Nghiên cứu kỹ thuật định vị trong nhà sử dụng công nghệ bluetooth cho các hệ thống iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ LỆ QUYÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH CHO CÁC HỆ THỐNG IOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Cán hướng dẫn khoa học: TS HÁN TRỌNG THANH HÀ NỘI - 2019 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Lệ Quyên Sinh ngày 12 tháng năm 1994 Học viên lớp cao học Kỹ thuật Viễn thông 2017A - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cam đoan nội dung đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth cho hệ thống Iot” tơi tự tìm hiểu, nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo TS Hán Trọng Thanh Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo mà tơi sử dụng có ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng 03 năm 2019 Học viên thực Nguyễn Thị Lệ Quyên Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT 1.1 Khái niệm Internet of Thing (IoT) 1.2 Đặc điểm yêu cầu mức cao hệ thống IoT 12 1.3 Mơ hình kiến trúc tham chiếu hệ thống IoT 14 1.4 Kết luận 19 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP 20 2.1 Các chuẩn Bluetooth 20 2.1.1 Định nghĩa Bluetooth 20 2.1.2 Các chuẩn Bluetooth thông dụng 20 2.1.3 Các ứng dụng Bluetooth 24 2.2 Các thiết bị Bluetooth chuyên dụng 25 2.3 Chỉ số RSSI ứng dụng 27 2.4 Kỹ thuật định vị nhà dựa mốc vị trí 28 2.4.1 Kỹ thuật định vị 28 2.4.2 Công nghệ Bluetooth kỹ thuật định vị 31 2.5 Kết luận 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRÊN NỀN TẢNG ANDROID 34 3.1 Lý thuyết chung hệ thống Beacons 34 Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 3.1.1 Cơ sở lý thuyết 34 3.1.2 Mục tiêu 35 3.2 Thiết kế xây dựng ứng dụng định vị sử dụng Beacons tảng android 36 3.2.1 Đo khoảng cách sử dụng thiết bị android 36 3.2.2 Mơ hình kết nối hoạt động Beacon ứng dụng android 36 3.2.3 Ngun lý hoạt động mơ hình Beacons thiết bị android 37 3.3 Kết thử nghiệm đánh giá 41 3.3.1 Kết thử nghiệm 41 3.3.2 Đánh giá kết thu 62 3.4 Kết luận 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 IoT sống 13 Hình 1.2 Kiến trúc tham chiếu hệ thống IoT .15 Hình 1.3 Hai kiểu kết nối internet IoT 16 Hình 2.1 Kết nối Bluetooth xe 25 Hình 2.2 USB Bluetooth 26 Hình 2.3 Tai nghe Bluetooth 26 Hình 2.4 Ứng dụng số RSSI đo khoảng cách 28 Hình 2.5 Định vị qua GPS 29 Hình 2.6 Cơ chế định vị GPS 30 Hình 3.1 Đo khoảng cách thiết bị phát thu .35 Hình 3.2 Mơ hình kết nối Beacons ứng dụng android 37 Hình 3.3 Bán kính vùng phủ sóng thiết bị Beacons 37 Hình 3.4 Mơ hình truyền nhận xử lý liệu Beacons App android 38 Hình 3.5 Vị trí thiết bị android dồ Topomap .40 Hình 3.6 Mẫu đo khoảng cách 0.5m .42 Hình 3.7 Mẫu đo khoảng cách 1m 43 Hình 3.8 Mẫu đo khoảng cách 1.5m .45 Hình 3.9 Mẫu đo khoảng cách 2m 46 Hình 3.10 Mẫu đo khoảng cách 2.5m 47 Hình 3.11 Mẫu đo khoảng cách 3m 49 Hình 3.12 Mẫu đo khoảng cách 4m 50 Hình 3.13 Mẫu đo khoảng cách 5m 52 Hình 3.14 Mẫu đo khoảng cách 6m 53 Hình 3.15 Mẫu đo khoảng cách 7m 54 Hình 3.16 Mẫu đo khoảng cách 8m 56 Hình 3.17 Mẫu đo khoảng cách 9m 57 Hình 3.18 Mẫu đo khoảng cách 10m 59 Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Hình 3.19 Mẫu đo khoảng cách 11m 60 Hình 3.20 Mẫu đo khoảng cách 12m 62 Hình 3.21 Biểu đồ đánh giá giá trị đo khoảng cách sử dụng Beacons 63 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Mẫu đo khoảng cách vị trí 0.5m 41 Bảng 3.2: Mẫu đo vị trí khoảng cách 1m .42 Bảng 3.3: Mẫu đo vị trí khoảng cách 1.5m 44 Bảng 3.4: Mẫu đo vị trí khoảng cách 2m .45 Bảng 3.5: Mẫu đo vị trí khoảng cách 2.5m 46 Bảng 3.6: Mẫu đo vị trí khoảng cách 3m .48 Bảng 3.7: Mẫu đo vị trí khoảng cách 4m .49 Bảng 3.8: Mẫu đo vị trí khoảng cách 5m .50 Bảng 3.9: Mẫu đo vị trí khoảng cách 6m .52 Bảng 3.10: Mẫu đo vị trí khoảng cách 7m .53 Bảng 3.11: Mẫu đo vị trí khoảng cách 8m .54 Bảng 3.12: Mẫu đo vị trí khoảng cách 9m .56 Bảng 3.13: Mẫu đo vị trí khoảng cách 10m 58 Bảng 3.14: Mẫu đo vị trí khoảng cách 11m 59 Bảng 3.15: Mẫu đo vị trí khoảng cách 12m 60 Bảng 3.16: Mẫu đo trung bình khoảng cách thực tế vị trí lấy mẫu 62 Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Ý nghĩa IoT Internet of Thing Mạng vạn vật MIT Massachusetts Institute of Học viện Công nghệ Technology Masachusetts Radio Frequency Identification Công nghệ nhận dạng RFID sóng vơ tuyến IEEE MQTT Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện Điện Electronics Engineers tử Message Queuing Telemetry Giao thức mạng gửi Transport tin nhắn dạng kênh publish/subscribe DG- European Commission Directorate CONNECT General CoAP for Tổ chức quản lý mạng, Communications nội dung công nghệ Networks, Content & Technology Ủy ban Châu Âu Constrained Application Protocol Giao thức ràng buộc ứng dụng BLE Bluetooth Low Energy Giao thức Bluetooth lượng thấp RSSI Received Signal Strength Indicator Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Cường độ tín hiệu thu Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, giới thông tin ngày phát triển cách đa dạng phong phú Nhu cầu thông tin liên lạc sống tăng số lượng chất lượng, đòi hỏi dịch vụ ngành viễn thông cần mở rộng Trong năm gần thông tin vệ tinh giới có bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa người nhanh chóng tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật Sự đời nhiều loại phương tiện tiên tiến máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi kỹ thuật mà hệ thống cũ đáp ứng định vị khơng gian chiều hệ thống định vị toàn cầu - GPS (Global Positioning System) đời Đi đôi với nhu cầu định vị phạm vi lớn sử dụng định vị cho máy bay hay giao thông đường bộ, đường thủy, nhu cầu định vị phạm vi nhỏ nhiều vật cản nơi che khuất lớn Việc ứng dụng công nghệ GPS tốn phạm vi khơng gian lớn vật cản thực phù hợp Tuy nhiên, pham vi không gian nhỏ, bị che khuất có nhiều vật cản, hệ thông GPS thực không mang lại nhiều hiệu độ xác Chính vậy, để đáp úng nhu cầu đinh vị phạm vi không gian nhỏ, nơi mà GPS vươn tới, giới có nhiều phương pháp nghiên cứu đưa Trong có giải pháp sử dụng Bluetooth để xác định vị trí nghiên cứu triển khai thực tế Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng hệ thống định vị vị trí khơng gian nhỏ hẹp, có nhiều che khuất, nhằm mục đích hỗ trợ, thay hệ thống định vị vệ tinh để cao hiệu cải thiện độ xác xác định vị trí đối tượng Hệ thống xây dựng sở sử dụng sóng Bluetooth để đo khoảng cách, từ sử dụng thuật tốn định vị hệ thống định vị GPS để xác định vị trí đối tượng Trang thiết bị để xây dựng thử nghiệm hệ thống bao gồm Bluetooth RadBeacon thiết bị smartphone cài đặt phần mềm xử lý định vị viết cho hệ thống Thiết bị smart phone dùng làm đối tượng định vị Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Nội dung trình bày báo cáo gồm chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan IoT Chương 2: Kỹ thuật định vị sử dụng công nghệ Bluetooth lượng thấp Chương 3: Thiết kế hệ thống định vị Đề tài “Xây dựng hệ thống định vị ứng dụng công nghệ Bluetooth Beacons” tập trung phát triển hệ thống định vị nhà, nơi có nhiều vật cản Ứng dụng triển khai tảng android từ thuận tiện cho người dùng Đây đề tài nghiên cứu thử nghiệm môi trường điều kiện chủ quan nên kết thử nghiệm thu khơng cịn thực thử nghiệm điều kiện môi trường khác Qua trình thực đề tài, em nắm kiến thức Internet of Thing, kỹ thuật định vị Việc thiết kế ứng dụng đòi hỏi yêu cầu cụ thể, đặc biệt phải phù hợp đem lại tiện ích cho người dùng Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, viện Điện tử - Viễn thông tạo môi trường học tập nghiên cứu với đầy đủ trang thiết bị đại, tiên tiến cung cấp cho chúng em kiến thức tảng tốt năm học vừa qua Đặc biệt,em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Hán Trọng Thanh nhiệt tình bảo hướng dẫn em để em hồn thành luận văn Bên cạnh đó, em muốn gửi lời cảm ơn đến toàn thành viên ASE Lab chia sẻ, giúp đỡ em đề tài Trong trình thực đề tài xảy sai sót Vì mong góp ý Thầy Cô bạn! Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ IOT Trong chương này, em tập trung trình bày khái niệm Internet of Thing hệ thống IoT mục 1.1, mục 1.2 trình bày đặc điểm yêu cầu mức cao hệ thống IoT, mơ hình hệ thống IoT thực tế đề cập tới mục 1.3 cuối kết luận chương 1.1 Khái niệm Internet of Thing (IoT) "Internet of Thing" lần nhắc đến vào năm 1999 Kenvin Ashton [1], nhà khoa học làm việc viện MIT phòng nghiên cứu AutoID Tại thời điểm đó, IoT đề cập đến tầm nhìn mà tất các đối tượng người giới vật lý kết nối quản lý định danh qua RFID Kể từ thời điểm thuật ngữ "Internet of Thing" lần xuất hiện, với phát triển tầm nhìn khoa học cơng nghệ nhiều lĩnh vực định nghĩa xác cho IoT vấn đề tranh cãi [2] Có thể hiểu "Internet of Thing" sau: "Internet of Thing kịch giới, mà thực thể cung cấp định danh riêng tất có khả truyền tải, trao đổi thơng tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính" IoT phát triển tảng hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử Internet "Internet of Thing" cấu trúc đưa theo tên nó, bao gồm thành phần "Internet" "Thing" Thành phần mô tả định hướng IoT: sử dụng Internet móng xây dựng cho dịch vụ Khía cạnh rõ ràng định nghĩa Internet of Thing DG-CONNECT (European Commission Directorate General for Communications Networks, Content& Technology - Tổ chức quản lý mạng, nội dung công nghệ Ủy ban Châu Âu): "một mạng lưới toàn cầu kết nối đối tượng với khả đánh địa định danh nhất, hoạt động dựa giao thức tiêu chuẩn" [3] Trong định nghĩa trên, DG-CONNECT khơng nhắc tới thiết bị điện tốn "computing devices" mà đối tượng nhắc tới "objects" - tất thực thể nói chung kết nối Nguyễn Thị Lệ Quyên – CA170274 Page ... dụng công nghệ Bluetooth lượng thấp Chương 3: Thiết kế hệ thống định vị Đề tài “Xây dựng hệ thống định vị ứng dụng công nghệ Bluetooth Beacons” tập trung phát triển hệ thống định vị nhà, nơi có... thay hệ thống định vị vệ tinh để cao hiệu cải thiện độ xác xác định vị trí đối tượng Hệ thống xây dựng sở sử dụng sóng Bluetooth để đo khoảng cách, từ sử dụng thuật tốn định vị hệ thống định vị GPS... ? ?Nghiên cứu kỹ thuật định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth cho hệ thống Iot? ?? tơi tự tìm hiểu, nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo TS Hán Trọng Thanh Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo mà tơi sử