Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Hệ thống định vị và cảnh báo nguy hiểm trong nhà sử dụng công nghệ UWB

Với sự phát triển của những hệ thống Bluetooth và Wifi đã đưa ra một hệ thống định vị dựa trên Received Signal Strength Indicator RSSI dé đưa ra vị trí trong các khu vực mà GPS bị hạn ch

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KỸ THUAT MAY TÍNH

BÙI TRUNG ĐIÈN

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

HE THONG ĐỊNH VỊ VÀ CANH BAO TRONG NHÀ SỬ

LOCATION AND WARNING INDOOR BY USING UWB

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

TP HO CHi MINH, 2020

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

BÙI TRUNG DIEN - 16521554

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

HỆ THONG ĐỊNH VỊ VÀ CANH BAO TRONG NHÀ SỬ

DỤNG CÔNG NGHE UWB

LOCATION AND WARNING INDOOR BY USING UWB

KY SƯ NGÀNH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN THS NGUYEN DUY XUAN BACH

THS PHAM MINH QUAN

TP HO CHi MINH, 2020

THÔNG TIN HỘI ĐÒNG CHÁM KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 70/QD-DHCNTT ngày 27 tháng 01 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời mỗi sinh viên Luận văn tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng em những kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp.

Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thay, Cô khoa Kỹ thuật Máy Tính.

Đặc biệt là các Thay, Cô trong bộ môn Hệ thống Nhúng và Robot đã tận tình chỉ

day và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường, Làm nên tang cho em có thé hoàn thành được bài luận văn nay.

Em xin trân trọng cảm ơn thầy Nguyễn Duy Xuân Bách và thầy Phạm Minh Quân

đã tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư duy và cách làm việc khoa học Đó là

những góp ý hết sức quý báu không chỉ trong quá trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này.

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, tập thé lớp MTCL2016.2,

những người luôn sẵn sàng sẻ chia và giúp đỡ trong học tập và cuộc sống Mong

răng, chúng ta sẽ mãi mãi găn bó với nhau.

Xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ luôn đồng hành cùng mọi người.

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU ceeerrrriririrrrrirrrririrrrrrrrrirrrririrerroe 2 1.1 Tổng quan về để tài cscceereereriererrerrtrerrtrerrererrererrreere./Z

2.2 Mộtsố hướng nghiêm cứu đã tham khảo.

2.3 Tổng quan về phan cứng -2s estreeterreererretrerrerrereerrrer 2.3.1 Kit phat triển MDEK100

2.3.2 Thiết bị mobile

Chương 3 NGHIÊM CỨU THỰC NGHIỆM -ssssserreeserreev Đ 3.1 Hệthống

3.1.1 Tổng quan về hệ thong sss 3.1.2 Xây dựng chương trình cho thiết bị Anchor và Tag 1Ũ 3.1.2.1 Việc xác định khoảng cách giữa hai thiết bị LO 3.1.2.2 Gói tin trong việc truyền nhận eeeeeseseeur LL

3.1.2.3 Các bước hoạt động và Chu trình hoạt động của Tag va Anchor.12

3.1.3 Việc xác định vị trí của Hệ thống — LL

3.2 Việc tính toán khoảng cách của các công nghệ Bluetooth và Wif: 16

Chương 4 TRÌNH BAY, ĐÁNH GIA BAN LUẬN VỀ KẾT QUẢ 18 4.1 Xây dựng hệ thống

4.1.1 _ Xây dựng hệ thông Anchors và Tag e LO

4.1.2 Xây dựng chương trình trên thiết bi Mobile

Hình 3-2: Các xác định thời gian truyền nhận dự liệu giữa hai thiết bị

Hình 3-3: Gói tin theo chuẩn IEEE 802.15.4 [9]

Hình 3-4 Đồ thị hàm số (2) -.-ecceerirertriiiiririiiiiiiiiiiiriirirrrrie

Hình 4-1: Flowchart hoạt động của Anchor -: c-errrrrrrrrtrrrrrrrrrrrirrie

Hình 4-2: Flowchart hoạt động của thiết bị “Tag VỀ TIc, ccccconeniennoenenooereoceee

Hình 4-3: Flowchart của luồng truyền nhận dữ liệ

Hình 4-4: Flowchart hoạt động của Luéng xử lý dit liệu

Hình 4-5: Flowchart hoạt động của Callback timer.

Hình 4-6: Một số kí hiệu trong UML

Hình 4-7: Sơ đồ use case tổng quan

Hình 4-8: Giao diện khi mới vào ứng dụng định vị -c.e.ececeerrrer

Hình 4-9: Flowchart quá trình hiển thị vị trí -eccceereereeersereerrerrerrrerrrre

Hình 4-10: Flowchart quá trình cảnh báo -ccrreerrrrrirrrrtrrrtrrrirrrrrrrrrie

Hình 4-11: Giao diện màn hình định vị

Hình 4-12: Cách bồ trí Tag và Anchor (Hình ảnh minh hoa)

Hình 4-13: Biểu dé thể hiện mật độ phân bố trong quá trình đo đạc lân l Hình 4-14: Biểu đồ thé hiện mật độ phân bố trong quá trình đo đạc lần 2

Hình 4-15: Biểu đỗ thé hiện mật độ phân bồ trong quá trình đo đạc lần 3

DANH MỤC BANG

Bang 4-1: Bang đặc ta use case quét thiết bị Bluetooth - 26

Bang 4-2: Bang đặc ta use case kết nối với thiết bị s-es-eeee 26

Bảng 4-3: Bảng đặc ta use case định vị Vi trÍ eeeeeeereerrrrrrrirrrrrrrrrrrrrrer 2 7 Bang 4-4: Bảng đặc tả use case hiện thị vị trÍ eeccccrereeerrrrrrrrrrrrrrrrrrrreer 2 7 Bang 4-5: Bảng đặc tả use case cảnh báo người dùng -.- -e- LB Bảng 4-6: Bảng đặc ta use case chỉnh sửa dữ liệu cảnh báo 2

Bảng 4-7: 30 mẫu được lấy ở khoảng cách 4.5m -<eeeeeeeeees 3 5 Bang 4-8: Một số dữ liệu của 650 mẫu ở khoảng cách 4.5m 35

Bang 4-9: 30 mẫu được lay ở khoảng cách 4.5m có vật cản ở Tag Bảng 4-10: Một số dữ liệu của 80 mẫu ở khoảng cách 6m Bang 4-11: 30 mẫu được lấy ở khoảng cách 6m

Bang 4-12: Một số dữ liệu của 650 mẫu ở khoảng cách 6m

Bang 4-13: 30 mẫu được lay ở khoảng cách 6m có vật cản 6 Tag Bảng 4-14: Một s6 dữ liệu của 80 mẫu ở khoảng cách 6m 40

Bảng 4-15: 30 mẫu được Ay ở khoảng các Bang 4-16: Một số dữ liệu của 650 mẫu ở khoảng cách 9.2m AL Bang 4-17: 30 mẫu được lay ở khoảng cách 6m có vật cản ở Tag AZ Bảng 4-18: Một số dữ liệu của 80 mẫu ở khoảng cách 9.2m +3

Bảng 4-19: 30 mẫu được Ay ở khoảng cách 14.3m eeeseeeessee 44 Bảng 4-20: Một số dữ liệu của 650 mẫu ở khoảng cách 14.3m +4

Bang 4-21: 30 mẫu được lay ở khoảng cách 14.3m có vật cản ở Tag +5

Bảng 4-22: Một số dit liệu của 80 mẫu ở khoảng cách 14.3m 40,

Bảng 4-23: Bảng một số kết quả do thực tế lần đầu tiên #8

Bảng 4-24: Một số kết quả sau lần đo thực tế khu vực 4x4 AD Bảng 4-25: Bảng một số kết quả đo thực tế lần thứ hai 50

Bảng 4-26: Một số kết quả sau lần đo thực tế khu vực 9x9 DL

Bảng 4-27: Bảng một số kết quả đo thực tế lần thứ ba eeeee.ee Ð 2

Bảng 4-28: Một số kết quả sau lần đo thực tế khu vực 14x14 53

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

UWB Ultra Wideband

loT Internet of Things

TEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers, BLE Bluetooth Low Energy

GPS Global Positioning System

RSSI Received Signal Strength Indicator

TÓM TÁT KHÓA LUẬN

Sức mạnh của Hệ thống GPS đã đưa định vị trên lên một tầm cao mới Nhưng hạn chế của nó là không thể xác định vị trí trong các toà nhà, các khu công nghệ hoặc trong nhà Các hệ thống định vị trong nhà đã được phát triển sử dụng các công nghệ như Bluetooth, Wifi Nhưng độ chính xác của hai công nghệ trên đều có một điểm yếu là độ chính xác rat thấp Với sự giảm giá của giá thành, Công nghệ UWB đã

được đưa vào áp dụng vào hệ thống định vị trong nhà bởi sự chính xác cao hơn rất nhiều Thông qua đó các nhà phát triển có thê đưa ra những tính năng hoặc ứng

dụng khác nhau dựa trên độ chính xác trên.

Chuong 1 MỞ DAU

1.1 Tổng quan về đề tài

Sự phát triển của Global Positioning System (GPS) đã giúp con người rất nhiều trong việc định vị, dẫn đường, Nhưng hạn chế lớn nhất của GPS là không

có hiệu lực trong các toà nhà, trong các nhà xĩ nghiệp, những nơi bị che phủ Với sự

phát triển của những hệ thống Bluetooth và Wifi đã đưa ra một hệ thống định vị dựa

trên Received Signal Strength Indicator (RSSI) dé đưa ra vị trí trong các khu vực mà

GPS bị hạn chế, nhưng điêm yếu tồn tại của các hệ thống sử dụng các công nghệ trên

là độ sai số về vị trí còn rất cao và bị phụ thuộc rất nhiều và khoảng cách.

Hiện tại với sự phát triển của BLE 5.0, các hệ thống định vị trong nhà được kết hợp với sức mạnh của Bluetooth Mesh đang góp phan phát triển hệ thống định vị trong nhà phát triển mạnh nhưng độ chính xác còn khá thấp Với sự phát triển và việc hạ giá thành của các thiết bị sử dụng công nghệ UWB, hệ thống định vị trong

nhà đã phát triển thêm một bước xa hơn do độ chính xác được đây cao hơn rất nhiều

với độ sai số chỉ ở mức 30cm.

Trên thế giới công nghệ UWB vẫn chưa được phát triển ứng dụng quá nhiều Hiện tại, trên thế giới chỉ có một số startup phát hành và đưa ra sản phẩm như Sewio

Networks [1], InfSort, Còn ở Việt Nam, Hiện tai chỉ có một công ty Nha Trang

Hitech là đã phát triển được sản phẩm và một số hướng phát triển phù hợp với tình

hình và hiện trạng của nước ta [2].

1.3 Mục đích

Với một công nghệ còn khá mới đối với thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam Đề

tài này sẽ xây dựng một hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ UWB Kèm theo một số tính năng về cảnh báo như đi vào vùng nguy hiểm và đi ra khỏi vùng đã

được quy định trước.

Ngoài ra, Đề tài còn đưa ra một số nhận xét về độ chính xác của công nghệ UWB thông qua các việc đo khoảng cách thực tế ở các khoảng cách từ 5m tới 15m.

1.4 Pham vi nguyên cứu

Hệ thống định vị UWB được phát triển trong phạm vi 20 m? tới 50 m? và chi

có thể xác định vị trí được duy nhất một thiết bi TAG trong phạm vi được phủ sóng

UWB.

Hệ thống được cung cấp nguồn bằng pin trong khoảng thời gian hoạt động

liên tục ba tiếng và các thiết bị UWB anchor được có định trên trần nhà dé hạn ché việc bị vật cản và dễ đàng tính toán trong vị trí hơn.

Việc đo đạc thực tế sẽ được thực hiện một khoảng cách có trước Sẽ đo ở hai

trường hợp là không có vật cả và có vật cản.

Chương2 TONG QUAN

2.1 Công nghệ UWB

2.1.1 Giới thiệu về UWB

UWB ( Viết tắt của Ultra — Wideband ) là công nghệ không dây, như

Bluetooth và Wifi, tiêu tốn ít năng lượng cho cự li ngin.UWB được sử dung chủ

yếu cho công việc truyền nhận dữ liệu của cảm biến, định vị chính xác và các ứng

dụng theo dõi [3] Và hiện tại UWB đã bắt đầu được thêm vào các thiết bị điện

thoại thông minh như Iphone và Note20.

UWB còn được biết đến là sóng vô tuyến, Uỷ ban truyền thông Liên bang Mỹ

và Hiệp hội viễn thông quốc tế đã định nghĩa UWB là một hình thức truyền tín hiệu thông qua ăng-ten chiếm băng thông tối thiêu là 500MHz hoặc 20% của tần số

trung tâm của số học.

2.1.2 Ung dụng

Đặc tính của UWB thì rất hiệu quả cho các ứng dụng trong cự li gần như việc truyền nhận dữ liệu giữa cái thiết bị điện tử Nhưng hệ thống UWB có xu

hướng áp dụng cho các ứng dụng trong nhà Vì tính chất xung ngắn của UWB, Nó

dễ dàng cho để đây cao mức truyền nhận data UWB còn được dùng cho việc xác định vị trí thời gian thực Với sự chính xác và tiếp kiệm năng lượng của công nghệ UWB thi rất thích hợp Gần đây UWB cũng được ứng dụng cho đo khoảng cách

giữa hai vật thể Nó cho phép rất nhiều ứng dụng dựa trên khoảng cách của hai vật

thê Ví dụ như chìa khoá Điện Tử UWB được dựa trên khoảng cách giữa xe và điện thoại thông minh được trang bị UWB.

2.2 Một số hướng nghiêm cứu đã tham khảo.

Hướng nghiêm cứu của đề tài tham khảo theo bài viết “Indoor Robot

Positioning using and Enhanced Trilaterration Algorithm” của Pable Cotera, Miguel

Velazquez, David Cruz, Luis Medina, va Manuel Bandala.Ho déu lam việc ở Center

for Engineering and Industrial Development tại Mexico Bài viết được đăng vào

ngày | tháng I năm 2016 tai trang https://journals.sagepub.com [4]

Bài viết này nêu lên việc ứng dụng các thuật toán dé tim ra vị trí của vật thé

bên trong một nhà máy bằng cách tính ra khoảng cách bằng sóng radio Ngoài ra bàiviết còn sử dụng hệ thống nhúng đã phát triển để mang ra thực tế kiểm thử

Một bài viết về công nghệ UWB do công ty Infsoft với tên “Technologies for

Server — Based indoor positioning compared: Wifi vs BLE vs UWB vs RFID” do

Gina Wurms là tac gia đăng ngày 13 thang 7 năm 2017 trên trang https:

www.infsoft.com Bài viết nay cho ta thấy được điểm mạnh va yếu của các công

nghệ đang được sử dụng trong việc định vị trong nhà thông qua các điểm: độ chính

xác, độ rộng, độ phù hợp, khả năng theo dõi, khả năng tiêu thụ điện năng, yêu cầu

nguôn cung cap.

comparison of different technologies for server-based indoor positioning

Technology Accuracy Range Suitable for Tracking Transmitter Battery

power supply lifetime

UWB “em ° [-] + ey m_ =1 or aly |

<150m area detection ` GTO @ medium

L4

RFID presence detection only + L] + q@ — —

#

<1m spot detection (passive RFID tag) (passive RFID tag)

Hình 2-1: Hình anh so sánh giữa Wifi, BLE, UWB, RFID của trang

2.3 Tổng quan về phần cứng

2.3.1 Kit phát triển MDEK1001

Kit MDEK1001 là thiết bi DWM1001 được cấp nguồn bằng pin 16340 cókhả năng sạc và nguồn cấp là 3.7v Kit MDEK1001 được thiết kế có sẵn dé pin

cho việc cấp Và sạc nguồn DWM1001 có hỗ trợ mạch sạc cho phép có thể sạc

cho pin 16340 Kit MDEK1001 được bảo vệ bang một vỏ nhựa có vị trí dé treo rất

có định trên tường

Hình 2-2: Thiết bi MDEK1001 và DWM1001

Đối với DWM1001 sẽ có:

Bộ xử lý:

o Sử dung Nordic Semiconductor NRF52832 với bộ ARM Cortex-M4 32

bit processor với FPU, 64 MHz.

Bộ nhớ:

o 512kB flash/64 kB RAM.

Cac chuan giao tiép:

o Thiết bi DWM1001 có các chuẩn giao tiếp như UART, SPI, I2C, GPIO

Cam bién :

o Cảm biến chuyên động: cảm biến gia tốc 3 trục

o Các chuẩn giao tiếp có thé thêm cảm biến bên ngoài

Nguồn cung cấp:

o_ Nguồn cung cấp từ 2.8 V tới 3.6 V

Những tính năng khác:

o_ Có mạch cấp sạc cho pin 16340

o Có Chân Pin có thé gắn lên chân ra của raspberry

o_ Hardware được thiết kế cho việc sử dụng năng lượng thấp và cấu trúc

phần cho việc sử dụng pin lâu hơn

2.3.2 Thiết bị mobile

Yêu cầu thiết bị mobile chạy Android 4.3 và có thể kết nối Bluetooth Thiết

bị mobile được dùng dé chạy demo cho luận văn là Google Pixel XL

Hinh 2-3: Hinh anh vé dién thoai Google Pixel XLCấu hình của Google Pixel:

- Chip xử ly: Snapdragon 821 4 nhận.

- _ Tốc độ CPU: 2 nhân 2.15 GHz & 2 nhân 1.6 GHz

- Chip đồ hoa: Adreno 530

- Bluetooth: verision 4.2, A2DP.

- RAM:4GB.

- Bộ nhớ trong: 128GB.

- OS: Android 9.0

Chương 3 _ NGHIÊM CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 Hệ thống

3.1.1 Tống quan về hệ thống

Dựa vào khoảng cách giữa các thiết bị với nhau dé đưa ra vị tri của vật thécần được kiêm tra trong khu vực được phủ song UWB.Thông qua điện thoại thông

minh, Hệ thống sẽ hiện thị vị trí của vật thé lên và những tinh năng về cảnh báo

kèm theo như di ra khỏi vùng đã được quy định từ trước và đi vào vùng đã được

- Một thiết bị điện thoại để nhận dự liệu từ Tag và hiện thi vi trí của Tag lên

điện thoại Ứng dụng có tính năng cảnh báo nếu vi phạm vào những quy định như

đi vào vùng nguy hiểm hoặc đi ra khỏi vùng an toàn

3.1.2 Xây dựng chương trình cho thiết bi Anchor va Tag

3.1.2.1 Việc xác định khoảng cách giữa hai thiết bị

Việc xác định khoảng cách giữa hai thiết bị được xác định bằng thời gian

tiêu tốn trong quá trình truyền nhận dt liệu giữa hai thiết bị nhân với tốc tốc độ của

của sóng radio ta sẽ được khoảng cách giữa hai thiết bị theo công thức (1.1)

Khoảng cach = Tốc độ sóng radio * Thời gian (3.1)

Thiết bi DWM1001 sử dụng toán học và kỹ thuật điện tử để tạo ra một bộclock chuẩn xác Bằng việc ghi nhận lại việc hoạt động mỗi khi có sự kiện xảy ra

trong quá trình truyền nhận của tính hiệu Thiết bi DWM1001 có thé xác định chính

xác được các moc thời gian của các sự kiện diễn ra.

Đối với hệ thống được xây dựng, việc xác định thời gian truyền đi sẽ được

xác định theo Hình 3-2 Thiết bị Tag sẽ gửi gói tin đi với mốc thời gian là T¡ Sau

đó, Anchor sẽ nhận được gói tin và sẽ phản hồi về Tag sau một khoảng thời gian

chuẩn bị gọi là Tretay Mốc thời gian T› sẽ được xác định tại lúc Tag nhận được gói

tin ma Anchor nhận [8]

message 2

Hình 3-2: Các xác định thời gian truyền nhận dự liệu giữa hai thiết bị

10

Dựa vào các mốc thời gian ở trên, ta có thê tính được khoảng thời gian giữa

hai thiết bị băng cách:

Tạ — T, — Tretay

Nếu ta cho tốc độ của sóng radio trong không khí bằng với tốc độ ánh sáng

(kỹ hiệu là c), thì khoảng cách giữa Anchor và Tag sẽ được tính:

Khoảng cách = c * Thời gian (3.3)

Với hệ thông được xây dựng bao gồm ba thiết bị Anchor và một Tag Việc

xác định khoảng cách g1ữa các thiết bị sẽ được diễn ra lần lượt theo thứ tự nhất

định.

3.1.2.2 Gói tin trong việc truyền nhận

Dé xác định khoảng các giữa hai thiết bi Ta sẽ dựa trên gói tin dé xác định

thời gian đã tiêu tốn trong quá trình truyền nhận Theo hình 3-2, Việc truyền nhận

¢ Byte 2: Số thứ tự, tăng mỗi khi có gói tin mới

e Byte 3/4: PAN ID (ở đây là 0xDECA).

e Byte 5/6: Dia chỉ nguồn

e Byte 7/8: Dia chi tới.

e Byte 9: Mã chức năng (giá trị cụ thé dé cho gói tin nằm trong qua

trình).

11

Frame buffer indices: 0,1 2 3,4 5,6 7.8 9 and up

| 2 octet | 1 octet | 2 octets | 2 odets | 2 octets | Variable # octets | 2 octets |

Frame Sequence Destination Source

Control (FC) Number BAN ID Address Address payload rcs

Hình 3-3: Gói tin theo chuẩn IEEE 802.15.4 [9]

Ở Byte 5,6,7,8 là các byte được dùng dé xác định các thiết bi UWB Trongquá trình gửi gói tin tất cả các thiết bị trong khu vực phủ sóng đều nhận được gói

tin Đề xác định đích tới ta sẽ dựa trên địa chỉ tới dé xác minh

Đối với gối tin thứ 2 sẽ bao gồm 10 bytes như là gói tin đầu và bao gồmthêm 6 bytes trong gói dé gửi dữ liệu mốc thời gian nhận dữ liệu và mốc thời gian

truyền gói tin.

Thời gian truyền gói tin được xác định nhờ việc tạo delay trong quá trình gửigói tin Việc tạo đelay như vậy sẽ phụ thuộc rất nhiều về việc xung clock của chip

xử lý Thời gian delay được nhà sản xuất cung cấp dé dam bảo độ chính xác của

việc xác định thời gian truyền gói tin đi

3.1.2.3 Các bước hoạt động và Chu trình hoạt động của Tag va Anchor

của thiết bị Tag có toa độ là (Xtag, Ytag, Zag) ta sẽ được phương trình mặt cầu như

sau:

r? = (Xrag — x) + (Yrag — y) + (Zrag — z) (3.4)

Với: r là khoảng cach từ toa độ thiết bị Tag đến một điểm xác định

(x, y, z) là toa độ của điểm xác định

Ta sẽ một số giả thiết để cho việc tính toán được dễ hơn:

- _ Trong trường hợp của đề tài, tất cả các Anchor đều được cố định vị trí ở trên

trân nhà với chiêu cao băng nhau trên cùng một mặt phăng, cho nên có thê xem

bằng 0

- Ta sẽ định vi các anchor với các vi trí có trước va toa độ được xác định

trước:

IEP” vụ) (3.6) 4; = (x;,0,0) (3.7)

Az = (x3, ys, 0) (3.8)

Goi rị, ra, r3 lần lượt là khoảng cách của tag cho tới vi trí của các Anchors

Thay thé các toa độ của Anchor vào dang thức (3.4) ta được phương trình mặt cầu

của các từ Tag cho tới các Anchor là:

Trị? = Sra 5P Vrag” + Zrag” (3.9)

2

Tạ” = (Xrag ~ x2) + Yragˆ + Zrag” (3.10)

2 2

Tạ” = (Xrag — x3) + (Yrag — 3s) + Zag” (3.11)

Từ ba đăng thức (3.9), (3.10), (3.11) ta được một hệ phương trình ba ân là toa độ

của Tag Ta sẽ được:

13

vi trí của các Anchor, thì các dang thức có thé ứng dụng như hệ thực toạ độ trong

mặt phang và sẽ thu được một kết quả

15

Đối với đăng thức tim Zag, Nó phụ thuộc vào giá trị của Xtag và Ytag Nó có thé

có được giá tri âm của trong canh thức bậc hai của Ztag, Nó sẽ là một lỗi trong quá

trình tính toán Nhưng việc đặt các Anchors ở trần nhà đồng nghĩa với việc các thiết

bị đều có cùng độ cao và nó song song với mặt đất noi ma vật thể hiện điện.Nên

trong trường hợp này không cần tính đến zrag

3.2 Việc tính toán khoảng cách của các công nghệ Bluetooth va Wifi:

Đối với các công nghệ như Bluetooth và Wifi, dé xác định khoảng cách giữa

hai thiết bị với nhau ta sẽ sử dụng RSSI ( Received Signal Strength Indication) va

đơn vi của nó là dBm Cũng giống như tính hiện không dây sẽ phụ thuộc vào

khoảng cách giữa hai thiết bị Một cách có thể tìm ra được khoảng cách bằng cách

tính toán việc suy hao trên đường truyền

Cường độ tín hiệu có thể được mô tả theo khoảng cách theo công thức

RSSI[dBm] = — (10 *n * logy) * d — Tx) (3.12)

Trong đó: na hằng số suy giảm tín hiệu

d là khoảng cách giữa hai thiết bị

Tx là cường độ của tín hiệu truyền tại khoảng cách 1 met

Tại mỗi môi trường khác nhau thì hằng số n cũng sẽ khác nhau Như trong môi

trường không khí bình thường chỉ số này sẽ là 2 Tx sẽ được thay đổi theo từ tuỳ

loại công nghệ vô tuyến Ở đây dé tài này Sẽ sử dụng lay Beacon của Nordic làm vi

dụ cho việc đo khoảng cách với Tx sẽ là -69.

Biến đồi dang thức (3.12) ta sẽ có:

RSSI-Tx

d[m] = 10 =ten (3.13)

16

Tỉ lệ trên Trung bình 38.61%

Biên độ giao động của RSSI khá lớn giữa hai giá trị tối đa và tối thiêu Qua

đó chứng tỏ việc đo khoảng cách của RSSI ở các khoảng lớn hơn 4m bắt đầu có

hiện tượng bi sai sỐ tăng dần do việc tính khoảng cách dựa trên | đăng thức và việc

bất ôn định trong hệ thống

17

Chương 4 _ TRÌNH BAY, ĐÁNH GIA BAN LUẬN VE KET QUÁ

4.1 Xây dựng hệ thống

4.1.1 Xây dựng hệ thống Anchors và Tag

Các thiết bị Tag và Anchor đều được chạy và kiểm soát dưới hệ điều hành

nhúng thời gian thực FreeRTOS và những Interrupt như:

- _ Khi quá trình nhận được gói tin tốt

- Khi quá trình nhận bi timeout.

- Khi quá trính nhận bi lỗi.

- Khi quá trình truyền được hoàn thành

Với các interrupt trên sẽ có các flag tương ứng Dé thuận tiện ta sẽ gọi Flag

đầu tiên là Flag nhận dữ liệu tốt, 2 Flag tiếp theo sẽ gọi là Flag lỗi và Flag cuối cùng

sẽ gọi là Flag truyền dữ liệu

s* Chu trình hoạt động của thiết bi Anchor

Thiết bị Anchor sẽ hoạt động theo flowchart hình 4-1 như sau:

Bắt đầu chương trình thiết bị sẽ khởi tạo các Led đề hiện thi cho quá trình

truyền nhận dữ liệu Sau đó khởi tao task cho việc nhận dữ liệu của DWM1001.

Tiếp đến sẽ đến việc settup các thanh ghi, xung clock, callback và các interrupts choviệc hoạt động của DWM1001 Sau các công việc trên, chương trình sẽ vào task dé

truyền nhận đữ liệu

Trong quá trình truyền nhận di liệu, Chương trình sẽ chuyển sang chức

năng nhận dữ liệu và đợi các Interrupt để tiếp tục thực hiện

18

Nếu các Flag lỗi được bật lên, chương trình sẽ xoá dtr liệu, reset lại các thanhghi truyền nhận và sẽ xoá Flag lỗi đi.

Khởi tạo và Settup

chip DWM1001

Kiểm tra Flag _

Interrupt của hệ thông

Tắt Flag lỗi, reset lại

các thanh ghỉ nhận

Các Flag Lỗi bật?

Flag nhận dữ liệu tốt bat?

Kiém tra dữ liệu nhận

được Tạo gói tin Gửi

gói tin đi.

Hình 4-1: Flowchart hoạt động của Anchor

Nếu Flag nhận dữ liệu tốt bật lên, chương trình sẽ kiểm tra dữ liệu đã nhận

được Chương trình sẽ xoá Flag nhận dữ liệu tốt đi và kiểm tra dữ liệu đã đủ chưa

Nếu không đúng địa chỉ tới, chương trình sẽ reset lại các thanh ghi truyền nhận Sau

đó, sẽ quay lại từ đầu của quá trình truyền nhận Nếu đúng địa chỉ tới, chương trình

19

sẽ chuẩn bị gói tin cho quá trình truyền dữ liệu về Tag Địa chỉ tới sẽ là địa chỉ

nguồn của gói tin đã được gửi tới Khi gói tin đã sẵn sàng, chương trình sẽ chuyển

sang chức năng truyền dữ liệu và đợi cho đến khi Flag truyền dữ liệu được bật lên

thì chương trình sẽ xoá Flag đi xoá các thanh ghi cần thiết và quay lại bắt đầu của

quá trình truyền dữ liệu

¢ Chu trình hoạt động của thiết bị Tag:

Thiết bị Tag sẽ hoạt động theo Flowchart hình 4-2 như sau:

Khởi tạo và Settup

chip DWM1001

Luông xử lý dữ liệu

Hình 4-2: Flowchart hoạt động của thiết bị Tag

Bắt đầu chương trình thiết bị sẽ khởi tạo các Led dé hiện thi cho quá trình

truyền nhận dir liệu Sau đó khởi tạo task cho việc nhận dữ liệu của DWM1001.

Tiếp đến sẽ đến việc settup các thanh ghi, xung clock, callback và các interrupts choviệc hoạt động của DWM1001 Chương trình sẽ khởi tạo các yêu cầu cần thiết cho

hệ thống Bluetooth cho công việc truyền dữ liệu qua thiết bị mobile Sau các công

việc trên, chương trình sẽ được chia thành hai luồng để hoạt động và một timer choviệc tính toán và gửi dữ liệu cho thiết bị mobile thông qua Bluetooth với bộ đếm

một giây.

20

Ở luồng nhận truyền nhận đữ liệu Bắt đầu, chương trình sẽ chuẩn bị gói tin

dé gửi dữ liệu đi với địa chỉ tới theo thứ tự lần lượt Khi gói tin đã sẵn sàng, chương

trình sẽ gửi gói tin đi và chuyển sang đợi gói tin

Tạo gói tin và gửi đi

theo thứ tự

Kiém tra Flag _

Interrupt của hệ thông

Tắt Flag lỗi, reset lại

| thanh ghi nhan |

Các Flag Lỗi bat?

Flag nhận dữ liệu tốt bật?

Kiém tra dữ liệu nhận

được lưu dữ liệu lại

Hình 4-3: Flowchart của luồng truyền nhận dữ liệu

21

Cũng tương tự như ở thiết bị Anchor, Thiết bị Tag cũng sẽ đợi các Flag của

các Interrupt và xử lý như các thiết bị Anchor Nhưng đối với khi nhận được gói tin

từ Anchor đã gửi về Chương trình của thiết bị Tag sẽ dựa trên địa chỉ của Anchor

dé lưu dit liệu lại dé cho luồng xử lý dữ liệu thực hiện Khi đã lưu dữ liệu, chươngtrình sẽ gửi quay lại từ đầu của luồng dé gửi cho Anchor khác

iém tra dữ liệu đã lưu cua

tường Anchor2

Tính khoảng cách đã

nhận được từ Anchor.

Kiém tra Flag timeout

Hình 4-4: Flowchart hoạt động của Luong xử lý dit liệu

Ở luồng xử lý dữ liệu: Chương trình sẽ kiểm tra đữ liệu đã nhận vào từ luồngnhận đữ liệu Nếu nhận được dữ liệu lưu có data mới, Chương trình sẽ tính toán và

22

đưa ra khoảng cách từ data mới nhận về Đồng thời chương trình sẽ kiểm tra Flag

timeout của timer để chuẩn bi data dé gửi cho thiết bi mobile và bật Flag dé thông

báo dữ liệu đã sẵn sàng gửi qua thiết bị moblie thông qua Bluetooth

Kiém tra tình trạng kết ndbluetooth với moblie?

Kiễm tra Flag gửi dữ liệu

Gửi dữ liệu đi và xoá

Flag dữ liệu

Hình 4-5: Flowchart hoạt động của Callback timer.

Đối với callback timer một giây: Bật Flag timeout dé thông báo cho luồng xử

ly dit liệu Đồng thời sẽ xử lý việc gửi tín hiệu qua thiết bi mobile Nhu Flowchart

Hình 3-4, Các bước sẽ là: Kiểm tra tình trạng kết nối, kiểm tra đữ liệu đã sẵn sảng

23

dé gửi dit liệu chưa Nếu không kết nối thì hệ thống sẽ đợi cho đến kết nối Sau khikiểm tra kết nối Nếu dữ liệu chưa sẵn sàng dé gửi thì sẽ gửi dữ liệu đề cho thiết bịmobile là data không đủ điều khiện để gửi Nếu dữ liệu đã sẵn sàng thì chương trình

sẽ gửi data thông qua Nordic Uart Service (NUS) là phương pháp giao tiếp giữa haithiết bị Bluetooth

4.1.2 Xây dựng chương trình trên thiết bị Mobile

4.1.2.1 Thiết kế ứng dụng mobile

Do nhu cầu của ứng dụng chỉ dé phục vụ cho đề tài, em đã sử dụng ngôn ngữ

mô hình hóa (UML) tiến hành phân tích các yêu cầu và chức năng của hệ thống

s* Mô hình use case toàn ứng dụng

Mô hình use case được sử dụng đề mô tả những chức năng của hệ thống vànhững yêu cầu của từng người dùng đối với hệ thống Đề tiện cho việc phân biệt các

loại mối kế hợp, em xin phép chú thích các kí hiệu trong mô hình:

Hình 4-6: Một số kí hiệu trong UML

24