Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và chế tạo thiết bị định vị trong nhà sử dụng công nghệ LoRa

DANH MỤC TU VIET TATHé thống xác định vị trí dựa trên vị trí GPS của các vệ tỉnh nhân tạo LoRa Công nghệ giao tiếp tín hiệu tầm xa LOS Tầm nhìn thăng, không vật cản Tầm nhìn bị dính vật

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

LE MINH DUC HIEU - 19520539

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA CHE TAO THIET BI DINH VI TRONG

NHA SU DUNG CONG NGHE LORA

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF INDOOR POSITIONING

SYSTEM USING LORA TECHNOLOGY

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các Quý Thầy, Quý Cô của

trường Đại học Công nghệ Thông tin nói chung, và khoa Kỹ thuật Máy tính nói riêng

vì đã truyền đạt cho em những kiến thức và những bài học kinh nghiệm vô cùng quý báu.

Đặc biệt, dé có thể hoàn thành Đề tài nảy, em xin cảm ơn Thầy Trịnh Lê Huy đã luôn

theo đõi, giúp đỡ, cung cấp các trang thiết bị hỗ trợ và định hướng cách tư duy và

cách làm việc khoa học nhất cho em Những góp ý ấy có giá trị vô cùng quý báu không chỉ trong quá trình hoàn thiện luận văn này mà còn là nguồn động lực quan

trọng để em tiếp tục phát triển trong hành trình học tập và sự nghiệp sắp tới.

Dù đã cố gắng hết sức, lượng kiến thức và kinh nghiệm của em còn nhiều điểm hạn

chế, do đó bài báo cáo cũng như quá trình hoàn thành Đề tài vẫn còn nhiều điều thiếu sót Em rất mong nhận được những lời góp ý, nhận xét từ các Thầy, Cô dé em có thé

rút kinh nghiệm và hoàn thiện Khóa luận Tốt nghiệp được tốt hơn.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ và anh chị, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, ủng hộ trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường.

MỤC LỤC

Chương 1 TONG QUAN DE TÀI - 222 2222222222312231222112221122112221122212 xe 2

hố 2 1.2 Một số nghiên cứu liên quan - 2: 2¿+z+22+++2EE+2EEE+2EEESrExrrrrerrrkcee 4 1.3 Hướng nghiên cứu của để tài -: 22c 22x22E2c22E1C2212221 221121 erkcrek 5

1.4 Bố cục bài báo cáo

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYÉT 22:©22¿22+++22++22EE+22EE2EErsrrecsrk 7

2.1 Định vị người dùng trong nhà

2.1.1 Giới thiệu chung về định vị trong nhà .2-©¿525s+2csz+cse2 7 2.1.2 Cac kỹ thuật định vi trong nhà

2.1.3 Cac kỹ thuật xác định vi trí định VỊ ¿+ s+x+vcevrexsessx 1

2.2 Định vi trong nhà sử dụng công nghệ LoRa

2.2.1 Tổng quan về LoRa -© c+2c+22E+tttEsrerkerrrxrrrrrcee 2

2.2.2 Các khái niệm cơ bản trong Công nghệ truyền thông LoRa 3

2.243 Module LoRa SX1280 c5 St 5

2.2.4 Nguyên lý hoạt động cua chức năng do đạc trên SX1280 8

2.2.5 Cách loại bỏ sai số thời gian trong SX1280 -+ 20

2.2.6 Hiệu chuẩn độ trễ cụ thé của thiết kế 22 2.2.7 Độ chính xác theo lý thuyét cccccccccssecsseessseessseessseessseessessseesesees 22

2.2.8 Các phương pháp tránh nhiễu sóng Wi-Fi -.2- 5555:5552 24 2.3 Anten phân cực tTÒI tk v SE TH nh HH He 26

2.4 Các phép đo định vị người dùng trong nhà eee eects 32

2.4.1 Phép đo ba cạnh của tam giác Street 32

2.4.2 Công thức Haversine ¿chư 34

2.5 Giải pháp phát triển ứng dụng đi động Firebase -. -2¿c5sc+c5s2 35

2.6 Nền tảng hỗ trợ ứng dụng IoT ThingsBoard

2.7 Kết luận Hee 40 Chương 3 | THIET KE VÀ HIỆN THỰC HE THONG

3.1 Tổng quan hệ thống -2¿-©2+¿222++2E++22E3+222112221122112221122212 22212222 41

3.2 Thiết kế node định vi LoRa sử dung ESP32

3.2.1 Tổng quan về vi điều khiển ESP32 cccccccsssesssseessseesssessseesssecsssees 42

3.2.2 Module định vị trong nhà sử dụng chung một Anten

3.3 Kết quả của thiết kế hệ thống trên -©++22++2E+2t2EE+zEEEerrrrrrrxee 57

3.4 Kết luận về thiết kế hệ thống định vị trong nhà sử dung ESP32 62 3.5 Thiết kế phần mềm - 2: 22+222++2EE+22EE+22EE222E122231221222212zxe+ 63 3.5.1 Cách hoạt động của hệ thống định vị : :-:+2-x:zcssce¿ 63

3.5.2 Kết nối thiết bị vào nền tảng ThingsBoard -. - 555: 63

3.5.3 Lưu trữ dữ liệu tại Firebase - ¿5c +2 32t +vsssreerxerxerrsxx 66

3.6 Phương pháp do đạc tt ST HT re 66

Chương 4 CAC KET QUA VÀ ĐÁNH GIÁ ¿¿22+z+22xsvzxesrrscee 69

4.1 Đánh giá kết quả thu được của thiết bị định vị : . c-5:-555c+¿ 69 4.1.1 Kiểm tra kết quả hoạt động của anten : -:©2sc+5cscc+z+ 70

4.1.2 So sánh độ chính xác với thiết bị định vị có sẵn sử dụng Anten phân lim 017 72 4.1.3 So sánh độ rớt gói tin của thiết bị -c¿c22ccccscccrxesrxecrrs 74

4.2 So sánh độ chính xác định vi của các vị tri ổO -¿ -c +55 +5 s<x+ 75

Chương 5 | KET LUẬN VA HƯỚNG PHÁT TRIEN TIẾP THEO 79

An ‹ "a ` 79

5.2 Kinh nghiệm tích lũy - ¿tt SE ST ng nh re 79

5.3 Tự nhận xét về bài báo cáo

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2.1 Tương quan các loại sóng trong ứng dụng định vị trong nhà 3

Hình 1.2.2 Hình thực tế thiết bị do đạc của nhÓI - c5 éEeEEEeEkerkerkerkes 5 Hình 2.1 So sánh giữa tốc độ truyén đi và khoảng cách truyền của các phương tiện liên lạc không dây khác nhau (Nguồn: Researchgafe.nel) -c-cc+ccsce: 13 Hình 2.2 Bộ thu phát SX1280 (Nguồn: Semfech.€Olm) -5cs:cccccccsccscxez 15 Hình 2.3 Mach nguyên lý tham khảo (Nguôn: Semtech SX1280/1281 Datasheet) 16 Hình 2.4 Quá trình do lường khoảng cách được tích hợp trong LoRa SX1280 19

Hình 2.5 Chuyển đổi giữa Master và Slave (Nguồn: Semtech.com) - 20

Hình 2.6 Đảo ngược lỗi thời gian giữa Master và Slave Nguồn: Semtech.com) 21

Hình 2.7 Biểu đô thé hiện độ chính xác với các thiết lập SF va BW khác nhau (Nguôn: Semfe€] COH) 5s 55c CS EE112111121111221122111211 211121112121 eee 23 Hình 2.8 Mức độ sử dụng của băng tan ISM 2,4 GHz cho giao tiếp dữ liệu băng thông rộng sử dụng Wi-Fi (Nguôn: Semtech.COm) ccsscccssissssissssessssssssssssscssscesvess 24 Hình 2.9 Mô phỏng kỹ thuật giảm hệ 86 lan truyÖn -5 55sccccccccxccscxccrrs 26 Hình 2.10 Hình dạng của Anten phân cực tròn [6] - c5 +=+c+x+x++ecexe++ 28 Hình 2.11 Mặt trên của Anten phân cực tron [6] + - -«+s+s£+c+++x+x+erere++ 29 Hình 2.12 Mặt bên của Anten phân cực tron ÍÓj, + se ssxsvsveeexeesees 29 Hình 2.13 Độ phân phối của anten tại băng tần 2.4— 2.48GHz[14] 30

Hình 2.14 Độ phân phối của anten tại băng tan 5.725 — 5.875GHz{ 14] 31

Hình 2.15 Hệ số phản xạ mô phỏng và đo lường của Anten CP [6J - 31

Hình 2.16 Mô hình bức xạ mô phỏng va do lường của Anten CP [6] 32

Hình 2.17 Mô hình lý thuyết của phép đo ba điểm và mô hình thực tế hơn của nó / mm 33

Hình 2.18 Mô hình nên tang phát triển ứng dụng di động Firebase (Ngudn:firebase.google.COM) 5552 EEEEEE1122112111221112111121111 2111 xe 35 Hình 2.19 Giao diện cua website ThingsBoard (Nguồn: ThingsBoard.io) 39 Hình 2.20 Kiến trúc hệ thong của nên tảng ThingsBoard (Nguôn:ThingsBoard.io)

.40

Hình 3.1 Mô hình hoạt động của hệ thong định vị trong nhà -s+<<«+ 4I Hình 3.2 Vi điều khiển ESP32-C3 (Nguồn: Semtech.COM) -©cccc5+ 42

Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý cho hệ thống định vị trong nhà với ESP32 và LoRa

¬ 44

Hình 3.4 Các chân cấp nguôn cho E.ŠP32-C3 - 25c 25t cEcEEtcrrtcrrrrres 45 Hình 3.5 Thời gian cấp nguôn và reset của E'SP32-C3 -ccccccccccces 46

Hình 3.6 Thiết kế nút bắm Reset và BOOV - cccc c tEE 1121121111111 re 46

Hình 3.7 Cách vào các chế độ boot :-©cz222+z+22cv++tSvcvrrevrvvrrsrrvrrrrrrs 47 Hình 3.8 Thiết kế phần anten cho E:SP32 5c 55s St E211 cEEcrrrrres 47

Hình 3.9 Thiết kế phan anten cho SX1280 cecscccsscsssssssssesssssssssssssssssssssssicesssessseesse 48 Hình 3.10 Thông số do nhà sản xuất PCB đưa ra (Nguôn: jlepeb.com) 49

Hình 3.11 Kết quả tính trở kháng đặc tính của mạch thiết kế -+ 49 Hình 3.12 Mặt trước của layout thiết bị định vị trong nhà sử dụng ESP32 5Ö

Hình 3.13 Mặt sau cua layout thiết bị định vị trong nhà sử dụng ESP32

Hình 3.14 Mặt trước 3D của layout thiết bị định vị trong nhà sử dụng ESP32.

Hình 3.15 Mặt sau 3D cua layout thiết bị định vị trong nhà sử dụng ESP32 5 Ì

Hình 3.16 Vi trí đặt linh kiện cho Anten trên mạch thiết kế -:©s+cscxcsse2 52 Hình 3.17 Mặt trước của thiết kế hệ thong ccccccccsccssscssssssssssssssesssiesssisessicsssesssseess 52

Hình 3.18 Mặt sau của thiết kế hệ thÓngg - 22-552 25+22E+cEEEcsEEscsrxersrxecrrs 33 Hình 3.19 Cầu trúc thiết kế PCB sử dụng hai Anf€H -©22c555sc2cccccccces 33

Hình 3.20 Cdu trúc PCB sử dung 1 Anteh -s2: 25522252 5xcccvvcsrvrrsrvecsrs 54

Hình 3.21 Sơ đô mạch nguyên lý cho hệ thông định vị trong nhà dùng chung Anten

¬ 55 Hình 3.22 Layout thiết bị định vị trong nhà sử dụng chung Anten 55 Hình 3.23 Layout 3D thiết bị định vị trong nhà sử dụng chung Anfen 56

Hình 3.24 Mạch thực tế của thiết bị định vị trong nhà -.-©ccscccccccccccces 56 Hình 3.25 Lỗi xuất hiện tại thiết ke trên ::©2c+c22cveerSccvrrrsrxrrrsrrvrrrrres 57

Hình 3.26 Các chân SPIO trên MCU ESP32-C3 -5222c+222cccsccscsrres 57

Hình 3.27 Thông tin không sử dụng SPIO với mục đích khác ‹-+-+ 58

Hình 3.28 Các thay đổi chân kết nối của mạch mới -c-sccccccccxecccxcrrs 58 Hình 3.29 Mạch trước Layout 3D thiết bị định vi trong nhà sử dụng 2 Anten 59

Hinh 3.30 Mach sau Layout 3D thiét bi dinh vi trong nhà sử dung 2 Anten 59 Hình 3.31 Mach trước Layout 3D thiét bi dinh vi trong nhà sử dụng chung Anten 60

Hình 3.32 Mach sau Layout 3D thiết bị định vị trong nhà sử dụng chung Anten 60 Hình 3.33 Mach mặt dưới thực tế của thiết bị định vị -.eocccccccccccccccces 61

Hình 3.34 Mạch mặt trên thực tế của thiết bị định Vi ccecceccccccsscsscsscesessesesseesessees 61

Hình 3.35 Mặt trước thực tế của thiết bị sau khi gắn Anten -ccc5+ 62 Hình 3.36 Mặt bên thực tế của thiết bị sau khi gắn Anfen -©ccccc+ 62

Hình 3.37 Khoi tạo thiết bị mới cho nên tảng ThingsBoard : - 64 Hình 3.38 Lấy access token cua thiết bị (Nguôn: ThingsBoard.io) - - 64

Hình 3.39 Kết quả vị trí gần nhất của thiết bị theo thời gian (Nguồn:

ThingsBoard.io)

Hình 3.41 Kết quả upload dit liệu lên Firebase 66

Hình 3.42 Sơ đô tang 6, tòa nhà E, trường ĐH Công nghệ Thông tìn 67 Hinh 3.43 Cach dung anten nham muc dich do dac dinh vi trong nhà 68

Hình 4.1 MCU ESP32 đã có thể kết nói với $X1280 ccccccccccccceeeccee 69 Hình 4.2 Quá trình hoạt động của phan cứng thiết bị -.-ccsccccccccccres 69

Hình 4.3 Độ bức xạ của anten thiết KE Săn c5 cEEEEEE1E1121111112121 xe 70

Hình 4.4 Mạch Anten trên thực tẾ ccccccccccttttEtEttttttrrtrrrrrrrrrrrrrrirrrrrrrrer 71 Hình 4.5 Quy trình kiểm tra Anten phân cực trON cessccscssssscssssessssesssseessiesssiessseeees 71

Hình 4.6 Kết quả do được tại tan số 2.AGHZ coccecscccssvsssssssssssssssessssessssssssessssesssseees 72 Hình 4.7 Kết quả đo được tại tần số 2.44GH¿ 2252255 22x22ExcSzvrsrvrcsrs 72

Hình 4.8 Kết quả đo RToF ở môi trường trong nhà với Anten phân cực tuyến tính

"¬— 73 Hình 4.9 Kết quả đo RToF ở môi trường trong nhà với Anten phân cực tròn 74

Hình 4.10 Tổng hợp các vị trí do được tại Hút Ì se scsxsseeeseesereeseesee 75

Hình 4.11 Tổng hợp các vị trí do được tại Hút Ê - cà svseerseesereeseesee 76 Hình 4.12 Tổng hợp các vị trí do được tại Hút Ÿ «cà sseeseesereeeesee 76

Hình 4 13 Tổng hợp các vị trí do được tai Hút 4 - 5c se seketsserererekeee 71 Hình 4.14 Tổng hợp các vị trí do được tai HÚT Ö c5 xe ssekekseerererekexee T7

DANH MỤC TU VIET TAT

Hé thống xác định vị trí dựa trên vị trí

GPS của các vệ tỉnh nhân tạo

LoRa Công nghệ giao tiếp tín hiệu tầm xa

LOS Tầm nhìn thăng, không vật cản

Tầm nhìn bị dính vật cản như tường

NLOS hoặc các vật thé khác

ToA Phép đo thời gian đến

TDoA Phép đo chênh lệch thời gian đến RSS Phép đo công suất tín hiệu

Phép đo thời gian truyền tín hiệu RToF khứ hồi

Tập hợp các dải tần số được sử dụng

cho các mục đích công nghiệp, khoa

ISM học và y tế.

SNR Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

LPWAN Mạng diện rộng công suất thấp

SF Hệ số lan truyền LoRa

BW Băng thông

CR Ty lệ mã hóa

TOM TAT KHÓA LUẬN

Trong những năm gan đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,

sự phát triển của thiết bị định vị trong nhà đã đem lại nhiều tiện ích và tiềm năng lớn

cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ thông tin và địa lý Định vị trong nhà là một công nghệ cho phép các thiết bị di động và máy tính có thé xác định

vị trí của chúng trong một không gian nhất định bằng cách sử dụng các tín hiệu sóng

vô tuyến Đối với việc đo đạc ngoài trời, chúng ta đã có hệ thống GPS được thiết lập

tốt và sử dụng rộng rãi Nhưng đối với các vị trí trong các toà nhà, các khu công nghệ

hoặc trong nha, nơi mà tín hiệu từ các vệ tinh bị chặn thì dẫn đến việc độ chính xác

có sai số rất lớn, có những nơi lên đến hàng chục mét và không phủ hợp với việc định

vị trong nhà.

Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống có khả năng định vị trong nhà sử

dụng các công nghệ truyền thông LoRa Hệ thống bao gồm nhiều node Master được

đặt ở các vị trí khác nhau trong tòa nhà Chúng có trách nhiệm xác định khoảng cách

từ chính node đó đến các nút Slave cần được định vị Sau đó, thông tin về khoảng

cách được xác định sẽ được gửi đến một nút cơ sở Nhiệm vụ của các nút cơ sở là thực hiện tính toán kết quả và gửi kết quả có được lên đám mây.

Mục tiêu của dé tài bao gồm:

© Thiết kế và chế tạo thiết bị định vị trong nhà nhỏ gon với kích thước tối đa

5x5x5 (cm).

© _ Có khả năng định vị vật dang đứng yên bằng LoRa tần số 2.4Ghz với độ chính

xác cao với sai số tối đa 5m ở môi trường trong nhà.

© C6 khả năng kết nối với Wi-Fi và chia sẻ vị trí thực của thiết bị.

© - Người dùng có thé theo dõi trực tiếp, hiển trị trực quan vi trí của thiết bị định

VỊ.

Chương 1 TONG QUAN DE TÀI

1.1 Đặt vấn dé

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã đem

lại nhiều tiện ích và tiềm năng lớn cho nhiều lĩnh vực Đặc biệt, việc phát triển và ứng dụng thiết bị định vị trong nhà đã đem lại nhiều giá trị tích cực cho xã hội Hiện

tại, điều này cho phép các thiết bị di động và máy tính xác định vị trí của chúng trong một không gian nhất định bằng cách sử dụng các tín hiệu sóng vô tuyến Trong tương

lai, sự phát triển của thiết bị định vị trong nhà hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiện ích hơn

cho các lĩnh vực khác như giáo dục, y tế và du lịch Nó có thể giúp định vi vi trí của

sinh viên trong trường học, cho phép bác sĩ dé dàng theo dõi vị trí của bệnh nhân trong bệnh viện và hỗ trợ các công tác cứu hộ cứu nạn trong các sự cố động đất, hoả hoạn[ L].

Đối với trường hợp ngoài trời, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã được sử dụng rộng rãi và có độ chính xác rất tốt Ở các địa điểm khác nhau trên Trái Đất, thông tin về

địa điểm và thời gian có thé được thu thập từ GPS miễn là thiết bị nhận có thé kết nối

đến nhiều hơn ba vệ tỉnh GPS.

Mặc dù có khả năng hoạt động tốt ở môi trường ngoài trời, các thiết bị định vị vẫn

tồn tại nhiều hạn chế khi hoạt động trong địa hình bị chắn sóng từ các vệ tỉnh GPS như vị trí bị ngăn cách bởi tường hoặc nhà cao tang Độ bao phủ kém của sóng vệ

tỉnh đối với môi trường trong nhà dẫn đến việc kết quả định vị có thể tồn tai sai số

lên mức hàng chục mét[2].

Tương quan các loại sóng trong ứng dụng định vi trong nhà

Các công ty hiện đang nỗ lực phát triển các ứng dụng định vị trong nhà nhằm giúp

người dùng dễ dàng tìm kiếm địa điểm, sản phẩm, dịch vụ và thông tin một cách nhanh chóng và chính xác Tuy nhiên, vẫn chưa có một giải pháp hoàn hảo và chuẩn chung cho việc định vị trong nhà.

Hiện có nhiều giải pháp khác nhau được sử dụng trong các hệ thống định vị trong

nhà, và mỗi hệ thống đáp ứng được cho các môi trường khác nhau với công nghệ và chỉ phí khác nhau Tuy nhiên, các hệ thống định vị trong nhà hiện tại thường có chung

một số đặc điểm Chúng đòi hỏi chi phi đầu tư cao cho việc xây dựng cơ sở hạ tang

và triển khai các thiết bị làm tham chiếu Hơn nữa, chúng cũng tiêu tốn lượng năng lượng lớn dé hoạt động, điều này giới hạn khả năng hoạt động của thiết bị và yêu cầu

sự cung cấp liên tục của nguồn năng lượng.

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp định vị trong nhà

tiên tiến hơn, có chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn Điều này sẽ mở ra nhiều cơ

hội mới trong việc ứng dụng định vị trong nhà và mang đến lợi ích to lớn cho người dùng trong việc tìm kiếm và điều hướng trong môi trường bên trong.

Trong khi đó, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng LoRa có phạm vi hoạt động rất

xa, năng lượng tiêu thụ, chỉ phí và độ phức tạp khi triển khai hệ thống thấp mà lại cho

ra kết quả định vị với độ chính xác tương đương hoặc cao hơn so với các công nghệ

còn lại.

Bảng 1.2.1.So sánh các công nghệ định vị trong nha[1]

WiFi | GSM A-GPS | Bluetooth | Zigbee | UWB | LoRa

Kha Nang Trung Trung Trung

Thap Thap Thap Cao Xuyén Tuong | binh binh

Mức tiêu thụ l

Cao Cao Cao Thâp Thâp

năng lượng

Chi Phi Thap | Thap | Thap Thap Thấp | Cao | Thấp

1.2 Một số nghiên cứu liên quan

Các đề tài nghiên cứu về định vị trong nhà đã được thực hiện rất nhiều trong các năm gần đây bằng các công nghệ và phép đo khác nhau Người viết đã tìm hiểu và rút ra một số điểm mấu chốt trong một số nghiên cứu về thiết bị định vị trong nhà, được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học đến từ các quốc gia khác nhau.

Ở bài báo [3], tác giả đã thiết kế một hệ thống định vị trong nhà bằng công nghệ UWB, với môi trường thí nghiệm mô phỏng trong nhà với phạm vi hẹp Bằng cách

sử dụng phép đo TOF (Time of Flight) và hệ thống định vị 4 điểm cho ra kết quả với sai số rất thấp với phạm vi trên, có thé chứng minh được rằng sẽ rất khả thi và hiệu

quả nếu triển khai một hệ thống định vị LoRa trong nhà với các phép đo tương tự Trong bài báo nghiên cứu đến việc sử dụng thiết bị LoRA với phép đo cường độ tín

hiệu nhận được (RSS) và kỹ thuật lưu vết (Fingerprint) của tác giả Hongxu Zhu [4]

đã thu được kết quả rất khả quan đối với các phép đo trong nhà Tuy nhiên, thiết bị

đo đạc rất lớn cùng với việc sử dụng các thuật toán máy học phức tạp dẫn đến quá trình lắp đặt hệ thống sẽ rất khó khăn.

Hình 1.2.2 Hình thực tế thiết bị đo đạc của nhóm

(Nguon: [4])

Ở bai báo [5], tác giả sử dụng module LoRa SX 1280 được phát trién bởi Semtech với

các cải tiến về năng lượng, kích thước và các nâng cấp liên quan đến đo đạc khoảng

cách sử dụng chức năng truyền tín hiệu khứ hồi (RTOF — Return Time of Flight) Với các cải tiến so với bài báo [4], độ sai lệch của hệ thống trên có thê chỉ chênh lệch từ

1-3m ở điều kiện môi trường tầm nhìn thắng không vật cản Nhưng kèm theo đó là

việc sử dụng Anten build-in của SX1280 sẽ cho ra rất nhiều nhiễu trong kết quả đo đạc và không thê đo đạc vật thể chuyền động nếu không sử dụng các thuật toán xử lý

dữ liệu phức tạp, còn sử dụng Anten gắn ngoài thông thường sẽ khiến thiết bị trở nên cong kénh không phù hợp dé có thé gắn trong người.

1.3 Hướng nghiên cứu của đề tài

Nhóm sẽ dựa trên bài nghiên cứu khoa học trước đó của mình về “Sự ảnh hưởng của

tính chất phân cực trên Anten trong các ứng dụng định vị trong nhà”, đồng thời tìm hiểu, tham khảo và phân tích thêm các nghiên cứu liên quan ở trong nước và trên thế

giới.

Ở khoá luận này, nhóm thiết kế và chế tạo phần cứng cho thiết bị bằng việc sử dụng

một Anten Phân cực tròn (Circularly Polarized Anten) [6] với khả năng thu được chất lượng kênh truyền tốt hơn đối với cả 2 môi trường tầm nhìn thẳng và tầm nhìn bị cản trở, mà vẫn nhỏ gọn và tiết kiệm chỉ phí linh kiện.

Từ đó, nhóm sẽ kiểm tra, tong hợp và đánh giá kết quả thực nghiệm của hệ thống dé đưa ra những cải tiến phù hợp.

1.4 Bố cục bài báo cáo

Báo cáo được chia làm 05 Chương Nội dung chính của các Chương được tóm tắt

dưới đây:

Chương 1: Dat van đề về dé tài, hướng nghiên cứu của dé tài và mục tiêu của

đề tài.

Chương 2: Trình bày những công cụ phục vụ trong việc thiết kế hệ thống và

lý thuyết của các giải thuật được sử dụng trong hệ thống định vị trong nhà.

Chương 3: Trình bày tổng quan về thiết kế phần cứng đề xuất được thực hiện

trên phần mềm Altium Designer và công nghệ mạch in PCB cũng như tổng quan thiết

kế hệ thống định vị trong nhà.

Chương 4: Kết quả và đánh giá kết quả Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Định vị người dùng trong nhà

2.1.1 Giới thiệu chung về định vị trong nhà

Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của các hệ thống định vị trong nhà hiện

nay, những yếu tô quan trọng quyết định tính cạnh tranh của các thiết bị đó là sự chính xác và đáng tin cậy.

Hệ thống định vị trong nhà cho phép các thiết bị di động xác định được vị trí của nó,

sau đó sử dụng chúng cho các dịch vụ dựa trên vị trí như điều hướng, theo dõi hoặc giám sát, v.v Thông tin vi trí của thiết bị hoặc người dùng có thé cải thiện đáng kể

hiệu suất của mạng không dây trong việc lập kế hoạch mạng hoặc cân bằng tải [7].

Việc định vị thiết bị trong môi trường trong nhà mang lại lợi ích đáng kể trong nhiều

trường hợp khác nhau Ví dụ, nó có thé cung cấp hệ thong định vị trong nhà cho người

mu và người khiếm thị, giúp xác định vị trí của thiết bị trong các tòa nhà, hỗ trợ khách

du lịch tham quan trong các bảo tàng và tìm lối thoát khan cấp trong trường hợp xảy

ra hỏa hoạn, theo dõi trẻ em trong những nơi đông đúc, và theo dõi các thiết bị có giá trị cao [8].

Để đánh giá chất lượng của hệ thống định vị trong nhà, có năm thước đo chính bao

gồm: (1) độ chính xác của hệ thống định vị trong nhà; (2) mức độ bao phủ của hệ

thống; (3) độ trễ trong việc cập nhật vị trí; (4) ảnh hưởng của kết cấu hạ tầng, ví dụ

vị trí đặt các điểm master trong hệ thống; (5) cách hệ thống tinh chỉnh vị trí và mức

độ thường xuyên; và (6) ảnh hưởng của các lỗi ngẫu nhiên trên hệ thống, ví dụ như các lỗi do nhiễu và phản xa tín hiệu [9].

Không thể phủ nhận sự tiện ích mà hệ thống định vị toàn cầu (GPS) mang lại, chúng

được sử dụng hệ thống định vị dựa trên vệ tinh, cung cấp vùng phủ sóng tối đa Các thiết bị muốn dùng GPS chỉ cần thêm thiết bị hỗ trợ GPS vào phần cứng, cho phép

sử dụng các dịch vụ dựa trên vị trí, chang han nhu diéu hướng, du lịch, v.v.

Tuy nhiên, GPS không thể sử dụng được ở môi trường trong nhà bởi vì tín hiệu vô tuyến vệ tinh không thể xuyên qua các bức tường và chướng ngại vật rắn Đối với môi trường ngoài trời thì môi trường trong nhà phức tạp hơn nhiều Có những chướng ngại vật khác nhau ví dụ như tường, thiết bị, con người, sinh vật làm ảnh hưởng đến

sự lan truyền của sóng điện từ, dẫn đến hiệu ứng đa đường Hiệu ứng đa đường dẫn đến lỗi trong phép đo khoảng cách và do đó ảnh hưởng đến độ chính xác định vị, do tín hiệu đa đường có đường di dai hơn tín hiệu trực tiếp Một số nhiễu và tiếng ồn nguồn từ các mạng có dây và không dây khác làm suy giảm độ chính xác của định vị Ngoài ra còn có một số nhiễu đến từ các nguồn sóng khác như Wi-Fi, Bluetooth, Toà nhà được thiết kế phức tạp với các phòng khác nhau cũng gây rất nhiều trở ngại đối với hệ thống định vị trong nhà.

Chính vì vậy, một hệ thống định vị được thiết kế riêng cho việc sử dụng trong nhà là

vô cùng can thiết.

2.1.2 Các kỹ thuật định vị trong nhà

Kỹ thuật định vị trong nhà chủ yếu chia ra thành ba phương pháp đo chính: công suất, thời gian và góc Chúng đều là phép đo vật lý thông thường nhưng khác nhau về khả

năng tiếp cận, độ phức tạp và độ chính xác.[10]

e Phép đo công suất tín hiệu (RSS) được sử dụng rộng rãi trong các kỹ thuật ánh xạ

hình học (geometric mapping) và lấy mẫu (fingerprinting) nhờ vào tính tiện dụng

của nó.

- RSS là viết tắt của cường độ công suất tín hiệu thực nhận được tai máy thu,

thường được đo bằng don vị decibel-milliwatts (dBm) hoặc milliWatts (mW).

- Giá tri RSSI có thể được sử dụng dé ước tính khoảng cách giữa thiết bị phát

(Tx) và thiết bị nhận (Rx); khi giá trị RSS càng cao thì khoảng cách giữa Tx

và Rx càng gần.

- Độ dai khoảng cách giữa Tx va Rx có thé được ước tính bằng cách sử dụng

một số mô hình truyền tín hiệu khác nhau với công suất truyền tải đã biết trước.

- Hạn chế chính của phép đo RSSI nằm ở sự chênh lệch giá trị theo thời gian

của nó tại môi trường trong nhà phức tạp.

Phép đo thời gian thường được sử dụng trong phép đo khoảng cách, trong đó có

thé kể đến Phép đo thời gian đến (ToA), Phép đo chênh lệch thời gian đến (TDoA)

và phép đo thời gian truyền tín hiệu khứ hồi (RtoF).

Trong đó Phép đo thời gian đến (ToA) sử dụng thời gian truyền tín hiệu dé

tính khoảng cách giữa máy phát Tx và bộ thu Rx.

- Giá trị ToA nhân với tốc độ ánh sáng c = 3x108 m/giây cung cấp khoảng cách

vật lý giữa Tx và Rx ToF từ ba nút tham chiếu khác nhau được sử dung đề

ước tính khoảng cách giữa các nút tham chiếu và thiết bị.

- Có thé sử dụng hình học cơ bản đề tính toán vị trí của thiết bị đối với các bộ

phát Tuy nhiên, ToA yêu cầu đồng bộ chặt chẽ giữa các bộ phát và máy thu.

- Độ phân giải của ToA được ảnh hưởng chủ yếu bởi băng thông tín hiệu và tốc

độ lấy mẫu Tốc độ lấy mau thấp làm giảm độ phân giải ToA vì tín hiệu có thé

đến giữa các khoảng thời gian lấy mẫu Kỹ thuật siêu phân giải miền tần số thường được sử dụng để đạt được ToA với độ phân giải cao từ đáp ứng tần số

kênh Trong môi trường trong nhà, độ phân giải ước lượng ToA sẽ càng cao

khi băng thông tín hiệu càng lớn[{ II].

-_ Phép đo chênh lệch thời gian đến (TDoA) sử dụng sự khác biệt thời gian truyền

tín hiệu từ các máy phát khác nhau được đo tại máy thu Tính vị trí chính xác của bộ thu yêu cầu ít nhất ba máy phát đề tính toán giao điểm của ba (hoặc

nhiều hơn) đường hyperbol Hệ phương trình hyperbola có thể được giải bằng phương pháp hồi quy tuyến tính hoặc tuyến tính hóa phương trình sử dung mở

rộng chuỗi Taylor Tuy nhiên, độ chính xác ước lượng TDoA tương tự như kỹ

thuật ToF phụ thuộc vào băng thông tín hiệu, tốc độ lay mẫu tại máy thu và sự

tồn tại của đường ngắm trực tiếp giữa các bộ phát và bộ thu.

- Cũng giống với ToA, yêu cầu sự đồng bộ hóa nghiêm ngặt, tuy nhiên, khác

với kỹ thuật ToA, đồng bộ hóa chỉ cần thiết giữa các bộ phát thay vì giữa bộ

phát và bộ thu RToF đo thời gian truyền tín hiệu khứ hồi (tức là từ Tx đến Rx

và trở về) dé ước tính khoảng cách giữa Tx va Rx.

- Các cơ chế đo khoảng cách của ToA và RToF đều tương tự nhau; khi nhận

được tín hiệu từ bộ phát, máy thu sẽ phản hồi lại bộ phát, sau đó tính tổng thời gian truyền tín hiệu khứ hồi RToF có lợi thế chính là chỉ cần đồng bộ hóa xung tương đối vừa phải giữa Tx và Rx, khác với ToF cần đồng bộ hóa giữa

bộ phát và bộ thu Tuy nhiên, độ chính xác ước tính RToF bị ảnh hưởng bởi các yếu tô giống như ToA (tức là tốc độ lay mau và băng thông tín hiệu) trong

trường hợp này là cao hơn vì tín hiệu được truyền và nhận hai lần.

-_ Nói chung, phép do dựa trên thời gian thì có độ chính xác ấn tượng trong các

điều kiện Line-Of-Sight (LOS) Không giống như các phép đo trên công suất,

độ chính xác của phạm vi dựa trên thời gian được cải thiện theo băng thông

tín hiệu Do đó, công nghệ Ultra-Wide Bandwidth (UWB) rất phé biến do độ

phân giải thời gian cao và băng thông cực lớn Một hạn chế chính của các phép

đo thời gian chính là phải cần một nguồn dao động điện tử (oscillator) nên cần

mức tiêu thụ năng lượng cao hơn.

e _ Phép đo góc cho ra kết quả thông tin góc cung cấp một kích thước trực giao liên

quan đến khoảng cách đề lập bản đồ hình học.

- Góc có thê được kết hợp với ước tính khoảng cách dé cho phép nội địa hoá mô

hình trong nhà.

- Phuong pháp tiếp cận dựa trên góc tới (AoA) sử dụng mảng Anten (ở phía bên

nhận) để ước tính góc tín hiệu truyền đi trên máy thu bằng cách khai thác và tính toán chênh lệch thời gian khi đến tại các phần tử riêng lẻ của mảng Anten.

- AoA có ưu điểm chính là vị trí thiết bị/người dùng có thé được ước tính với

hai máy dò hai chiều Tuy nhiên, để đạt được ước lượng chính xác, AoA yêu cầu phần cứng phức tạp và hiệu chuẩn cân thận hơn so với kỹ thuật RSS Một sai số nhỏ trong tính toán góc tới có thể dẫn đến sai số rất lớn trong ước tính

vị trí thực tế, đặc biệt khi khoảng cách nhận của máy phát là nhỏ.

- Anten định hướng thường có kha năng thu được cả ước tính góc và khoảng

cách trong khi tránh nhiễu từ các hướng khác, nhưng phải cần xây dựng cơ sở

hạ tầng chuyên dụng.

2.1.3 Cac kỹ thuật xác định vi trí định vị

Đề chuyên đổi các phép do vật lý thành các vị trí định vị, thông thường ta sử dụng hai phương pháp chính: Phép đo hình học và Kỹ thuật lưu vết.

¢ Trong phép tinh ánh xạ hình học, các thông số hình học trung gian như khoảng

cách hoặc hướng liên quan đến các điểm tham chiếu được lấy từ các phép đo vật

lý cụ thể.

- Sau đó, các thông số tương đối này được chuyền đồi thành vị trí bằng thuật

toán hình học, ví dụ như phép đo tam giác Anh xa dua trén khoang cach thường được gọi là phép do khoảng cach và phô biến hon so với ánh xa dựa

trên hướng, đặc biệt vì các phép đo hướng khó thực hiện hơn với các thiết bị phổ biến Tuy nhiên, thông tin về hướng có thể được đo trực tiếp tại máy thu, trong khi việc tính toán khoảng cách liên quan đến các quy tắc truyền không

dây.

- Mặc dù có nền tảng vật lý rõ ràng, hiệu suất của phép đo ánh xạ hình học phụ

thuộc rất nhiều vào các điều kiện LOS Tuy nhiên, các hiệu ứng đa đường trong nhà làm phức tạp hóa mô hình lan truyền và làm suy giảm độ chính xác

trong phạm vi.

- Hơn nữa, như đã thảo luận trong phan 2.1.2, nó thường liên quan đến tốc độ

lấy mẫu cao và cần có cơ sở hạ tang chuyên dụng đề có được các phép do thời

gian hoặc góc mong muốn làm đầu vào cho ánh xạ hình học.

¢ Ky thuật lưu vết là một giải pháp thay thé cho việc phân tích sự lan truyền tín hiệu

tinh vi, lấy dau vết áp dụng phương pháp khớp mau.

- _ Ý tưởng chính là thu thập các đặc điểm tín hiệu của tat cả các vi trí có thé có

trong khu vực cần định vị để xây dựng cơ sở dit liệu mẫu (được gọi là khảo

sát hoặc hiệu chỉnh vị trí).

11

- Sau đó, bản địa hóa chỉ đơn giản là quá trình kiểm tra độ khớp các giá trị được

đo tại một vị trí không xác định với các dấu vết trong cơ sở dữ liệu và trả về

vi trí tương ứng với dấu vết phù hợp nhất.

- Các hệ thống dựa trên dấu lưu vết nới lỏng các yêu cầu về phép đo vật lý dé

có thể phân biệt và tái tạo Các vị trí phải khác với tất cả các vị trí khác để tránh sự sai lệch và đấu vết của cùng một vị trí được đo tại các thời điểm khác nhau phải giống nhau để đảm bảo tính hiệu quả của cơ sở dữ liệu.

- Hạn chế chính của kỹ thuật lưu vết nằm ở độ phức tạp khi xây dựng và cập

nhật cơ sở dữ liệu.

2.2 Định vị trong nha sử dụng công nghệ LoRa

2.2.1 Tổng quan về LoRa

© LoRa (viết tắt của Long Range) là một công nghệ LPWAN, được đặc trưng

bởi phạm vi truyền sóng dài kết hợp với mức tiêu thụ điện năng thấp.

e Được mua lại từ Cycleo (bằng sáng chế 9647718-B2, một công ty của

Grenoble, Pháp) và phát triển bởi Semtech, là một kỹ thuật điều chế sóng dựa trên Spread-Spectrum bắt nguồn từ công nghệ chirp spread spectrum (CSS).

¢ No cho phép độ ôn định với nhiễu cao, và do đó cung cấp một phạm vi khá

dài (lên đến 10 km) ngay cả với công suất nhỏ.

e _ Tốc độ dữ liệu truyền đi của sóng LoRa dao động từ 0,3 kbit/s đến 50 kbit/s

trên mỗi kênh.

Hình 2.1 So sánh giữa tốc độ truyền di va khoảng cách truyền của các phương tiện

liên lạc không dây khác nhau (Nguồn: Researchgate.net)

2.2.2 Các khái niệm cơ bản trong Công nghệ truyền thông LoRa

Spreading Factor (SF) được gọi là "Hệ só lan truyền LoRa":

e SF được sử dụng dé đánh giá độ rộng của tín hiệu truyền trong công nghệ LoRa.

e SF cho phép quản lý tài nguyên vô tuyến tốt hơn và tối ưu hóa mức tiêu thụ năng

lượng.

¢ Hệ số càng lớn thì tín hiệu truyền đi càng rộng, độ chính xác và phủ sóng càng

cao nhưng tốn thời gian truyền dé liệu hơn Điều này cũng giúp cải thiện vị tri địa

lý của thiết bị bởi mạng, vì tín hiệu phát ra sẽ đến được hầu hết các công Không

phải tất cả các công nghệ LPWAN đều có tính linh hoạt này.

© Do đó, việc lựa chọn hệ số trải phô thích hợp là rất quan trọng dé đảm bảo hiệu

suất truyền dữ liệu và độ bền của hệ thông LoRa.

13

Các giá trị SF trong LoRa thường từ 7 đến 12, với SF càng lớn thì tốc độ truyền

di liệu càng chậm, nhưng độ phủ sóng càng rộng và độ chính xác càng cao.

Bandwidth (BW) hay còn gọi là "Băng thông":

BW được sử dụng dé đánh giá độ rộng của băng thông được sử dụng trong công

nghệ LoRa.

Băng thông càng lớn, tốc độ truyền dữ liệu càng cao, độ rộng của tín hiệu cũng càng lớn, dẫn đến tốn nhiều năng lượng và giảm độ phủ sóng Ngược lại, băng thông càng thấp, tốc độ truyền dữ liệu càng chậm nhưng độ phủ sóng và tiêu thụ

năng lượng cũng càng giảm.

Việc lựa chọn băng thông phù hợp là rat quan trong dé đảm bảo hiệu suất truyền

dữ liệu và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống LoRa.

Các giá trị băng thông thông thường được sử dụng trong LoRa là 125 kHz, 250

kHz và 500 kHz Băng thông 125 kHz được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng LoRa, vì nó cung cấp sự cân bằng giữa tốc độ truyền dữ liệu và độ phủ sóng của hệ thống.

Coding Rate (CR) hay còn gọi là "Tỷ lệ mã hoa":

CR được sử dụng trong quá trình mã hóa và giải mã tín hiệu trong công nghệ

LoRa.

Tỷ lệ mã hóa mô tả tỷ lệ số bit mã hóa được thêm vào trong quá trình truyền tín

hiệu, so với số bit thực tế của tín hiệu đó.

Ty lệ mã hóa càng cao, dẫn đến việc thêm nhiều bit mã hóa và giúp giảm độ nhạy

của tín hiệu truyền đi Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ mã hóa cũng đồng nghĩa với việc giảm tốc độ truyền dữ liệu và tăng độ trễ của hệ thống.

Trong công nghệ LoRa, các giá trị CR thông thường là 4/5, 4/6, 4/7 và 4/8 Giá

trị CR 4/5 là giá trị mặc định được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng LoRa, nó cung cấp sự cân bằng giữa tốc độ truyền dữ liệu và độ nhạy của tín hiệu truyền đi.

© Các giá trị CR cao hơn có thể được sử dụng dé tăng độ nhạy của tín hiệu, trong

khi các giá trị CR thấp hơn có thể được sử dụng dé tăng tốc độ truyền dữ liệu.

¢ Việc lựa chọn giá tri CR phù hợp là rất quan trong dé đảm bảo hiệu suất truyền

đữ liệu và độ chính xác của hệ thống LoRa.

2.2.3 Module LoRa SX1280

Bộ thu phát SX1280 cung cấp khả năng kết nói siêu xa trong băng tần 2,4 GHz với

khả năng chịu được nhiễu nặng Có thé dé dàng thiết kế các sản pham rất nhỏ dành cho thiết bị đeo được nhờ mức độ tích hợp cao và mức tiêu thụ dòng điện thấp cho

phép sử dụng những dòng pin nhỏ.

Hình 2.2 Bộ thu phát SX1280 (Nguôn: Semtech.com)

Các tính năng của Module LoRa SX1280 hỗ trợ trong việc đo đạc khoảng cách:

¢ - Bộ thu phát tầm xa có tần số 2,4 GHz.

¢ Độ nhạy cao, có thé xuống tới -132 đBm.

© _ Tiêu thụ năng lượng thấp.

e Kha năng phát tín hiệu lên đến +12.5 dBm

e_ Có khả năng chịu nhiễu cao

e Co chức năng đo đạc khoảng cách theo kỹ thuật RToF

© Chỉ phí thấp

Với những đặc tính như trên, Module LoRa SX1280 rat phù hợp trong việc triển khai

cho các hệ thống định vị trong nhà.

15

Hình dưới đây trình bày mạch nguyên lý tham khảo để giao tiếp với Module SX1280

YDD RADIO Dios 10, D02 Gap Miso.rx Sf MSO aio aio a

RIS —R_Y DO Wg VBAT 4 VDD RADIO

kháng (CO, L1) theo sau là bộ lọc phần PL C9 và L4 tạo thành bộ lọc thông thấp cho quy định DC-DC tích hợp, tất cả các điện dung còn lại đều liên quan đến việc lọc nguồn Với chân thạch anh, chân tụ đã được tích hợp bên trong dé thu nhỏ thiết kế.

Trong đó, module LoRa SX1280 có tổng cộng 24 chân tín hiệu, bảng 2.1 thé hiện mô

tả và lưu ý trong cấu trúc chân của module.

Bảng 2.1 Cau trúc chân của module LoRa SX1280

Loại (I=

Chân | Tên chân tín Mô tả và lưu ý

hiệu vào,

O = chân

tín hiệu

ra)

0 GND - Tiếp xúc với đất

1 VR_ PA - Đầu cấp nguồn cho bộ khuyết đại công suất

Đầu cấp nguồn cho module Can phải kết nôi

6 XTB - Kết nói với thạch anh giao động

7 BUSY O Chan bao tin hiéu busy

8 DIOI 1O I/O đa mục đích

9 DIO2 LO LO đa mục đích

10 DIO3 VO I/O đa mục đích

Nguồn điện cho Digital IO (1,8 V đến 3,7 V)

14 | DCC SW O Đầu ra bộ chuyên đồi DC-DC

Nguồn cung cấp cho RFIC (1,8 V đến 3,7 V)

15 VBAT I

Phai > VBAT_IO.

l6 | MISO TX O Đầu ra slave SPI hoặc chân truyền UART

17

17 MOSI RX I Đầu vào slave SPI hoặc chân nhận UART

I8 SCK RTS I Chan clock của SPI hoặc chan UART Request

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của chức năng đo đạc trên SX1280

Thiết bị SX1280 sử dụng sóng LoRa băng tan 2.4GHz dé thực hiện việc định vị dựatrên chức năng xác định khoảng cách Sóng LoRa băng tần 2.4GHz được thiết kế dé

tận dụng các lợi thế của phạm vi rộng và mức độ tiêu thụ năng lượng thấp khi hoạt

động của thiết bị

Quá trình định vị dựa trên SX1280 thường sử dụng phương pháp Return Time of

Flight (RToF), trong đó thời gian khứ hồi của tín hiệu được sử dụng để tính toánkhoảng cách giữa cặp thu phát Băng cách biết vận tốc truyền thông của tín hiệu và

đo thời gian mắt đi từ khi tín hiệu được phát đi cho đến khi nó được thu về, ta có thé

tính toán khoảng cách dựa trên công thức khoảng cách = vận tốc x thời gian

Sự kết hợp giữa Sóng LoRa băng tan 2.4GHz và chức năng xác định khoảng cách của

SX1280 cho phép thiết bị thực hiện việc định vị trong nhà một cách hiệu quả LoRa

cung cấp khả năng truyền thông xa và tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép các thiết bị

hoạt động trong khoảng cách xa và kéo dài thời gian sử dụng pIn Sự chính xác của

việc định vị phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu và khả năng đo lường thời gian khứ

Hình 2.4 Qua trình do lường khoảng cach được tích hop trong LoRa SX1280

(Nguồn: Semtech.com)

Chu thích:

i) Một mô đun SX1280 đảm nhận vai trò của Master và bắt đầu việc xác định khoảng

cách bằng cách gửi một yêu cầu phạm vi Yêu cầu được gửi đến một mô đun

SX1280 khác, phải được cấu hình ở chế độ Slave va sẵn sàng nhận yêu cầu Ngaykhi Master gửi đi yêu cầu, nó cũng đồng thời bật bộ đếm thời gian

li) Yêu cầu phạm vi được nhận bởi Slave sau đó sé tự động đồng bộ hóa với tín hiệu

đến Qúa trình này cần một khoảng thời gian nhất định, thời gian này được đo bởi

19

Master Master và Slave không bao giờ tham chiếu hay chia sẻ thông tin này với

nhau.

iii) Ở bước cuối, Slave gửi phản hồi phạm vi đồng bộ trở lại Master Từ đó, Master

có thể suy ra thời gian khứ hồi từ khoảng thời gian đã trôi qua, chính là khoảngthời gian cần thiết để sóng điện từ truyền từ Master sang Slave và ngược lại

Kết quả đo đạc cho ra ở dang LSB (bit có trọng số thấp) sang khoảng cách [m]

Công thức chuyền đổi được tính theo công thức sau:

D= (complement2(register)*150) (1)

212xBW

Trong đó:

D: Khoảng cách giữa hai thiết bị thu và phát.

Complement2(register): Bu của 2 giá trị thanh ghi.

BW: Băng thông phát ra được cài đặt sẵn tính theo đơn vị Mhz.

2.2.5 Cách loại bỏ sai số thời gian trong SX1280

Nghiên cứu cho thấy răng, độ lệch thời gian và tần số giữa Master và Slave có thểgây ra các lỗi khác nhau về ước tính thời gian, vấn đề đặt ra là làm thế nào để áp dụnghiệu chỉnh cho độ trễ nội tại của một thiết kế nhất định khi tồn tại lỗi thay đổi thời

Ở sơ đô trên, ta thây răng sai sô thời gian giữa các đông hô của hai đơn vị của +TERRoR

tạo ra một phép đo phạm vi (thời gian) bao gồm sai số dưới đây:

TWaser-Slae = 2T Tor + ÏERROR

Tuy nhién, néu dao ngược vai trò cua hai đơn vi (Master thành Slave và ngược lai),

khi đó lỗi thời gian cũng bi đảo ngược Từ góc nhìn ngược lại này:

Hình 2.6 Dao ngược lỗi thời gian giữa Master va Slave Nguồn: Semtech.com)

Ta có công thức đảo ngược sau:

TSlave-Maser = 2 TToF — TERROR

Do đó, nếu lấy trung bình của 2 phép tính, còn số phạm vi kết quả (thời gian) là đạidiện cho khoảng cách trong thực té, với lỗi thời gian bị triệt tiêu Phép tính trung bìnhđược thể hiện như sau:

Te — Tstave-Master + TMaster—Slaue

RITToF — 2

Cách tiếp cận trên giả định rằng bat kỳ su sai lệch thời gian giữa Master va Slave

đều không đáng kê đối với khoảng thời gian mà phép đo được thực hiện Nguyên

nhân chính của sự sai lệch này là do sự dao động của nhiệt độ, khiến bộ dao động

thạch anh của SX1280 bị sai lệch Với điều kiện các phép đo được thực hiện ở nhiệt

độ tương đương nhau, chúng ta có thể coi độ sai lệch của bộ dao động là tĩnh Điều

này có nghĩa là kỹ thuật này sẽ loại bỏ lỗi sai số thời gian

21

2.2.6 Hiệu chuẩn độ trễ cụ thé của thiết kế

Bảng hiệu chuẩn đưới đây được nhà sản xuất đưa ra qua quá trình tập hợp bang kỹ

thuật đảo ngược vai trò giữa Master/Slave và tính toán chỉ số cân chỉnh của mô đun

Độ chính xác của phép đo phạm vi trong một môi trường lý tưởng (không bị gián

đoạn bởi các hiệu ứng lan truyền như đường phản xạ hoặc nhiễu xạ có thể ảnh hưởngđến phạm vi đo được) sẽ bi chi phối bởi độ chính xác của hiệu ứng hiệu chuẩn được

ap dung cho radio.

Theo công thức Cramér Rao Lower Bound (CRLB) như sau:

1

_ 872SNRVNBW2SF

Trong do:

SNR: Tỷ lệ tín hiệu tuyến tính trên nhiễu của tín hiệu nhận được

N: Số lượng ký hiệu ký hiệu khoảng cách (trong trường hợp này 20)

BW: Băng thông tín hiệu.

SF (Spreading Factor): Hệ số lan truyền LoRa

Mặc dù việc tạo ra tín hiệu với một chỉ số SNR cụ thể trong môi trường không dễdàng, nhưng vẫn có nhiều tư liệu dé phác họa CRLB như một hàm của các thông số

điều chế có sẵn trong SX1280

Do đó, nhà sản xuất đã đánh giá hiệu suất trong phạm vi điều kiện kênh thuận lợi và

phác họa biểu đồ về hiệu suất độ chính xác với các băng thông và hệ số lan truyền

khác nhau trong môi trường lý tưởng có SNR là + 10 dB.

Biêu đô được biêu thị như sau:

Spreading Factor sri ~ 1600 Bandwidth [kHz]

Hình 2.7 Biểu đô thé hiện độ chính xác với các thiết lập SF va BW khác nhau

Có thé thấy rằng, với cùng một chỉ số SNR, các mô đun được thiết lập với hệ số lan

truyền (SF) và băng thông (BW) cao hơn sẽ đem lại độ chính xác cao hơn, đồng thời

làm giảm bớt sai số đo lường khoảng cách

2.2.8 Các phương pháp tránh nhiễu sóng Wi-Fi

Kết nối internet không dây qua Wi-Fi là phương pháp sử dụng băng tần ISM miễnphí phổ biến nhất Hiện tại, ước tinh răng trên mỗi 150 người trên Trái Dat thì có một

điểm truy cập Wi-Fi Mặc dù Wi-Fi đã mở rộng sang các băng tần ISM lân cận dotần suất 2,4 GHz quá đông, đáng chú ý là băng tần ISM 5,8 GHz Tuy nhiên phần lớn

lưu lượng truy cập Wi-Fi vẫn được sử dụng ở băng tần ISM 2,4 GHz, với tần số từ2,4 GHz đến 2,4835 GHz (ít nhất là tại Mỹ và Châu Âu)

Công nghệ mới nào được triển khai trong băng tần ISM cần nhiều sự quan tâm hơn

dé chéng lại sự nhiễu sóng từ việc triển khai Wi-Fi hiện tại Sự phát triển gần đây củaLoRa ở băng tan 2,4 GHz đặt ra tam quan trọng đáng kê khi phải cùng tan số với cáctín hiệu Wi-Fi phố biến nhất được tìm thay trong băng tan này Hình ảnh dưới đây

cho thay mức độ sử dụng của băng tần ISM 2,4 GHz cho giao tiếp dữ liệu băng thông

rộng sử dụng Wi-Fi.

2400 IMH: 2483.5 MHz

802.11b mx—mẮ CY A Đạng / 2412MH: | | 2437MHzZ | j 2462MHE `

2400 MHz 2483.5 MHz

e022, | mmmm mm _, mm

OFDM i 2412 MHz } 2432 MHz \ 2452MHz |) 2472MHz |

ị I Ỉ \

Hình 2.8 Mức độ sử dụng của băng tan ISM 2,4 GHz cho giao tiếp dữ liệu bang

thông rộng sử dụng Wi-Fi (Nguồn: Semtech.com)

Tránh nhiễu sóng Wi-Fi có thể dùng đến từ một trong ba phương pháp sau:

e Tach tan số: Từ sơ đồ kênh được trình bay ở trên, rõ ràng là có khả năng tránh

một số phần nhất định của phổ sóng 2.4Ghz dựa trên kiến thức tiên nghiệm hoặc

đo được về kênh tại khu vực đó Đây là một chiến lược quan trọng nhưng phụ

thuộc vào một số quan lý ở lớp MAC (Kiểm soát truy cập phương tiện) dé sử dụngphương pháp trên, bằng cách quét những gì có trong băng tần và tránh băng tần

đó.

e Tach biệt tạm thời: Tránh giao tiếp trong băng tan 2,4 GHz cùng lúc với giao tiếp

của bat kỳ thiết bị Wi-Fi nào trong cùng vùng lân cận Đề xuất này thường khôngkha thi vì trong thực tế rất khó dé tắt song Wi-Fi trong các toa nhà

e Tach biệt về không gian: là một phương tiện đơn giản và hiệu qua dé tránh hoặc

giảm khả năng gây nhiễu giữa các hệ thong vô tuyến trong trường hợp triển khaiứng dụng hệ thống cho phép Điều này đơn giản chỉ cần tránh ở cùng vị trí vớithiết bị đầu cuối Wi-Fi

Việc sử dụng lớp vật lý LoRa mang lại cho chúng ta một sô lợi ích hiệu suât bô sung

tiêm năng so với các kỹ thuật cũ bao gôm:

Hệ số lan truyền: Đỗi với trường hợp không có nhiễu, điều này tương đương với việc thu dưới mức nhiễu nên, còn đối với có nhiễu đồng kênh, thay vào đó, điều này tương

đương với khả năng nhận công suất tín hiệu mong muốn yếu hơn tín hiệu nhiễu.

25

nhiễu Nếu so sánh băng thông của tín hiệu LoRa với tín hiệu Wi-Fi băng tần rộng

hơn, chúng ta sẽ thay răng ngay cả tín hiệu LoRa rộng cũng chỉ chiếm một phần nhỏtrong một kênh Wi-Fi Điều này đưa chúng ta đến lợi ích thứ hai Sức mạnh của tínhiệu Wi-Fi được lan truyền trên toàn bộ kênh Wi-Fi Do đó, công suất nhìn thấy trongmột lát cắt hẹp hơn của kênh này sẽ là một phần nhỏ của công suất này Nói một cáchđơn giản, ngay cả trong trường hợp nhiễu đồng kênh, chỉ việc chúng ta tiếp xúc vớimột phần công suất tín hiệu hẹp có nghĩa là chúng tôi nhận được một phần công suất

tín hiệu Wi-Ei gây nhiễu nhỏ hơn tương ứng.

2.3 Anten phan cực tròn

Tại thập ky của Internet vạn vat (IoT), mọi thứ được kết nối thông qua mạng khôngdây, đều đó dẫn đến sự quan trọng của anten của thiết bị Một trong những mục tiêucủa việc phát triển IoT chính là việc thu nhỏ các thiết bị di động dé có thé dé dang

mang đến bat ky địa điểm và môi trường nao Vì vậy anten sử dung dé tích hợp vớicác tiện ích và thiết bị đó cần phải đáp ứng ít nhất ba tiêu chí: kích thước thu nhỏ,

phạm vi phủ sóng nhất quán trên một khu vực rộng và linh hoạt tốt trong góc địnhhướng giữa máy phát và máy thu Ngoài ra, với đặc tính băng tần kép được kết hợp

trong một cấu trúc duy nhất, các ăng-ten sẽ trở nên chi phí thấp và linh hoạt trong

VIỆC cung cấp các tùy chọn ứng dụng khác nhau về tốc độ, cường độ tín hiệu và phạm

Vi.

Cấu trúc Anten CP được trình bay trong Hình 2.10 bao gồm 2 lớp:

e PCB trên cùng có vai trò vận hành các phần tử bức xạ

¢ PCB dưới hoạt động như mặt phăng mặt đất

Với hình dạng của 3 miếng vá hình vòng cung, kết nối ở vòng trung tâm, Anten được

cung cấp bởi một đĩa nhờ khớp nối điện dung Những miếng vá hình vòng cung này

được liên kết với mặt phẳng mặt đất bang các chốt đoản mach ở ria của PCB Nhờvào thiết kế này, Anten cung cấp một mô hình bức xạ đa hướng và tính năng phân

cực tròn.[6] Trong đó tính phân cực ngang của anten được tạo ra bởi các nhóm các

mảng bức xạ hình vòng cung được đặt trên đề FR4 chỉ định hai hoạt động ở dải tần:

2.4— 2.48GHz và 5.725 — 5.87GHz Đồng thời chốt nạp khớp nối điện dung tại trungtâm của anten tạo ra sự phân cực dọc, hơn nữa anten hoạt động ở hiệu suất bức xạcao tại -1.6 dB tai dai tần thấp và -0.6 tại dai tần cao Điều này khiến ăng ten phù hợp

hiệu quả cho Công nghiệp, Khoa học và Ung dụng và viễn thông y tế (ISM)

27

Hình 2.11 Mặt trên của Anten phân cực tron [6]

1.6mm

16mm 2

cách nhau H bằng cách cam ba chốt rút ngắn

29