Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DỰA TRÊN CẢM BIẾN ĐIỆN THOẠI THƠNG MINH Ngành: Cơng nghệ thơng tin Chun ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Hải Châu Hà Nội – 07/2019 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống định vị nhà 1.2 Ứng dụng thách thức hệ thống định vị nhà 1.2.1 Ứng dụng hệ thống định vị nhà 1.2.2 Thách thức hệ thống định vị nhà CHƢƠNG CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ .6 2.1 Các công nghệ không dây .6 2.1.1 Công nghệ Wi-Fi 2.1.2 Công nghệ LTE 2.1.3 Công nghệ Bluetooth 2.1.4 Công nghệ Băng siêu rộng UWB 2.2 Các công nghệ cảm biến .9 2.2.1 Cảm biến gia tốc 2.2.2 Con quay hồi chuyển 10 2.2.3 Cảm biến từ trường .10 2.3 Các phương pháp ước lượng vị trí 10 2.3.1 Góc tín hiệu đến (AOA) .11 2.3.2 Thời gian nhận tín hiệu (TOA) 11 2.3.3 Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) .12 2.3.4 Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) 13 2.4 Các thuật toán định vị 14 2.4.1 Phép đạc tam giác .14 2.4.2 Phép đo cạnh 15 2.4.3 Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận 17 2.4.4 Lấy dấu lập đồ tín hiệu 17 2.4.5 Phương pháp dẫn đường dự đoán 19 2.5 Các thuật toán lọc khớp liệu 19 2.5.1 Bộ lọc Kalman .19 2.5.2 Thuật toán người láng giềng gần 20 CHƢƠNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DỰA TRÊN CẢM BIẾN TỪ TRƢỜNG 22 3.1 Giới thiệu .22 3.2 Cơ sở 24 3.3 Xây dựng đồ từ trường 26 3.4 Thuật tốn xác định vị trí 33 3.5 Tích hợp với đồ Google Map 35 3.6 Thiết kế cài đặt hệ thống 36 3.6.1 Ứng dụng lập đồ từ trường 36 3.6.2 Ứng dụng định vị 38 3.6.3 Khả mở rộng 41 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 43 4.1 Môi trường thực nghiệm 43 4.2 Phương pháp thực 44 4.2.1 Thực lập đồ từ trường 44 4.2.2 Thực định vị 45 4.3 Kết thực nghiệm 46 4.4 Đánh giá độ xác hệ thống 47 CHƢƠNG KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin dành lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo, PGS TS Nguyễn Hải Châu – người hướng dẫn, khuyến khích, bảo tạo cho điều kiện tốt từ bắt đầu hồn thành cơng việc Tơi xin dành lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Cơng nghệ, ĐHQGHN tận tình đào tạo, cung cấp cho kiến thức vô quý giá tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu trường Đồng thời xin cảm ơn tất người thân u gia đình tơi tồn thể bạn bè người giúp đỡ, động viên tơi vấp phải khó khăn, bế tắc giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2019 Vũ Việt Dũng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin “Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà dựa cảm biến điện thoại thơng minh” cơng trình nghiên cứu riêng tôi, không chép lại người khác Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất nguồn tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2019 Vũ Việt Dũng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ mạng di động sử dụng LTE Hình 2.2 Định vị sử dụng góc tín hiệu đến 11 Hình 2.3 Định vị sử dụng thời gian nhận tín hiệu .12 Hình 2.4 Định vị sử dụng báo cường độ tín hiệu 13 Hình 2.5 Phép đạc tam giác 15 Hình 2.6 Phép đo cạnh 16 Hình 2.8 Thuật tốn k người láng giềng gần .21 Hình 3.1 Tính cục cường độ từ trường 25 Hình 3.2 Cường độ từ trường theo thời gian .25 Hình 3.3 Ảnh hưởng thiết bị điện tử lên cường độ từ trường .26 Hình 3.4 Lập đồ từ trường 27 Hình 3.5 Hệ quy chiếu điện thoại (nguồn: Google [18]) 28 Hình 3.6 Phép biến đổi giá trị cường độ từ trường hệ quy chiếu trái đất 29 Hình 3.7 Cường độ từ trường khu vực thử nghiệm 31 Hình 3.8 Biểu đồ phân bố cường độ từ trường khu vực thử nghiệm 33 Hình 3.9 Lược đồ kiến trúc ứng dụng lập đồ từ trường 37 Hình 3.10 Giao diện ứng dụng lập đồ từ trường 38 Hình 3.11 Lược đồ kiến trúc ứng dụng định vị 39 Hình 3.12 Giao diện ứng dụng định vị 40 Hình 3.13 Hiển thị kết định vị lên đồ .41 Hình 3.14 Đóng gói liệu hệ thống 42 Hình 4.1 Bề mặt khu vực thử nghiệm 43 Hình 4.2 Hình ảnh nhà khu vực thử nghiệm 43 Hình 4.3 Vị trí khu vực thử nghiệm đồ 44 Hình 4.4 Đường thử nghiệm 45 Hình 4.5 Kết thử nghiệm định vị hệ thống .46 Hình 4.6 Phân bố giá trị sai số .47 Hình 4.7 Thống kê sai số đoạn đường thử nghiệm 50 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thống kê cường độ từ trường khu vực thử nghiệm 32 Bảng 3.2 Giả mã thuật toán định vị k người láng giềng gần .34 Bảng 4.1 Thống kê sai số đầu hệ thống 47 Bảng 4.2 Các phân vị sai số đầu hệ thống 51 MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin, hệ thống định vị tồn cầu GPS ứng dụng nhiều phần mềm thiết bị Các thiết bị không dây điện thoại thơng minh cài đặt sẵn tính định vị tồn cầu GPS phần khơng thể thiếu Độ xác GPS sử dụng mơi trường ngồi trời cao, nhiên, hệ thống định vị tồn cầu GPS khơng thể cho kết xác thiết bị môi trường nhà Đặc biệt môi trường nhà lớn cao ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại Định vị nhà trở thành chủ đề nghiên cứu quan tâm nhiều năm trở lại có hệ thống thương mại hố Việc định vị thiết bị mơi trường nhà mang lại lợi ích nhiều trường hợp khác theo dõi vị trí bệnh nhân bệnh viện giúp người tiêu dùng tìm vị trí cửa hàng trung tâm thương mại Tuy nhiên, chưa có giải pháp hồn hảo chưa có chuẩn chung cho việc định vị nhà Nhiều giải pháp khác sử dụng hệ thống định vị nhà, hệ thống số chúng phù hợp với môi trường khác với cơng nghệ chi phí khác nhau, nhiên, hệ thống định vị nhà có có chung đặc điểm thường yêu cầu chi phí cao để cài đặt sở hạ tầng triển khai thiết bị làm tham chiếu Nhằm mục đích nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà hoạt động mà khơng cần cài đặt thêm thiết bị nào, luận văn phân tích so sánh giải pháp định vị nhà có, phát triển hệ thống định vị nhà dựa liệu từ cảm biến từ trường điện thoại thông minh CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống định vị nhà Định vị việc xác định vị trí đối tượng khu vực toạ độ hoá hệ quy chiếu cho trước Một hệ thống định vị hoạt động thiết bị điện tốn phải có chức xác định vị trí thiết bị khu vực cho trước với độ xác định Sự phổ biến điện thoại di động giúp việc điện toán trở nên phổ biến hơn, mạnh mẽ mềm dẻo Điện thoại di động thiết bị di động phổ biến sử dụng rộng rãi thời đại thông tin ngày Cùng với phát triển cơng nghệ, hệ thống định vị tồn cầu GPS cài đặt sẵn hầu hết thiết bị điện thoại di động, khiến cho việc sử dụng điện thoại di động cho việc định vị điều hướng trời trở nên dễ dàng phổ biến hết Tuy nhiên tòa nhà lớn, hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối mặt với khó khăn tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho độ xác kết giảm đáng kể Những khó khăn chủ yếu gặp phải môi trường nhà, tầng hầm mơi trường ngầm tịa nhà lớn Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng hệ thống định vị nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS Một hệ thống định vị nhà hệ thống xác định vị trí đối tượng người tồ nhà sử dụng tín hiệu sóng radio, xạ từ trường, liệu cảm biến từ thiết bị di động Trên thực tế, có nhiều nghiên cứu để phát triển hệ thống định vị nhà sử dụng công nghệ khác với mục tiêu khác giảm chi phí, tăng độ xác kết định vị Nhờ vậy, nhiều nghiên cứu lĩnh vực triển khai, phát minh nhằm cải thiện hệ thống định vị nhà tăng tính ứng dụng chúng 4.2.2 Thực định vị Sau xây dựng đồ từ trường khu vực, ứng dụng thử nghiệm khả định vị di chuyển khu vực Để thực kiểm tra khả định vị hệ thống, người sử dụng di chuyển khu vực thử nghiệm theo đường xác định trước hình 4.4 Quãng đường di chuyển thử nghiệm chia thành 70 vị trí thử nghiệm định vị với khoảng cách vị trí 0.2m Mỗi vị trí thử nghiệm đánh dấu điểm hình Đường thử nghiệm Y 0.5 X 1.5 C(1.8, 10) Hình 4.4 Đường thử nghiệm Đường thử nghiệm bao gồm đoạn lần chuyển hướng, điểm ( ) kết thúc điểm ( ) Lộ trình đường thử nghiệm sau: - Xuất phát ( - Từ vị trí - Từ vị trí - Từ vị trí - Từ vị trí thúc lộ trình 45 Thực di chuyển bước đường thử nghiệm tiến hành định 70 vị trí thử nghiệm Trong trình định vị, giữ điện thoại độ cao khoảng 1m so với mặt đất Mỗi kết định vị ứng dụng ghi lại vào tệp kết dạng cặp giá trị toạ độ 4.3 Kết thực nghiệm Tiến hành lập đồ thử nghiệm khả định vị hệ thống trình bày mục 4.2 Thuật tốn định vị sử dụng ứng dụng thuật toán k người láng giềng gần với k = Thử nghiệm lặp lại lần kết định vị thể hình 4.5 Trong đó, đường màu xanh đường thực tế người thực khu vực điểm màu cam kết định vị ứng dụng ghi lại Vị trí thực tế kết định vị thể hình vẽ cho nhìn tổng qt độ xác kết định vị Các điểm màu cam biểu diễn kết định vị gần với đường màu xanh biểu diễn vị trí thực tế điện thoại chứng tỏ kết định vị xác, ngược lại, điểm màu cam xa đường màu xanh kết định vị thiếu xác Kết định vị Y 10 12 X Vị trí thực tế Kết định vị Hình 4.5 Kết thử nghiệm định vị hệ thống 46 14 4.4 Đánh giá độ xác hệ thống Độ xác hệ thống đánh giá thơng qua sai số kết định vị Sử dụng đầu thử nghiệm giá trị toạ độ thực tế vị trí thử nghiệm toạ độ kết định vị hệ thống, tính sai số D lần định vị tính khoảng cách từ vị trí thực tế ( ( ), khoảng cách tính theo cơng thức: Tiến hành tính sai số với tất lần thử nghiệm lần thử nghiệm 70 phép định vị, có thống kê tổng quát sai số phân bố giá trị sai số lần thử nghiệm hệ thống bảng 4.1 hình 4.6 Tổng số phép thử Sai số trung bình (m) Độ lệch chuẩn (m) Sai số nhỏ (m) Sai số lớn (m) Bảng 4.1 Thống kê sai số đầu r 140 120 Tần suất 100 80 60 40 20 47 Từ hình 4.6 phân bố giá trị sai số, thấy đa số trường hợp, sai số đầu hệ thống nằm khoảng từ 0.1 đến 0.7 Tỉ lệ sai số lớn 0.7 tương đối thấp toàn lần thử nghiệm Từ hình 4.5 biểu diễn kết định vị hệ thống, nhận xét hệ thống có độ xác khơng đoạn đường khác nhau, dễ dàng thấy đoạn BC DE, hệ thống đưa kết định vị thiếu xác so với đoạn đường cịn lại tồn lộ trình thử nghiệm Thực thống kê sai số kết định vị đoạn đường, ta có thống kê biểu đồ phân bố giá trị sai số đây: Phân bố sai số đ 100 90 80 70 Tần suất 60 50 40 30 20 10 (a)Phân bố sai số đo 48 Phân bố sai số đoạn BC Tỉ lệ Tần suất Sai số (m) Tần suất (b) Tỉ lệ (%) Phân bố sai số đoạn BC Phân bố sai số đoạn CD 30 20 15 10 Tỉ lệ Tần suất 25 Sai số (m) Tần suất (c) Tỉ lệ (%) Phân bố sai số đoạn CD 49 Phân bố sai số đoạn DE Tỉ lệ Tần suất Sai số (m) Tần suất (d) Tỉ lệ (%) Phân bố sai số đoạn DE Phân bố sai số đoạn EF 25 Tần suất 20 15 10 Tỉ lệ Sai số (m) Tần suất (e) Tỉ lệ (%) Phân bố sai số đoạn EF Hình 4.7 Thống kê sai số đoạn đường thử nghiệm 50 Từ thống kê sai số đoạn đường thử nghiệm, nhận thấy đoạn AB, CD EF, phần lớn thử nghiệm có sai số nhỏ 1m Ngược lại, chuyển hướng từ đoạn AB để di chuyển đoạn BC, có 30% thử nghiệm có sai số nằm khoảng 1.4m đến 1.6m Tương tự, đoạn DE, có 40% số trường hợp có sai số nằm khoảng 1.2m đến 1.4m Từ thống kê này, thấy sai số đầu hệ thống tăng đáng kể điện thoại chuyển hướng di chuyển có xu hướng ổn định điện thoại di chuyển theo đường thẳng Do sai số đầu hệ thống không phân bố đều, sử dụng phân vị cách hiệu để đánh giá độ xác hệ thống Các phân vị thể phân bố phân tán tập liệu Các phân vị giá trị chia tập liệu thành phần có số lượng quan sát định, đó, tứ phân vị chia tập liệu thành phần bách phân vị 90 chia tập liệu thành phần 90% 10% tập liệu ban đầu Các giá trị phân vị sai số thể bảng 4.2, trường hợp này, sử dụng tứ phân vị bách phần vị 90 Tứ phân vị thứ (25%) Tứ phân vị thứ hai (50%) Tứ phân vị thứ ba (75%) Bách phân vị 90 (90%) Bảng 4.2 Các phân vị sai số đầu hệ thống Các giá trị phân vị thể 25% trường hợp thử nghiệm, sai số đầu hệ thống nhỏ 0.288m 90% trường hợp thử nghiệm, giá trị sai số nhỏ 1.157m 51 CHƢƠNG KẾT LUẬN Trong ngữ cảnh phát triển phần mềm thương mại, hệ thống định vị nhà có độ tin cậy cao, chi phí phát triển triển khai thấp mục tiêu nhiều nghiên cứu hướng đến Mục tiêu luận văn nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà dựa cảm biến điện thoại thông minh, nhằm mục đích cắt giảm chi phí phát triển triển khai thực tế Trong trình nghiên cứu hệ thống định vị nhà cơng trình trước đó, nhận thấy công nghệ Wi-Fi Bluetooth sử dụng rộng rãi hệ thống định vị nhà Thông qua việc nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm hệ thống cơng nghệ định vị nhà trước đó, đề xuất xây dựng hệ thống định vị nhà dựa cường độ tín hiệu từ trường cảm biến từ trường điện thoại thông minh nhằm mục tiêu cắt giảm chi phí, khơng cần đầu tư sở hạ tầng thiết bị dễ sử dụng Hệ thống định vị nhà sử dụng cảm biến từ trường điện thoại thông minh phát triển thử nghiệm cho kết tốt Độ xác hệ thống thử nghiệm sai số định vị nhỏ 1.157m 90% trường hợp Hệ thống thiết kế để có tính mềm dẻo áp dụng tín hiệu khác thay phụ thuộc vào cường độ xạ từ trường Việc tích hợp hệ thống với đồ Google Map làm tăng tính dễ sử dụng hệ thống việc định vị Trong tương lai, hệ thống định vị nhà sử dụng cảm biến từ trường điện thoại thơng minh ứng dụng thực tế, nhiên số hạn chế hệ thống cần khắc phục Hệ thống phát triển dựa tính ổn định cường độ từ trường khu vực, đó, 52 khu vực có thay đổi đáng kể, cần phải tiến hành xây dựng lại đồ từ trường khu vực Bên cạnh đó, tăng độ xác hệ thống giảm lượng tiêu thụ tài ngun tính tốn cách khoanh vùng tìm kiếm thực thuật tốn định vị Có thể kết hợp thêm tín hiệu khác khu vực đồ cường độ Wi-Fi mã SID mạng Wi-Fi để tăng độ xác Những hướng nghiên cứu sử dụng thuật tốn định vị khác lọc Kalman lọc hạt để tăng độ tin cậy kết định vị 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wi-Fi Alliance, http://wi-fi.org [2] 3G PPP, http://3gppp.org [3] 5G PPP, http://5g-ppp.eu [4] Bluetooth, http://www.bluetooth.com [5] Bluetooth Beacons, http://www.bluetoothbeacons.com [6] T Tsang M El-Gamal (2005), Ultra-wideband (UWB) communications systems: an overview [7] J York (2008), Acoustic Source Localization [8] R Dobbins, S Garcia, B Shaw (2011), Software Defined Radio Localization Using 802.11-style Communications [9] P Barsocchi, S Lenzi, S Chessa, G Giunta (2009), A Novel Approach to Indoor RSSI Localization by Automatic Calibration of the Wireless Propagation Model [10] Oguejiofor O S, Aniedu A N, Ejiofor H C, Okolibe A U (2013), Trilateration Based localization Algorithm for Wireless Sensor Network [11] R E Kalman (1960), A new approach to linear filtering and prediction problems [12] R Want, A.Hopper, V Flaco, J Gibbsons (1992), The Active Badge Location System [13] Ward, Jones A Hopper (1997), A New Location Technique for the Active Office [14] S Suksakulchai, S Thongchai, D.M Wilkes, K Kawamura (2000), Mobile robot localization using an electronic compass for corridor environment 54 [15] J Haverinen, A Kemppainen (2009), A global self-localization technique utilizing local anomalies of the ambient magnetic field [16] D Navarro G Benet (2009), Magnetic map building for mobile robot localization purpose [17] S Yuanchao, B Cheng, S Goubin, Z Chunshui, L Liqun, Z Feng (2015), Magicol: Indoor Localization Using Pervasive Magnetic Field and Oppotunistic WiFi Sensing [18] Google (2015), Motion and position sensors 55 ... có, phát triển hệ thống định vị nhà dựa liệu từ cảm biến từ trường điện thoại thông minh CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống định vị nhà Định vị việc xác định vị trí đối tượng khu vực toạ độ hoá hệ. .. văn thạc sĩ công nghệ thông tin ? ?Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị nhà dựa cảm biến điện thoại thơng minh? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tôi, không chép lại người khác Trong toàn nội dung... QUAN 1.1 Hệ thống định vị nhà 1.2 Ứng dụng thách thức hệ thống định vị nhà 1.2.1 Ứng dụng hệ thống định vị nhà 1.2.2 Thách thức hệ thống định vị nhà