Luận văn thạc sĩ một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THỊ MAI DUYÊN MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60480101 Luận văn Thạc sỹ Khoa học máy tính Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan tất kết trình bày luận văn: “Một số kỹ thuật định vị vô tuyến ứng dụng dẫn đường theo ngữ cảnh” cơng trình nghiên cứu riêng em, không chép từ cơng trình khác Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn sử dụng trung thực, kiểm chứng chưa công bố cơng trình tác giả khác Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Duyên Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Việt Bình –Nguyên Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình hết lịng giúp đỡ em suốt thời gian làm luận văn Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên chia sẻ động viên giúp em vượt qua khó khăn để hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè người ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt chỗ dựa vững giúp em hồn thành luận văn Cuối em xin gửi lời chúc sức khỏe thành công tới tất q thầy gia đình toàn thể bạn Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Duyên Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các thành phần hệ thống GPS [1] 1.2.1 Trạm không gian 1.2.2 Trung tâm điều khiển 1.2.3 Máy thu GPS 1.2.4 Quỹ đạo vệ tinh GPS 1.3 Nguyên tắc hoạt động GPS 1.4 Độ xác hệ thống GPS 1.5 Đặc điểm tín hiệu GPS 1.6 Một số hệ thống định vị khác 1.6.1 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 1.6.2 Galileo Châu Âu 1.6.3 Hệ thống định vị Beidou 1.6.4 IRNSS 1.7 Định vị vô tuyến dựa vào cường độ tín hiệu 1.8 Một số phương pháp định vị vô tuyến 1.9 Ứng dụng hệ thống định vị 1.9.1 Ứng dụng định vị quản lý giao thông 1.9.2 Ứng dụng định vị trợ giúp người thân 1.9.3 Ứng dụng định vị quản lý kho hàng hỗ trợ mua sắm 1.9.4 Ứng dụng định vị quản lý động vật hoang dã CHƯƠNG 2:MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VƠ TUYẾN Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.1 Giới thiệu 2.2 Kỹ thuật định vị vô tuyến dựa vào tín hiệu G 2.2.1 Phân tích tin định vị NMEA 0183 2.2.2 Nguyên tắc định vị hệ thống định vị GPS 2.3 Kỹ thuật định vị vô tuyến sử dụng tín hiệu W 2.3.1 Một số khái niệm 2.3.2 Kỹ thuật định vị dựa vào khoảng cách 2.3.3 Kỹ thuật định vị K-Nearest Neighbor 2.3.4 Kỹ thuật định vị SVM (Support Vector Machine) [9] 2.3.5 Kỹ thuật định vị sử dụng mạng neural 2.3.6 Thách thức hệ thống định vị không dây 2.3.6.1 Thách thức kỹ thuật định vị GPS 2.3.6.2 Thách thức kỹ thuật định vị vô tuyến nhà CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ GPS XÂY DỰNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Cài đặt hệ thống 3.2.1 Mơ hình hệ thống Hình 3.1: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh 3.2.2 Lập đồ 2D trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông 3.2.3 Cài đặt thuật toán phần mềm smartphone 3.3 Kết cài đặt 3.4 Đánh giá kết cài đặt KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt GPS WAAS IRNSS RFID NMEA TOA TDOA RSS SVM SRM Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ hình quỹ đạo hệ thống định vị GPS[1] Hình 1.2: Phân bố trạm điều khiển mặt đất [1] Hình 1.3: Mơ hình hoạt động GPS [1] Hình 1.4: Phổ tín hiệu GPS [1] Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động hệ thống [1] Hình 1.6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu GPS [1] Hình 1.7: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu GPS.[1] Hình 1.8: Phương pháp tạo mã C/A Hình 1.9: Các nhóm phương pháp định vị vơ tuyến nhà[3] Hình 2.1 Cấu trúc liệu GPS [1] Hình 2.2: Vị trí vật thể xác định qua phép đo.[1] Hình 2.3: Định vị điểm vệ tinh [1] Hình 2.4: Kỹ thuật định vị TOA với thiết bị phát sóng [8] Hình 2.5: Kỹ thuật định vị TOA với thiết bị phát sóng [8] Hình 2.6: Minh họa định vị kỹ thuật TDOA[3] Hình 2.7: Phương pháp Neural Network với hàm xử lý phi tuyến tính.[9] 45 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh Hình 3.2: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh Hình 3.3: Bản đồ xác định điểm GPS Hình 3.4: Thuật tốn đọc vị trí thiết bị Hình 3.5: Thuật tốn đọc vị trí đối tượng tiếp cận Hình 3.6: Thuật tốn xác định thơng tin ngữ cảnh Hình 3.7: Thuật tốn dấn đường Hình 3.8: Kết định vị giảng đường C5 Hình 3.9: Kết định vị giảng đường C1 Hình 3.10: Kết định vị giảng đường C3 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, đặc biệt lĩnh vực công nghệ điện tử công nghệ thông tin tạo động lực thúc đẩy sản xuất, nghiên cứu ứng dụng thiết bị di động trở lên ngày phổ biến giới, Việt Nam Bởi vậy, hàng loạt hướng nghiên cứu thiết bị di động triển khai, có hướng nghiên cứu phát triển kỹ thuật định vị vô tuyến cho thiết bị động mơi trường khác (ngồi trời, nhà, hầm lị,…) Bài tốn định vị hay xác định vị trí thiết bị di động xem tốn quan trọng hệ thống truyền thơng di động Thông qua kết định vị cho phép xác định vị trí, tính khoảng cách để thực ứng dụng phát triển dịch vụ xác định vị trí sản phẩm kho hàng, phát vị trí nhân viên y tế, bệnh nhân bệnh viện, phát vị trí đối tượng thất lạc, hay dựa theo vị trí đáp ứng ngữ cảnh phù hợp, hay ứng dụng dò đường, cứu nạn, Nhờ đó, tiết kiệm thời gian chi phí sống đại mà nhu cầu định vị ngày gia tăng với phát triển giới Bởi thế, nhiều năm qua, hệ thống định vị phát triển độ xác ngày cao thơng qua việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning System) hay hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite System) Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị vô tuyến phát triển đa dạng việc nghiên cứu nâng cao độ xác kỹ thuật định vị ln nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, phạm vi nhỏ hay đối tượng cụ thể (tịa nhà, địa điểm lịch sử) độ xác vị trí thiết bị di động so với đối tượng nhỏ không xác định thiếu xác Đặc biệt mơi trường nhà tín hiệu hệ thống GPS gần bị che khuất Do đó, việc xác định vị trí Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn hay định vị thiết bị di động phạm vi hẹp hay môi trường nhà toán cần thiết nghiên cứu nhằm nâng cao độ xác cho việc định vị thiết bị di động nhà với môi trườngvô tuyến Chính vậy, việc nghiên cứu số kỹ thuật định vị vô tuyến định vị dựa hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning System), định vị dựa vào hệ thống wifi ứng dụng hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh vấn đề nghiên cứu có tính khoa học ý nghĩa thực tiễn Do đó, em lựa chọn đề tài luận văn “Một số kỹ thuật định vị vô tuyến ứng dụng dẫn đường theo ngữ cảnh” Đề tài tập trung nghiên cứu số kỹ thuật định tuyến vơ tuyến từ làm tảng sở cho việc cài đặt thử nghiệm hệ thống định vị ứng dụng cho dẫn đường theo ngữ cảnh Luận văn gồm có chương: Chương Tổng quan định vị vơ tuyến Chương tìm hiểu tổng quan khái niệm, kiến trúc, đặc điểm, vấn đề ứng dụng hệ thống định vị vô tuyến Chương Một số kỹ thuật định vị vô tuyến Chương trình bày số kỹ thuật định vị vơ tuyến, phân tích, đánh giá kỹ thuật Trên sở lựa chọn kỹ thuật để cài đặt chương Chương Ứng dụng kỹ thuật định vị xây dựng hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh Chương trình bày trình cài đặt thuật toán định vị GPS, kết thử nghiệm đánh giá Cuối phần kết luận kết thực hướng phát triển luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 51 Bước 2: Số hóa đồ quy hoạch Bước 3: Cập nhật ảnh đồ quy hoạch so với thực tế Bước 4: Tải đồ số vào máy điện thoại Bước 5: Đo đạc vị trí GPS Bước 6: Kiểm tra giá trị định vị so với thực tế Bước 7: Chỉnh sửa vị trí GPS lưu vào đồ Bước 8: Cố định điểm GPS điểm thơng tin Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 52 Hình 3.3: Bản đồ xác định điểm GPS 3.2.3 Cài đặt thuật toán phần mềm smartphone a) Thuật toán định vị vị trí Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn True True False Hình 3.4: Thuật tốn đọc vị trí thiết bị Thuật toán thực tự động việc đọc vị trí GPS thiết bị Thơng tin cập nhật hiển thị lên đồ hình Thuật tốn chạy liên tục smartphone ứng dụng dẫn đường bật Thông tin đầu vào đầu thuật tốn sau: Đầu vào: - Gói tin GPS máy điện thoại từ vệ tinh - Bản đồ số Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 54 Đầu ra: - Giá trị kinh độ, vĩ độ máy điện thoại - Hiển thị lên đồ số Ban đầu, thuật toán kiểm tra việc kết nối định vị với vệ tinh hay không Nếu chưa kết nối cài đặt phần cứng cho định vị điện thoại Ngược lại, gói tin GPS thu thu phân tích thuật tốn để lấy vị trí kinh độ vĩ độ thiết bị Tiếp theo, thông tin vị trí thị lên đồ theo vị trí kinh độ, vĩ độ xác định đồ số Quá trình liên tục cập nhật để xác định thay đổi vị trí thiết bị di động, di chuyển thiết bị Nếu người dùng không muốn tiếp tục cập nhật vị trí thuật tốn Tuy nhiên, thực tế, thuật toán tự động chạy liên tục để cập nhật trừ người dùng khỏi chương trình b) Thuật tốn định vị đối tượng tiếp cận Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 55 Hình 3.5: Thuật tốn đọc vị trí đối tượng tiếp cận Dựa thơng tin chứa sở liệu tất địa điểm tham quan số hóa.Và dựa vào vị trí người dùng, kết hợp với ngưỡng cự ly thiết đặt trước, hệ thống tự động nhận diện địa điểm xung quanh người sử dụng để đưa gợi ý hữu ích Thơng tin địa điểm xung quanh Server truyền đến client thơng qua Web service để từ cung cấp thơng tin bổ sung vị trí mà người dùng đứng.Thông tin đầu vào đầu thuật toán sau: Đầu vào: - Đọc vị trí kinh độ, vĩ độ điện thoại Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 56 - Kinh độ, vĩ độ miền đối tượng Đầu ra: - Giá trị khoảng cách điện thoại với miền đối tượng - Chỉ số đối tượng Khi điện thoại dịch di chuyển, thông tin cập nhật liên tục tự động so sánh với đối tượng thơng tin Q trình di chuyển cập nhật tính gia tốc để đưa dự đốn khoảng cách cịn lại so với điểm thơng tin Q trình xác định khoảng cách với đối tượng tính dựa vào tập hay miền kinh độ, vĩ độ đối tượng nhằm xác định bốn hướng cho đối tượng, trình vùng đối tượng Điều giúp nâng cao độ xác q trình định vị Thơng tin số đối tượng gửi tới thuật tốn xác định thơng tin ngữ cảnh phía c) Thuật tốn xác định thơng tin ngữ cảnh Trong tốn ngữ cảnh này, thơng tin ngữ cảnh vị trí thiết bị di động điều kiện xung quanh Tức là, dựa vào thông tin vị trí mà hệ thống đưa liệu liên quan phù hợp với vị trí Thơng tin đầu vào đầu thuật tốn sau: Đầu vào: - Chỉ số ID đối tượng thông tin - Bản đồ số đối tượng thông tin Đầu ra: - Dữ liệu đối tượng - Hiển thị thông tin Khi thiết bị di động tới điểm thơng tin xác định trước thuật toán lấy số thu từ thuật toán định định vị đối tượng tiếp cận Dựa vào số ID thu được, thuật toán thực việc truy vấn thông tin đối tượng có ID để hiển thị thơng tin Điều giúp cho người dùng có thơng tin ngữ cảnh phù hợp Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 57 Bắt đầu Thiết lập sở liệu Xác định ID đối tượng định vị ID=X? True False Hiển thị thông tin đối tượng X Thốt Hình 3.6: Thuật tốn xác định thơng tin ngữ cảnh d) Thuật tốn dẫn đường Trong q trình lập đồ số, thông tin khoảng cách vị trí dựa vào tuyến đường điểm thông tin hay địa danh xác định lưu trữ lại sở liệu Do đó, người dùng sử dụng chức dẫn đường trình thực thuật tốn dẫn đường, cụ thể sau: Đầu vào: - Điểm đi, điểm - Điểm đến Đầu ra: - Lộ trình dẫn đường Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 58 Bắt đầu Toạ độ điểm tại, điểm đến Truy vấn sở liệu Tính tốn lộ trình dẫn đường DD=1? False True Hiển thị lộ trình Kết thúc Thơng báo khơng có lộ trình Hình 3.7: Thuật tốn dẫn đường 3.3 Kết cài đặt Dưới số hình ảnh kết chương trình dẫn đường dựa theo ngữ cảnh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 59 Hình 3.8: Kết định vị giảng đường C5 Như hình ta thấy, vị trí ta đứng giảng đường C5, hệ thống thông báo ta nhà C5, đồng thời có dẫn cho ta đến địa điểm xung quanh khuân viên nhà trường Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 60 Hình 3.9: Kết định vị giảng đường C1 Như hình ta thấy, vị trí ta đứng giảng đường C1, hệ thống thông báo ta nhà C1, đồng thời có dẫn cho ta đến địa điểm xung quanh khuân viên nhà trường Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 61 Hình 3.10: Kết định vị giảng đường C3 Như hình ta thấy, vị trí ta đứng giảng đường C3, hệ thống thông báo ta nhà C3, đồng thời có dẫn cho ta đến địa điểm xung quanh khuân viên nhà trường 3.4 Đánh giá kết cài đặt Hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh cài đặt tảng Android Bản đồ kế thừa từ đồ quy hoạch trường Đại học CNTT&TT Tuy nhiên, Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 62 đồ quy hoạch, nên các yêu cầu độ xác đồ chưa đạt chuẩn Đồng thời, việc lấy liệu GPS dựa vào việc sử dụng máy điện thoại phần mềm nên kết GPS chưa đạt độ xác cao Điều dẫn đến sai số trình lập đồ số, tạo lưới định vị sau Do đó, q trình thử nghiệm hệ thống sử dụng kỹ thuật định vị dựa vào tín hiệu GPS đạt kết ban đầu việc triển khai thử nghiệm, độ xác chưa cao Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 63 KẾT LUẬN Công nghệ định vị ứng dụng ngày phổ biến đa dạng nhiều lĩnh vực giao thơng, an ninh quốc phịng Bởi vậy, việc nghiên cứu phương pháp định vị nhiều người quan tâm nhằm phát triển ứng dụng phục vụ cộng đồng Trong luận văn này, em nghiên cứu nội dung sau: - Nghiên cứu tổng quan hệ thống định vị, phân tích gói tin định vị, ngun tắc hoạt động chung hệ thống định vị Đồng thời, trình bày đặc điểm, kiến trúc hệ thống định vị nay, khả ứng dụng kỹ thuật định vị xã hội đại - Nghiên cứu số kỹ thuật định vị vô tuyến định vị GPS, định vị TOA, TDOA,… Với nghiên cứu này, luận văn tóm lược nguyên lý thuật toán, nhược điểm kỹ thuật liên quan Từ phân tích nghiên cứu này, vào thực tế em triển khai cài đặt hệ thống định vị dựa vào GPS thử nghiệm cho hệ thống dẫn theo ngữ cảnh trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Trong thời gian tới, có điều kiện thiết bị, luận văn tiếp tục nâng cấp cập nhật vị trí GPS để đồng với đồ số nhằm nâng cao chất lượng định vị, độ xác cho cho trình định vị smartphone Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Bạch Giang, Phan Ngọc Minh “Ứng dụng công nghệ định vị đo đạc đồ” [2] Vũ Đức Lung, Phan Đình Huy, Phạm Quốc Cường, “Giải thuật định vị vị trí khơng gian 3D cho trẻ em RFID dựa vào cường độ tín hiệu”, Tạp chí khoa học trường Đại học Cần Thơ, 2014 [3] K Kaemarungsi,“Efficient design of indoor positioning systems based on location fingerprinting,”In Proceedings of the International Conference on Wireless Networks, Communications and Mobile Computing, pages 181-186,2005 [4] Robin Henniges, “Current approaches of WiFi Positioning,” SERVICE-CENTRIC NETWORKING - SEMINAR WS1011/1011, TU-Berlin, 2011 [5] Seco, F.; Jimenez, A.R.; Prieto, C.; Roa, J.; Koutsou, K., "A survey of mathematical methods for indoor localization," Intelligent Signal Processing, 2009 WISP 1009 IEEE International Symposium on, vol., no., pp.9,14, 16-18 Aug 2009 [6] Binghao Li, James Salter, Andrew G Dempster and Chris Rizos, “Indoor Positioning Techniques Based on Wireless LAN,” 1st IEEE Int Conf on Wireless Broadband &Ultra Wideband Communications, 2006 [7] “An K Curran, E Furey, T Lunney, J Santos, D Woods, and A McCaughey, evalua-tion of indoor location determination technologies,” J Location Based Services, vol 5,no 1, pp 61–78, 2011 [8].Ravindra and Jagadessha, “Time of arrival based localization on wireless sensor networks: Alinear approach”, Signal & Image Processing: An Internation Journal (JIPIJ) Vol.4, No.4, August 2013 [9] S.-H Fang and T.-N Lin, “Indoor location system based on discriminantadaptiveneural network in IEEE 801.11 environments,” IEEE Transactions on Neural Networks,vol 19, pp 1973–1978, November 2008 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... tài luận văn ? ?Một số kỹ thuật định vị vô tuyến ứng dụng dẫn đường theo ngữ cảnh? ?? Đề tài tập trung nghiên cứu số kỹ thuật định tuyến vơ tuyến từ làm tảng sở cho việc cài đặt thử nghiệm hệ thống định. .. nay, kỹ thuật định vị vơ tuyến chia thành hai nhóm kỹ thuật định vị vơ tuyến ngồi trời (outdoor) kỹ thuật định vị vô tuyến nhà (indoor) Kỹ thuật định vị vơ tuyến ngồi trời thường sử dụng kỹ thuật. .. vô tuyến Chương Một số kỹ thuật định vị vô tuyến Chương trình bày số kỹ thuật định vị vơ tuyến, phân tích, đánh giá kỹ thuật Trên sở lựa chọn kỹ thuật để cài đặt chương Chương Ứng dụng kỹ thuật