hệ thống định vị trong nhà sử dụng bluetooth thế hệ mới t14

luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp

Trang 1

luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại họcluận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học, luận văn tổng hợp, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, luận văn tốt nghiệp, luận văn đại học

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

fgf fgxx fgfg45 fg fsdf gr fgf gfg fgf rt d gdf gdfg dh dff gdf dfddfg 54545 f df ddf d dfdf df dfd fd dfd ddgdgdd dd d d fdfd 454 dhfg fgfgf

gfsdsd sd sdsd dsd sd454 4545 4545xfdf def dtrrtrrtrt 454 454 545gd luan van do an khoa luan tot nghiep fdfd 454 dhfg fgfgf

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si,luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 2

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 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Tấn Lũy - Chủ tịch Hội đồng 2 TS Trần Hữu Toàn - Phản biện 1

3 PGS.TS Lê Mỹ Hà - Phản biện 2 4 TS Nguyễn Trọng Tài - Ủy viên 5 TS Nguyễn Thế Kỳ Sương - Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Trang 3

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 và xây dựng thực nghiệm một hệ thống định vị sử dụng raspberry pi và beacon C2640 dựa trên thuật toán trilateration

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 841/QĐ-ĐHCN

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, bên cạnh những nỗ lực và cố gắng của bản thân mình, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ của quý Thầy cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi đến quý Thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, quý Thầy cô Khoa Công nghệ Điện Tử - những người đã cùng với tri thức và tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu của mình cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Sơn, người đã định hướng, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Qua đây cũng xin gửi đến gia đình và bạn bè của mình lời cảm ơn chân thành hỗ trợ để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Trong quá trình thực hiện luận án chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót, do vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô để tôi học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm và hoàn thiện luận văn của mình

Sau cùng, xin kính chúc quý Thầy Cô Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, TS Nguyễn Ngọc Sơn được dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công trong cuộc sống và luôn giữ vững ngọn lửa đam mê của mình trong việc truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị được phát triển và ngày càng đạt đến độ chính xác cao dựa vào sự phát triển đa dạng của công nghệ truyền thông không dây (GPS, Wi-Fi, Bluetooth…) dùng để định vị vị trí rất tốt ở môi trường ngoài trời Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là khó truyền qua tường, cửa kính, nên không hoạt động tốt trong tòa nhà Nhiều nghiên cứu đang thực hiện đang khám phá các cách tiếp cận mới để xác định vị trí trong nhà Một kỹ thuật phổ biến liên quan đến việc sử dụng các giá trị chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) nhận được từ các Bluetooth Low Energy (BLE) để đo khoảng cách giữa thiết bị thu (raspberry pi) và phát (beacon) sau đó xác định vị trí của người dùng trong không gian trong nhà bằng cách áp dụng định vị thuật toán chẳng hạn như phương pháp trilateration Mục tiêu của thiết kế này là hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác cao và siêu tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, vẫn khó có được dữ liệu chính xác vì giá trị RSSI không ổn định do ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường xung quanh như thời tiết, độ ẩm, các rào cản vật lý và nhiễu từ các tín hiệu khác Trong luận văn này, tôi đề xuất một hệ thống theo dõi vị trí trong nhà giúp cải thiện hiệu suất bằng cách tối ưu hóa các tín hiệu RSSI không ổn định nhận được từ BLE Tôi áp dụng thuật toán lọc dựa trên Kalman để giảm nhiễu của giá trị RSSI nhận được

Trang 6

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

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Ngọc Sơn Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Học viên

Trần Xuân Bách

Trang 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 5

1.1 Hệ thống định vị trong nhà 5

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.3 Nội dung nghiên cứu 11

1.4 Bố cục luận văn 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2 Phân loại các 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 cơ chế lan truyền sóng điện từ 16

2.3.2 Nhiễu trong truyền sóng điện từ 17

Trang 9

2.4 Cường độ tín hiệu thu được RSSI 20

2.5 Công nghệ định vị trong nhà 22

2.6 Kỹ thuật định vị trong nhà 26

2.6.1 Ước lượng tiệm cận (Proximity Estimation) 26

2.6.2 Uớc lượng dựa trên góc (Triangulation Estimation) 27

2.6.3 Uớc lượng dựa trên độ trễ tín hiệu (Trilateration Estimation) 29

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43

4.1 Các bước cấu hình mô 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 trên ứng dụng 47

4.2 Khảo sát giá trị RSSI 50

4.3 Thực hiện định vị 57

4.4 Đánh giá độ chính xác của hệ thống 57

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 66

Trang 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 các góc Euler 7

Hình 1.2 Phương pháp của thuật toán đề xuất 7

Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống được đề xuất dựa trên BLE cho các bệnh viện 10

Hình 2.1 Phân loại hệ thống theo dõi vị trí 13

Hình 2.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 17

Hình 2.3 Biểu diễn của trễ đa đường 19

Hình 2.4 Ảnh hưởng của số mũ suy hao đường truyền 21

Hình 2.5 Ước lượng tam giác 27

Hình 2.6 Ước tính trong 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 Thông tin dò 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 về raspberry của beacon cần định vị 46

Hình 4.5 Cấu trúc mạng 47

Hình 4.6 Dữ liệu được cập nhật liên tục lên cloud 48

Hình 4.7 Cấu hình để hiển thị vị trí trên ứng dụng 49

Hình 4.8 Cấu hình tọa độ động chọn Raspberry Pi 50

Hình 4.9 Biểu diễn khảo sát 100 kết quả Rssi 50

Hình 4.10 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m của Raspberry Pi 1 trước và sau khi có bộ lọc kalman 51

Hình 4.13 Kết quả thử nghiệm định vị của hệ thống 57

Hình 4.14 Sai số kết quả thực nghiệm 58

Hình 4.15 Kết quả định vị sau khi thêm bộ lọc trung bình 59

Hình 4.16 Sai số thực nghiệm sau khi thêm bộ lọc trung bình 59

Trang 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị hệ số suy hao đường truyền n 37

Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả RSSI của Raspberry Pi 1 52

Bảng 4.2 So sánh độ lệch chuẩn của Raspberry Pi 1 52

Bảng 4.3 Kết quả ước lượng của Raspberry Pi 1 52

Bảng 4.10 Kết quả định vị của các Raspberry Pi 56

Trang 12

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for

Mobile Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Electronics Engineers Hội Kỹ sư Điện và Điện tử

IMU Inertial Measurement Unit Đơn vị đo lường quán tính

IPS Indoor Positioning System Hệ thống định vị trong nhà

OWC Optical Wireless Communication Giao tiếp không dây quang học

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập tạm thời

URL Uniform Resource Locator Định vị tài nguyên thống nhất

Trang 13

VLC Visible light communication Giao tiếp ánh sáng nhìn thấy

Trang 14

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại tự động hóa, khả năng điều hướng, định vị con người và thiết bị trong môi trường trong nhà ngày càng trở nên quan trọng do đó số lượng công trình nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tiễn ngày càng tăng Với sự xuất hiện hệ thống định vị vệ tinh, hiệu suất của định vị ngoài trời đã trở nên tuyệt vời, hệ thống định vị toàn cầu GPS được biết đến với khả năng định vị rất tốt để chỉ đường đi, hoặc bất kỳ nơi nào trên phạm vi rộng lớn Tuy nhiên hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối mặt với những khó khăn như tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho độ chính xác của kết quả giảm đi đáng kể Những khó khăn như vậy chủ yếu gặp phải trong môi trường trong nhà, tầng hầm và môi trường ngầm của các tòa nhà lớn Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng các hệ thống định vị trong nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System) có khả năng giải quyết tốt vấn đề này, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà là phải xác định chính xác vị trí sử dụng các thiết bị thông minh (Phone, PC, vv ) do vậy vấn đề gặp phải là tính ổn định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn cũng như độ chính xác thấp

Mong muốn và nhu cầu về hệ thống định vị trong nhà (IPS) ngày càng phổ biến trên thị trường Hệ thống định vị trong nhà không dây đã bắt đầu trở nên phổ biến trong những năm gần đây Đã có nhiều các công nghệ được đề xuất và thảo luận như Wifi, BLE, LTE, UWB, công nghệ lai mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà Mặc dù nhiều nghiên cứu các giải pháp thay thế cho GPS, không có công nghệ nào trong số này tạo ra tác động đáng kể trong lĩnh vực, sao cho có thể coi một tiêu chuẩn cho định vị trong nhà

Trang 15

2 Mục tiêu nghiên cứu

Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị trong nhà, các hệ thống định vị trong nhà cần lựa chọn các tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị Sự phổ biến của các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà Bên cạnh đó, các thuật toán định vị cũng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà

Luận văn sẽ trình bày, thiết kế về công nghệ Bluetooth Low Energy với các thông số kỹ thuật, ưu điểm của nó và sẽ đi vào giới thiệu hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy [1, 2], đã khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ Bluetooth trước đây, với các ưu điểm nỗi bật như: Siêu tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài năm chỉ với một viên pin nhỏ (coin-cell battery), và không yêu cầu cơ sở hạ tầng riêng biệt; hoạt động ổn định

Bluetooth Low Energy là một trong những công nghệ với khả năng cao thực hiện định vị trong nhà và như vậy sẽ là mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này Kết quả của luận văn này nhằm hỗ trợ việc phân tích tính khả thi của việc sử dụng công nghệ Bluetooth LE trong trong nhà để tìm vị trí của bất kỳ vật thể nào dựa trên các tiếp cận chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI)

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

Luận văn sẽ trình bày về các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà (Wifi, BLE, LTE, UWB ); thông qua các phương pháp và thuật toán định vị Các phương pháp ước lượng vị trí phổ biến là Góc tín hiệu đến (AOA), Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) và Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI), trong khi các thuật toán định vị là Triangulation, Trilateration, đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị trong nhà “Bluetooth beacons” từ đó đưa ra được những ưu điểm thiết thực của công nghệ định vị trong nhà sử dụng BLE

Trang 16

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Luận văn này tập trung xây dựng ứng dụng trong nhà thông minh dựa trên hệ thống định vị trong nhà với công nghệ Bluetooth năng lượng thấp, ứng dụng này được phát triển trên nền tảng Android cho người dùng

Cụ thể là khi các sản phẩm trong nhà được gắn các thiết bị Beacon CC2640, ta có thể xác định được vị trí của chúng thông qua các Raspberry Pi (có kết nối Bluetooth) nhờ các dữ liệu từ Beacon Sau đó các dữ liệu này được đưa lên Web server Từ Web Server sẽ gửi dữ liệu về một ứng dụng định vị được viết bằng Android trên điện thoại

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

“Hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy” đã đem lại sự phát triển mới trong hệ thống định vị trong nhà Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, công ty, gia đình hay trong các khu dịch vụ công cộng nhờ những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại

Hiện tại các công ty trong nhiều lĩnh vực từ ngành quảng cáo, thiết kế bản đồ, hay như trong lĩnh vực y tế và ngành hàng hải đang phát triển công nghệ định vị trong nhà Những tên tuổi lớn đáng kể như Google hay Nokia đang dẫn đầu giải pháp này Các ứng dụng thực tế như:

- Tìm địa điểm trong các tòa nhà văn phòng lớn, các tòa nhà trường đại học, khu trung tâm, viện bảo tàng, bệnh viện

- Tình huống khẩn cấp: điều hướng cứu hộ và khoanh vùng tình huống khẩn cấp - Theo dõi người và tài sản – bệnh nhân, trẻ em, khách tham quan, du khách, ví

dụ: theo dõi hành lý tại các sân bay; giao nhận, vận chuyển hàng hóa và theo dõi container trong kho, bến cảng, sân bay… xác định vị trí thiết bị trong nhà máy, văn phòng và bệnh viện

- Các ứng dụng xã hội: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà; quảng cáo dịch vụ

Trang 17

Hơn nữa, khi sử dụng BLE tầm gần sẽ giúp hệ thống hoạt động ít bị ảnh hưởng bởi các sóng vô tuyến khác trong môi trường hoạt động của nó như: Wifi, LTE, GSM, radio,… do đó công nghệ BLE sẽ trở thành một công nghệ của tương lai trong việc định vị vị trí trong nhà

Trang 18

1.1 Hệ thống định vị trong nhà

Định vị trong nhà là một kỹ thuật cung cấp vị trí liên tục theo thời gian thực của các đối tượng hoặc con người trong một không gian khép kín thông qua các phép đo Định vị trong nhà chủ yếu được sử dụng trong các tòa nhà, nhà kho, nhà máy và văn phòng để giám sát và theo dõi con người, thiết bị, hàng hóa Hệ thống định vị trong nhà (IPS) sử dụng cảm biến và công nghệ truyền thông để định vị các đối tượng trong môi trường trong nhà IPS đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học và doanh nghiệp vì có cơ hội thị trường lớn để áp dụng các công nghệ này Có nhiều khảo sát trước đây về hệ thống định vị trong nhà; tuy nhiên, hầu hết chúng chưa có tác động đáng kể trong lĩnh vực này, hoặc đều bỏ qua các công nghệ có liên quan, hoặc ở một phương diện nào đó cấu trúc phân loại còn hạn chế; cuối cùng, các cuộc khảo sát nhanh chóng trở nên lỗi thời trong một lĩnh vực năng động như IPS

Sự phổ biến của các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà Định vị trong nhà luôn được chú ý tới vì đây là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nhu cầu cao về IPS đã thúc đẩy ngày càng nhiều công trình nghiên cứu trong vòng 15 năm trở lại đây Số lượng nghiên cứu IPS được đưa ra trong giai đoạn này là rất lớn, được phản ánh trong số lượng các công trình nghiên cứu liên quan đến IPS gần đây Số lượng khảo sát đáng chú ý chỉ tập trung vào khía cạnh vấn đề chung chung, các nghiên cứu chỉ đề cập ngắn gọn kỹ thuật định vị trong nhà Tuy nhiên, một số trong đó đã giải quyết một số vấn đề cụ thể của IPS; các nghiên cứu này nói chung khác biệt với các nghiên cứu trước đây không chỉ bằng cách cung cấp các tối ưu

Trang 19

mới về các giải pháp IPS bằng cách đề xuất các nguyên tắc phân loại mới hoặc bằng cách nghiên cứu về các khía cạnh cụ thể như các ứng dụng cụ thể [3]

Dưới đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu

➢ Hệ thống định vị trong nhà dành cho người đi bộ cho các ứng dụng thị trường [4]

Hệ thống dựa trên quán tính người dùng Hệ thống quán tính tính toán vị trí của riêng người dùng mà không cần bất kỳ sự trợ giúp nào từ cơ sở hạ tầng vật lý Cảm biến quán tính đo các lực tác dụng lên cảm biến và do đó chuyển động của vật thể được gắn cảm biến có thể được tính toán Thông thường, các cảm biến quán tính được gắn với nhau tạo thành quán tính đơn vị đo lường (IMU), được hình thành bởi gia tốc kế 3 trục, con quay hồi chuyển 3 trục và 3 trục từ kế (Từ kế không phải là cảm biến quán tính, tuy nhiên nghiên cứu đưa vào đơn vị đo lường quán tính vì đây là thuật ngữ điển hình được sử dụng) Có hai loại chính của hệ thống dẫn đường quán tính:

• Hệ thống dây đeo: các hệ thống này tích hợp hai lần gia tốc của người dùng để ước tính vị trí

• Hệ thống bước và dẫn đầu (SHS): các hệ thống này ước tính vị trí bằng cách thêm vào ban đầu vectơ ước tính vị trí đại diện cho chiều dài bước và bước đầu của người dùng Bất kể cách tiếp cận nào được sử dụng, bước đầu tiên của hệ thống điều hướng quán tính là tính toán định hướng tương đối của cảm biến và cơ thể của người dùng Các phép đo của IMU được thể hiện trong khung tọa độ cảm biến, bất cứ khi nào gắn IMU vào người dùng, các trục của khung tọa độ cảm biến có thể không trùng với các trục của khung điều hướng Bất kỳ sai lệch nào trong các trục đều tạo ra sai số trong các phép đo; do đó, ước tính của định hướng tương đối là một phần quan trọng của một hệ thống điều hướng quán tính Sự biến đổi tương đối giữa hai khung tọa độ có thể thu được bằng cách xoay tuần tự quanh ba trục, trong đó góc của bánh xe đều được thể hiện dưới dạng Góc Euler Định nghĩa của các góc Euler được hiển thị trong Hình 1.1

Trang 20

Hình 1.1 các góc Euler

➢ Thuật toán định vị trong nhà sử dụng WiFi được cải tiến bởi trọng số Fusion [5]

Trong nghiên cứu này, một thuật toán mở rộng và cải tiến được trình bày để ước tính vị trí của mục tiêu Thuật toán đề xuất dựa trên thuật toán fingerprinting, vị trí mục tiêu được cải thiện từng bước thuật toán truyền thống, nó được hiển thị trong Hình 1.2

Hình 1.2 Phương pháp của thuật toán đề xuất

Trang 21

Thuật toán đề xuất dựa trên thuật toán fingerprinting bao gồm hai giai đoạn: quy trình thu nhận offline và quy trình định vị online

• Quá trình thu nhận offline bao gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Thu thập tín hiệu WiFi trong nhà

Giai đoạn này thu thập tín hiệu WiFi dựa trên bản đồ thu thập điểm Bản đồ thu thập các điểm được hình thành bằng cách chia nhà định vị thành một lưới các điểm tương đương Sau đó, Tín hiệu WiFi gốc được thu thập bằng cách sử dụng thiết bị di động tại vị trí của từng điểm

- Giai đoạn 2: Xử lý lỗi thu thập tín hiệu WiFi trong nhà

Giai đoạn này xử lý tín hiệu WiFi gốc bằng cách phân loại lỗi khi thu thập Có ba loại lỗi: lỗi hệ thống, lỗi tổng hợp và lỗi ngẫu nhiên

- Giai đoạn 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu về vị trí

Cơ sở dữ liệu của vị trí fingerprinting vị trí chủ yếu chứa thông tin sau: giá trị trung bình về cường độ tín hiệu WiFi gốc, độ lệch chuẩn của cường độ tín hiệu WiFi gốc và giá trị trung bình của cường độ tín hiệu WiFi được xử lý

• Quá trình định vị trực tuyến bao gồm các giai đoạn: - Giai đoạn 1: Vị trí fingerprinting phù hợp

Giai đoạn này được 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 trong nhà không dây dựa trên công nghệ Ultra Wideband (UWB) [6]

UWB là một trong những công nghệ mới nhất, chính xác và đầy hứa hẹn UWB dựa trên việc truyền các xung cực ngắn và sử dụng các kỹ thuật gây ra sự lan rộng của năng lượng vô tuyến (trên diện rộng dải tần số) với phổ công suất rất thấp Tần số thấp của các xung UWB cho phép tín hiệu hoạt động hiệu quả vượt qua các chướng ngại vật như tường và đồ vật Có ba lĩnh vực ứng dụng chính để sử dụng UWB: (1)

Trang 22

truyền thông và cảm biến; (2) định vị và theo dõi; và (3) radar Các kỹ thuật định vị UWB trên thực tế có thể cung cấp cho theo dõi độ chính xác trong nhà theo thời gian thực cho một số ứng dụng như kho lưu trữ và định vị di động đèn hiệu cho các dịch vụ khẩn cấp, điều hướng trong nhà cho người khiếm thị, theo dõi của người hoặc dụng cụ, và trinh sát quân sự Dữ liệu cao tốc độ của UWB có thể đạt tới 100 Megabits mỗi giây (Mbps) Ngoài ra, các dạng sóng xung băng thông rộng và cực ngắn giúp giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu đa đường và tạo điều kiện xác định TOA cho truyền dẫn giữa máy phát và máy thu tương ứng, điều này làm cho UWB trở thành một giải pháp hấp dẫn hơn cho định vị trong nhà hơn các công nghệ khác Trên thực tế, UWB cung cấp tỷ lệ chính xác cao có thể giảm thiểu lỗi đến centimet Do đó, UWB được coi là một trong những lựa chọn phù hợp nhất cho quan trọng ứng dụng định vị đòi hỏi kết quả chính xác cao

Ngoài ra còn có rất nhiều nghiên cứu điển hình như Yassin và cộng sự [7] nghiên cứu một phần giới hạn định vị, mặc dù nó ngắn gọn và có một số lượng nhỏ tài liệu dùng tham khảo dành cho các nghiên cứu khác Nó cũng có một phần dành riêng để kết hợp định vị và hợp nhất các dữ liệu, bài báo cung cấp các ví dụ thú vị nhưng thiếu rõ ràng định nghĩa tách hai khái niệm Sakpere và cộng sự [8] nghiên cứu gần như tất cả các công nghệ, không hạn chế các ứng dụng cụ thể, có số lượng lớn tài liệu, thảo luận về những thách thức và nhược điểm của từng công nghệ Basiri và cộng sự [9] cung cấp các đánh giá về nghiên cứu IPS tình trạng được thực hiện bởi một cuộc khảo sát chủ yếu là người dùng LBS thông thường, nhà nghiên cứu LBS, nhà phân tích thị trường LBS và nhà phát triển ứng dụng LBS Một cuộc khảo sát như vậy là một sự cần thiết, cho rằng việc sử dụng và mục tiêu của IPS rõ ràng là vượt ra ngoài các công trình học thuật được công bố…

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cùng với sự phát triển của công nghệ IOT, định vị trong nhà cũng đã được chú ý đến tại Việt nam, lĩnh vực hệ thống định vị trong nhà (IPS) còn rất mới, mở ra nhiều thách thức và cơ hội cụ thể

Trang 23

Đã có nhiều nghiên cứu trong nước về “Định vị trong nhà” Trong [10, 11] tác giả đã nghiên cứu chung, giới thiệu về phương pháp định vị trong nhà, việc định vị trong nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng và có nhiều ứng dụng trong Internet of Things Trong [12] thì tác giả đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị trong nhà “Bluetooth năng lượng thấp” từ đó đưa ra được những giải pháp nâng cao độ chính xác cho hệ thống, bài viết cũng đưa ra mô hình toán học của phương pháp đề xuất để tính toán ra vị trí của người dùng Kết quả triển khai thử nghiệm cho thấy hệ thống đã cải thiện được độ chính xác định vị đáng kể so với các hệ thống khác

Không chỉ tập trung vào nghiên cứu chung và cải thiện độ chính xác, các công trình nghiên cứu gần đây còn mở rộng vào thực tiễn, ứng dụng [13], Hình 1.3 tác giả xây dựng một hệ thống định vị trong nhà dựa trên BLE cho các bệnh viện

Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống được đề xuất dựa trên BLE cho các bệnh viện [13] Hệ thống cung cấp 3 chức năng chính như khám sức khỏe y tế mới-đăng ký, quản lý lịch trình trong ứng dụng của bệnh nhân và điều hướng Tác giả đã triển khai một trang web chức năng ứng dụng, bên cạnh đó, tạo một app android cho bệnh nhân quản lý lịch và tìm các vị trí, phòng khám

Trang 24

1.3 Nội dung nghiên cứu

Luận văn này tập trung xây dựng ứng dụng trong nhà thông minh dựa trên hệ thống định vị trong nhà với công nghệ Bluetooth năng lượng thấp, ứng dụng này được phát triển trên nền tảng Android cho người dùng

- Xây dựng hệ thống của công nghệ Bluetooth năng lượng thấp bằng phương pháp Triliteration từ đó tối ưu chính xác kết quả từ việc định vị

- Làm giảm sai số từ kết quả từ định vị vị trí bằng bộ lọc kalman

- Xây dựng hoàn thiện ứng dụng định vị trên nền tảng di động cho người dùng trên nền tảng Android

1.4 Bố cục luận văn

Cấu trúc của luận văn được phân thành 4 chương như sau: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan vê luận văn

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp định vị trong nhà

- Chương 3: Thiết kế và thi công (lựa chọn công nghệ và phương pháp định vị sẽ sử dụng, đưa ra được các thử nghiệm)

- Chương 4: Trình bày mô hình thực tế, kết quả đạt được - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Trang 25

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 khẳng định công nghệ nào là tiêu chuẩn cho định vị trong nhà, như GPS đã trở thành tiêu chuẩn ngoài trời cho đến nay Một số giải pháp được sử dụng cho hệ thống định vị trong nhà là: Wi-Fi, ZigBee, Radio băng thông cực rộng, Bluetooth truyền thống và Bluetooth năng lượng thấp Bên cạnh đó, các thuật toán định vị cũng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà

Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết truyền sóng trong môi trường trong tòa nhà, các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà cũng như các thuật toán định vị phổ biến

2.2 Phân loại các hệ thống định vị

Ngày nay, các kỹ thuật và công nghệ khác nhau [14] sẵn sàng cho việc phát triển các hệ thống định vị sẵn có [15] Yêu cầu lựa chọn hệ thống định vị cụ thể hơn để phù hợp với các nhu cầu và môi trường khác nhau như độ chính xác, môi trường trong nhà/ngoài trời, kỹ thuật, các phương pháp khác nhau, bảo mật và quyền riêng tư, thiết bị khả dụng Từ quan điểm công nghệ, phân loại hệ thống vị trí có thể được phân loại theo như trong Hình 2.1

Trang 26

Hình 2.1 Phân loại hệ thống theo dõi vị trí [16]

Trong Hình 2.1, phân loại lần đầu tiên được phân loại theo phương pháp định vị, tiếp theo là biến tín hiệu thu, kỹ thuật đo lường và cuối cùng là 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 các kỹ thuật có thể được sử dụng để xác định tọa độ vị trí bao gồm cảm biến tiệm cận, phương pháp góc và phương pháp trễ tín hiệu [15] Ước tính khoảng cách tiệm cận không dựa trên phạm vi, kỹ thuật không tính toán tọa độ vị trí chính xác của mục tiêu theo dõi Vì thế, loại ước tính vị trí này là một phương pháp "thô" Cả phương pháp góc và phương pháp trễ tín hiệu là kỹ thuật dựa trên phạm vi có thể tính toán vị trí chính xác tọa độ của mục tiêu theo dõi từ dữ liệu đo được Do đó, loại vị trí này ước tính là một phương pháp "chi tiết" Sự khác biệt giữa chúng là cách ước lượng Phương pháp góc tính toán tọa độ vị trí từ các góc giữa vị trí mục tiêu và vị trí tham chiếu, trong phương pháp trễ tín hiệu tính toán tọa độ vị trí từ khoảng cách giữa vị trí mục tiêu và tham chiếu các địa điểm

Trang 27

2.2.2 Phân loại theo biến tín hiệu thu

Từ Hình 2.1, có ba loại biến tín hiệu có thể được sử dụng để tìm dữ liệu cảm biến liên quan đến vị trí Các biến này rất dễ đo đạc là: góc nhận được, thời gian truyền và cường độ tín hiệu

- Các góc nhận được giữa các vị trí mục tiêu và tham chiếu là các biến chính được đo để ước tính góc

- Thời gian truyền là khoảng thời gian cần thiết để một tín hiệu đi từ máy phát đến người nhận Vì tốc độ lan truyền của một loại tín hiệu qua môi trường là không đổi nên nó là thuận tiện để tìm khoảng cách giữa máy phát và máy thu từ thời gian lan truyền

- Cường độ tín hiệu có thể được đo tại máy thu khi nó nhận được tín hiệu từ máy phát Nếu khoảng cách xa hơn, cường độ tín hiệu trở nên yếu hơn bởi sự suy giảm của đường dẫn Sử dụng mối quan hệ này, nó có thể tìm thấy khoảng cách bằng cách đánh giá tổng suy hao Cả thời gian truyền và cường độ tín hiệu có thể cung cấp khoảng cách giữa máy phát và máy thu, do đó chúng được sử dụng trong ước tính khoảng cách từ độ trễ tín hiệu

2.2.3 Phân loại theo kỹ thuật đo lường

Có bốn loại kỹ thuật đo lường Đó là góc đến (AOA), thời gian đến (TOA), thời gian sự khác biệt của điểm đến (TDOA) và cường độ tín hiệu nhận được (RSS) - Góc đến (AoA) Góc đến (AoA) là một đặc tính khác có thể được sử dụng để định vị trong nhà Nó cố gắng ước tính hướng truyền tín hiệu, tức là góc mà từ đó tín hiệu đến người nhận AoA thường đạt được bằng cách sử dụng một loạt các ăng-ten Các ăng-ten ở các vị trí khác nhau, không gian khác nhau dẫn đến sự khác biệt về thời gian đến, biên độ và pha

- Thời gian nhận tín hiệu (TOA) là phương pháp ước lượng vị trí bằng cách đo khoảng thời gian từ khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ nguồn phát đến khi tín hiệu được nhận ở thiết bị nhận Khoảng cách giữa người gửi và Máy thu tín hiệu có thể

Trang 28

được xác định bằng cách sử dụng thời gian truyền tín hiệu đo được và tín hiệu đã biết vận tốc Tín hiệu tốc độ lan truyền là không đổi và do đó đã biết, thời gian di chuyển của tín hiệu có thể được sử dụng để tính toán trực tiếp khoảng cách Hai cách tiếp cận có thể được sử dụng để thực hiện phương pháp khác nhau này Cách tiếp cận đầu tiên sử dụng một máy phát để truyền tín hiệu đến nhiều máy thu Tất cả các máy thu sau đó chuyển tiếp thời gian đến tín hiệu của 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 Bộ thu đo thời gian đến của tất cả các tín hiệu và so sánh trong hệ thống máy thu Cách tiếp cận này có thể có vấn đề kỹ thuật vì tất cả các máy phát phải được đồng bộ hóa để chúng gửi tín hiệu giữa các phân đoạn thời gian nhất định Ngoài ra, tín hiệu có thể bị mất do nhận được nhiều tín hiệu cùng lúc nếu thời gian truyền tín hiệu là chính xác bằng khoảng thời gian của phân đoạn thời gian

- TDOA là phiên bản cải tiến của TOA để tránh đồng bộ hóa khó khăn và vấn đề mất gói dữ liệu Để triển khai TDOA, cần phải có một máy phát để gửi hai tín hiệu khác nhau với tốc độ lan truyền khác nhau Khi hai tín hiệu được nhận tại máy thu, có thể đo sự khác biệt của thời gian đến giữa hai tín hiệu Sử dụng sự khác biệt của thời gian đến, thời gian bay (TOF) của một tín hiệu có thể được tìm thấy và nó chính xác bằng thời gian lan truyền của tín hiệu

- RSSI là một phương pháp để tìm khoảng cách từ sự suy giảm của đường truyền Nếu công suất truyền đã biết, tổng độ suy giảm của quá trình truyền tín hiệu qua đường dẫn có thể được tính bằng cách lấy công suất truyền trừ đi

2.2.4 Phân loại theo thiết bị

Từ khía cạnh thiết bị của hệ thống định vị trong Hình 2.1, về cơ bản có ba công cụ đo lường khoảng cách: mảng anten, máy thu phát RF, đầu dò siêu âm

Trong số đó, mảng ăng ten được sử dụng để đo góc của tín hiệu thu được [17] bởi so sánh độ lệch pha của tín hiệu từ các anten khác nhau Kết quả đo có thể được sử dụng trong phạm vi AOA

Trang 29

Nếu chỉ sử dụng bộ thu phát RF, nó có thể đo công suất nhận được và cung cấp cho RSS phương pháp khác nhau Trong hầu hết các bộ thu phát RF, một thanh ghi chuyên dụng được sử dụng để lưu trữ chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) Do đó, nó là một cách chi phí thấp và thuận tiện để đo khoảng cách

Nếu sử dụng bộ thu phát RF hoặc bộ chuyển đổi siêu âm, thì chúng chỉ có thể đo thời gian đến của các tín hiệu Do đó, nó có thể được sử dụng trong phương pháp TOA khác nhau Nếu cả bộ thu phát RF và đầu dò siêu âm được sử dụng [18], sau đó có hai tín hiệu khác nhau: RF và tín hiệu siêu âm được truyền qua đường dẫn với các tốc độ khác nhau Trong phạm vi nhỏ ứng dụng, thời gian lan truyền RF có thể được bỏ qua và được coi là không giây trong khi siêu âm cần thời gian lâu hơn Do đó, chênh lệch thời gian giữa hai tín hiệu có thể là được đo bằng bắt đầu bộ đếm thời gian khi tín hiệu RF đến và dừng bộ đếm thời gian khi tín hiệu siêu âm đến máy thu

2.3 Truyền dẫn sóng điện từ

2.3.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ

Có 3 cơ chế truyền vô tuyến: hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ

- Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng

- Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có

chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng

- Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài

bước sóng

Trang 30

Hình 2.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến

2.3.2 Nhiễu trong truyền sóng điện từ

Lý tưởng nhất là khoảng cách giữa bộ nhận tín hiệu và nguồn phát tín hiệu đó là một đường thẳng, nghĩa là không có vật cản và khoảng cách phù hợp Trong thực tế, tín hiệu được truyền đi có một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu nhận được Các nguyên nhân có thể gây nhiễu tín hiệu thu chủ yếu bao gồm:

2.3.2.1 Suy hao truyền dẫn

Các phép tính truyền sóng trong các hệ thống không dây thực tế cho thấy rằng tín hiệu trải qua một hiện tượng được gọi là mất đường Mất đường được giải thích đơn giản là công suất truyền tiêu hao theo quãng đường mà tín hiệu truyền được trong một môi trường cụ thể Từ các nghiên cứu khác nhau, rõ ràng là môi trường trong nhà khác biệt đáng kể so với môi trường ngoài trời theo nhiều cách Các mô hình mất đường dẫn trong nhà cần xem xét sự thay đổi trong sơ đồ mặt bằng, vật liệu xây dựng được sử dụng trong tòa nhà, loại và số lượng thiết bị văn phòng được sử dụng, số người làm việc và sự di chuyển của họ, quy mô thiết bị thông minh được sử dụng trong vùng lân cận…

Trang 31

Có một số mô hình đã được đưa ra để tính toán định lượng tổn thất đường truyền, bao gồm ray tracing, mô hình tổn thất đường dẫn đơn giản, mô hình Okumura và Hata; với mỗi mô hình có hiệu suất tùy thuộc vào môi trường ứng dụng Ví dụ, theo mô hình tổn thất đường dẫn đơn giản, công suất nhận được giảm theo định luật hàm số mũ ds− , với η là hệ số suy hao đường truyền hoặc số mũ của kênh truyền Công

suất tín hiệu và khoảng cách d của máy thu-máy nhận phụ thuộc hệ số suy hao đường truyền

Mô hình tổn thất đường dẫn được đơn giản hóa là một trong những mô hình được nghiên cứu kỹ lưỡng Tuy nhiên, khi khoảng cách máy thu-máy nhận tiến tới 0, mô hình bị lỗi do điểm đặc biệt tại ds = 0 Trong mô hình này, khi ds = 0, công suất nhận được vượt quá công suất truyền đi và tiến tới vô cùng, điều này là không thể trong thực tế Một số kỹ thuật đã được sử dụng để khắc phục nhược điểm đó Bất chấp hạn chế này, mô hình tổn thất đường dẫn là một mô hình tính toán suy hao công suất hợp lý và giảm độ phức tạp của phân tích hệ thống

Ngoài hiện tượng mất đường dẫn, hiện tượng Hiện tượng trễ đa đường đóng một vai trò quan trọng trong tín hiệu không dây sẽ được thảo luận tiếp theo

2.3.2.2 Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)

Multipath-Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường (Multipath) Các đường truyền không trực tiếp này đến máy thu lệch nhau theo thời gian và không gian, điều này gây ra các hiệu ứng phạm vi hẹp (small-scale fading) trong thông tin vô tuyến di động như: trải trễ, trải góc và trải Doppler, dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm hoặc/và tại các tần số khác nhau

Bởi vì số lượng lớn các tia phân tán trong môi trường, tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều các bản sao của tín hiệu đã truyền Do đó, tín hiệu nhận được bao gồm các bản sao có biên độ, pha, và góc đến khác nhau Điều này gây ra dao động đáng kể trong biên độ tín hiệu nhận được với thời gian dẫn đến một hiện tượng được gọi

Trang 32

là Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) hoặc hiệu ứng phạm vi hẹp scale fading) biểu diễn của fading đa đường được thể hiện trong Hình 2.3

(small-Hình 2.3 Biểu diễn của trễ đa đường

Mô hình hóa các biến động đa đường là điều cần thiết, tùy thuộc vào môi trường kênh, có một số mô hình đã được phát triển và áp dụng để nắm bắt thống kê fading của kênh Các mô đun đó có thể 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 đang chuyển động, vận tốc của nó gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu được truyền dọc theo mỗi đường dẫn tín hiệu Hiện tượng này được gọi là dịch chuyển Doppler Tín hiệu đi dọc theo các đường khác nhau có thể có các dịch chuyển Doppler khác nhau, tương ứng với các tỷ lệ thay đổi trong từng giai đoạn Sự khác biệt trong dịch chuyển Doppler giữa các tín hiệu khác nhau tập trung lại thành phần tín hiệu fading được gọi là trải Doppler Các kênh có dải Doppler lớn có các thành phần tín hiệu luôn thay đổi độc lập về pha theo thời gian [19] Nếu trải Doppler là đáng kể so với băng thông của tín hiệu truyền đi, tín hiệu nhận được sẽ bị mờ nhanh (fast fading) Mặt khác, nếu trải Doppler của kênh nhỏ hơn nhiều so với băng thông của băng tần cơ sở tín hiệu, tín hiệu trải qua quá trình mờ dần (slow fading) [20] Vì vậy, các thuật ngữ mờ chậm và mờ nhanh đề cập đến tốc độ thay đổi độ lớn và pha của kênh trên tín hiệu thay đổi Bởi vì nhiều phản xạ của tín hiệu đã truyền có thể đến máy thu ở các lần, điều này có thể dẫn đến nhiễu giữa các ký

Trang 33

hiệu (ISI) do sự cố các bit Sự phân tán thời gian này của kênh được gọi là trải trễ đa đường và là một tham số quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống truyền thông không dây

2.4 Cường độ tín hiệu thu được RSSI

Cường độ công suất nhận được từ một tín hiệu có thể được sử dụng để ước tính khoảng cách vì tất cả sóng điện từ có mối quan hệ nghịch đảo bình phương giữa công suất nhận được và khoảng cách [21] như thể hiện trong biểu thức sau:

trong đó Pr là công suất nhận được ở khoảng cách d từ máy phát Công thức này rõ ràng nói rằng khoảng cách của tín hiệu được truyền đi có thể được tính toán bằng cách so sánh sự khác biệt giữa công suất truyền và công suất nhận, hay nó được gọi là “suy hao đường truyền” Trong thực tế đo lường, sự gia tăng của suy hao do tăng khoảng cách có thể là khác nhau khi nó ở trong các môi trường khác nhau Điều này dẫn đến đặc điểm môi trường sử dụng số mũ suy hao đường truyền n như được hiển thị trong biểu thức sau [16]

( /)

d d

(2-2) trong đó Pd0là công suất nhận được đo tại khoảng cách d0 Thông thường, d0 được cố định như một hằng số d0 = 1 m Số mũ suy hao đường truyền n trong biểu thức là một trong những tham số quan trọng nhất đối với đặc điểm môi trường Nếu sự gia tăng của sự suy hao đường truyền càng mạnh khi khoảng cách tăng, giá trị của số mũ suy hao đường truyền n sẽ lớn hơn như thể hiện trong Hình 2.4 dòng trên cùng cho biết sự suy giảm hoặc mất đường truyền nếu n = 2.0 Đường gạch ngang bên cạnh nét liền dòng chỉ ra sự suy giảm nếu n = 2,5…

Trang 34

Hình 2.4 Ảnh hưởng của số mũ suy hao đường truyền [16]

Một đặc điểm quan trọng khác cấu thành các quy tắc về suy hao đường truyền trong Hình 2.4 là điểm đầu của mỗi đường cong Điểm bắt đầu của tất cả các đường cong được cố định ở -37 dBm Nếu cài đặt này là nhỏ hơn, thì tất cả các đường cong sẽ được dịch chuyển xuống thấp hơn Trong thực tế, chính xác P(d0) = -37 dBm Vì thế, P(d0) cũng là một trong những thông số quan trọng đặc trưng cho môi trường trong hầu hết các mô-đun thu phát vô tuyến, phép đo công suất nhận được chỉ là một phụ chức năng Giá trị đo được cung cấp bởi mô-đun có thể không được nhận chính xác dBm Tuy nhiên, chỉ báo cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) được sử dụng để biểu thị điều kiện của mức công suất nhận được Điều này có thể dễ dàng chuyển đổi thành công suất nhận bằng cách bù đắp để hiệu chỉnh đến mức chính xác RSSI thường được thực hiện trong hầu hết các tiêu chuẩn truyền thông không dây Các các tiêu chuẩn nổi tiếng bao gồm IEEE 802.11 và IEEE 802.15.4 Giá trị RSSI có thể được đo bằng giai đoạn tần số trung gian, trước bộ khuếch đại tần số trung gian, hoặc trong giai đoạn băng gốc của các mạch Sau khi nhận được giá trị RSSI, bộ xử lý hoặc vi điều khiển với bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số

Trang 35

(ADC) tích hợp chuyển đổi nó thành giá trị kỹ thuật số Giá trị này sau đó được lưu trữ trong một thanh ghi của bộ điều khiển để thu thập dữ liệu nhanh chóng

• RSSI trong môi trường trong nhà

Mặt khác, tín hiệu truyền dẫn trong môi trường trong nhà phải được điều chỉnh cho phù hợp để tránh nhiễu từ khu vực xung quanh Điều này là do mô hình suy hao đường truyền khi tín hiệu vô tuyến truyền qua tường với độ suy giảm tín hiệu cao Việc triển khai trong nhà yêu cầu các nút tham chiếu phải được cố định bên dưới trần nhà để tránh chướng ngại vật và phải có cùng độ cao giữa chúng

Mặc dù kỹ thuật RSSI là một trong những kỹ thuật có chi phí thấp và dễ dàng thực hiện, nhược điểm của nó là nó không cung cấp độ chính xác rất tốt, với mức trung bình từ 2 đến 4 m Điều này chủ yếu là do các phép đo RSSI có xu hướng dao động theo những thay đổi của môi trường hoặc nhiễu đa đường, các vật cản thường gặp trong môi trường trong nhà

2.5 Công nghệ định vị trong nhà

Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị trong nhà, các hệ thống định vị trong nhà cần lựa chọn các tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị Sự phổ biến của các công nghệ không dây và công nghệ cảm biến về vị trí và chuyển động của điện thoại thông minh mở ra khả năng ứng dụng cho việc định vị trong nhà Tuy nhiên Các công nghệ không dây vẫn là sử dụng rất phổ biến trên toàn cầu Các hệ thống định vị dựa trên các công nghệ không dây có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có để giảm thiểu chi phí Bằng công nghệ không dây, chúng ta có đề cập đến cả tần số cao công nghệ cũng như tần số thấp Ví dụ, các công nghệ không dây tần số cao phổ biến nhất đã được sử dụng là WiFi [22], Zigbee [23], RFID [24] và Bluetooth [25] Tuy nhiên, các công nghệ tần số thấp như công nghệ dựa trên ánh sáng vật lý cũng đã có một số nghiên cứu và thương mại sử dụng [26] Ví dụ: Light Fidelity hay còn gọi là Li-Fi là một trong những công nghệ không dây ở dạng công nghệ giao tiếp ánh sáng (VLC) Những công nghệ này đã được sử dụng thành công trong quá khứ cho định vị và điều hướng, với sự phổ biến của chúng khiến chúng trở thành giải

Trang 36

pháp lý tưởng cho định vị trong nhà Ngoài ra còn có các công nghệ như WiFi HaLow [25], BLE phiên bản 5.0 [25] và LoRaWAN [27] được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị IoT

➢ Một số công nghệ định vị trong nhà

• IEEE 802 11 - WiFi Chuẩn IEEE 802.11, thường được gọi là WiFi, là một trong những tiêu chuẩn phổ biến nhất công nghệ được sử dụng để định vị trong nhà Phạm vi truyền dẫn Wifi trong nhà có thể 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), trong khi nó có thể hoạt động ở 2,4 GHz, 5 GHz và 60 GHz Ngoài ra, mạng WiFi được thiết kế cho rất nhiều thiết bị từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến phablet và đồng hồ thông minh Sự sẵn có của tín hiệu WiFi và thiết bị hỗ trợ WiFi là một lợi thế cho định vị vì số lượng thiết bị di động thiết bị và các điểm tham chiếu tăng lên Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng của tín hiệu WiFi Đồng thời, không cần triển khai thêm phần cứng với công nghệ WiFi

Ngày nay số lượng các thiết bị thu phát wifi ngày càng tăng, các kênh 2,4 GHz và 5 GHz trở nên quá tải trong khi nhiễu tăng, giảm dung lượng mạng Thật vậy, Wi-Fi truyền thống ban đầu không được thiết kế để giải quyết những vấn đề này Thay vào đó IEEE 802.11ah - WiFi HaLow ra đời WiFi HaLow [26] được thiết kế để cho phép kết nối với nhiều thiết bị mới, các trường hợp sử dụng tiết kiệm điện trong ngôi nhà thông minh và thành phố thông minh, các phương tiện được kết nối và hỗ trợ khái niệm IoT nói chung Nó mở rộng WiFi thành băng tần 900 MHz để cho phép kết nối năng lượng thấp cần thiết cho các thiết bị IoT Phạm vi truyền gấp đôi phạm vi của WiFi trong khi nó chất lượng tín hiệu tốt hơn trong môi trường nhiều vật cản, chẳng hạn như môi trường trong nhà phức tạp với nhiều đồ đạc và tường Nó có thể hoạt động ở nhiều chế độ truyền từ tốc độ thấp từ 150 Kbp/s đến 347 Kbp/s Khả năng hoạt động với công suất thấp, phạm vi truyền dẫn cao và suy hao lan truyền thấp khiến WiFiHaLow một ứng cử viên sáng giá cho IoT Mặt khác,

Trang 37

WiFiHaLow tương đối mới so với các công nghệ khác, được ra mắt vào năm 2017, do đó nó không được phổ biến rộng rãi và sẽ mất một thời gian trước khi có bị cơ sở hạ tầng của HaLow

• Zigbee Zigbee là một giao thức truyền thông cấp cao được biết đến với sự đơn giản, sử dụng năng lượng thấp và an toàn mạng [23] Nó dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, xác định điểm hoạt động của Wireless Mạng Khu vực Cá nhân (WPAN) với ăng-ten tốc độ dữ liệu thấp Chúng ta có thể kiểm soát luồng thông tin và ngăn chặn bất kỳ việc mất dữ liệu nào bằng cách sử dụng Các thiết bị sử dụng Zigbee được thiết kế với các tính năng như chất lượng liên kết và cho phép dễ dàng xác định các phép đo như RSSI Zigbee thường được sử dụng để bản địa hóa trong WSN do yêu cầu năng lượng thấp của nó Trong thiết kế IoT với Zigbee cần triển khai thêm cơ sở hạ tầng, phần cứng

• Bluetooth Bluetooth là một công nghệ không dây để trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn Các IEEE chuẩn hóa Bluetooth là IEEE 802.15.1, nhưng không còn duy trì tiêu chuẩn này, được quản lý bởi SIG Được giới thiệu bởi Bluetooth Special Interest Group vào năm 2010, Bluetooth Low Energy (BLE) được thiết kế cho các ứng dụng không yêu cầu số lượng lớn truyền dữ liệu, đồng thời giảm tiêu thụ điện năng và chi phí lắp đặt thiết bị Định vị trong nhà đã được liên kết với Bluetooth và với iBeacon dựa trên BLE được quảng bá bởi Apple Inc… Hệ thống định vị trong nhà quy mô lớn dựa trên iBeacons đã được triển khai và áp dụng vào thực tế Tương tự như Zigbee, BLE là một công nghệ được sử dụng trong WPAN Việc tiêu thụ điện năng thấp của BLE đã dẫn đến số lượng lơn thiết bị mới trong IoT BLE 4.0 có thể đạt tốc độ 25 Mbit/s ở khoảng cách 60 m Các ứng dụng đang sử dụng BLE đã tăng lên rất nhiều trong vài năm qua Một số thiết bị mới đã được phát triển, trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe [28], thể thao, thể dục, an ninh và giải trí gia đình Beacon là thiết bị nhỏ, chi phí rẻ, chỉ chứa một CPU, WiFi Alliance đã công bố Bluetooth 5.0 là đối thủ của WiFi HaLow trong thiết kế IoT Nó được khẳng định là có tốc độ gấp đôi của phiên bản trước, phạm vi truyền dài hơn bốn lần và trao đổi dữ liệu nhanh hơn tám lần Sự đơn giản và phổ biến giữa các thiết bị IoT là

Trang 38

lợi thế của Bluetooth Các kích thước nhỏ của beacon và chi phí thấp của chúng với hiệu quả năng lượng của BLE và tuổi thọ kéo dài, có thể được sử dụng để tăng cường định vị trong một môi trường phức tạp mà không can thiệp vào cơ sở hạ tầng không dây

• RFID Thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) được thiết kế chủ yếu để truyền và lưu trữ dữ liệu [23] Cần có một đầu đọc RFID có thể giao tiếp với các thẻ RFID Có hai loại RFIDS RFID chủ động hoạt động trong dải tần số siêu cao (UHF) và vi sóng Cần được kết nối với nguồn điện cục bộ trong khi truyền ID của chúng định kỳ lên 100 m RFID thụ động, chúng hoạt động không cần pin nhưng trong phạm vi truyền dẫn 1-2 m Trong kỷ nguyên IoT, RFID không phải là một giải pháp đầy hứa hẹn Độ chính xác của chúng không đủ cao trong khi chúng không có sẵn trên nhiều thiết bị di động

• LoRaWAN LoRaWAN là một công nghệ tiêu thụ điện năng thấp, tầm xa được sử dụng để phát triển mạng diện rộng cá nhân (PWAN) [27] Ban đầu được phát triển bởi Liên minh LoRa, LoRaWAN giao thức truyền ở tần số thấp hơn 915MHz Lợi ích của việc sử dụng tần suất thấp hơn là bước sóng cho phép một khoảng cách lớn hơn mà tín hiệu có thể tiếp cận Do đó, nó có thể xuyên qua tường và vật cản mà không có vấn đề Nó cũng không còn dễ bị nhiễu vì nó không gây trở ngại cho bất kỳ thiết bị truyền trên băng tần 2.4GHz Nhược điểm của việc sử dụng tần số thấp như vậy là giảm tốc độ dữ liệu có thể được gửi giữa các thiết bị truyền Đối với các thiết bị đang di chuyển với tốc độ cao trong một khu vực rộng lớn, LoRa có thể là một lựa chọn tốt với IoT Tuy nhiên trong phạm vi ngắn, hiệu suất LoRa không cao, chi phí lớn và thiết bị bổ sung cần thiết để thiết lập một nút LoRa

• LiFi: LiFi là một công nghệ VLC [29] VLC là một tập hợp con của Giao tiếp không dây quang (OWC), sử dụng các điốt phát quang làm phương tiện để cho phép truyền thông tốc độ cao Dữ liệu được truyền bởi điều chỉnh cường độ của ánh sáng LED ở những khoảng thời gian nano giây, quá nhanh để mắt người phát hiện

Trang 39

2.6 Kỹ thuật định vị trong nhà

Kỹ thuật định vị là yếu tố đầu tiên cần xem xét ban đầu của thiết kế hệ thống định vị Điều này là do các kỹ thuật định vị xác định các cách tính toán, và do đó các phương pháp được sử dụng trong tính khoảng cách và lựa chọn thiết bị Trong phần này, các chi tiết của kỹ thuật ước lượng vị trí bằng cách sử dụng ước lượng tiệm cận, góc và độ trễ

2.6.1 Ước lượng tiệm cận (Proximity Estimation)

Ước lượng tiệm cận thường được sử dụng các nút cảm biến không dây trong mạng lưới Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận không đưa ra kết quả chính xác về vị trí thực tế của đối tượng so với các điểm tham chiếu., tọa độ vị trí không xác định nhưng có thể lấy được vị trí của các nút cảm biến xung quanh Như vậy, nó không phù hợp để được chọn cho các ứng dụng theo dõi vị trí Tuy nhiên, nó rất tốt cho việc mạng cảm biến quy mô lớn [30] Nhiều cách tiếp cận để ước lượng khoảng cách đã được đề xuất Điển hình bao gồm thuật toán centroid [21], lược đồ DV-hop [32], và point-intriangulation test (APIT) [30]

Thuật toán Centroid phát tất cả thông tin vị trí có thể có của nút tham chiếu đến tất cả các nút mục tiêu khác Thuật toán Centroid không được coi là đủ chính xác vì tính đơn giản và sự không đầy đủ Khó khăn của thuật toán centroid là số lượng nút tham chiếu được xem xét trong ước tính Theo mặc định, nó là tổng số tham chiếu xung quanh các nút mà nút đích có thể phát hiện và giao tiếp… "khoảng cách" là được đo ở dạng đếm bước nhảy vì phương pháp tiếp cận không có phạm vi không thực hiện khoảng cách nhiệm vụ khác nhau Do đó, số lượng các nút tham chiếu xung quanh có thể bị giới hạn trong đầu tiên hoặc cấp độ thứ hai (bước nhảy) của thông điệp đi qua

Thuật toán bản địa hóa DV-Hop [32] đã được đề xuất để xem xét đếm bước nhảy để ước tính khoảng cách Công việc này sử dụng cách tiếp cận tương tự như định tuyến vectơ các thuật toán