Nghiên cứu giải pháp tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị bằng phương pháp DRSSI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA *** LÊ HẢI TỒN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Lương Vinh Quốc Danh Cán chấm nhận xét 1: TS Lưu Thanh Trà Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS.TS Lê Tiến Thường - Chủ tịch Hội đồng TS Lưu Thanh Trà - Cán phản biện PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo - Cán phản biện TS Mai Linh - Ủy viên Hội đồng TS Huỳnh Phú Minh Cường - Thư ký Hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc Số: ……… /BKĐT KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: VIỄN THÔNG NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HẢI TOÀN MSHV: 7140455 Ngày, tháng, năm sinh: 05/03/1988 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60520208 Tên đề tài luận văn (Tiếng Việt Tiếng Anh): NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI (Reseaching solutions improve accuracy of positioning techniques base on DRSSI method) Nhiệm vụ: + Nghiên cứu giải thuật lọc tín hiệu để cải thiện độ xác thơng số RSSI + Khảo sát giải pháp định vị trường hợp công suất nguồn phát DRSSI Các kết dự kiến: + Độ xác cải thiện so với phương pháp không dùng giải thuật lọc + Kết so sánh trường hợp có dùng khơng dùng giải thuật lọc kỹ thuật định vị công suất nguồn phát DRSSI Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 06/02/2016 Thời gian thực hiện: 16/01/2017-18/06/2017 (xin gia hạn đến 12/2017) Họ tên người hướng dẫn: TS Lương Vinh Quốc Danh Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ môn Tp HCM, ngày …… tháng …… năm …… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Để hồn thành mơn học chương trình hồn thành đề cương luận văn này, nhận nhiều quan tâm, hỗ trợ giúp đỡ quý Lãnh đạo, q Thầy Cơ, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp bạn sinh viên Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Lương Vinh Quốc Danh, Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ, định hướng, hướng dẫn hỗ trợ em nhiều trình thực đề tài Thầy người cung cấp gợi ý tài liệu tham khảo cần thiết, hướng dẫn tận tình, giúp em khắc phục vấn đề kỹ thuật phát sinh trình thực đề tài Em xin gửi lời cám ơn đến quý Lãnh đạo, quý Thầy Cô Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh chấp thuận đề cương cho em thực đề tài luận văn Cám ơn quý Thầy chia sẽ, tư vấn hỗ trợ nhỏ để em hồn thành chương trình học tập luận văn tốt nghiệp Xin cám ơn quý anh trước hỗ trợ kinh nghiệm trình tìm hiểu, đo đạc; cám ơn bạn đồng nghiệp sinh viên hỗ trợ trình đo đạc số liệu Ngoài ra, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ủng hộ tạo động lực lớn mặt tinh thần, giúp em vượt qua khó khăn để hồn thành đề tài Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2018 TÓM TẮT Luận văn giới thiệu cách xác định vị trí mục tiêu (nguồn sóng RF) khu vực định Cơng việc thực cách sử dụng thông số cường độ sóng thu (RSSI) Cụ thể, số lượng thích hợp trạm thu phát khơng dây sử dụng để thu thập giá trị cường độ tín hiệu nhận từ mục tiêu Các giá trị sử dụng làm đầu vào cho thuật tốn ước lượng có khả tính tốn tọa độ 2D mục tiêu Theo kết thí nghiệm luận, tính xác phương pháp phụ thuộc vào số lượng trạm phát sóng khơng dây chất lượng thơng số RSSI Nói cách khác, sử dụng tốt giải thuật lọc để cải thiện thơng số RSSI làm tăng độ xác kỹ thuật định vị Thêm vào đó, luận văn giới thiệu phiên cải tiến thuật tốn ước lượng giúp cải thiện sai số phạm vi chấp nhận sử dụng trạm thu Sau áp dụng phiên cải tiến này, lỗi dự kiến không vượt 10% ABSTRACT This thesis introduces the way to determine the position of a target (RF source) in a particular area This work is carried out by using RSSI parameter In detail, an appropriate number of wireless transceiver stations are used to collect received signal strength indicator values that received from the target These values will be utilized as an input for an estimation algorithm which has ability to calculate 2D coordinate of the target According to the result of our experiments, the accuracy of this method depends on the number of wireless transceiver station In other words, the better filter solution to improve the RSSI parameter we exert, the higher accuracy we get Therefore, this thesis has also recommended an improved version of the estimation algorithm which can help us keep the error in an acceptable range while we only use four transceiver stations After having applied this improved version, the expected error is not higher than 10% Keywords: RSSI, LQI; unknown source localization; DRSSI, Kalman filter LỜI CAM ĐOAN Việc sử dụng giá trị cường độ sóng RSSI để định vị nguồn phát sóng RF quan tâm nghiên cứu thực năm gần ưu điểm đơn giản hệ thống, giá thành thấp có tiềm ứng dụng nhiều lĩnh vực Đã có vài nghiên cứu, báo giới việc sử dụng giá trị RSSI để định vị thiết bị Tại Việt Nam, việc định vị cường độ sóng điện từ đặc biệt với nguồn phát sóng khơng biết cơng suất phát cịn lạ, chưa thấy có cơng trình nghiên cứu chi tiết Từ việc tham khảo báo quốc tế, từ nhiều nguồn, nhiều tác giả khác nhau, xây dựng thuật tốn định vị nguồn phát sóng RF dùng thơng số RSSI trường hợp nguồn công suất phát cải tiến giải thuật để nâng cao độ xác kỹ thuật định vị Tơi xin cam đoan, nội dung kết trình bày báo cáo hoàn toàn trung thực, dựa số liệu khảo sát, đo đạc ghi nhận thực tế, không chép từ cơng trình nghiên cứu trước Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2017 Trang MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các kết nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đề tài 10 1.4 Phạm vi thực 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF 11 2.2 Mối quan hệ cơng suất tín hiệu nhận khoảng cách 12 2.3 Quan hệ cường độ tín hiệu khoảng cách 13 2.4 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI kỹ thuật định vị dùng RSSI 14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 18 3.1 Giới thiệu module CC1120 18 3.2 Khối điều khiển 21 3.3 Hoàn thiện phần cứng 23 3.4 Mạch thực tế: 27 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120 28 4.1 Cách đọc RSSI từ CC1120 28 4.2 Phương pháp khảo sát 28 4.3 Tính tốn khoảng cách từ giá trị RSSI 30 Trang 4.4 Giải thuật lọc cải thiện thông số RSSI 31 CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT TÍNH TỐN ĐỊNH VỊ BẰNG KỸ THUẬT DRSSI 38 5.1 Mơ hình xác định vị trí nguồn phát vô tuyến 39 5.2 Giải thuật xác định nguồn phát vô tuyến kỹ thuật DRSSI 39 5.3 Giải thuật cải thiện độ xác kỹ thuật định vị DRSSI 50 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 59 6.1 Kết khảo sát giá trị RSSI, hệ số suy hao môi trường 59 6.2 Kết khảo sát giải thuật định vị 63 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74 7.1 KẾT LUẬN 74 7.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 106 Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mơ hình truyền sóng không gian 14 Hình 2.2: Phương pháp định vị Trilateration 17 Hình 2.3: Phương pháp định vị Minmax 18 Hình 2.4: Phương pháp định vị ROCRSSI 18 Hình 3.1: Sơ đồ chân chip CC1120 19 Hình 3.2: Kit CC1120 Evaluation Module 169MHz 20 Hình 3.3: Giao diện phần mềm SmartRF Studio 22 Hình 3.4: MSP430G2553 22 Hình 3.5: Sơ đồ khối chức vi xử lý MSP430G2553 24 Hình 3.6 Sơ đồ chân MSP430G2553 24 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý phần cứng 25 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 26 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 26 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nạp liệu 27 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối với kit CC1120 27 Hình 3.12: Hình ảnh thực tế phần cứng 28 Hình 4.1: Khảo sát giá trị RSSI giá trị n 30 Hình 4.2: Biểu đồ thể mối quan hệ khoảng cách RSSI 32 Hình 4.3: Sơ đồ mơ tả hoạt động lọc Kalman 32 Hình 5.1: Mơ hình xác định vị trí nguồn phát vơ tuyến 38 Hình 5.2: Tọa độ mục tiêu tính tốn MATLAB 48 Hình 5.3: Các khu vực định vị 50 Hình 5.4: Mơ hình tởng quát hệ thống với mục tiêu 51 Hình 5.5: Sơ đồ phân chia theo khu vực định vị 52 Hình 6.1: Khoảng cách thực tế khoảng cách ước lượng môi trường 60 Hình 6.2: Khoảng cách thực tế khoảng cách ước lượng (khảo sát 2) 61 Hình 6.3: Mơ hình định vị nguồn phát sóng RF 63 Hình 6.4: Minh họa kết định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh) 64 Hình 6.5: Minh họa kết định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh) 65 Hình 6.6: Minh họa kết định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh) 66 Trang Hình 6.7: Minh họa kết định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh) 67 Hình 6.8: Minh họa kết định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh) 68 Hình 6.9: Minh họa kết định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh) 69 Hình 6.10: Minh họa kết định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh) 70 Hình 6.11: Minh họa kết định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) 71 Hình 6.12: Minh họa kết định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh) 72 Hình 6.13: Minh họa kết định vị mục tiêu X6 (đã hiệu chỉnh) 73 DANH MỤC BIỂU BẢNG Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật module CC1120 21 Bảng 4.1 Các giá trị đo đạc RSSI tính tốn giá trị n 30 Bảng 4.2 Kết khảo sát thay đổi giá trị RSSI theo khoảng cách (1) 31 Bảng 4.3: Kết khảo sát thay đổi giá trị RSSI theo khoảng cách (2) 38 Bảng 5.1: Kết ước lượng tọa độ mục tiêu với giá trị RSSI ước lượng 49 Bảng 5.2: Kết ước lượng tọa độ mục tiêu sau hiệu chỉnh 58 Bảng 6.1: Khảo sát giá trị RSSI môi trường 59 Bảng 6.2: Khảo sát giá trị RSSI môi trường (cải thiện lọc) 61 Bảng 6.3: Bảng so sánh sai số trước sau áp dụng lọc 62 Bảng 6.4: Kết định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh) 64 Bảng 6.5: Kết định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh) 65 Bảng 6.6: Kết định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh) 66 Bảng 6.7: Kết định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh) 67 Bảng 6.8: Kết định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh) 68 Bảng 6.9: Kết định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh) 69 Bảng 6.10: Kết định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh) 70 Bảng 6.11: Kết định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) 71 Bảng 6.12: Kết định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh) 72 Bảng 6.13: Kết định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) 73 Trang 92 rssibu22, rssibu12, rssibinary2, hangtram2, hangchuc2, donvi2, bitdau3 = 0, rssibu23, rssibu13, rssibinary3, hangtram3, hangchuc3, donvi3, bitdau4 = 0, rssibu24, rssibu14, rssibinary4, hangtram4, hangchuc4, donvi4, R_XA, R_XB, R_XC, R_XD, R_BD, R_AC,R_CD, n_AC, n_BD, n_XA, n_XB, n_XD, n_XC, n_CD, LQIX, LQIA, LQIB, LQIC, LQID; unsigned char mode=0,txok,i; uint8 rxBytes, marcStatus,lqi; uint8 writeByte; uint8 txBuffer[PKTLEN+1] = {0}; uint8 rxBuffer[128] = {0}; // -static void xanhon () { P2OUT |= BIT0; } static void xanhoff () { P2OUT &=~ BIT0;} static void trangon () { P2OUT |= BIT1; } static void trangoff () { P2OUT &=~ BIT1;} // void ledxanh (unsigned char lan) { for ( unsigned char i=0;i