Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Nghiên cứu và hiện thực thiết bị định vị sử dụng kỹ thuật kết hợp RTOF và DOA

Luận án “Nghiên cứu và hiện thực thiết bị định vị sử dụng kỹ thuật kết hợp RToF và DoA” của nhóm là luận án tập trung nghiên cứu và triển khai một hệ thông định vị đa môi trường cả indoo

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

NGUYEN BA QUOC KHANH

TRAN TIEN THIEU

KHOA LUAN TOT NGHIEP

Nghiên cứu và hiện thực thiết bi định vi sử dung kỹ

thuật kết hợp RTOF và DOA

Research and implementation of tracking device using RTOF and

DOA

KY SU NGANH KY THUAT MAY TÍNH

TP HO CHÍ MINH, 2021

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

NGUYEN BA QUOC KHANH - 17520624

TRAN TIEN THIEU - 17521084

KHOA LUAN TOT NGHIEP

Nghiên cứu và hiện thực thiết bị định vi sử dung kỹ thuật

kết hợp RTOF và DOA

Research and implementation of tracking device using RTOF and

DOA

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN ThS PHAM THANH HUNG

TP HO CHÍ MINH, 2021

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 466/QD-DHCNTT

ngày 23 tháng 07 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LOI CAM ON

Lời đầu tiên chúng em xin gửi đến quý thay cô trong trường Dai học Công

Nghệ Thông Tin - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và

khoa Kỹ Thuật Máy Tính nói riêng đã trang bị cho chúng em một nền tảng kiến thức chắc chắn và những kinh nghiệm quý báu, tâm huyết làm hành trang cho

chúng em trong tương lai Đây chắc chắn là sự trợ giúp lớn nhất cho chúng em

trong quá trình hoàn thành khóa luận và cả trong sự nghiệp tương lai.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn thầy ThS Phạm Thanh Hùng, người đã dành thời gian và kinh nghiệm của mình để giúp đỡ và

hướng dẫn nhiệt tình dé chúng em có thể hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, anh chị, những người đã

giúp đỡ chúng em tìm kiếm, thu nhập thông tin trong suốt quá trình thực hiện

khóa luận.

Đặc biệt, chúng em gửi lời cảm ơn đến quý công ty RFThing Vietnam đã hỗ

trợ chúng em rất nhiều về cả kinh phí lẫn thiết bị và kinh nghiệm để chúng em hoàn thành đề tài lần này.

Một lần nữa xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả anh chị, thầy cô, bạn

bè đã dành thời gian, công sức giúp đỡ chúng em trong thời gian khóa luận tốt nghiệp vừa qua Trong quá trình thực hiện khóa luận tất nhiên sẽ không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô, anh chị bỏ qua và thứ

MỤC LỤC

Chương 1 TONG QUAN 22222+22222222 2222212222111 222211 2E 3 1.1 Lý do chọn đề tài 222-2222 2222122222111122221122211112222111 E111 cerrree 3 1.2 Mục tiêu để tài 2222cc2 2212222211 222111222111 2221111212 1 re 4

Chương2 CO SỞ LÝ THUYÉT 2: 2©+2+222EE++tEE2EEE+tEEEEEerrtrrkrcree 6

P9 0 6 2.1.1 _ Khái niệm, giới thiệu - c6 St hét 6 2.1.2 Nguyên lý hoạt động ¿- - St 6 2.2 Các kỹ thuật định vị thông dụng - - ¿+ + S*Es#exeErkrrkrkekrreree 2

2.2.1 Tổng quan các kỹ thuật định vị [9] - -¿-522cccccccerrrrr 2 2.2.2 So sánh các kỹ thuật và lựa chọn kỹ thuật định vị cho đề tài 5

2.3 Antenna £, 40h MMM MD ccssssseedecssseerabesssssscsesessssssersessssensseersenes 6

2.3.1 Một số thông số co bản của antenna -ccz+c2+ 6

2.3.2 Circularly Polarized an(€nna -¿-¿s 5s sss+esxs£veerexseeeeerere 9

2.3.3 Lựa chọn mẫu antenna cho để tài -.2- 52 52+ 2£x+z£x+zrxeerxeee 20 Chương 3 HIEN THUC DE 5ã010027 21 3.1 Thiết kế và hiện thực phần cứng Node -ccc+z+22cvvvvvecrrrrrrrr 21 3.1.1 Tổng quan -2222cvcccttrtrErtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrri 21

3.1.2 Thiết kế và hiện thực antenna Circularly Polarized [8] 21 3.1.3 Thiết kế system-on-antenna csccsccssssessssssesesssseesssssseessssseesesssseeesessees 25 3.2 Thiết kế và hiện thực phần cứng Station

3.2.1 Tổng quan -cc+c2222+ctSEEEErrrtrrkrrrrrrrrrrrrrrrrree 29

3.2.2 Do đạc và chọn lựa antenna định hướng cho station

3.2.3 Thiết kế mach cho station ¿¿+2++++222++ztevrrxerrrrrrsree 33

3.3 FirmWAIe -S+ Sàn HH 001110 re 37

3.3.1 Nền tảng lập trình.

3.3.2 Firmware điều khiển chip LoRa SX1280 -c-+ 37

3.3.3 Firmware cho Node

3.3.4 Firmware cho Station c.ccceccccseeseseescseseeseneseseseeeesesesesesnesessseseaees 42 3.3.5 _ Giao diện người dùng

4.3 Kết hợp hai kỹ thuật -. :22222222222222222211122221121222112 E221 ccrrkke 52 Chương 5 Kếtluận -c 222222ScccrrecCEEEvvrrrrrrrrrrrrvee 53 5.1 Các kết quả dat QUOC eccccscsssssssesssscssssssusecsessssiusseessssssssnsesesessssssneeeessessane 53

5.2 Các vấn đề còn ton dong ecssecescssssesssssssesscsssescsssssesesssnseessssuseesssisecessseeeeease 53 5.3 Hướng phát trigt ccccccccccsssssssccssssesessssscccsssesscsssssescsssusecsssuseeesssseeeessseeeeeass 54

5.4 Những khó khăn gặp phai cc ceceeesceseeeseeseeeseeseseseeseseeeseneseenseeeeeenes 54

TÀI LIEU THAM KHẢO 222: ©22222222E+229222211222211122221111222111 22212 cxer 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: So sánh một số công nghệ không dây [1] -.-. -ee

Hình 2.2: Kỹ thuật điều chế sóng AM và EM [I5| - -.e-eeesseee

Hình 2.3: Kỹ thuật điều chế sóng digital [15]

Hình 2.4: Kỹ thuật điều chế sóng LoRa [15]

Hình 2.5: Thông số trong sóng LoRa [15]

Hình 2.11: Electric field cua CP antenna [14]

Hình 3.1: Hình hoc antenna CP được dé xuất nhìn từ góc nghiêng

Hình 3.2: Hình học antenna CP được đề xuất nhìn từ trên xuống —

Hình 3.3: Hình học antenna CP được dé xuất nhìn từ bên cạnh eccexee

Hình 3.4: Kích thước cụ thể của antenna 2-es-eereerreerrerrrerrerrrrerrer

Hình 3.5: Khu vực phát xạ sóng của antenna dual bands -: =

Hình 3.6: Radiation Patterns cua antenna.

Hình 3.7: Thông số S11 Return Loss của antenna

Hình 3.8: Axial ratio cla ant€nna -ccscccctnthhhhhhh He Hình 3.9: Radiation efficiency của antenna

Hình 3.10: Module E28-2G4M12S sử dụng chip SX1280 va pinout của nó

Hình 3.11: Hình ảnh miêu tả về ý tưởng system-on-antenna .

Hình 3.12: Module E28-2G4M12S được nhóm Tef€T -e : -:cc5ecvesescreerer Hình 3.13: Schematic của nhóm vẽ lại dựa trên module E28-2G4M12S

Hình 3.14: Schematic reference của hãng semtech [6] Figure I5-I

Hình 3.15: Phan SX1280 nhóm đã layout PCB .sxeereeserrererree

Hình 3.16: Phiên bản system-on-antenna với MCU SŠTM8L151C4T6

Hình 3.17: Phiên ban system-on-antenna với MCU Atmega328p 20

Hình 3.18: Do antenna ở phòng thí nghiệm -cicceieeeetetrrerrrrrerereerer 2 Hình 3.19: Do antenna trong môi trường outdoor không vật cản OO

Hình 3.20: Kết quả do Antenna patch_01 cseeeeeeeeeseeeeeeeeees 3 1

Hình 3.21: Kết quả do Antenna ceramic sesreereereersereerseeeeee 31

Hình 3.22: Kết quả đo Antenna ceramic -.eeereeeerrerrereereeeeees SL Hình 3.23: Kết quả đo Antenna patch_ 02

Hình 3.24: Radiation Patterns cua antenna

Hình 3.25: Thông số S11 của antenna -eeereeeerrrrerrrrrereeee 33

Hình 3.26: Schematic mạch statiOn ee cccveeseertteeeeeetereerrrerrrrrreeeeres OA Hình 3.27: Layout mach station c-ccceeeveerrrrrrirtreeeetrtrrririirrrirrririrrirroee OD Hình 3.28: Mô phỏng 3D mach station 235

Hình 3.29: Mach station nhóm đã hiện thực va dang được sử dung cho đề tài 36

Hình 3.30: Phiên bản mach sử dung esp8266 không thể sử dụng 36 Hình 3.31: Hệ sinh thái của nền tảng PlatformIO -e.sseeeeeee 37

Hình 3.32: Flowchart giải thuật ÏNOde ecccccccsvvxvveeeerieerirtteirrrrrirrririsesrrree OO

Hình 3.33: D6 thị năng lượng của Node eeeeerererrereeeoe 40

Hình 3.34: Thời gian đợi của node (trái) và thời gian full-active (phải) 40

Hình 3.35: Flowchart về các quy trình của station -.-. .eeeeeeo 23

Hình 3.36: Hiền thị không có node trong datasets wuss 4D

.45

.46 -òờ 46

Hình 3.37: Hiền thị trạng thái đợi tín hiệu đầu tiên từ node

Hình 3.38: Hiển thị tracking

Hình 3.39: Hiền thị trang thái mắt tín hiệu từ node

Hình 3.40: Hình ảnh mô phỏng thiết kế (trái) và hiện thực (phải) của node +7

Hình 3.41: Thiết kế của station trên Solidworks (trái) và hiện thực (phải) 4B

Hình 3.42: Hình dáng của station đóng gói hoàn thiện 4B,

Hình 4.1: Kết qua đo đạc thông số RToE outdoor LOS của nhóm +9

Hình 4.2: Kết qua đo đạc thông số RToF indoor LOS của nhóm 5 Hình 4.3: Kết qua đo đạc thông só RToF indoor NLOS của nhóm 50

Hình 4.4: Kết quả đo đạc khoảng cách indoor LOS sau căn chỉnh 52

DANH MỤC BANG

Bảng 2.1: Bảng tham khảo độ nhạy của LoRa [6] -. -ceeeeeee«eee.e |

Bảng 2.2: Bảng tham khảo bit rate thuần của LoRa [6] LZ

Bang 2.3: Bảng so sánh các kỹ thuật định vi [9] 15

Bảng 3.1: Cấu hình packet LoRa cho Node 41

Bảng 3.2: Cấu hình pin điều khiển LoRa -sseseeeeeeeeeeeeeeeeev 4D

Bảng 3.3: Cấu hình packet LoRa cho Station seseeeeeeeeeeeeer 4A

Bang 3.4: Cấu hình pin điều khiển LoRa -esereeeeereseeer 24

Bang 3.5: Bảng các lệnh terminal của Station -.e.-eeeeeeeeeeeeo 47

Amplitude modulation

Bao cao - ban chi dao

Bluetooth Low Energy

Bandwidth Coronavirus disease

Circularly Polarized Antenna Central processing unit

Coding Rate

Chirp Spread Spectrum

Decibel Decibel-milliwatts Direction of Arrival

Frequency modulation

Global Navigation Satellite System Global Positioning System

Integrated Circuit Internet of Things

kilometer

Lao động — Thuong binh va Xã hội long range

Microsecond milliWatts

Noise figure None-line-of-sight

Object-oriented programming Organic light-emitting diode Printed Circuit Board

Radio frequency Return Loss

Received Signal Strength Indicator Return Time of Flight

Signal-to-noise-ratio Spreading Factor

Time of Arrival

Time of Flight United Nations Children’s Fund

Voltage Standing Wave Ratio

TÓM TÁT KHÓA LUẬN

Cách mạng công nghiệp 4.0 bùng nồ, công nghệ thông tin phát triển vượt trội, Internet of Things đang là một xu hướng toàn cầu Do đó, quản lý định vị vị trí vật

thé, theo dau con người cũng là một phan quan trong trong IoT.

Luận án “Nghiên cứu và hiện thực thiết bị định vị sử dụng kỹ thuật kết hợp RToF và DoA” của nhóm là luận án tập trung nghiên cứu và triển khai một hệ thông định vị đa môi trường cả indoor và outdoor trên sử dụng công nghệ LoRa 2.4GHz kết

hợp kỹ thuật định vị RToF và DoA.

Hệ thống gồm thiết bị hai thiết bị là:

e Thiết bị Station:

o Là thiết bị đầu cuối có tác dụng dò tìm và theo dau vị trí của node.

o_ Cung cấp giao diện người dùng trực quan.

o Dễ dàng lắp đặt và thao tác rảnh tay.

o Sử dụng 3 antenna định hướng quét 180 phía trước

© Thiết bị Node:

o Là thiết bị cần đem theo vật cần theo dõi.

o Có kích thước nhỏ gọn, hình dạng một chiếc móc khóa tiện lợi.

o_ Mức năng lượng tiêu thụ thấp, có thé lên tới 1 năm với 1 viên pin cúc áo

CR2450.

o Sử dụng antenna CP được thiết kế riêng giúp hệ thống có thé hoạt động

không bị ảnh hưởng bởi phương chiều của node.

o Là một system-on-antenna, tat cả các thành phần của node đều nằm trên

mặt sau của antenna

MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin dang phát triển, đặt biệt là Internet of Things (IoT) đang

là xu hướng, tiềm năng cho nhiều loại dịch vụ có thé tận dụng IoT Do đó, các kỹ thuật

và công nghệ khác nhau đã và đang được phát triển dé cung cấp dịch vụ người ding.

Trong đó, việc xác định vị trí, theo dấu vật thể cũng đang được nhiều người quan tâm trong các ứng dụng cả trong cuộc sống hàng ngày và cả những trường hợp đặc biệt ví

dụ như: định vị trẻ em trong trường, trong công viên, hay định vị thú cưng, xe cộ và

đồ đạc trong trường hợp mất cắp hoặc that lac, và định vị người trong trường hợp cứu

hộ cứu nạn như hoa hoạn thiên tai

Hiện tại, có rất nhiều thiết bị về định vị sử dụng các công nghệ khác nhau như GPS, BLE, Công nghệ GNSS có thể định vị realtime, độ bao phủ rộng tuy nhiên sử dụng năng lượng lớn không thê duy trì hoạt động lâu dài với pin và chỉ có thể hoạt

động trong trường hợp outdoor LOS, công nghệ BLE có thé cho ra độ chính xác cao

tuy nhiên độ bao phủ nhỏ, công nghệ ultra-wideband có thể cho ra kết quả có độ chính xác cực kỳ cao, nhưng chỉ phí khó tiếp cận với đại đa số mọi người Vì thể, giải pháp

đưa ra cho vấn dé là sử dụng công nghệ LoRa kết hợp cùng các kỹ thuật định vị để tạo

ra một hệ thống định vị đa môi trường có độ chính xác cao, độ bao phủ rộng, ít tiêu tốn năng lượng, dễ dang cài đặt và có chi phí vừa phải đề có thé dé dàng tiếp cận đại

đa số mọi người.

Nội dung của đề tài khóa luận bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Hiện thực đề tài Chương 4: Kết quả

Chương 5: Kết luận

Chương 1 TONG QUAN

phát hiện 2.390 vụ mua bán người trong đó có trẻ em với 3.961 kẻ buôn bán trẻ em và

4.721 nạn nhân Trong số này, mua bán người đủ từ l6 tuổi trở lên gồm 2105 vụ (chiếm 88,1%), mua bán trẻ em (dưới 16 tuổi) gồm 177 vụ (chiếm 7,4%) và mua bán

cả người lớn và trẻ em là 108 vụ (chiếm 4,5%) Có 2.293 vụ mua bán người ra nước ngoài và 97 vụ mua bán người trong nước Số lượng thực sự của các trường hợp có

thể cao hơn Mặc dù các cơ quan chức năng phát hiện 4.721 nạn nhân từ năm 2008 đến giữa năm 2013, 17.870 phụ nữ và trẻ em đã được báo cáo mất tích mà không rõ

lý do trong thời gian này Nhiều người trong số họ có thé đã bị buôn bán (Báo cáo số

571/BC-BCPĐ; Ban Chỉ đạo 138/CP năm 2013) Một số trẻ em bị mua bán từ các khu

vực nông thôn lên thành phố đề bán hàng trên đường phó, ăn xin, lao động cưỡng bức hoặc bóc lột tình dục Những người khác vượt qua biên giới quốc gia với lời hứa hẹn

sẽ tìm được việc làm nhưng thay vào đó là bóc lột tình dục, hôn nhân cưỡng ép và các

hình thức bóc lột lao động khác Tuy nhiên, bản chất và mức độ của vấn đề này rất

khó phát hiện bởi thủ đoạn tỉnh vi của kẻ phạm tội, sự chậm trễ trong việc xác định vụ việc và không có báo cáo từ cơ quan bảo vệ trẻ em Số vụ việc được Bộ LĐTBXH

thong kê dưới đây chắc chắn ít hơn nhiều so với thực tế bởi chỉ những vụ được xác nhận và báo cáo chính thức mới được thống kê trong khi, theo Bộ Công an, 60% nạn

nhân tự trở về sau những cuộc bắt cóc.

Theo báo cáo mới nhất của Tổ chức Bảo vệ Động vật Toàn cầu Four Paws, buôn bán thịt chó mèo vẫn đang diễn ra mặc dù việc này tiềm ấn nhiều nguy cơ ảnh

hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ của cộng đồng Các chợ động vật sống trong khu

vực bán nhiều loài động vật khác nhau phục vụ cho hoạt động giết mồ, thường được

buôn bán qua biên giới các tỉnh và quốc tế và nhập khẩu vào các thành phố đông dân

cư, trong các điều kiện căng thăng, tàn nhẫn và sự giam giữ chật chội Trong khi hầu hết sự chú ý quốc tế gần đây tập trung vào hoạt động buôn bán các loài động vật hoang

dã, hàng triệu cá thể chó và mèo cũng đang bị buôn bán và giết mồ tại các khu chợ này, cùng với động vật hoang dã Những động vật này hoặc là vật nuôi bị đánh cấp

hoặc là thú hoang bị bắt trên đường phó Hiện có tới 30 triệu cá thể chó và mèo bị giết

thịt mỗi năm chỉ riêng tại châu Á nhằm phục vụ cho hoạt động buôn bán thịt Chỉ riêng

ở Việt Nam, Cambodia và Indonesia, ước tính 10 triệu cá thể chó và mèo bị giết da man để lấy thịt mỗi năm, trong đó tại Việt Nam là khoảng 5 triệu con chó va 1 triệu

con mèo.

Hai vấn đề được nêu trên là hai vấn đề đã và đang rất nhức nhối trong xã hội,

hẳn chúng ta không ai muốn con em của mình trở thành nạn nhân của việc bắt cóc và buôn bán người, không muốn những người bạn động vật của mình bị giết chết một cách tàn nhẫn và đau đớn dé làm mồi trên bàn nhậu, hay những vật dung quan trong,

quý giá của mình như là chiếc xe máy, ô tô, balo, của mình bị đánh cắp Nhưng lại

lo ngại khi lắp đặt các thiết bị theo dõi thông qua internet thì dữ liệu cá nhân của mình

có thể bị đánh cắp, hoặc bị chính những cá nhân, tổ chức cung cấp dịch vụ sử dụng

với mục đích riêng Dé góp phần giải quyết các vấn đề nhức nhối này, nhóm đã đề xuất một hệ thống thiết bị theo đấu, định vị bao gồm 2 thiết bị chính hoạt động

standalone, hoàn toàn dưới sự kiểm soát trực tiếp của người dùng mà không thông qua bat cứ một nhà cung cấp dich vy nào, đảm bảo tính riêng tư của người dùng khi sử

Phạm vi Indoor nhiều vật cản NLOS bán kính 25m

Phạm vi Outdoor LOS bán kính 5Km

Độ chính xác +-8m

Bao gồm hai thiết bị:

o Node:

= Là thiết bị slave chịu trách nhiệm thụ động đợi và phản hồi lại

sóng khi nhận được tín hiệu từ station.

= Su dụng antenna CP phân cực tròn được nhóm thiết kế riêng,

tích hợp tất cả các thành phần cần thiết của hệ thống lên antenna —

= La thiết bi master chịu trách nhiệm đưa ra tín hiệu tìm kiếm, định

vi VỊ trí của các node Được sử dung dé theo dấu vật cần định vị,được trang bị giao diện dé người dùng có thé dé dàng tìm kiếm vàtiếp cận mục tiêu, thiết bị dé dang lắp đặt và sử dụng, có thé dé dàng

thao tác rảnh tay.

= Sử dụng 3 antenna định hướng bao phủ 180 độ trực diện.

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 LORA [1]

2.1.1 Khai niệm, giới thiệu

Long Range Radio viết tắt là LoRa là một công nghệ điều chế sóng vô tuyếndiện rộng công suất thấp độc quyền Nó dựa trên các kỹ thuật điều chế trải phô (spreadspectrum modulation) có nguồn gốc từ công trải phổ Chirp Spread Spectrum (CSS)

LoRa được phát triển bơi Cycleo ở Grenoble, Pháp và sau đó được Semtech — thành

viên sáng lập của liên minh LoRa mua lại vào năm 2012.

Công nghệ đặc biệt này được tạo ra dé có thé gitip cho cac thiét bi giao tiép trực

tiếp với nhau ở khoảng cách hàng km với mức năng lượng tiêu thụ cực kỳ thấp, chophép các thiết bị có thê hoạt động với pin trong thời gian dài Do đó, LoRa có thé đượccoi là một Key Member cho sự phát triển vũ bão của IoT, thúc đây quá trình vạn vậtkết nối Có thé thay được điều này qua hình 2.1 khi được so sánh với các công nghệ

Network cost & dependencies

LoRa sử dụng một kỹ thuật điều chế sóng độc quyền, khác hắn với các kỹ thuật

khác đã được đưa ra Đầu tiên hãy đi từ kỹ thuật điều chế sóng đơn giản nhất

Amplitude Modulation (AM) Frequency Modulation (FM) Input (Modulating Wave) Input (Modulating Wave)

tín hiệu, FM sử dụng cơ chế thay đối tần số truyền sóng đề truyền dẫn tín hiệu Bởi vì

đều sử dụng truyền dẫn trực tiếp sóng analog nên dẫn tới sự ảnh hưởng lớn bởi tạpnhiễu môi trường Do đó, công nghệ phát triển cho ra đời kỹ thuật điều chế sóng vớitín hiệu số digital cho khả năng chịu nhiễu, khôi phục tín hiệu nhiễu dễ dàng và tốt

hơn rât nhiêu.

Digital Modulation Input (Modulating Wave)

Trong hình 2.3, bên trái là miêu tả về kỹ thuật điều chế sóng, về cơ bản ta thấyđược kỹ thuật này có đặc tính tương tự với kỹ thuật điều chế sóng FM, nhưng ở đâysóng đầu vào được sử dụng là dang digital (1|0) nên đầu ra chúng ta có như hình bênphải, chúng ta có thé gọi đây là kỹ thuật nhảy tần Ở đây chúng ta có thé thấy được,

dé truyền nhận sóng hiệu quả, giữa module truyền và module nhận phải thống nhất

với nhau hai tần số quyết định tín hiệu 0 và tín hiệu 1 với một mức sai số nhỏ Bởi kỹ

thuật này sử dụng tín hiệu đầu vào là tín hiệu số nên khả năng chống chịu nhiễu và tỷ

lệ khôi phục tín hiệu bị nhiễu sẽ cao hơn hắn so với kỹ thuật AM và EM Tuy nhiên,

kỹ thuật này sẽ chỉ sử dụng hai tần số xác định duy nhất dé truyền nhận dữ liệu dan

tới nguy cơ cao về vấn đề gặp nhiễu kênh ở ngay tần số truyền dẫn tới sai sót dữ liệu,

dé dam bảo tính toàn ven của dữ liệu, chúng sẽ cần được truyền ở một biên độ lớn hơn

biên độ của “san nhiễu”[2] dẫn tới chúng sẽ tiêu hao khá nhiều năng lượng dé truyềndẫn và khoảng cách bị hạn chế Dé khắc phục những nhược điểm ké trên, kỹ thuật

điêu chê sóng LoRa ra đời.

Trong hình 2.4, bên trái là kỹ thuật điều chế sóng digital đã được tìm hiểu mụctrên, và bên phải là kỹ thuật điều chế sóng LoRa Ta có thê nhận thấy, ở kỹ thuật LoRa,

toàn bộ bandwidth sóng được sử dụng triệt dé, thay vì sử dung một tần số xác định để

biểu thị tín hiệu 0 và một tần số xác định khác dé biểu thi tín hiệu 1, ở kỹ thuật nàychúng ta có các chirp signal — mỗi chirp đại diện cho một tín hiệu hình sin có tan sốtăng hoặc giảm tuyến tính theo thời gian Với mỗi up-chirp sẽ được giải mã thành một

bit 1, và mỗi down-chirp sẽ được giải mã thành một bit 0 [3]

e Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu kênh do kỹ thuật chiếm toàn bộ kênh băng thông.

e Bộ giải mã giải mã toàn bộ tín hiệu trên băng thông thành một mẫu OI1 duy

nhất do đó nó có khả năng phát hiện mức tín hiệu thấp hơn, thậm chí thấp hơnsàn nhiễu, có khả năng chịu sai lệch tần số cao giữa các bộ thu phát

e LoRa đạt được phạm vi phủ sóng rộng hơn với cùng mức tiêu thụ điện năng

như các hệ thống truyền thông khác hoạt động cùng tần số

e Việc sử dung LoRa dan đến tốc độ dữ liệu thấp hơn tốc độ thu được với tần số

gốc, nhưng nó đặc biệt phù hợp với các hệ thống IoT không yêu cầu lượng băng

thông đáng kê Ngoài ra, với một data rate thấp hon, chúng ta có thể giảm cácyêu cầu về độ nhạy của máy thu và nó mang lại lợi ích về tỷ lệ lỗi

e Về ban chất, độ nhạy cao làm tăng khả năng đạt được tín hiệu thông qua hiện

tượng nhiễu xạ, ngay cả khi line-of-sight không được đảm bảo.

e© Nhược điểm của LoRa là độ trễ truyền lớn.

Do đó, LoRa là một kỹ thuật điều chế sóng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng

IoT, bởi nó hỗ trợ phạm vi phủ sóng rộng, công suất tiêu thụ thấp, tốc độ dữ liệu thấp

tuy nhiên lại phù hợp với hầu hết các ứng dụng IoT do chúng đều có yêu cầu về ditliệu thấp

B, Các thông số của LoRa

Rate

|

Hình 2.5: Thông số trong sóng LoRa [15]

Trong kỹ thuật điều chế sóng LoRa theo hình 2.5, có 2 thông số chính là

Bandwidth (BW) va Sweep Rate hay Spreading Factor (SF) Trong đó, Bandwidth

chính là phan băng thông sẽ được sử dụng dé truyền một chirp, SF là số lượng chipsthông tin sử dụng dé biéu thi một bit cần truyền dẫn — tức SF càng cao thì chirp càng

Độ nhạy (Sensitivity) định nghĩa cho khả năng thu nhận mức tín hiệu yếu củamột thiết bị thu Trong LoRa, SF, BW, và noise figure sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ

nhạy của thiết bị theo công thức (2.1):

Sensitivity = —174 + 10logo BW + NF +SNF (2.1)

Trong đó BW là băng thông của kênh, NF (noise figure) là cường độ nhiễu

được khuếch đại đơn vi dB [4], và SNR (Signal-to-noise-ratio) là tỷ lệ tín hiệu trênnhiễu đơn vi dB [5] Bang 2.1 dui đây tham khảo về độ nhạy của LoRa ứng với SF5đến SF12 và BW 203 đến 1625 trên chip LoRa SX1280 [6]

Bang 2.1: Bảng tham khảo độ nhạy của LoRa [6]

Tốc độ dữ liệu (bit rate/data rate) định nghĩa cho tốc độ truyền đữ liệu từ nơi

nảy sang nơi khác Bit rate của LoRa được thê hiện qua công thức:

Bit rate = SF *

Trong đó, SF là Spreading Factor, BW là băng thông sử dung, CR (Coding

Rate) là ty lệ giữa các bit dữ liệu va các bit sửa lỗi - được sử dụng trong quá trình

Forward Error Correction khi có bit bị hỏng Bang 2.2 dưới đây là bảng tham khảo

bit rate thuần của LoRa ứng với SF5 đến SF12 va BW 203 đến 1625 trên chip LoRa

SX1280 [6]

11

Bandwidth [kHz] Raw Data Rates [kb/s]

Bảng 2.2: Bảng tham khảo bit rate thuần của LoRa [6]

C, Lựa chọn cho đề tài

Với phương pháp điều chế sóng độc đáo của LoRa, nó thực sự đã có thé được

xem là một bước tiến lớn cho IoT bởi khả năng chống nhiễu, truyền khoảng cách xa

với mức tiêu hao năng lượng thấp Và đặc biệt, LoRa có một đặc điểm là có tốc độ

truyền thấp — đây được xem là một nhược điểm của LoRa nhưng trong trường hợpđặc biệt là sử dụng LoRa để sử dụng cho ứng dụng định vị thì đó lại được xem là mộtlợi thế cho các thuật toán định vị như ToF (Time of Flight) — thời gian bay tới mụctiêu hay RToF (Return Time of Flight) — thời gian bay tới mục tiêu và phản hồi, chính

là kỹ thuật được sử dụng trong đề tài Và ở đề tài này, nhóm thống nhất sử dụng chip

LoRa Semtech SX1280 với thuật toán RToF được tích hợp trong chip.

2.2 Các kỹ thuật định vi thông dụng

2.2.1 Tổng quan các kỹ thuật định vị [9]

A, RSSI

Phương pháp sử dung Received Signal Strength Indicator (RSST): là một kỹ

thuật đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực viễn thông, đặc biệt làđịnh vị RSS là cường hộ tín hiệu thực tế mà bộ thu nhận được, thường có don vi làdecibel-milliwatts (dBm) hoặc milliwatts(mW) Thông số RSS có thé được sử dụng

dé ước tính khoảng cách giữa thiết bị truyền (Tx) và thiết bị nhận (Rx) RSS càng lớn

thì khoảng cách giữa Tx va Rx là càng nhỏ RSS1 có thể được định lượng:[ 10]

12

RSSI = —10 logo d +A (2.3)

Trong công thức, n là the path loss exponent là một biến số môi trường từ 2 ở

môi trường thoáng, không vật cản tới 4 ở môi trường indoor A là thông số hiệu chỉnh

RSSI được khảo sat trước đó.

B, DoA

Phương pháp Direction of Arrival (DoA) sử dụng một hệ thống gồm nhiều

antenna định hướng, tiến hành đối sánh cường độ tín hiệu nhận được dé suy ra ØÓC

tới của sóng, từ đó xác định hướng của node Cách thức hoạt động được mô tả trong

hình 2.7.

Antenna Array

Hình 2.7: Phương pháp DoA [9]

C, ToF

Phương pháp Time of Flight (ToF) hay còn được gọi là Time of Arrival (ToA)

sử dụng phương pháp tính toán thời gian bay từ Tx tới Rx, với tốc độ của sóng RF làtốc độ ánh sáng c = 3 x 10% Phương pháp này cần timestamp giữa Tx va Rx được

đông bộ với độ chính xác cao.

13

D, RToF

xác.

Phương pháp Return Time of Flight (RToF) này có đặc tính tương tự như phương pháp ToF ở trên, nó sẽ tính khoảng cách dựa trên thời gian bay của sóng RE.

Sự khác biệt giữa 2 phương pháp đó là, ở RToF, thời gian thu được chính là một

Round-trip Time of Flight, tức là thời gian từ thiết bị station truyền tín hiệu tới node

va node phản hồi lại thông tin cho station Ở phương pháp nay, chúng ta sẽ khôngcần thiết phải đảm bảo timestamp của 2 thiết bị chính xác với nhau, nhưng sẽ cầnđảm bảo được thời gian xử lý synchronization của node là tham số biết trước chính

Hinh 2.8: Phuong phap RToF [6]

Hình 2.8 là hình miêu tả về quy trình ranging với RToF của chip sx1280, ta có thé

thấy, thời gian RToF được tính toán từ khi master phát tín hiệu đến slave cho tới khi

nhận được tín hiệu phản hồi từ slave

14

2.2.2 So sánh các kỹ thuật và lựa chọn kỹ thuật định vị cho đề tài

- BỊ ảnh hưởng nhiêu bởi môi trường

Direction of - Độ chính xác cao - Cần sử dụng antenna định hướng

Arrival chuyên biệt

(DoA) - Chi phí cao

Time of Flight - Độ chính xác cao - Cần đồng bộ time-stamps giữa các

(ToF) or Time of thiết bị

Arrival (ToA) - Can nhiéu antenna

- Chi phi cao

Return Time of

Flight (RToF)

- Độ chính xác cao

- Chi phí thấp

- Dùng nhiều băng thông

- Việc xử ly delay có thé ảnh hưởngtới khả năng hoạt động ở phạm vi gần

Bảng 2.3: Bảng so sánh các kỹ thuật định vị [9]

Từ bang 2.3 chúng ta có thé thay được điều mạnh yếu của các kỹ thuật, hauhết các kỹ thuật đều cần sử dung ít nhất 3 station được setup trước dé định vị được vị

trí chính xác của vật, sau khi nhóm thảo luận với giảng viên hướng dân, nhóm đã

quyết định sử dung kỹ thuật RToF dé tính toán khoảng cách giữa station tới node va

sử dụng DoA dé tính toán xác định hướng của node so với station từ đó xác định được

vị trí tương đối giữa 2 thiết bị hoạt động standalone

15

2.3 Antenna

Transmission Electromagnetic

lines wave in free space

Hình 2.9: Hoạt động cơ bản của một antenna phát tín hiệu [14]

Antemna là một bộ phận đặc biệt, tối quan trọng trong mọi thiết bị sử dụng

sóng RF, nó đóng vai trò giúp phát xa sóng RF ra môi trường xung quanh, cũng như

thu thập các sóng RF từ môi trường dé xử lý Hình 2.9 là miêu tả về cách thức hoạtđộng của một antenna Bài viết được tham khảo nhiều từ bài báo [14]

2.3.1 Một số thông số cơ bản của antenna

A, Trở kháng đầu vào

Trở kháng đầu vào (Input impedance Zin) là giá trị thé hiện trở kháng của một

antenna tai feed point của nó, hay tỷ lệ giữa điện áp và dòng điện tại feed point [7].

Trở kháng là một số phức phụ thuộc tan số Nó được thé hiện bằng công thức:

Phần thực của trở kháng, Rin, bao gồm trở kháng bức xạ R; của antenna và trởkháng hao phí Rt R: thể hiện cho năng lượng bức xạ bởi antenna, và RL thé hiện chophần năng lượng hao phí trong antenna như năng lượng hao phí do vật liệu điện môi,

hao phí trên dây dẫn antenna,

16

B, Hệ số phản xạ, hao phí phản xạ, điện áp tỷ lệ sóng đứng

Trở kháng đầu vào của antenna cần phải được phù hợp với trở kháng của dây

dẫn kết nối tới feed point của antenna Thông thường một sợi cáp 50Q sẽ được sử

dụng dé kết nối tới feed point antenna Như vậy, trở kháng của antenna cần phải bằng50O, nếu không thì sẽ có sự sai khác trở kháng tại điểm feed point antenna Trong

trường hợp sai khác đó, tín hiệu sẽ bi phản xạ ngược lại điểm phát

Hệ số phản xa (Reflection Coefficient) I' (gamma) thé hién cho tỷ lệ sóng điện

áp bị phản xạ trên tổng sóng tới [7] Nó có thé được thé hiện qua trở kháng đầu vào

của antenna bởi công thức:

T= (Zin — Zo)/ (Zin + Zo) (2.5)

Zin và Zo thé hiện cho trở kháng đầu vào của antenna và trở kháng của dây dẫn

tới feed point Ta thấy, nếu Zin bang Zo thì hệ số phản xạ sẽ bằng không

Hao phí phản xạ (Return Loss) RL được định nghĩa bởi:

RL=-20loglTI (2.6)

Một antenna được thiết kế tốt, hệ số hao phí phản xạ trên phải luôn ít nhất10dB, một số antenna kích thước nhỏ cho các ứng dụng di động có thể chỉ khoảng

6dB.

Điện áp tỷ lệ sóng đứng (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR là ty lệ của

điện áp tối đa trên điện áp tối đa rơi trên dây dẫn được thê hiện qua công thức:

3-dB beamwidth Major lobe

Hình 2.10: So Sanh radiation Patterns của antenna [14

Dựa vào Radiation Patterns của antenna, chúng ta phan loại chúng thành 3 loại chính: isotropic, directional (hình 2.10 trái) hoặc omni-directional (hình 2.10 phải).

Antenna isotropic có hình dạng đều băng nhau ở mọi hướng, điều này không tồn tại

trong thực tế Antenna directional là antenna có một hướng cố định có bức xa tốt nhất

hình 2.10 trái Và antenna omni-directional là antenna có sóng dạng bánh donut như

hình 2.10 phải.

D, Tính định hướng, Gain và hiệu năng

Một antenna trong thực tế thường phát xạ theo một số hướng nhất định Tính

định hướng của antenna (directivity of antenna) được biểu diễn đưới dạng D(6, ø),

nó được định nghĩ là mức năng lượng bức xạ ra tại một góc có định so với bức xạ thu

được ở một antenna isotropic (một antenna không tưởng, có mức phát xạ đều bang

nhau tại mọi hướng), nó được tính toán bởi công thức:

r?= Re[E x H*] _ 2nr? Re[E x H*] (2.8) D(6,p) =—

Praa/4n Prad

Trong đó E, H, r va Praa thé hién cho dinh giá tri của electric field, đỉnh giá tri

của magnetic field, khoảng cách giữa nguồn phát va testpoint, và mức năng lượng

phát xa ra từ antenna Trong dom, khoảng cách giữa nguồn phát và testpoint cần phải

18

2D? ne ` 1 rks 3 ` ` re 3 , r>— Với D là kích thước tôi đa của antenna, và A là bước sóng của sóng RF dang

⁄

xét.

Gain của antenna tỷ lệ thuận với D(@, ø) của nó bao gồm thêm hiệu suất 7của nó bởi vì sẽ có một lượng năng lượng nhất định bị mắt đi trên antenna Nó đượcthể hiện qua công thức:

G(,ø0) =n» D (6,0) (2.9)

2.3.2 Circularly Polarized antenna

Antenna Circularly Polarized (CP) là một omni-directional antenna có electric field quay liên tục Khác với linear antenna, sóng sẽ chi giao động linear theo một

chiều ngang hoặc thang đứng Sử dung CP antenna giúp cho hệ thống có thé thu phát,

từ mọi hướng, không ảnh hưởng tới hiệu năng khi để nó nằm dọc hay ngang Hình

2.11 miêu tả về electric field của một antenna CP:

19

2.3.3 Lựa chọn mẫu antenna cho đề tài

Vì đặc trưng của kỹ thuật định vị, chúng ta sẽ chọn antenna cho node là CP

antenna dé dam bảo được có thể xác định được vi trí của node chính xác nhất không

yêu cầu về phương hướng của node Ở station, dé có thé sử dụng kỹ thuật DoA mộtcách hiệu quả, chúng ta cần lựa chọn một antenna direction có mức định hướng tốt,

không có back lobe.

20

Chương 3 HIỆN THỰC ĐÈ TÀI

3.1 Thiết kế và hiện thực phần cứng Node

3.1.1 Tổng quan

Node là thiết bị đầu cuối, dùng để thu tín hiệu từ station và phản hồi lại, từ tín

hiệu đó dé station tính toán ra vị trí cụ thé của node Node có những đặc trưng tiêu

biêu như:

¢ Có kích thước nhỏ, dé dàng mang theo hay gắn vào vật cần định vi

e_ Có thé hoạt động thời gian dài, hoạt động low-energy

e Sử dụng antenna CP dé thu phát sóng, giảm sai số do góc đặt node

3.1.2 Thiết kế và hiện thực antenna Circularly Polarized [8]

Theo hướng dan từ giảng viên hướng dẫn, nhóm sử dụng phần mềm HFSS dé

mô phỏng và thiết kế antenna CP cho đề tài Kết quả antenna được kế thừa từ đồ án

Hình 3.4: Kích thước cụ thé của antenna

Hình 3.4 trên là kích thước cụ thê cuôi cùng của antenna sau khi được nhóm

tunning bằng phần mềm HFSS

Jsurf[A_per_m]

6 0000¢+001 5.S741ue+801

4 2857e+001 8.5711e+008

4 2857e+000

8 e2002+200

t=0 t=T/4 (a) At band 2.4-2.48 GHz.

1sur T[A_per_m]

6 8800e+001 5.571ue+801 S.14298e+801

4 71430001

4 2857e+001 3.8571e+001

4 2857e+000 GaG02+808

t=0 (b) At band 5.725-5.875 GHz.

Hình 3.5: Khu vực phát xạ sóng cua antenna dual bands

22