Định vị thiết bị di động bằng công nghệ Bluetooth

xuất phát từ việc ám chỉ Bluetooth là một công nghệ có thể làm điều tương tự với các giao thức truyền thông, hợp nhất các chuẩn này thành một chuẩn chung.[1] Năm 1994 hãng viễn thông Er

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN QUANG VINH

Hà Nội – 2011

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

MỞ ĐẦU 5

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH 6

1.1 Khái niệm Bluetooth 6

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của Bluetooth 6

1.3 Các đặc điểm của Bluetooth 8

1.4 Ứng dụng của Bluetooth 9

Chương 2 KỸ THUẬT BLUETOOTH 10

2.1 Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth 10

2.2 Cách thức hoạt động của Bluetooth 12

2.3 Các tầng giao thức trong Bluetooth 12

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ 14

3.1 Thời gian sóng tới 14

3.2 Sai khác của thời gian sóng tới 14

3.3 Góc sóng tới 14

3.5 Mức công suất thu 16

Chương 4 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ BẰNG BLUETOOTH 19

4.1 Thiết kế của hệ thống định vị bằng Bluetooth 19

4.1.1.Nguyên lý hoạt động của hệ thống 19

4.2 Thực thi hệ thống 29

4.2.1 Phần cứng và phần mềm 29

4.2.2.Lập trình ứng dụng định vị 33

4.3 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 35

4.3.1 Xây dựng dữ liệu tương quan giữa RSSI và khoảng cách 35

4.3.2 Xác định vị trí từ cơ sở dữ liệu 36

4.4 Một hệ thống định vị đề xuất trong tương lai 39

4.4.1.Yêu cầu của một hệ thống định vị bằng Bluetooth 39

4.4.2.Hệ thống định vị đề xuất 39

4.4.3 Ứng dụng của hệ thống định vị bằng công nghệ Bluetooth 40

TỔNG KẾT 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACL Asynchronous Connectionless

AGPS Assisted GPS

AOA Angle Of Arrival

API Application Programming Interface

CRC Cyclic Redundancy Check

DLL Dynamic-link Library

EDR Enhanced Data Rate

FCC Federal Communications Commission

FTP File Transfer Profile

GPS Global Positioning System

GRPR Golden Received Power Range

GSM Global System for Mobile Communications GUID Globally Unique Identifier

HCI Host Controller Interface

ISM Industrial, Scientific, Medical

L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol LAN Local Area Network

LBS Local Based Services

LMP Link Manager Protocol

LOS Light Of Sight

LSE Least Squared Estimation

MAC Media Access Control

OBEX Object Exchange

RSSI Received Signal Strength Indicator

SCO Synchronous Connection-Oriented SDK Software Development Kit

SDP Service Discovery Protocol

SIG Bluetooth Special Interest Group TDOA Time Difference Of Arrival

TOA Time Of Arrival

UUID Universal Unique Indentifier WLAN Wireless LAN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 – Logo của Bluetooth 6

Hình 1.2 – Các thiết bị sử dụng Bluetooth 6

Hình 2.1 - Minh hoạ một Piconet 10

Hình 2.2 - Minh hoạ một Scatternet 11

Hình 2.3 – Hoạt động của một piconet 12

Hình 2.4 - Quá trình truy vấn tạo kết nối 12

Hình 2.5 - Các tầng nghi thức Bluetooth 13

Hình 3.1 – Phương pháp AOA 15

Hình 3.2 – Phương pháp nhận dạng cell 16

Hình 3.3 - Xác định vị trí từ công suất thu 17

Hình 3.4 – Liên hệ giữa công suất thu và khoảng cách 18

Hình 4.1 – Khoảng Thu Vàng 20

Hình 4.2 – Bluetooth stack dành cho Windows 24

Hình 4.3 – Cửa sổ ứng dụng định vị 33

Hình 4.4 – Đo trong phòng trống 35

Hình 4.5 – Đo trong phòng có đồ đạc 36

Hình 4.6 – Sơ đồ bố trí thực nghiệm 37

Hình 4.7 – Sơ đồ bố trí các access point 39

Hình 4.8 – Mô hình hệ thống định vị đề xuất 40

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 – Các Class của WIDCOMM SDK 24

Bảng 4.2 - Các giá trị GUID chuẩn cho các lớp dịch vụ Bluetooth 26

Bảng 4.3 – Hàm StartInquiry() 27

Bảng 4.4 – Hàm StopInquiry() 27

Bảng 4.5 – Hàm OnDeviceResponded() .28

Bảng 4.6 – Hàm OnInquiryComplete() 28

Bảng 4.7 – Hàm GetConnectionStats() 29

MỞ ĐẦU

Đi ̣nh vi ̣ đươ ̣c xem là mô ̣t chức năng quan tro ̣ng của truyền thông di đô ̣ng Khả năng nhâ ̣n biết vi ̣ trí cho phép thực hiê ̣n các ứng du ̣ng và di ̣ch vu ̣ mới Một số ứng dụng hữu ích có thể kể đến như giám sát tài sản, dò đường… đã được triển khai trong thực tế nhờ có hệ thống định vi toàn cầu Hê ̣ thống đi ̣nh vi ̣ toàn cầu (GPS) là một hệ thống dẫn đường toàn cầu dựa vào các vê ̣ tinh, trong đó vị trí của thiết bị di động có thể được xác định nếu biết được khoảng cách từ thiết bị đó đến 4 vệ tinh gần nhất

Tuy nhiên GPS không thể dùng trong nhà vì bô ̣ thu GPS thường là vô du ̣ng nếu như mất đi đường không che khuất (light of sight – LOS) tới vê ̣ tinh Hê ̣ thống Assisted GPS (AGPS) có thể mở rộng tới môi trường trong nhà, tuy nhiên khi ấy bô ̣ thu trở nên

lê ̣ thuô ̣c vào hỗ trợ của ma ̣ng Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn như trên mà việc phát triển một kỹ thuật định vị mới cho các thiết bị trong tòa nhà hay nơi bị che khuất trở thành một vấn đề rất được quan tâm hiện nay

Tính năng định vị đã được thiết kế cho mạng cục bộ không dây (WLAN), tuy nhiên công nghệ này có nhiều hạn chế như số lượng thiết bị có chức năng wi-fi còn ít và đắt

đỏ, năng lượng tiêu hao lớn nên không dùng được trong thời gian dài Bluetooth cũng tương tự như WLAN hiê ̣n nay nếu xét về viê ̣c đi ̣nh vi ̣ , mặt khác công nghệ Bluetooth

có nhiều ưu điểm vượt trội cho một hệ thống định vị cục bộ Do đó nảy sinh nhu cầu

đi ̣nh vi ̣ với Bluetoot h, đă ̣c biê ̣t khi mà các thiết bi ̣ Bluetooth ngày càng được sử du ̣ng nhiều Xuất phát từ những yếu tố đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm một hệ thống định vị dùng công nghệ Bluetooth

Luận văn được tổ chức như sau: Chương một giới thiệu tổng quan về công nghệ Bluetooth, bao gồm lịch sử phát triển và các đặc điểm cũng như ứng dụng Chương hai trình bày các lý thuyết và đặc điểm kỹ thuật của công nghệ Bluetooth Chương ba đề cập đến các phương pháp định vị với Bluetooth Và cuối cùng một hệ thống định vị bằng Bluetooth cùng với kết quả thu được sẽ được đề cập trong chương bốn Trong chương này cũng sẽ đề xuất một hệ thống định vị để tiếp tục phát triển trong tương lai

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH

1.1 Khái niệm Bluetooth

Bluetooth là mô ̣t chuẩn công nghệ không dây mở cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị di động trong phạm vi ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tần ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tần 2.40 - 2.48 GHz Công nghệ này tạo ra một mô hình mạng dữ liệu phạm vi nhỏ gọi là mạng cá nhân (Personal Area Netwoks – PAN) có độ bảo mật cao Được khởi phát từ Ericsson Mobile Communication giữa thập niên 90 như là mô ̣t công nghê ̣ thay thế dây cáp , Bluetooth đã trở nên phổ biến sau mô ̣t thời gian ngắn Ngày nay được hỗ trợ bởi hơn 18000 công ty trên toàn thế giới [10]

Công nghệ Bluetooth được quản lý và chuẩn hóa bởi một nhóm gọi là SIG (Bluetooth Special Interest Group) Các thành viên của SIG hiện rất đông đảo, bao gồm các lĩnh vực viễn thông, máy tính, mạng và điện tử tiêu dùng Nhóm SIG quản lý các chương trình thẩm định chất lượng và bảo vệ thương hiệu, để một thiết bị được chứng nhận là một thiết bị Bluetooth, thiết bị đó phải đáp ứng được các chuẩn do SIG đặt ra Bên cạnh việc điều chỉnh các giao thức từ mức trên cùng tới mức dưới cùng của chồng giao thức, Bluetooth SIG còn ta ̣o ra các nhóm làm viê ̣c khác nhau để tâ ̣p trung vào mô ̣t ứng dụng đặc thù và một phạm vi dịch vụ Mỗi nhóm tâ ̣p trung vào viê ̣c chuẩn hó a mô ̣t Bluetooth profile Bluetooth profile ta ̣o ra mô ̣t lát cắt thẳng đứng qua các lớp giao thức

để định nghĩa một tập con phù hợp của chuẩn đó nhằm hỗ trợ một dịch vụ cụ thể.[1]

Hình 1.1 – Logo của Bluetooth

1.2 Lịch sử hình thành và phát tri ển của Bluetooth

Hình 1.2 – Các thiết bị sử dụng Bluetooth Thuật ngữ "Bluetooth" (có nghĩa là "răng xanh") được đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch, vua Harald Bluetooth, là vị vua đã thống nhất Đan Mạch và Na Uy Tên gọi này

xuất phát từ việc ám chỉ Bluetooth là một công nghệ có thể làm điều tương tự với các giao thức truyền thông, hợp nhất các chuẩn này thành một chuẩn chung.[1]

Năm 1994 hãng viễn thông Ericsson đề xuất một chuẩn không dây tầm ngắn để thay thế dây cáp RS232, cho phép kết nối vài thiết bị cùng lúc, giải quyết được vấn đề đồng

bộ giữa các thiết bị

Các đặc tả dành cho công nghệ Bluetooth được chuẩn hóa bởi nhóm SIG, là một tổ chức được thành lập vào năm 1998 bởi các công ty hàng đầu bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia, và sau đó có sự tham gia của nhiều công ty khác Tất cả các phiên bản của Bluetooth được thiết kế để có thể tương thích ngược Các phiên bản được phát triển cho đến nay bao gồm: [10]

Bluetooth v1.2

Là chuẩn IEEE 802.15.1-2005, tương thích với phiên bản 1.1 và có một số cải tiến đáng kể như:

- Kết nối và dò tìm nhanh hơn

- Công nghệ trải phổ nhảy tần thích nghi (AFH) giúp tránh nhiễu

- Tốc độ truyền thông cao hơn, lên đến 721 kbit/s

- Kết nối đồng bộ mở rộng (eSCO) giúp nâng cao chất lượng âm thanh bằng cách cho phép truyền lại các gói tin bị mất và có tùy chọn cho việc tăng độ trễ truyền

âm thanh để tăng tốc truyền dữ liệu

- Host Controller Interface (HCI) hỗ trợ chuẩn UART 3 dây nối

- Đưa vào các chế độ điều khiển luồng và truyền lại trong lớp L2CAP

Bluetooth v2.0 + EDR

Được phát hành năm 2004 và tương thích với phiên bản 1.2 Khác biệt lớn nhất là sự

ra đời của công nghệ truyền dữ liệu tăng cường (Enhanced Data Rate – EDR) giúp truyền dữ liệu nhanh hơn EDR là một tính năng tùy chọn đi kèm

Bluetooth v2.1 + EDR

Được phát hành năm 2007 với tính năng nổi bật là Secure simple pairing (SSP) giúp cải thiện khả năng pairing giữa các thiết bị trong khi tăng cường tính bảo mật

1.3 Các đặc điểm của Bluetooth

- Đặc điểm nổi bật của công nghệ Bluetooth là tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay

và điện thoại di động với giá thành thiết bị rẻ.[1]

- Khoảng cách giao tiếp cho phép :

• Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và 5m trong nhà

• Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngoài trời

và 30m trong nhà

- Tuy công suất tiêu thụ thấp nhưng tốc độ truyền dữ liệu của Bluetooth có thể đạt tới mức tối đa 24Mbps (v4.0) mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau

- Nhờ có các chuẩn “Bluetooth Profile” nên dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng

- Trong một mạng cá nhân (PAN) có 3 kênh để truyền tiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu

- Tính an toàn và bảo mật được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa ( build in authentication and encryption)

- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm

- Bluetooth được thiết kế để hoạt động ở mức năng lượng rất thấp Đặc tả đưa ra

1.4 Ứng dụng của Bluetooth

Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị nhƣ điện thoại di động, điện thoại cố định, máy tính xách tay, PC, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và video game console.[10]

Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:

- Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây

- Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông

- Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn nhƣ chuột, bàn phím và máy in

- Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX

- Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết

bị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông

- Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại

- Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác

- Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử nhƣ Wii - Máy chơi trò chơi điện tử thế hệ 7 của Nintendo và PlayStation 3 của Sony

- Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di động thay

modem

Chương 2 KỸ THUẬT BLUETOOTH

2.1 Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth

2.1.1 Master Unit

Master thiết lập đồng hồ đếm xung và kiểu bước nhảy (hopping) để đồng bộ tất cả các thiết bị trong cùng piconet mà nó đang quản lý và nó cũng quyết định số kênh truyền thông

Hình 2.1 - Minh hoạ một Piconet Hai Slave muốn thực hiện liên lạc phải thông qua Master bởi chúng không trực tiếp trao đổi được với nhau

2.1.4 Scatternet:

Là 2 hay nhiều Piconet độc lập và không đồng bộ, các Piconet này kết hợp lại truyền thông với nhau.[1] Một Scatternet được hình thành khi một thành viên của một piconet (master hay slave) được chọn để trở thành slave của một piconet khác Hiện tại việc thực thi scatternet còn rất hạn chế vì giới hạn của Bluetooth và giao thức địa chỉ MAC

Hình 2.2 - Minh hoạ một Scatternet

2.1.5 Kết nối theo kiểu ad hoc

Kết nối ad hoc dựa vào sự liên lạc giữa các điểm, không cần thiết bị hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị di động, không cần mạch điều khiển trung tâm cho các unit dựa vào

để thiết lập kết nối Trong Bluetooth, đó là một số lượng lớn các kết nối ad hoc cùng tồn tại trong một vùng mà không cần bất kỳ một sự sắp xếp nào, các network độc lập cùng tồn tại chồng chéo lên nhau [1]

2.1.7 Trạng thái của thiết bị Bluetooth

Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong một piconet: [1]

- Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thi ết bị Bluetooth khác

- Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu inquiry của thiết

bị đang thực hiện inquiry và trả lời

- Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với thiết bị đã inquiry từ trước

- Page scanning device (page scan mode): thiết bị nhận yêu cầu kết nối từ paging device và trả lời

2.2 Cách thức hoạt động của Bluetooth

Hình 2.3 – Hoạt động của một piconet

- Một kết nối mới được thiết lập dựa trên tiến trình INQUIRY và PAGE Tiến trình Inquiry giúp một thiết bị dò tìm phát hiện các thiết bị khác trong tầm hoạt động cùng với địa chỉ và xung đồng hồ (clock) của nó

- Sau đó thiết bị thực thi tiến trình Paging để tạo kết nối Thiết bị nào thiết lập kết nối sẽ phải thực hiện tiến trình paging và t ự động trở thành Master của kết nối Có hai dạng paging Một chiến lược paging bắt buộc tất cả các thiết bị Bluetooth đều phải hỗ trợ, dùng khi các Unit gặp trong lần đầu tiên, và trong trường hợp tiến trình paging theo ngay sau tiến trình inquiry Hai Unit sau khi kết nối nhờ dùng chiến lược bắt buộc này, sau đó có thể chọn dạng paging khác

- Sau thủ tục Paging (PAGE), Master thăm dò Slave bằng cách gửi packet POLL thăm dò hay packet NULL rỗng theo như Slave yêu cầu Chỉ có Master gửi tín hiệu POLL cho Slave, ngược lại không có.[1]

Hình 2.4 - Quá trình truy vấn tạo kết nối

2.3 Các tầng giao thức trong Bluetooth

Công nghệ Bluetooth sử dụng rất nhiều giao thức khác nhau Các giao thức cốt lõi được định nghĩa bởi tổ chức SIG Các giao thức khác được đưa vào bởi các tổ chức khác Chồng giao thức Bluetooth được chia thành hai phần: một phần là “controller stack” chứa giao diện radio và một phần là “host stack” giải quyết mức dữ liệu bậc cao Tầng controller stack được thực thi tại một thiết bị silicon giá thành thấp chứa Bluetooth radio và một vi xử lý Tầng host stack thường được thực thi như là một thành phần của hệ điều hành hoặc như một thành phần có thể cài đặt vào một hệ điều hành Với các thiết bị tích hợp như tai nghe Bluetooth thì host stack và controller stack

có thể chạy chung trên cùng một vi xử lý để giảm giá thành, đây được gọi là một hệ thống hostless.[10]

Hình 2.5 - Các tầng nghi thức Bluetooth

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ

Các phương pháp định vị bao gồm sự tác động qua lại giữa hai hay nhiều thiết bị truyền thông với nhau Một thiết bị truyền thông có thể đóng vai trò là máy phát hoặc máy thu tại một thời điểm nào đó Trong tất cả các phương pháp định vị thì một tín hiệu sẽ được phát đi từ máy phát và truyền qua kênh truyền để đi đến máy thu Máy thu ước lượng vị trí của nó dựa trên tín hiệu thu được và các đặc điểm của nó Các đặc điểm này thay đổi khi tín hiệu truyền qua kênh và khác nhau với từng phương pháp định vị Có nhiều phương pháp định vị một thiết bị di động bằng công nghệ sóng radio Dựa vào các đặc tính truyền sóng mà ta có thể có các cách tiếp cận khác nhau đối với việc định vị [7]

3.1 Thời gian sóng tới

Một phương pháp để xác định vị trí của một thiết bị di động là bằng cách đo thời gian tới (Time Of Arrival – TOA) của tín hiệu, khi biết được thời điểm truyền và tốc độ truyền Nguồn tín hiệu xuất phát từ một thiết bị tĩnh đã biết vị trí chính xác Quá trình

đo bao gồm việc ước lượng khoảng cách giữa thiết bị di động và thiết bị tĩnh (nguồn phát tín hiệu) Mỗi một khoảng cách đo được sẽ tạo thành một vòng tròn có tâm là thiết bị tĩnh Vị trí của thiết bị di động được xác định từ giao điểm của các vòng tròn

đó Khoảng cách đo được sẽ tương ứng với thời gian tới, quan hệ ở đây là tỉ lệ thuận: khoảng cách bằng thời gian nhân với tốc độ truyền

Trong thực tế thì độ chính xác của phương pháp TOA chịu ảnh hưởng rất lớn của hệ thống đồng hồ Ta biết rằng tốc độ truyền tín hiệu không dây trong không khí là 3x108m/s, và với một sai số 1µs sẽ dẫn tới sai số đo khoảng cách vào khoảng 300m Do đó phương pháp này yêu cầu độ chính xác rất cao của ứng dụng cũng như độ chính xác của phép đo TOA mà điều này phụ thuộc vào phần cứng

3.2 Sai khác của thời gian sóng tới

Một phương pháp định vị khác là đo sai khác thời gian của sóng tới (TDOA) Hệ thống này dùng nhiều bộ thu tĩnh có sự đồng bộ hóa rất cao về mặt thời gian Tín hiệu truyền đi từ thiết bị di động đến các bộ thu đã đồng bộ hóa Mỗi bộ thu lưu lại thời gian lúc nó nhận được tín hiệu này và truyền tới các bộ thu khác Thời gian sai khác giữa hai bộ thu liên tiếp tương ứng với khoảng cách giữa thiết bị di động và bộ thu tĩnh

Phương pháp TDOA này cũng giống như TOA, yêu cầu một hệ thống đồng hồ độ chính xác cao, mà điều này thì thường không có với các thiết bị di động thông thường

3.3 Góc sóng tới

Phương pháp định vị bằng góc sóng tới (AOA) của một tín hiệu nhận được dùng góc này như một chỉ số góc từ máy thu so với nguồn tín hiệu Việc đo AOA của một tín hiệu yêu cầu phải có một anten định hướng Anten này được tạo bởi một dãy các phần

tử anten mà có khả năng chia các búp sóng tương đương nhau theo các hướng khác nhau Tại búp sóng mà có cường độ cao nhất thì đó chính là vị trí góc mà sóng thu được Trong hệ thống này thiết bị di động đóng vai trò là máy phát và thiết bị tĩnh đóng vai trò là máy thu, do các thiết bị di động thường không có anten định hướng Hệ thống định vị AOA cần rất nhiều anten, điều này là rất bất lợi trong thực tế

Hình 3.1 – Phương pháp AOA

3.4 Nhận dạng cell

Mọi thiết bị Bluetooth đều có một con số nhận dạng duy nhất Ngay khi một thiết bị kết nối tới một piconet, nó sẽ nhận được các số nhận dạng (ID) duy nhất từ các thiết bị khác Các giá trị ID này là chìa khóa cho việc định vị bằng nhận dạng cell Một trạm

cơ sở cố định sẽ gửi số ID của nó cho thiết bị mới kết nối tới Vì một thiết bị Bluetooth chỉ hoạt động trong khoảng 10m nên người dùng với thiết bị Bluetooth sẽ biết được là anh ta đang ở trong phạm vi 10m so với trạm cơ sở Giá trị ID này còn có thể được lưu vào cơ sở dữ liệu cho phép định vị với độ chính xác 10m

Độ chính xác của phương pháp này có thể được nâng cao nếu như có nhiều trạm cơ sở hơn Nếu thiết bị có thể kết nối tới hai hay nhiều trạm cơ sở thì độ chính xác được tăng đáng kể Khi đó vị trí của thiết bị nằm trong vùng giao nhau của các đường tròn

Hình 3.2 – Phương pháp nhận dạng cell

3.5 Mức công suất thu

Một cách khác để định vị là đo công suất tín hiệu thu Vì công suất thu suy giảm khi tín hiệu truyền qua không khí và độ suy giảm tỷ lệ với khoảng cách nên khoảng cách này có thể được ước lượng khi biết công suất tín hiệu thu.Phương pháp này dựa trên công suất từ một số nguồn.Từ các giá trị đó vị trí của thiết bị di động có thể được xác định từ giao điểm của các đường tròn tương ứng với mỗi nguồn phát

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của việc truyền tín hiệu tại một công suất cố định và độ chính xác của việc đo công suất tại máy thu

Mặt khác, bất kỳ sự biến thiên công suất truyền nào đều là ẩn số đối với máy thu, và như vậy máy thu sẽ cho rằng những sự biến thiên như vậy là do suy giảm theo khoảng cách Do đó hệ thống cần ưu tiên nguồn phát mà có công suất phát cố định Các tác động khác có ảnh hưởng tới cường độ tín hiệu là độ lợi của anten và nhiễu đa đường.[3]

Hình 3.3 - Xác định vị trí từ công suất thu

Độ suy giảm công suất thu có thể đƣợc mô tả bằng mô hình truyền sóng trong không gian tự do:

Hình 3.4 – Liên hệ giữa công suất thu và khoảng cách

Chương 4 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ BẰNG BLUETOOTH

4.1 Thiết kế của hệ thống định vị bằng Bluetooth

4.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Viê ̣c đi ̣nh vi ̣ trong nhà bằng Bluetooth với đô ̣ chính xác vào khoảng mô ̣t vài mét sẽ giúp thực hiện các dịch vụ dựa vào vị trí (LBS) Các dịch vụ này bao gồm dịch vụ định

vị y tế , mạng máy tính v ới các sensor wireless , thu nhâ ̣n dữ liê ̣u di đô ̣ng và các hê ̣ thống theo dấu , bản đồ trong nhà (e-map) cho các ứng du ̣ng an ninh và các thiết bi ̣ thông minh với khả năng nhâ ̣n đi ̣nh vi ̣ trí

Hiện tại hệ thống định vị cho thiết bị di động phổ biến là GPS Tuy nhiên hệ thống này chỉ hoạt động ở ngoài trời, nơi có ít vật cản; mặt khác, độ chính xác của hệ thống nhiều khi chưa đáp ứng được các yêu cầu cụ thể trong phạm vi hẹp hay địa hình phức tạp Định vị thiết bị trong môi trường trong nhà (indoor) là một trường hợp điển hình cần phải có một kỹ thuật định vị mới [7]

Trong số các phương pháp định vị không dây đã nghiên cứu: Góc sóng tới (AOA), Thời gian tới (TOA), Sai khác thời gian tới (TDOA) thì đối với phương pháp đầu tiên, AOA, yêu cầu phải có mô ̣t dàn anten đă ̣c biê ̣t để đo góc tín hiê ̣u nhâ ̣n được Kết quả là cần có mô ̣t hê ̣ thống chuyên biê ̣t với giá cao Viê ̣c dùng kỹ thuâ ̣t dựa vào thời gian (TOA và TDOA ) yêu cầu có các đồng hồ chính xác trong hê ̣ thống Độ chính xác đồng hồ /đô ̣ trôi thời gian trong mô ̣t thiết bi ̣ di đô ̣ng là ~ 1µs nhưng cần phải có đô ̣ chính xác 3 ns nếu muốn có đô ̣ chính xác vị trí 1m.[4]

Hệ thống định vị ở đây chọn kỹ thuật định vị dựa theo công suất thu Vì thiết bị Bluetooth không cho ta một giao diện nào để lấy ra giá trị cường độ tín hiệu nhận thực

tế nên hệ thống này sẽ dùng giá trị RSSI đã được định nghĩa trong chuẩn Bluetooth để suy ra ước lượng khoảng cách giữa access point và thiết bị di động

Ta cần lưu ý rằng với môi trường trong nhà thì yếu tố nhiễu tác động rất lớn tới công suất thu, chẳng hạn như đa đường do phản xạ hay hấp thụ Do vậy việc dùng mô hình truyền sóng trong không gian tự do là rất khó khăn Do đó, trong hệ thống của chúng

ta, các tính toán khoảng cách sẽ được tính bằng xấp xỉ của chỉ số cường độ tín hiệu (RSSI) dựa trên sự ước lượng về mối liên hệ giữa RSSI và khoảng cách Các giá trị RSSI được đo bằng thực nghiệm, và được tiến hành trong các vị trí và khoảng cách khác nhau

4.1.1.1 Ước lượng khoảng cách từ RSSI

Bình thường h ệ thống Bluetooth dùng chỉ số cường đô ̣ tín hiê ̣u nhâ ̣n để máy phát tự

đô ̣ng điều chỉnh công suất nhằm đảm bảo tỉ số tín hiê ̣u trên nhiễu : RSSI (Received

signal Strength Indicator) Giá trị RSSI có thể chuyển đổi thành mức công suất tuyệt

đối nếu một vùng được gọi là Khoảng Thu Vàng (Golden Received Power Range - GRPR) của một máy thu cụ thể đã biết [11]

Định nghĩa của Khoảng Thu Vàng được minh họa như hình sau:

Hình 4.1 – Khoảng Thu Vàng

Khoảng Thu Vàng được giới hạn bởi hai ngưỡng Ngưỡng dưới được định nghĩa rõ ràng bằng một giá trị lệch 6dB so với độ nhạy thực tế của máy thu Giá trị lớn nhất được xác định là -56dBm Ngưỡng trên là giá trị nằm cao hơn 20dB so với ngưỡng dưới Độ chính xác của ngưỡng trên là khoảng ±6dB

Nếu công suất đi vào nằm xung quanh ngưỡng dưới thì hệ thống Bluetooth đó sẽ yêu cầu thiết bị còn lại tăng công suất đầu ra Điều này là do mức công suất thấp sẽ khiến cho việc truyền dữ liệu trở nên khó khăn Còn nếu công suất thu vào nằm trong phạm

vi ngưỡng trên thì thiết bị sẽ đó sẽ được yêu cầu giảm công suất phát để giảm công suất tiêu thụ [2]

Định nghĩa về khoảng thu vàng đã làm hạn chế cho việc chuyển đổi từ RSSI sang khoảng cách Nếu giá trị RSSI nằm trong khoảng thu vàng thì nó luôn bằng 0, như vậy

sẽ không xấp xỉ được các giá trị này bằng một hàm duy nhất Do đó chỉ những phép đo nào cho giá trị RSSI khác không mới có thể sử dụng để xấp xỉ hàm [4]

Chúng ta thực hiện ước lượng bằng cách chọn hàm xấp xỉ tốt nhất bằng cách xác định tham số của một trong các hàm sau đây:

y = c lnx + b,

y = c0 + c1x + c2x2,