Thiết kế và phát triển thuật toán định vị sử dụng cơ sở dữ liệu access points dựa vào tín hiệu wifi

ĐỖ VĂN THÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐỖ VĂN THÀNH THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ACCESS POINTS DỰA VÀO TÍN HIỆU WIFI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG KHỐ 2012B HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ VĂN THÀNH THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ACCESS POINTS DỰA VÀO TÍN HIỆU WIFI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN TIẾN HÀ NỘI - 2014 HVTH: Đỗ Văn Thành MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ LBS (LOCATION BASE SERVICE) VÀ HỆ THỐNG WPS (WIFI POSITIONING SYSTEM) 1.1 LOCATION BASED SERVICE (LBS) 1.2 WIFI-BASED POSITIONING SYSTEM 1.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHẢ QUAN CÓ THỂ TRIỂN KHAI 13 1.4 CÁC HỆ THỐNG CÓ LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC TRIỂN KHAI TRÊN THẾ GIỚI .13 1.5 KẾT LUẬN .15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG WPS (WIFI POSITIONING SYSTEM) 16 2.1 Wi-Fi TECHNOLOGY 16 2.2 NGUYÊN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG SĨNG Wi-Fi 18 2.2.1 Mơ hình mạng 18 2.2.2 Network base topology 19 2.2.3 Terminal base topology 19 2.2.4 Terminal assisted topology 20 2.3 CÁC PHÉP ĐO VÀ ỨNG DỤNG CHO CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG SÓNG Wi-Fi 20 2.3.1 Dựa khoảng cách ngắn 20 2.3.2 Phương pháp cell possitioning 21 2.3.3 Dựa phương pháp tam giác lượng 22 2.3.4 Dựa phép đo góc (triangulation) 24 2.3.5 Dựa vào mơ hình nhận biết 26 2.4 CÁC CÔNG CỤ SẼ SỬ DỤNG 27 2.4.1 Hệ quản trị sở liệu MYSQL 27 2.4.2 Visual studio 2012 29 2.4.3 Eclipse 29 2.4.4 Net Surveyor 31 2.4.5 Smartphone Samsung Galaxy S2 32 2.4.6 Laptop Asus A42F 33 2.5 TRUYỀN THÔNG GIỮA MÁY TÍNH VÀ MOBILE 33 2.5.1 Giới Thiệu Chung 33 HVTH: Đỗ Văn Thành 2.5.2 Giới Thiệu Về Socket 33 2.5.3 Các Thuộc Tính Của Socket 33 2.5.4 TCP UDP 34 2.5.5 Mơ Hình Server Client 36 2.5.6 Mơ Hình Server/ Client Của Hệ Thống WPS 38 2.6 KẾT LUẬN 39 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT THUẬT TỐN DỊNH VỊ 40 3.1 PHƯƠNG PHÁP FINGER-PRINT 40 3.1.1 Cơ sở lý thuyết 40 3.1.2 Áp dụng vào đề tài 44 3.2 PHÂN TÍCH PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU ACCESS-POINT THEO PHÂN BỐ GAUSS 45 3.3 ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ THAY ĐỔI CƯỜNG DỘ TÍN HIỆU CỦA ACCESS POINTS TẠI MỘT VỊ TRÍ XÁC ĐỊNH 51 3.4 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ VÀ ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN 54 3.4.1 Ý tưởng đề xuất 54 3.4.2 Thảo luận chất lượng đồ 57 3.4.3 Thực thuật toán 61 3.4.4 Nhận xét ý tưởng thuật toán 63 3.5 KẾT LUẬN 64 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 65 4.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG 65 4.1.1 Khối server 66 4.1.2 Sơ đồ khối positioning client( mobile) 68 4.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 72 4.2.1 Xác định tọa độ địa MAC Access Points 72 4.2.2 Đo đạc độ mạnh yếu cảu tín hiệu điểm tham chiếu 73 4.2.3 Xử lý liệu 74 4.3.4 Đưa liệu vào Database 76 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 HVTH: Đỗ Văn Thành DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống 12  Hình 1.2 Dịch vụ LBS lai ghép hệ thống Skyhook 14  Hình 1.3 Ứng dụng UNIWIDE- định vị sử dụng WIFItại trường đại học New South Wales- Australia 15  Hình 2.1 (Topology-đồ hình mạng) 19  Hình 2.2: Tam giác lượng 22  Hình 2.3: angle of arrival signal 24  Hình 2.4: kết AOA 25  Hình2.5: giao diện NetSurveyor 32  Hình 2.6 Mơ hình TCP/IP 35  Hình 2.7: Mơ hình Client Server 38  Hình 3.1: Hạn chế sử dụng công thức Euclid 45  Hình 3.2 : So sánh phân bố cường độ tín hiệu Access Points theo phân bố chuẩn 47  Hình 3 : Phương pháp số kiểm định Q-Q plot 49  Hình 3.4 Các hướng tương đối anten phát với điện thoại 52  Hình 3.5: Cường độ tín hiệu thu theo hướng khác điểm cố định 53  Hình 3.6 : Đối tượng RSSi 54  Hình 3.7: Tập hợp đối tượng chọn 55  Hình 3.8: Chênh lệch cường độ tín hiệu theo hướng khác 56  Hình 3.9: Cơ sở liệu Accesspoints theo hướng khác 57  Hình 3.10: Bản đồ vị trí đặt Accesspoints tầng 58  Hình 3.11: Phân bố cường độ tín hiệu AP1 58  Hình 3.12: Phân bố cường độ tín hiệu AP2 58  Hình 3.13: Phân bố cường độ tín hiệu AP3 59  Hình 3.14: Phân bố cường độ tín hiệu AP4 59  Hình 3.15: Phân bố cường độ tín hiệu AP5 60  Hình 3.16: Phân bố cường độ tín hiệu AP6 60  Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán 62  Hình 3.18: Độ ổn định độ xác thuật tốn định vị 63  Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống WPS 65  Hình 4.2 Sơ đồ khối Server 66  Hình 4.3 Sơ đồ khối Client 68  Hình 4.4 Bản đồ tầng thư viện Tạ Quang Bửu 69  Hình 4.5: Sơ đồ khối database hệ thống 72  Hình 4.6: Kết đưa liệu cường độ tín hiệu APs vào database 76  Hình 4.7: Thông tin điểm tham chiếu 77  Hình 4.8: Bảng thông tin Access Points 77  Hình 4.9: Bảng độ mạnh tín hiệu điểm tham chiếu 78  HVTH: Đỗ Văn Thành DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Bảng 1.1: Các hệ thống định vị WIFI có 11  Bảng 1.2: So sánh hiệu PDA Laptop 13  Bảng 3.1: Phương pháp xem xét giá trị Skewness 50  Bảng 3.2: Phương pháp kiểm định Kolmogorov-Smirnov Shapiro-Wilk 50  Bảng 4.1: Địa MAC APs vùng khảo sát 73  HVTH: Đỗ Văn Thành LỜI CAM ĐOAN Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường tốt để học tập nghiên cứu Xin cảm ơn thầy cô khoa đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tốt Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Phạm Văn Tiến, thầy tận tình bảo, hướng dẫn định hướng cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn toàn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất tơi thực cẩn thận có định hướng giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận án Tác giả ĐỖ VĂN THÀNH HVTH: Đỗ Văn Thành MỞ ĐẦU a) Lý chọn đề tài Ngày dịch vụ dựa thơng tin vị trí (Location base service-LBS) dần ứng dụng mạnh mẽ đời sống sinh hoạt người Trong cơng nghệ LBS dựa sóng WIFI trở nên hấp dẫn, cho thấy hiệu chi phí tiên lợi lĩnh vực định vị nhà (indoor) Nhưng vấn đề quan trọng phải tìm thuật tốn định vị có độ xác độ ổn định cao, tơi định chọn đề tài:” Thiết kế phát triển thuật toán định vị sử dụng sở liệu Access Points dựa vào tín hiệu WIFI” để làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ b) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới phân bố cường độ tín hiệu Access Points, qua chuẩn hóa sở liệu Access Points làm sở để đưa thuật tốn có độ xác ổn định cao Đối tượng nghiên cứu đề tài hệ thống Access Points dựng sẵn tầng 6, thư viện Tạ Quang Bửu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế phát triển thuật toán định vị sử dụng sở liệu Access ponts dựa tín hiệu WIFI c) Nội dung luận văn Ngoài lời mở đầu, mục lục, tài liệu tham khảo, luận văn chia làm chương - Chương 1: Giới thiệu LBS (Location Base Service) hệ thống WPS (WIFI Positioning System) - Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống WPS (WIFI Positioning System) - Chương 3: Phân tích đề xuất thuật tốn định vị - Chương : Thiết kế hệ thống định vị sử dụng sở liệu Access Points - Chương : Kết luận đề xuất phát triển thuật tốn Sau hồn thành đề tài này, ta thấy phân bố cường độ tín hiệu Access Points khơng tn theo phân bố Gauss nên sử dụng công thức Euclid HVTH: Đỗ Văn Thành để làm sở việc tìm kiếm vị trí Database, yếu tố hướng tương đối anten phát anten thu ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ tín hiệu nhận nên phải đưa yếu tố hướng vào định vị d) Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết phân bố cường độ tín hiệu anten sử dụng Access Points Sử dụng đo để dánh giá xác yếu tố ảnh hưởng tới phân bố cường độ tín hiệu Trên sở kết thực tế chuẩn hóa sở liệu Access Points Thử nghiệm định vị với thuật toán sở Access Points vừa xây dựng để đưa đánh giá hướng phát triển thuật tốn e) Kết luận Định vị khơng dây (WIFI Positioning System - WPS) hướng tiềm để tận dụng sở hạ tầng rộng lớn, sẵn có cơng nghệ WIFI phát triển mạnh mẽ thành phố lớn Với ứng dụng hấp dẫn thiết thực như:ứng dụng để tìm đường, dẫn đường, tìm tiện ích xung quanh (nhà hàng, khách sạn, trạm xe buýt…), theo dõi, giám sát đối tượng, cứu hộ, cứu nạn công nghệ định vị sử dụng mạng Wi-Fi không hứa hẹn mang đến kho tàng ứng dụng hữu ích cho người dùng mà mang đến tương lai tươi sáng cho nhà cung cấp dịch vụ Vì việc nghiên cứu phát triển thuật toán định vị khơng dây có độ xác tính ổn định cao vấn vô quan trọng Xin chân thành cảm ơn! HVTH: Đỗ Văn Thành CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ LBS (LOCATION BASE SERVICE) VÀ HỆ THỐNG WPS (WIFI POSITIONING SYSTEM) 1.1LOCATION BASED SERVICE (LBS) Với triển khai rộng khắp hệ thống di động mạng khơng dây, dịch vụ định vị triển khai thiết bị di động: máy tính xách tay, điện thoại thơng minh, PDA Có nhiều ứng dụng triển khai dựa vào khả định vị định hướng, theo dõi người tài sản, dịch vụ an ninh, ứng dụng phối hợp ứng phó tai nạn, phòng chống thiên tai [3,5] Để cung cấp dịch vụ định vị đáng tin cậy, thời gian thực độ xác vị trí người sử dụng phải chấp nhận Do đó, việc phát triển thuật tốn định vị đáp ứng u cầu ngày quan tâm Đối với mơi trường ngồi trời, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) định vị tế bào [3,6,7] thường chọn làm kỹ thuật dịch vụ định hướng Tuy nhiên, kỹ thuật sử dụng trực tiếp nhà tín hiệu thường q yếu Như vậy, định vị nhà sử dụng tín hiệu Wi-Fi trở thành hướng nghiên cứu phổ biến năm gần Có số phương pháp định vị nhà sử dụng GPS GPS tương trợ (AGPS) [8], đòi hỏi kết nối đến máy chủ vị để ước tính vị trí nhà có độ xác từ 5-50m [8] Một phương pháp khác Calibree đề xuất[9] sử dụng cường độ tín hiệu phát từ tháp di động để xác định vị trí tương đối điện thoại di động với vị trí họ Ngồi ra, định vị nhà cịn thực thi điện thoại GSM [10]và CDMA [11] dựa việc lấy mẫu tín hiệu Sai số trung bình định vị tế bào 4-5m Mặc dù cá phương pháp cho độ xác tương đối mơi trường nhà không đủ để xây dựng dịch vụ dựa định vị cách tin cậy áp dụng điện thoại di động Ngoài việc sử dụng GPS mạng tế bào,các dạng công nghệ không dây khác sử dụng để định vị nhà Đặc biệt, hệ thống định vị sử dụng tín hiệu HVTH: Đỗ Văn Thành double X = event.getX(); double Y = event.getY(); Toast.makeText(this, "X: " + X + " Y: " + Y, Toast.LENGTH_SHORT).show(); returnsuper.onTouchEvent(event); Client program: thực chức hiển thị vị trí người dùng lên GUI Các bước thực hiện:  Client program đọc liệu thu từ Fingerprint reading(MAC address, SSID, Signal strengh)  Đóng gói liệu từ Fingerprint reading gửi tới server thông qua netwok(http post)  Nhận liệu xử lý server vị trí người dùng  Vẽ lên GUI FINGERPRINT READING: Trong chương trình client, nhiệm vụ khối fingerprint reading lấy thông tin APs (mac address, signal strengh, SSID ) vị trí người dùng Vì khối fingerprint, nhóm chúng em sử dụng lớp WIFIManager android để quản lý thông tin WIFI Lớp WIFIManage cung cấp ứng dụng việc quản lý kết nối Wi-Fi Danh sách cấu hình mạng, danh sách xem xét cập nhật, thuộc tính cá nhân sửa đổi Trạng thái hoạt động mạng Wi-Fi (nếu Wi-Fi bật) thiết lập kết nối hay hủy bỏ kết nối, thông tin trạng thái mạng Wi-Fi truy cập Kết việc quét APs bao gồm thông tin đầy đủ APs (mac address, SSID, level, BSSID ) Xác định hành động xảy có thay đổi trạng thái Wi-Fi Để sử dụng ứng dụng ta phải gọi thuộc tính Context.getSystemService(Context.WIFI_SERVICE) lớp WIFIManager Ví dụ: WIFIManager WIFI = (WIFIManager) getSystemService (Context.WIFI_SERVICE); 71 HVTH: Đỗ Văn Thành Để lấy thông tin APs, chúng em sử dụng ứng dụng thứ lớp WIFIManager để lấy thông tin cần thiết Ví dụ: WIFI.startScan(); List result=WIFI.getScanResults(); for(int i1=1;i1