xây dựng hệ thống định vị trong nhà sử dụng phương pháp lai trên nền tảng wifi và bluetooth năng lượng thấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG BÁO CÁO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI TRÊN NỀN TẢNG WIFI & BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP GVHD: TS TRỊNH XUÂN DŨNG SVTH: HUỲNH THANH DƯ NGUYỄN KHÁNH TƯỜNG 41300697 41304716 Ngày 11 tháng 01 năm 2018 NỘI DUNG CHÍNH Giới thiệu yêu cầu luận văn Công nghệ định vị phương pháp định vị nhà Hệ thống thiết kế định vị nhà dùng WLAN BLE Kết luận hướng phát triển Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Vì phải định vị nhà? Theo thống kê US EPA năm 2016, ngày sử dụng: • • 7% thời gian cho việc trời 93% thời gian lại cho cơng việc nhà Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Wifi Access Point HYBRID (WIFI & BLE) Bluetooth LE Beacon Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường YÊU CẦU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Yêu cầu đề tài luận văn - Nghiên cứu tổng quan hệ thống, công nghệ định vị, ưu, nhược điểm công nghệ - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Fingerprinting tảng hệ thống WiFi - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Trilateration tảng Bluetooth lượng thấp (Bluetooth Low Energry BLE) - Đánh giá hiệu hai hệ thống định vị dựa tảng WiFi BLE - Xây dựng phần mềm định vị sử dụng phương pháp lai fingerprinting tảng WLAN trilateration tảng BLE - Đánh giá hiệu hệ thống xây dựng - Xây dựng hệ thống back-end thu thập vị trí người sử dụng hệ thống front-end thị vị trí người dùng hệ thống Bộ môn Viễn thơng Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CƠNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị nhà UWB BLUETOOTH RFID WLAN Công nghệ định vị Hệ thống thông tin di động GSM nhà Công nghệ Hybrid Tia hồng ngoại Chiếu sáng LED Bộ môn Viễn thông Từ trường Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị nhà Công nghệ định vị sử dụng WLAN Công nghệ WLAN: chuẩn giao tiếp IEEE 802.11, sử dụng phổ biến nhất, điểm phát sóng có mặt hầu hết nơi, tòa nhà Định vị sử dụng WLAN dựa độ mạnh tín hiệu song điện từ từ WAP, số cường độ sóng nhận (RSSI) Bộ mơn Viễn thơng Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị nhà Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth Công nghệ Bluetooth: tích hợp nhiều điện thoại di động, thường dùng khu vực nhỏ, cho kết định vị có sai số thấp, chủ yếu môi trường nhà, khoảng cách gần Bluetooth 4.0 xuất hiện, có tính vận hành lượng thấp, tầm hoạt động mở rộng hơn, tiết kiệm lượng đáng kể Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ GPS WLAN Bluetooth Ưu điểm Nhược điểm Có độ xác cao hoạt động ngồi trời Tín hiệu GPS yếu mơi trường nhà Thiết bị với chi phí lắp đặt thấp, vùng phủ tầm trung Tín hiệu thay đổi nhiều môi trường phức tạp Tiết kiệm lượng, chi phí lắp đặt thấp, xây dựng hầu hết điện thoại thông minh thiết bị cá nhân Tầm hoạt động thấp, cần nhiều thiết bị phát UWB Độ xác cao, băng thơng rộng Chi phí thực lớn, không sử dụng thông dụng RFID Không yêu cầu LOS, xuyên qua vật thể rắn, khơng kim loại Antenna ảnh hưởng đến tín hiệu RF, tiêu tốn nhiều lượng GSM Không bị nhiễu vơi thiết bị hoạt động tần số Độ tin cậy thấp Tia hồng ngoại Ánh sáng, từ trường Hybrid Bộ mơn Viễn thơng Phù hợp với mơ hình truyền sóng nhà, độ xác cao Tầm hoạt động thấp, cần chi phí thực hiện, bị ảnh hưởng ánh sáng mặt trời Độ xác trung bình, sử dụng cửa hàng Chưa phổ biến, thiết bị lắp đặt chi phí cao Tăng độ xác, thực nhiều môi trường nhà Cần nhiều thiết bị, chi phí lắp đặt Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị nhà Kinh doanh Công nghiệp Dân Y tế Ứng dụng định vị nhà Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 10 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn huấn luyện (Offline) Sơ đồ khối q trình định vị WLAN Thuật tốn định vị khoảng cách Euclidean Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 26 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn huấn luyện (Offline) Thiết kế phần mềm định vị nhà tảng Android Phần mềm định vị điện thoại viết ứng dụng Android Studio, ngôn ngữ Java tảng J2ME (Java Mobile Edition) Cảm biến gia tốc, cảm biến xoay góc, cảm biến từ trường tích hợp sẵn smartphone Phần mềm Android “BKU IPS KTD” Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 27 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn huấn luyện (Offline) Thiết kế phần frontend hiển thị vị trí người dùng hệ thống Phần ứng dụng front-end viết ngôn ngữ Javascript tảng web Server dựng Nodejs giao tiếp với client thông qua socketIO Giao diện Web “BKU IPS Central Monitoring System” Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 28 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn huấn luyện (Offline) - Sơ đồ khối hệ thống định vị Cơ sở liệu Tín hiệu WiFi Cảm biến vận tốc Đo RSSI Ước lượng tốc độ di chuyển Tính tốn vị trí Mơ chuyển động Màn hình điện thoại Xác định vị trí Cảm biến góc xoay từ trường Tín hiệu BLE Bộ mơn Viễn thơng Tính góc quay Đo RSSI Xác định hướng di Màn hình web chuyển Tính tốn vị trí Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 29 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn huấn luyện (Offline) - Lưu đồ giải thuật hệ thống định vị Người dùng Server Bắt đầu Cơ sở liệu Quản lý Tên người dùng Quét tính RSSI trung bình Tính tốn vị trí Dữ liệu người dùng Màn hình Web Kết nối Server N Tính hướng vận tốc dùng Màn hình điên Thốt Xóa liệu người Kết thúc thoại Y Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 30 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) – dùng WAP Khu vực khảo sát mở rộng có diện tích 920 m , tầng tòa nhà B1 – khoa Điện – Điện tử Khu vực hành lang Bộ môn Viễn thông Khu vực phòng học Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường Sơ đồ khu vực thử nghiệm 31 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) – dùng WAP Đối với phần trên, khu vực khảo sát có diện tích nhỏ, phần khu vực khảo sát mở rộng có diện tích 920 m , tầng tòa nhà B1 – khoa Điện – Điện tử Định vị sử dụng Fingerprinting với WAP Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 32 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) – dùng WAP   ∆x ∆y ∆d Tọa độ thực Sai số trung bình 1.33 0.79 1.74 Giá trị RSS Tọa độ đo ước lượng Sai số Sai số Vị trí Độ lệch chuẩn 0.99 0.83 WAP WAP WAP #1 #2 #3 22 -68 -61 35 16.5 -69 35 10.8 28.3 1.02 Kết cho thấy sai số trung bình khoảng x y x' y' ∆x ∆y cách ∆d 35 -66 34 21 1 1.41 -55 -59 33 15 1.5 2.5 -61 -52 -43 35 11 0.2 0.2 10.8 -60 -49 -63 31 11 2.7 0.2 2.71 24.5 10.8 -50 -44 -69 28 11 3.5 0.2 3.51 24.5 -62 -45 -78 24 0.5 0.5 1.74m độ lệch chuẩn 1.02m Kết định vị sai số khoảng cách định vị Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 33 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) – dùng beacon Khu vực khảo sát phòng học 210B1, diện tích 77 m , tầng tòa nhà B1 – khoa Điện – Điện tử Các thơng số để tính tốn định vị dùng phương pháp Trilateration: Thông số Giá trị RSSI0 d = 1m: RSSI0 = -75.2667 dBm Độ lệch chuẩn Xg = 4.86 Hệ số suy hao đường truyền Bộ môn Viễn thông n = 1.55 Định vị sử dụng Trilateration với beacon Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 34 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) – dùng beacon   ∆x ∆y ∆d Sai số trung bình 1.18 1.3 2.06 Độ lệch chuẩn 0.94 0.77 Vị trí RSSI (beacon1) -78.69 -79.67 -77.94 -80.68 -84.17 RSSI (beacon2) -83.6 -80.64 -78 -82.22 -77.86 RSSI (beacon3) -79.2727 -78.12 -85.91 -81.42 -80.38 x 10.4 10.4 10.4 12 15.7 y 9.8 2.1 8 x' 10.95 12.6 8.84 11.93 16.43 y' 8.33 6.69 0.13 6.43 5.32 ∆x 0.55 2.2 1.56 0.07 0.73 ∆y 1.47 0.69 1.97 1.57 2.68 ∆d 1.57 2.31 2.51 1.57 2.78 0.57 Kết cho thấy sai số trung bình 2.06m độ lệch chuẩn 0.57m Bộ môn Viễn thông Kết định vị sử dụng Beacon Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 35 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) Tiến hành thử nghiệm môi trường thực tế Thử nghiệm định vị người dùng với hệ thống xây dựng Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 36 HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Giai đoạn định vị (Online) Tiến hành thử nghiệm môi trường thực tế Thử nghiệm định vị nhiều người dùng với hệ thống xây dựng Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 37 KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Xây dựng tương đối hoàn chỉnh hệ thống định vị nhà kết hợp phương pháp Fingerprinting Trilateration dựa công nghệ WiFi BLE WiFi có phạm vi hoạt động lớn giúp cho việc định vị khu vực rộng dễ dàng nhiên sai số nhiễu không ổn định AP đáng kể Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường Bằng việc sử dụng AP Beacons có sẵn giúp cho chi phí thực luận văn giảm đáng kể BLE: thiết bị Estimote thiết kế gọn nhẹ đại Có tính ứng dụng cao hạn chế độ nhạy RSSI gây khó khăn định vị xác vị trí 38 KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hướng phát triển Mơ hình truyền sóng cần nghiên cứu nhiều hơn, kết hợp nhiều thuật toán định vị để giảm sai số Việc chọn vị trí lắp đặt AP có vai trò quan trọng hệ thống định vị, vầy cần phải nghiên cứu tính tốn để đưa lựa chọn thích hợp Luận văn dừng lại mơi trường tầng tòa nhà, nhiên định vị nhà cần phải xác định vị trí tầng khác nhạu nên cần nghiên cứu Phần mềm hệ thống định vị tảng Android hồn thiện bổ sung thêm tính để áp dụng sử dụng thực tế Việc thu thập vị trí người dùng cố ý nghĩa quan trọng nhiều lĩnh vực khảo sát, kinh doanh,… Ta tạo nên Heatmap từ liệu Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 39 LỜI CÁM ƠN CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE ! Huỳnh Thanh Dư – 41300697 Nguyễn Khánh Tường – 41304716 Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường 40 ... điểm công nghệ - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Fingerprinting tảng hệ thống WiFi - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Trilateration tảng Bluetooth lượng thấp (Bluetooth. .. hai hệ thống định vị dựa tảng WiFi BLE - Xây dựng phần mềm định vị sử dụng phương pháp lai fingerprinting tảng WLAN trilateration tảng BLE - Đánh giá hiệu hệ thống xây dựng - Xây dựng hệ thống. .. thập vị trí người sử dụng hệ thống front-end thị vị trí người dùng hệ thống Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị nhà