Hệ thống định vị trong nhà sử dụng bluetooth thế hệ mới

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN XUÂN BÁCH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã chuyên ngành: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Sơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Tấn Lũy - Chủ tịch Hội đồng TS Trần Hữu Toàn - Phản biện PGS.TS Lê Mỹ Hà - Phản biện TS Nguyễn Trọng Tài - Ủy viên TS Nguyễn Thế Kỳ Sương - Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN XUÂN BÁCH MSHV: 18104891 Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1992 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã chuyên ngành: 8520203 I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu xây dựng thực nghiệm một hệ thống định vị sử dụng raspberry pi beacon C2640 dựa thuật toán trilateration II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo định số 841/QĐ-ĐHCN ngày 10 tháng năm 2020 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 10 tháng 01 năm 2021 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Ngọc Sơn Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân mình, tơi nhận rất nhiều quan tâm giúp đỡ q Thầy cơ, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, tơi xin chân thành gửi đến quý Thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, quý Thầy cô Khoa Công nghệ Điện Tử - người với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tơi suốt thời gian học tập trường Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Sơn, người định hướng, tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Qua xin gửi đến gia đình bạn bè lời cảm ơn chân thành hỗ trợ để tơi hồn thành tốt luận văn Trong q trình thực luận án chắn khơng thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cô để học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm hồn thiện luận văn Sau cùng, xin kính chúc q Thầy Cơ Trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM, TS Nguyễn Ngọc Sơn dồi sức khỏe, đạt nhiều thành công cuộc sống giữ vững lửa đam mê việc truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Xin chân thành cảm ơn! i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị phát triển ngày đạt đến đợ xác cao dựa vào phát triển đa dạng công nghệ truyền thông không dây (GPS, Wi-Fi, Bluetooth…) dùng để định vị vị trí rất tốt mơi trường ngồi trời Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất hệ thống định vị GPS khó truyền qua tường, cửa kính, nên khơng hoạt đợng tốt tịa nhà Nhiều nghiên cứu thực khám phá cách tiếp cận để xác định vị trí nhà Mợt kỹ thuật phổ biến liên quan đến việc sử dụng giá trị báo cường đợ tín hiệu (RSSI) nhận từ Bluetooth Low Energy (BLE) để đo khoảng cách thiết bị thu (raspberry pi) phát (beacon) sau xác định vị trí người dùng không gian nhà cách áp dụng định vị thuật toán chẳng hạn phương pháp trilateration Mục tiêu thiết kế hệ thống hoạt động ổn định, đợ xác cao siêu tiết kiệm lượng Tuy nhiên, khó có liệu xác giá trị RSSI khơng ổn định ảnh hưởng yếu tố môi trường xung quanh thời tiết, độ ẩm, rào cản vật lý nhiễu từ tín hiệu khác Trong luận văn này, đề xuất một hệ thống theo dõi vị trí nhà giúp cải thiện hiệu suất cách tối ưu hóa tín hiệu RSSI khơng ổn định nhận từ BLE Tơi áp dụng thuật tốn lọc dựa Kalman để giảm nhiễu giá trị RSSI nhận ii ABSTRACT Over the years, navigation systems have been developed and increasingly reached high accuracy based on the diverse development of wireless communication technologies (GPS, Wi-Fi, Bluetooth ) for positioning Excellent location in the outdoor environment However, the biggest disadvantage of GPS navigation system is that it is difficult to pass through walls, glass doors, so it does not work well in the building Many studies are exploring new approaches for indoor location measurement One popular technique involves using the received signal strength indicator (RSSI) values from the Bluetooth Low Energy (BLE) beacons to measure the distance between the receiver (raspberry pi) and the transmitter (beacon) then determining the position of the user in an indoor space by applying a positioning algorithm such as the trilateration method The target of this design is the system stable operation, high accuracy and ultra energy efficient However, it remains difficult to obtain accurate data because RSSI values are unstable owing to the influence of elements in the surrounding environment such as weather, humidity, physical barriers, and interference from other signals In this paper, i propose an indoor location tracking system that improves performance by optimization unstable RSSI signals received from BLE beacons I apply a filter algorithm based on the average filter and the Kalman filter to reduce the noise of the received RSSI value iii LỜI CAM ĐOAN Luận văn cơng trình nghiên cứu tơi, thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Ngọc Sơn Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, không chép từ bất kỳ một nguồn bất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tơi xin hồn tồn chịu trách nhá nhiều, vị trí màu đỏ chưa bám quỹ đạo Từ hình 4.14 phân bố giá trị sai số, thấy sai số đầu hệ thống nằm khoảng từ 0.5m đến 1.5m Để cải thiện định vị vị trí phương án đưa thêm bợ lọc trung bình vị trí (x,y) beacon sau định vị Tiến hành lấy kết thử nghiệm trước hình 4.13, tiếp tục lấy trung bình kết Mỗi vị trí khảo sát lần 58 Hình 4.15 Kết định vị sau thêm bợ lọc trung bình Với đường màu đen vị trí thực tế người thực khu vực điểm màu đỏ kết định vị ứng dụng 50% Sai số kết sau thêm 48% lọc trung bình 40% TẦN SUẤT 40% 30% 20% 10% 7% 5% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% KHOẢNG SAI SỐ (M) Hình 4.16 Sai số thực nghiệm sau thêm bợ lọc trung bình 59 Từ thống kê sai số thực nghiệm trên, ta nhận thấy phần lớn thử nghiệm có sai số nhỏ 0,5m chiếm tới 88% Khoảng cách sai số thu hẹp một cách đáng kể, vị trí định vị tốt so với qua bợ lọc kalman Hình 4.15 cho thấy vị trí khảo sát xa raspbery pi đợ lệch vị trí lớn, mợt phần suy hao đường truyền Tuy nhiên với thời gian setup 1s/1Rssi Thời gian để đưa một kết định vị rất lâu Trường hợp beacon di chuyển, phương án dường không khả quan Với trường hợp sử dụng cho tìm kiếm, định vị vị trí cố định, khơng di chuyển nhiều 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong luận văn này, ý tưởng bắt đầu với công nghệ Beacon (Bluetooth lượng thấp), cách nhận liệu RSSI từ đèn hiệu, để áp dụng một bộ lọc cho liệu RSSI cuối sử dụng phương pháp trilateration để tìm vị trí mợt đối tượng (beacon) Bộ lọc thực bộ lọc Kalman Mục đích thử nghiệm thử nghiệm để kiểm tra đợ xác q trình trilateration một môi trường khả xác định vị trí thiết bị Bluetooth Người ta quan sát thấy mức đợ nhiễu tín hiệu RSSI thu từ beacon cao, với bộ lọc Kalman, quan sát thấy sai số khoảng 1m Do đó, kết thu với hệ thống đề xuất, sử dụng đèn hiệu chưa đáp ứng yêu cầu đề ban đầu luận văn Đối với nghiên cứu tương lai, để cải thiện định vị xác Chúng tơi sử dụng kết hợp nhiều bộ lọc, chọn phương pháp lọc bợ lọc tốt Chúng tơi kết hợp BLE với kỹ thuật khác Wifi, UWB, RFID … để cải thiện định vị 61 ... thuật định vị nhà sử dụng công nghệ Bluetooth cho hệ thống Iot,” Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, 2019 [12] Phạm Thành Nam “Nâng cao độ xác hệ thống định vị nhà sử dụng. .. Nghệ An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã chuyên ngành: 8520203 I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu xây dựng thực nghiệm một hệ. .. phát (beacon) sau xác định vị trí người dùng không gian nhà cách áp dụng định vị thuật toán chẳng hạn phương pháp trilateration Mục tiêu thiết kế hệ thống hoạt đợng ổn định, đợ xác cao siêu