONG NHÀ 25

3.1 Môi trường xây dựng hệ thống 25

3.2 Sơ đồ thiết kế 25

3.2.1 Sơ đồ Use Case 25

Trang 7

3.2.2 Sơ đồ tuần tự 26

3.3 Khởi tạo project trong Unity 29

3.4 Xây dựng bản đồ số 31

3.4.1 Dựng mặt bằng phòng của các tầng 31

3.4.2 Dựng 3D mặt bằng các tầng 34

3.4.3 Tạo bản đồ đường đi và các phòng 35

3.5 Tìm kiếm đường đi 36

3.5.1 Thuật toán tìm kiếm đường đi Dijkstra 36

3.5.2 Áp dụng thuật toán Dijkstra vào Unity 38

3.6 Cài đặt thực tế tăng cường không mốc trong Unity 39

3.6.1 Lấy hình ảnh của không gian thật bằng Camera của điện thoại 39

3.6.2 Cố định bản đồ số với Camera 40

3.7 Xác định vị trí hiện tại 41

3.7.1 Xác định vị trí các thiết bị BLE trong bản đồ số và trong không gian thật 41

3.7.2 Quét các thiết bị BLE ở gần bằng plugin cho Unity 42

3.7.3 Xác định vị trí hiện tại từ các cường độ tín hiệu thu được 46

3.8 Tìm kiếm địa điểm bằng mã ảnh/mã QR 48

3.8.1 Vuforia SDK 48

3.8.2 Tạo cơ sở dữ liệu cho Vuforia SDK 49

3.8.3 Tích hợp Vuforia vào Unity 50

3.8.4 Tìm kiếm địa điểm khi quét mã QR 50

3.9 Thực nghiệm 52

CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT 53

4.1 Giao diện ứng dụng 53

4.2 Kết luận 53

4.2.1 Đạt được 53

4.2.2 Hạn chế 55

4.3 Hướng phát triển trong tương lai 55

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

3D: 3 Dimentions Không gian 3 chiều

AR: Augmented Reality Thực tế tăng cường

BLE: Bluetooth low-energy Bluetooth năng lượng thấp

GATT: Generic Attribute Profile Tập hợp thuộc tính chung

GPS: Global Positioning System Hệ thống Định vị Toàn cầu

IoT: Internet of Things Vạn vật kết nối

RSSI: Received Signal Strength Indication Chỉ báo cường độ tín hiệu thu đượcSDK: Software Development Kit Bộ công cụ phát triển phần mềm

SLAM: Simultaneous localization and mapping Định vị và bình đồ (vẽ sơ đồ toàn cảnh)đồng thờiUWB: Ultra-Wideband Băng tần siêu rộng

VR: Virtual Reality Thực tế ảo

Wi-fi: Wireless Fidelity Mạng không dây

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhà 6Bảng 2.2: Một số điểm khác nhau giữa Bluetooth truyền thống và BLE 7Bảng 4.1: Phân bố của các phiên bản Android 54

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sai số của GPS khi định vị trong nhà 2

Hình 1.2: Mô phỏng hệ thống định vị bằng UWB trong ngành Logistics (Nguồn: SmartFactoryVN) 3

Hình 1.3: Module BLE (Nguồn: robotshop.com) 3

Hình 1.4: Hệ thống định vị bằng sóng Wi-fi (Nguồn: ResearchGate) 4

Hình 1.5: Biển chỉ dẫn trong sân bay (Nguồn: Laura Davis) 4

Hình 2.1: Biểu tượng của Bluetooth (Nguồn: CNet) 6

Hình 2.2: Cấu trúc của GATT [5] 8

Hình 2.3: Cách thức hoạt động của phương pháp so sánh dữ liệu (Nguồn: IOS Press) 11

Hình 2.4: Cấu trúc mạng nơ-ron 12

Hình 2.5: RSSI đo được từ thiết bị BLE trong 60 giây từ khoảng cách cố định bằng BLE Analyser 12

Hình 2.6: RSSI sau khi được lọc bởi bộ lọc Kalman 13

Hình 2.7: Độ chênh lệch giữa giá trị RSSI thực và và giá trị đã lọc 13

Hình 2.8: Biểu tượng của Unity (Nguồn: unity.com) 14

Hình 2.9: Các nền tảng mà trình Unity đã hỗ trợ (Nguồn: nanalyze.com) 14

Hình 2.10: Các thành phần chính của Unity Editor 15

Hình 2.11: Các GameObject trong Hierarchy 17

Hình 2.12: Các Component của GameObject trong cửa sổ Inspector 18

Hình 2.13: Transform của một GameObject 18

Hình 2.14: Các Scene trong folder Scenes với định dạng unity 18

Hình 2.15: Các Prefab trong folder Prefabs 19

Hình 2.16: Các tệp tin chứa code trong thư mục Scripts 19

Hình 2.17: Component của Camera 19

Hình 2.18: Asset của một dự án 19

Hình 2.19: Thông tin của Sprite 20

Hình 2.20: Canvas của ứng dụng 20

Hình 2.21: Trò chơi Pokemon GO (Nguồn: finacialexpress.com) 21

Hình 2.22: Công nghệ thực tế tăng cường trong bóng đá (Nguồn: telegraph.co.uk) 21

Hình 2.23: Hệ thống hiển thị kính lái trên máy bay (Nguồn: airliners.net) 22

Hình 2.24: Các chiều quay của con quay hồi chuyển (Nguồn: ResearchGate) 23

Hình 2.25: Con quay hồi chuyển trên điện thoại iPhone 4 (Nguồn: iFixit.com) 23

Hình 2.26: Người dùng đeo Oculus và tay cầm để tương tác với thế giới ảo (Nguồn: ideaing.com) 24

Hình 3.1: Sơ đồ Use Case 25

Hình 3.2: Sơ đồ tuần tự chức năng Xác định vị trí hiện tại 26

Hình 3.3: Sơ đồ tuần tự chức năng Tìm kiếm đường đi 27

Hình 3.4: Sơ đồ tuần tự chức năng Tìm kiếm đường đi bằng mã QR 28

Hình 3.5: Tạo project mới trong Unity 29

Hình 3.6: Đổi nền tảng cho project 29

Hình 3.7: Các thông tin của ứng dụng 30

Trang 11

Hình 3.8: Mặt bằng tầng G được dựng bằng Visual Paradigm Online 31

Hình 3.9: Mặt bằng tầng G sau khi chỉnh sửa 31

Hình 3.10: Mặt bằng tầng 1 32

Hình 3.18: Mặt bằng tầng 9 và tầng 10 34

Hình 3.19: Mặt bằng các tầng được xếp trong không gian 3 chiều 34

Hình 3.20: Các node tại tầng G 35

Hình 3.21: Bản đồ đường đi và các phòng được tạo bởi các node 35

Hình 3.22: Danh sách các node 36

Hình 3.23: Đường đi ngắn nhất được thể hiện bằng các điểm đỏ 38

Hình 3.24: Khởi tạo các tập cho node và gán giá trị khoảng cách 38

Hình 3.25: Xét các node đến khi tập chứa chưa được xét rỗng 39

Hình 3.26: Canvas trống 40

Hình 3.27: Canvas hiển thị nội dung trên Camera 40

Hình 3.28: Bản đồ số được đặt làm object con của Camera trong Hierarchy 40

Hình 3.29: Bản đồ được hiện lên trên nền hình ảnh Camera 41

Hình 3.30: Các object BLE trong Unity 41

Hình 3.31: Các thết bị BLE được đánh dấu là hình tròn màu xanh trong Unity 42

Hình 3.32: Sơ đồ thiết bị BLE tầng 1 42

Hình 3.33: Khai báo các quyền truy cập cho ứng dụng 43

Hình 3.34: Folder Android chứa AndroidManifest.xml và class.jar 45

Hình 3.35: RSSI đã được lọc của thiết bị BLE cách thiết bị di động 1m 46

Hình 3.36: Cách thức hoạt động của Vuforia (Nguồn: 3Pillar Global) 49

Hình 3.37: Cơ sở dữ liệu trên Vuforia 49

Hình 3.38: Tích hợp Vuforia vào Unity 50

Hình 3.39: Kết quả hiển thị khi quét mã 51

Hình 3.40: Cường độ tín hiệu đo được 52

Hình 3.41: Kết quả thực tế đo được 52

Hình 4.1: Giao diện của ứng dụng 53

Hình 4.2: Đường đi được hiển thị trên ứng dụng 54

Trang 12

MỞ ĐẦU

Hiện tại, với tốc độ đô thị hóa đến chóng mặt, càng ngày càng nhiều tòa nhà cao tầng,các khu đô thị, trung tâm thương mại, bệnh viện, đường xá, … được mọc lên Theo như báocáo của Ngân hàng Thế giới, vào năm 2018 [1], cả nước ta có 828 đô thị, với tỉ lệ đô thị hóatăng nhanh, đạt đến 38% Điều này đặt ra hạn chế lớn cho các hệ thống định vị, điều hướng do

sự suy hao gây ra bởi các bức tường, bê tông và các vật cản khác

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là công nghệ định vị được ứng dụng rộng rãi hiệnnay để xác định vị vị trí, tìm đường, … Tuy nhiên, đối với môi trường trong nhà và côngtrình, GPS không thể ứng dụng được vì các bức tường và các vật dụng trong nhà gây ra sự suyhao và thiếu chính xác cho hệ thống định vị trên [2] Để khắc phục nhược điểm của công nghệnày, các hệ thống định vị, điều hướng trong nhà hay còn gọi là hệ thống chỉ đường trong nhà

Trong đồ án này, em sẽ khảo sát và nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà dựa vàocường độ tín hiệu thu được RSSI từ các thiết bị phát Bluetooth (BLE) Để người dùng có thể

sử dụng và trải nghiệm dễ dàng, em sẽ sử dụng thực tế tăng cường để thể hiện bản đồ của tòanhà trong không gian 3 chiều được dựng trong Unity3D Ngoài ra, em cũng sử dụng VuforiaSDK để giúp người dùng có thể tìm kiếm điểm đến bằng cách quét mã QR

Đồ án này sẽ giới thiệu về các phương pháp để xác định vị trí trong nhà và đề xuất giảipháp tối ưu Sau đó là nội dung về xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà trên Unity Cuốicùng là chương tổng kết về những thành quả đã đạt được, những hạn chế còn tồn tại và hướngphát triển trong tương lai của ứng dụng này

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN

1.1 Hệ thống định vị trong nhà

1.1.1 Định nghĩa

Hệ thống định vị trong nhà là một hệ thống các thiết bị dùng để xác định vị trí củangười hoặc vật thể trong một công trình như tòa nhà cao tầng, sân bay, bệnh viện, bãi đỗ xe,hầm ngầm, … thay thế những hệ thống định vị bằng vệ tinh như GPS do hoạt động khônghiệu quả và sai số quá lớn, dẫn đến định vị sai

Hình 1.1: Sai số của GPS khi định vị trong nhà

1.1.2 Phân loại

Ngày nay, định vị và điều hướng trong nhà là xu thế nghiên cứu được nhiều nhà khoahọc trong nước và trên thế giới quan tâm vì đây là nền tảng để phát triển rất nhiều các hệthống IoT như: theo dõi con người, quảng cáo dựa vào vị trí, tìm kiếm điểm đỗ xe, … Một sốhướng nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị trong nhà như:

 Định vị không dùng sóng vô tuyến

- Định vị bằng từ trường: dựa vào các thay đổi cục bộ mà các thanh sắt có trong côngtrình tạo ra trong trường từ tính của Trái Đất

- Đo lường bằng quán tính: định lượng vị trí hiện tại bằng các cảm biến như con quayhồi chuyển, gia tốc kế,… và lọc các dữ liệu đo được bằng bộ lọc Kalman Các thuậttoán trong Định vị và bình đồ đồng thời (SLAM) cũng được sử dụng để tăng độ tincậy cho kết quả thu được

- Định vị bằng hình ảnh của các mốc trực quan: mỗi mốc được đặt ở vị trí đã được xácđịnh trước, thiết bị sử dụng thị giác máy để quét các mốc và xác định góc độ, khoảngcách so với mốc để lấy được vị trí của thiết bị

Trang 14

 Định vị bằng sóng, mạng không dây

- Băng tần siêu rộng (UWB): là sóng có phạm vi hẹp, băng tần rộng Để có thể định vịđược vị trí trong công trình, việc cài đặt các thẻ định vị dựa trên máy khách là bắtbuộc Các thẻ này truyền vị trí của chúng vào điện thoại thông minh – thông quakhóa trực USB được cắm trực tiếp vào điện thoại hoặc qua Bluetooth Trên điệnthoại thông minh có một ứng dụng được cài đặt chứa bản đồ kỹ thuật số xác định vàhiển thị vị trí hiện tại Hệ thống có độ trễ rất thấp và có thể yêu cầu vị trí 100lần/giây Hệ thống này được sử dụng chủ yếu trong môi trường công nghiệp vìphương pháp này đòi hỏi các thành phần phù hợp Phương pháp này tiêu tốn nhiềuchi phí vì phải lắp đặt nhiều thiết bị Độ chính xác của phương pháp này có thể đến

10 – 30 cm

Hình 1.2: Mô phỏng hệ thống định vị bằng UWB trong ngành

Logistics (Nguồn: SmartFactoryVN)

- Bluetooth: dựa vào cường độ tín hiệu đo được từ các bộ phát Bluetooth (BLE) mà ta

có thể xác định được khoảng cách giữa thiết bị cần định vị và các bộ phát Từ đó, cóthể tìm ra được vị trí xấp xỉ của vị trí hiện tại Định vị trong nhà bằng BLE khá phổbiến vì các thiết bị BLE rất tiết kiệm năng lượng, có giá thành rẻ và có nhiều nhà sảnxuất phần cứng tiếp thị những thiết bị nhỏ này Ngoài ra, tất cả các thiết bị thôngminh đều có thể bắt được sóng Bluetooth nên các hệ thống định vị trong nhà bằngBLE rất dễ triển khai Mỗi thiết bị BLE phải được đặt mỗi 7 – 10 m tùy theo độchính xác mong muốn Độ chính xác tốt nhất của hệ thống định vị trong nhà bằngBLE là 1 – 3 m

Trang 15

Hình 1.3: Module BLE (Nguồn: robotshop.com)

- Mạng không dây Wi-fi: đầu tiên cần đo cường độ của tín hiệu nhận được từ các bộphát Wi-fi, rồi nhập dữ liệu vào cơ sở dữ liệu Thiết bị cần định vị cũng sẽ đo cường

độ của Wi-fi và so sánh với dữ liệu đã có để xác định vị trí Tuy nhiên, để có thể xácđịnh chính xác, cần có nhiều bộ phát Wi-fi và dữ liệu chi tiết, dẫn đến tăng chi phílắp đặt và bảo trì Hiện tại, mới chỉ các thiết bị thông minh chạy trên hệ điều hànhAndroid có thể áp dụng định vị bằng Wi-fi nên tính ứng dụng chưa cao Độ chínhxác của phương pháp này là 5 – 15m

Hình 1.4: Hệ thống định vị bằng sóng Wi-fi (Nguồn: ResearchGate)

1.2 Đặt vấn đề

Hiện tại, các thành phố trên thế giới đang không chỉ tăng về số lượng mà còn tăng cả

về diện tích Các tòa nhà trọc trời, các khu trung tâm thương mại nằm dưới mặt đất, hay cáckhu tổ hợp rộng hàng ki-lô-mét vuông đang mọc lên ngày càng nhiều Các “khu rừng bê tông”dần dần chiếm trọn diện tích của các thành phố

Để có thể định hướng ở trong các công trình lớn, người ta thường sử dụng các biển chỉdẫn hoặc vạch kẻ đường Nhưng các biện pháp này có nhiều hạn chế vì người đi phải liên tụctìm kiếm chỉ dẫn và rất dễ đi lạc nếu đi quá các biển chỉ dẫn Không những thế, biển chỉ dẫnthường chỉ có thể chỉ đường đến các tầng hoặc khu vực nhất định, chứ không chỉ được chi tiếtđến các không gian nhỏ như các phòng, quầy nhỏ, … Cho nên cần có các hệ thống định vị vàchỉ đường trong nhà để mọi người có thể tìm đường đi một cách dễ dàng và trực quan

Trang 16

Hình 1.5: Biển chỉ dẫn trong sân bay (Nguồn: Laura Davis)

Hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Hệ thống định vị toàn cầu(GPS) GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốcphòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, tọa độ củamột điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất

ba vệ tinh Các máy thu GPS ngày nay khá chính xác ở trong môi trường thích hợp, nhờvào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu dùng 12 kênh song songnhanh chóng khóa vào các vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối liên tục [3]

Tuy nhiên, khi người dùng hoặc máy thu GPS đang ở trong một tòa nhà hay ở dướimặt đất, độ sai số của GPS trở nên đáng kể Nguyên nhân của việc này là các sóng truyền cáctín hiệu của GPS ở tần số 1575.42MHz (tần số cực cao) và khó có thể đi xuyên qua các vậtrắn Khi bạn ở trong một công trình, các tín hiệu từ vệ tinh bị chặn lại và làm suy hao bởi cácvật thể như tường, đồ vật trong phòng, hay bị xung đột với các sóng khác cũng có tần số cựccao như sóng ăng-ten TV Điều này làm việc định vị chính xác vị trí của bạn bằng GPS trởnên không thể GPS chỉ có thể hoạt động hiệu quả khi mà bạn ở ngoài trời, nơi mà bạn có thểnhận được các tín hiệu GPS một cách trực tiếp

Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng định vị, điều hướng hiện tại chỉ có thể biểu diễn vị trí

và bản đồ số trong không gian 2 chiều Điều này làm hạn chế việc xác định vị trí trong cáccông trình có nhiều tầng Người dùng khó có thể xác định đường đi nếu đường đi đó đi quanhiều tầng

Bài toán được đặt ra là: “Làm thế nào để có thể xác định được vị trí của người hoặc đồvật trong một công trình và biểu diễn vị trí, đường đi một cách trực quan?”

Trang 17

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT

2.1 Đề xuất phương pháp

Trong các phương pháp xây dựng hệ thống định vị, điều hướng trong nhà nêu trên,mỗi hệ thống đều có các đặc thù và ưu điểm riêng Tuy nhiên, các hệ thống định vị bằng sóng

có sự vượt trội hơn các hệ thống khác về độ chính xác

Bảng 2.1: Các phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhàQua đánh giá trong bảng 2.1, ta có thể thấy phương pháp xây dựng hệ thống định vị,điều hướng trong nhà bằng các thiết bị BLE hợp lý nhất Mặc dù chỉ có thể xác định được vịtrí xấp xỉ của người dùng với độ chính xác 1 – 3 m, hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bịBLE có các ưu điểm như: các thiết bị BLE nhỏ gọn, dễ triển khai, giá thành rẻ, tiết kiệm nănglượng và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị hơn so với các hệ thống định vị trong nhà khác Do đó,

đồ án sẽ được trình bày về hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bị BLE

Để biểu diễn vị trí, đường đi trên bản đồ số, thực tế ảo tăng cường được xây dựng trênnền tảng Unity là lựa chọn hợp lý nhất Người dùng có thể dễ dàng so sánh thông tin mà thực

tế tăng cường đưa ra với môi trường thật

Trang 18

2.2.2 Bluetooth Low-energy

Bluetooth Low-Energy hay BLE (Bluetooth năng lượng thấp) là công nghệ về mạng

cá nhân không dây được phát triển bởi Bluetooth Special Interest Group BLE được ứng dụngtrong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, mốc hiệu, an ninh, dịch vụ giải trí trong nhà,… Sovới Blueooth truyền thống, BLE tiêu tốn ít năng lượng hơn và giá thành rẻ hơn Hiện nay, các

hệ điều hành trên di động như iOS, Android, Windows Phone, BlackBerry và các hệ điềuhành trên máy tính như macOS, Linux, Windows 8, Windows 10 đều hỗ trợ BLE Nó cũng sửdụng các dải tần 2.4 GHz như Bluetooth truyền thống [5]

Bluetooth truyền thống Bluetooth Low-energyTầm phát Lý thuyết: 100m

Thực tế: 50m

Lý thuyết: <100mThực tế: 10 – 30mTốc độ truyền dữ liệu

trong không gian 1 - 3 Mbit/giây 125 kbit/giây – 1 Mbit/giây – 2Mbit/giâyThông lượng 0,7 – 2,1 Mbit/giây 0,27 – 1,37 Mbit/giây

Số thiết bị ngoại vi 7 Tùy vào cài đặt

Độ trễ (từ trạng thái

không hết nối) Khoảng 100ms 6 ms

Năng lượng tiêu thụ 1 W 0,01 – 0,5 W (Tùy vào mục đích

sử dụng)Dòng điện tiêu thụ tối

Bảng 2.2: Một số điểm khác nhau giữa Bluetooth truyền thống và BLE

Vào năm 2013, Apple ra mắt thiết bị iBeacon dựa trên BLE, điều này đã làm cho cácthiết BLE trở nên phổ biến hơn Các thiết bị Bluetooth Low-energy sử dụng Generic AttributeProfile (GATT), tạm dịch là Tập hợp thuộc tính chung để truyền dữ liệu Một số thuật ngữtrong GATT:

- Thiết bị ngoại vi (Client): Thiết bị khởi tạo các câu lệnh, yêu cầu và nhận các phảnhồi GATT Ví dụ như điện thoại di dộng, máy tính

- Thiết bị trung tâm (Server): Thiết bị nhận các câu lệnh, yêu cầu và đưa ra phản hồiGATT Ví dụ như cảm biến nhiệt độ

- Đặc tính (Characteristic): Một giá trị dữ liệu được truyền giữa thiết bị ngoại vi vàthiết bị trung tâm Ví dụ như điện thế của dòng điện

- Dịch vụ (Service): Một nhóm các đặc tính liên quan với nhau, thực hiện một chứcnăng nhất định

Trang 19

Hình 2.7: Cấu trúc của GATT [5]

2.2.3 Quét thiết bị BLE trên hệ điều hành Android

Phiên bản Android 4.3 (API level 18) đã giới thiệu nền tảng tích hợp hỗ trợ choBluetooth Low-energy để các thiết bị chạy hệ điều hành Android có thể phát hiện các thiết bịBLE, gửi yêu cầu dịch vụ và truyền dữ liệu [6]

 Cấp quyền truy cập cho BLE:

Để sử dụng các chức năng về Bluetooth trong ứng dụng, cần phải khai báo quyền sửdụng Bluetooth là BLUETOOTH và BLUETOOTH_ADMIN Quyền này cho phépứng dụng yêu cầu kết nối, đồng ý kết nối và truyền dữ liệu Ngoài ra, phải khai báoquyền truy cập vị trị chính xác ACCESS_FINE_LOCATION Nếu không khai báo,kết quả quét sẽ trả về rỗng

Trong trường hợp chỉ cần tương tác với các thiết bị BLE, thì phải khai báo thêm

 Sau đó, ứng dụng cần lấy được BluetoothAdapter BluetoothAdapter là Bluetooth củachính thiết bị mà ứng dụng đang chạy trên và ứng dụng tương tác vớiBluetoothAdapter như một đối tượng

 Quét các thiết bị BLE:

Để bắt đầu tìm kiếm các thiết bị BLE, ứng dụng gọi hàm startLeScan() Hàm này dùngvới tham số là BluetoothAdapter.LeScanCallback để nhận được kết quả trả về là thôngtin các thiết bị BLE mà thiết bị quét được (tên, RSSI, địa chỉ MAC, nhãn thời gian củathiết bị BLE)

Trang 20

Nếu cần quét một loại BLE nhất định, thêm UUID của thiết bị ngoại vị đó trong hàm startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback) các dịch vụ của GATT sẽ chỉ quét các thiết bị có UUID trên.

 Từ các thông tin mà ứng dụng quét được từ thiết bị BLE, ta có thể xác định được vị tríngười dùng

2.2.4 Xác định vị trí người dùng

Hiện nay, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng 2 phương pháp chính:

a) Dựa vào khoảng cách đến các thiết bị BLE:

Các thiết bị Bluetooth Low-energy được gắn cố định vào từng vị trí và được gán mộttọa độ nhất định Người dùng đo cường độ tín hiệu của các thiết bị BLE, từ đó tính đượckhoảng cách tương đối của người dùng đến các thiết bị BLE bằng công thức:

d=10 ( P−RSSI 10∗N ) (1)d: khoảng cách giữa người dùng và thiết bị RSSIP: cường độ tín hiệu của BLE ở khoảng cách 1mRSSI: cường độ tín hiệu của BLE mà người dùng đo được N: hằng số môi trường (2 ≤ N ≤ 4)

Dựa vào các thuật toán tìm tọa độ trong không gian, ta có thể tìm được vị trí tương đốihoặc khoảng không gian hiện tại của người dùng:

Trang 21

 Công thức tính tọa độ (x, y) của một điểm nằm trên một đường thẳng trong không gian

2 chiều khi biết khoảng cách của điếm đó với 2 đầu mút:

 Công thức tính tọa độ (x, y) của một điểm khi biết khoảng cách của điểm đó đến 3điểm cho trước trong không gian 2 chiều [7]:

Trang 22

Lấy (4) – (5) và (5) – (6), ta được:

{ (−2 x1+2 x2)x+(−2 y1+2 y2)y=d12−d22−x12+x22− y12+ y22

(−2 x2+2 x3)x+(−2 y2+2 y3)y=d22−d32−x22+x32− y22+ y32

→{Ax+By=C Dx+Ey=F

x= CE−FB EA−BD (7)y= CD− AF BD− AE (8)

- Ưu điểm: có thể triển khai nhanh và dễ dàng, không cần kết nối mạng Internet

- Nhược điểm: chỉ có thể tìm được vị trí tương đối

b) So sánh dữ liệu thu được với cơ sở dữ liệu đã thu thập sẵn:

Các thiết bị Bluetooth Low-energy cũng được gắn cố định Người cài đặt cần quétcường độ tín hiệu có trên mỗi vị trí hoặc của từng đường đi và nhập vào cơ sở dữ liệu đểtạo ra một bản đồ của cường độ tín hiệu nhận được Người dùng đo các tín hiệu từ BLE

và so sánh cường độ với dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, từ kết quả so sánh, ta tìm được vịtrí hiện tại Tuy nhiên, phương pháp này không phổ biến vì kết quả đo cường độ tín hiệu

có nhiều nhiễu, dẫn đến cơ sở dữ liệu không chính xác

Hình 2.8: Cách thức hoạt động của phương pháp so sánh dữ liệu (Nguồn: IOS Press)

- Ưu điểm: Chính xác hơn phương pháp dựa vào khoảng cách đến thiết bị BLE ở cáckhoảng không gian nhỏ

- Nhược điểm: Cần kết nối Internet để hoạt động, độ chính xác của vị trí phụ thuộc vào

độ chính xác của dữ liệu trong cơ sở dữ liệu

c) Áp dụng học máy:

Ngoài ra, để khắc phục nhược điểm của 2 phương pháp trên, các nhà nghiên cứu cũng

đã đề xuất áp dụng học máy vào Mục đích chính của việc áp dụng học máy là để giảm

Trang 23

sai số gây ra bởi nhiễu khi đo cường độ tín hiệu phát ra bởi thiết bị BLE Một trongnhững mạng thần kinh nhân tạo được sử dụng là mạng nơ-ron truyền ngược (BackPropagation Neural Network – BPNN) để huấn luyện mô hình tính toán khoảng cáchbằng RSSI [8] Tuy nhiên, để huấn luyện được thì cần một lượng lớn dữ liệu về cường

độ tín hiệu để làm dữ liệu đầu vào

Hình 2.9: Cấu trúc mạng nơ-ron

Đồ án này sẽ sử dụng phương pháp xác định vị trí bằng cách tính khoảng cách đến các thiết bịBLE vì đây là cách tính cho ra vị trí theo thời gian thực với độ trễ nhỏ nhất

2.2.5 Lọc nhiễu RSSI thu được bằng bộ lọc Kalman

Dữ liệu cường độ tin hiệu RSSI mà thiết bị quét được từ các thiết bị BLE bị nhiễu rấtnhiều, điều này gây ra bởi các vật cản như tường, nội thất hoặc do các sóng khác làm ảnhhưởng

Trang 24

Hình 2.10: RSSI đo được từ thiết bị BLE trong 60 giây từ khoảng cách

cố định bằng BLE AnalyserRSSI đo được chứa nhiễu khá phức tạp, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác củađịnh vị Như có thể thấy trong hình 2.5, giá trị RSSI biến thiên theo thời gian, giá trị tối đacủa RSSI đo được có lúc lên đến 0, tức là không nhận được tín hiệu Để khắc phục nhữngbiến động của RSSI do nhiễu gây ra, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng bộ lọc Kalman[8] để giảm chênh lệch của RSSI

Trang 25

Hình 2.11: RSSI sau khi được lọc bởi bộ lọc Kalman

Hình 2.12: Độ chênh lệch giữa giá trị RSSI thực và và giá trị đã lọc

2.3 Tổng quát về Unity

Trang 26

2.3.1 Unity là gì?

Hình 2.13: Biểu tượng của Unity (Nguồn: unity.com)Unity là một công cụ phát triển game (game engine) đa nền tảng được phát triển bởiUnity Technologies từ năm 2005 Trải qua hơn 13 năm phát triển, cho đến năm 2018, Unity

đã có thể hỗ trợ cho hơn 25 nền tảng như: Windows, MacOS, Android, iOS, Website thôngqua plugin Unity Web Player, … và ngày càng tăng Trình biên tập của Unity là Unity Editor

có 2 phiên bản Individual (miễn phí) và Business (trả phí), có thể chạy trên Windows vàMacOS (phiên bản dành cho Linux đang được thử nghiệm) Nó là công cụ để tạo ra các ứngdụng 3 chiều, 2 chiều, thực tế ảo, thực tế tăng cường, mô phỏng và được sử dụng trong nhiềulĩnh vực như trò chơi điện tử, phim, kiến trúc, xây dựng, … [9]

Hình 2.14: Các nền tảng mà trình Unity đã hỗ trợ (Nguồn: nanalyze.com)

Unity rất được ưa chuộng bởi giới làm game không chuyên vì lượng tài liệu hướngdẫn sử dụng Unity rất phong phú và còn có một cộng đồng cực lớn với diễn đàn riêng Hầuhết mọi câu hỏi được đăng lên diễn đàn để được trả lời một cách tỉ mỉ và trực quan

2.3.2 Tính năng chính của Unity

 Môi trường phát triển tích hợp với tính năng kế thừa, khả năng chỉnh sửa đồ họa, chứcnăng kiểm tra chi tiết, và đặc biệt tính năng xem trước game ngay trong khi xây dựng(live game preview)

Trang 27

 Tài nguyên (mô hình, âm thanh, hình ảnh, …) được tải vào Unity và tự động cập nhậtnếu tài nguyên có sự thay đổi Unity hỗ trợ các kiểu định dạng mô hình 3 chiều cho3DS Max, Maya, Blender, Cinema 4D, 3D Builder, …

 Ngôn ngữ lập trình được sử dụng chủ yếu bởi Unity là C# Trước đó, Unity đã hỗ trợngôn ngữ Boo nhưng đã bị loại bỏ từ Unity 5 Ngoài ra, Unity đã từng sử dụng mộtphiên bản của JavaScript dành riêng cho Unity là UnityScript, nhưng cũng bị loại bỏ ởbản Unity 2017

 Unity có tính năng kiểm soát phiên bản riêng, được gọi là Collaborate Nó cho phépmột nhóm lập trình viên đã đăng kí có thể làm việc trên cùng một dự án, quản lý sựthay đổi của các thành phần dự án (code, tệp tin, …)

 Unity Asset Store là nơi mua bán các sản phẩm liên quan đến Unity như: mô hình 2D,

mô hình 3D, hoạt hình, plugin, SDK, các dự án mẫu, … và có rất nhiều sản phẩm miễnphí để giúp người dùng mới có thể trải nghiệm dễ dàng hơn

 Người dùng có thể tạo hoạt hình cho các mô hình 2D hoặc 3D bằng các tính năngAnimator và Animation

2.3.3 Các thành phần chính trong Unity Editor

Hình 2.15: Các thành phần chính của Unity Editor1) Cửa sổ Hierarchy

 Tab Hierarchy là nơi hiển thị các Game Object trong Sences hiện hành Khi các đốitượng được thêm hoặc xóa trong Sences, tương ứng với các đối tượng đó trong cửa sổHierarchy

 Trong tab Hierarchy cũng có một thanh tìm kiếm giúp quản lý và thao tác với cácGame Object hiệu quả hơn đặc biệt là với các dự án lớn

2) Cửa sổ Scene

 Phần này hiển thị các đối tượng trong scene một cách trực quan, có thể lựa chọn cácđối tượng, kéo thả, phóng to, thu nhỏ, xoay các đối tượng,

Trang 28

 Phần này có để thiết lập một số thông số như hiển thị ánh sáng, âm thanh, cách nhìn2D hay 3D,

 Khung nhìn Scene là nơi bố trí các Game Object như cây cối, cảnh quan, enemy,player, camera, … trong game Sự bố trí hoạt cảnh là một trong những chức năng quantrọng nhất của Unity

3) Cửa sổ Inspector

 Cửa sổ Inspector hiển thị chi tiết các thông tin về Game Object đang làm việc, kể cảnhững component được đính kèm và thuộc tính của nó Có thể điều chỉnh, thiết lậpmọi thông số và chức năng của Game Object thông qua cửa sổ Inspector

 Mọi thuộc tính thể hiện trong Inspector đều có thể dễ dàng tuỳ chỉnh trực tiếp màkhông cần thông qua một kịch bản định trước Tuy nhiên Scripting API cung cấp một

số lượng nhiều và đầy đủ hơn do giao diện Inspector là có giới hạn

 Các thiết lập của từng component được đặt trong menu Các bạn có thể click chuộtphải, hoặc chọn icon hình bánh răng nhỏ để xuất hiện menu

 Ngoài ra Inspector cũng thể hiện mọi thông số Import Setting của asset đang làm việcnhư hiển thị mã nguồn của Script, các thông số animation, …

4) Cửa sổ Game

 Đây là màn hình xem trước của game, là góc nhìn từ camera trong game

 Thanh công cụ trong cửa sổ game cung cấp các tùy chỉnh về độ phân giải màn hình,thông số (stats), gizmos, tùy chọn bật tắt các component,

 Để điều khiển cửa số này, ở phía trên có 3 nút từ trái sang: nút bắt đầu/kết thúc, núttạm dừng, nút nhảy 1 frame

 Phía trên cây thư mục là mục Favorites, giúp chúng ta truy cập nhanh vào những tàinguyên thường sử dụng Chúng ta có thể đưa các tài nguyên vào Favorites bằng thaotác kéo thả

 Trên đường dẫn của thư mục tài nguyên hiện tại, có thể dễ dàng tiếp cận các thư mụccon hoặc thư mục gốc bằng cách click chuột vào mũi tên hoặc tên thư mục

6) Cửa sổ Console

 Tại tab này hiển thị các lỗi, cảnh báo, thông báo hoặc là log trong code

 Khi nhấn vào lỗi của code, Unity tự động mở code và đưa con trỏ chuột đến lỗi đó

Trang 29

2.3.4 Các khái niệm cơ bản trong Unity

Trang 30

Hình 2.17: Các Component của GameObject trong cửa sổ Inspector

3) Transform

 Là 3 phép biến đổi: tịnh tiến, quay theo các trục, và phóng to thu nhỏ một GameObject

Hình 2.18: Transform của một GameObject4) Scene

 Quản lý tất cả các đối tượng trong một màn chơi của game

Hình 2.19: Các Scene trong folder Scenes với định dạng unity5) Prefabs

 Là một khái niệm trong Unity, dùng để sử dụng lại các đối tượng giống nhau có tronggame mà chỉ cần khởi tạo lại các giá trị vị trí, tỉ lệ biến dạng và góc quay từ mộtt đối

Trang 31

tượng ban đầu Ví dụ: Các đối tượng là đồng tiền trong game Mario đều có xử lýgiống nhau, nên ta chỉ việc tạo ra một đối tượng ban đầu, các đồng tiền còn lại sẽ sửdụng prefabs Hoặc khi ta lát gạch cho một cái nền nhà, các viên gạch cũng được sửdụng là prefabs.

Hình 2.20: Các Prefab trong folder Prefabs6) Script

 Script là tập tin chứa các đoạn mã nguồn, dùng để khởi tạo và xử lý các đối tượngtrong game Trong Unity có thể dùng ngôn ngữ C# bằng IDE Microsoft Visual Studio

Hình 2.21: Các tệp tin chứa code trong thư mục Scripts7) Camera

 Là một game object đặc biệt trong scene, dùng để xác định tầm nhìn, quan sát các đốitượng khác trong game Game object này có component là Camera và Audio Listener

Hình 2.22: Component của Camera8) Asset

 Bao gồm tất cả những gì phục vụ cho dự án game như sprite, animation, sound, script,scenes…

Hình 2.23: Asset của một dự án

Trang 33

2.4 Thực tế tăng cường

2.4.1 Định nghĩa

Thực tế tăng cường (AR) là công nghệ mang những nội dung ảo đưa vào thế giới thật,giúp người dùng nhìn thấy, cảm nhận thấy và tương tác được với các vật ảo đó tại thế giớithật

Thực tế tăng cường là một công nghệ không mới, nhưng phần đông người tiêu dùngchưa nhìn thấy nó, và đa số mọi người biết đến thực tế tăng cường từ khi Pokemon GO – mộttrò chơi trên điện thoại gây sốt khắp thế giới đươc ra mắt vào năm 2016 Trước đó, công nghệthực tế tăng cường đã được áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: biểu diễn vị trí việt vịtrong bóng đá, thể hiện các thông số của máy bay trên hệ thống hiển thị kính lái HUD (Head-

up Display), …

Hình 2.26: Trò chơi Pokemon GO (Nguồn: finacialexpress.com)

Hình 2.27: Công nghệ thực tế tăng cường trong bóng đá (Nguồn: telegraph.co.uk)

Trang 34

Hình 2.28: Hệ thống hiển thị kính lái trên máy bay (Nguồn: airliners.net)

 Xác định màn ảnh (Scene identification):

Tiếp theo, thực tế thu được phải được quét để xác định vị trí chính xác mà nội dung ảonên được nhúng Vị trí này có thể được xác định bằng các dấu hiệu (thẻ trực quan)hoặc bằng cách theo dõi các công nghệ như GPS, cảm biến, hồng ngoại, hoặc laser

 Xử lý màn ảnh (Scene processing):

Khi bối cảnh được nhận dạng và xác định rõ ràng, nội dung ảo tương ứng được yêucầu, thường là từ Internet hoặc từ bất kỳ loại cơ sở dữ liệu

 Quan sát màn ảnh (Scene visualization):

Cuối cùng, hệ thống AR tạo ra một hình ảnh hỗn hợp của không gian thực cũng nhưnội dung ảo

b) Nguyên lý hoạt động

 Các thiết bị chạy ứng dụng của thực tế tăng cường có một bộ phận được gọi là conquay hồi chuyển (Gyroscope) Con quay này được sử dụng để theo dõi các chuyểnđộng quay

- Pitch: Nghiêng về trước và sau, như mặt phẳng nghiêng về phía trước hoặc về phía sau

- Yaw: Chuyển động trái và phải, giống như mặt phẳng quay trái hoặc quay phải

- Roll: Theo chiều kim đồng hồ hoặc chuyển động ngược chiều kim đồng hồ

Tiêu đề	Ứng Dụng Công Nghệ Bluetooth Trong Xây Dựng Hệ Thống Chỉ Đường Trong Nhà
Tác giả	Trần Đại Nam
Người hướng dẫn	TS. Ngô Quốc Dũng
Trường học	Học viện công nghệ bưu chính viễn thông
Chuyên ngành	Công nghệ thông tin
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	9,13 MB