(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐĂNG THUẤN KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG CƯỜNG ĐỘ SĨNG VƠ TUYẾN RSSI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN ĐĂNG THUẤN KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG CƢỜNG ĐỘ SĨNG VƠ TUYẾN RSSI KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: Nguyễn Đăng Thuấn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1970 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 38/11/4 đƣờng Mậu Thân,P.An Hòa, Q Ninh kiều, TP.Cần Thơ Điện thoại quan: 07103821327 Di động: 0918573802 Fax: Email: nguyenthuan359@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Mở rộng Thời gian đào tạo từ: 9/1988 đến 3/1993 Nơi học: Trƣờng ĐH SPKT III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 6/1996 đến 9/2007 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trung tâm dạy nghề TP Cần Thơ Giáo viên dạy nghề điện-điện tử Trƣờng cao đẳng Nghề Cần Thơ Giảng viên dạy nghề điện tử Từ 10/2007 đến HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang i LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Lƣơng Vinh Quốc Danh giảng viên Khoa Cơng Nghệ trƣờng ĐHCT tận tình hƣớng dẫn tơi thực luận văn Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy Khoa Cơng Nghệ trƣờng Đại Học Cẩn Thơ , Q Thầy, Cơ trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hƣớng dẫn tạo điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho Cảm ơn anh chị, vợ bạn bè đồng nghiệp động viên giúp đỡ tơi suốt thời gian học Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Nguyễn Đăng Thuấn HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang iii LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH MỤC LỤC Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 1.4.2 Giới hạn đề tài 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng CƠ SỞ L THUYẾT 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NÚT MẠNG 2.1.1 Phƣơng pháp AOA 2.1.2 Phƣơng pháp thời gian tới (TOA) khác thời gian tới (TDOA) 2.1.3 Phƣơng pháp nhận cƣờng độ tín hiệu RSSI 2.1.4 Mối quan hệ cƣờng độ tín hiệu khoảng cách 2.1.5 Thuật tốn xác định vị trí dựa vào khoảng cách 2.2 ĐỊNH HƢỚNG THỰC HIỆN 11 Chƣơng XÂY DỰNG PHẦN CỨNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG SĨNG VÔ TUYẾN 13 3.1 MƠ HÌNH NÚT MẠNG KHÔNG DÂY 13 3.2 MODULE THU PHÁT RF CC1120 14 3.2.1 Giới thiệu chip CC1120 14 3.2.2 Kit phát triển CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz 17 3.3 THIẾT KẾ BOARD GIAO TIẾP 19 3.3.1 Giới thiệu MCU MSP430G2553 19 3.3.2 Giới thiệu chuẩn giao tiếp MSP430G2553 22 3.3.2.1 UART 22 3.3.2.2 SPI 23 3.3.3 Board giao tiếp sử dụng MSP430G2553 ……………………………………….25 3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 25 3.3.3.2 Hình ảnh thiết kế board giao tiếp sử dụng MSP430G2553 29 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang v LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH Chƣơng THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỬ DỤNG RSSI 31 4.1 KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120 31 4.1.1 Cách đọc giá trị RSSI từ module CC1120 31 4.1.2 Phƣơng pháp khảo sát giá trị RSSI 31 4.1.3 Kết khảo sát 32 4.1.4 Giới thiệu lọc Kalman 35 4.2 TÍNH TỐN KHOẢNG CÁCH DỰA VÀO THAM SỐ RSSI 37 4.2.1 Biểu thức quan hệ khoảng cách RSSI 37 4.2.2 Xác định tham số đặc trƣng 38 4.3 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI 40 4.4 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI+ 43 4.5 CHƢƠNG TRÌNH HIỂN THỊ VỊ TRÍ TRÊN MÁY TÍNH 44 4.6 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT PHẦN MỀM HỆ THỐNG …………………………….46 Chƣơng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 50 5.1 TRƢỜNG HỢP I- KHU VỰC TRỐNG TRẢI CĨ ÍT VẬT CẢN 50 5.1.1 Điều kiện khảo sát 50 5.1.2 Phƣơng pháp khảo sát 50 5.1.3 Kết khảo sát 51 5.1.4 Kết tính tốn khoảng cách dựa tham số RSSI 52 5.1.5 Kết xác định tọa độ điểm mục tiêu 54 5.2 TRƢỜNG HỢP II- KHU VỰC HÀNH LANG TỒ NHÀ, CĨ NHIỀU VẬT CẢN 58 5.2.1 Điều kiện khảo sát 58 5.2.2 Phƣơng pháp khảo sát………………………………………………………… 59 5.2.3 Kết khảo sát……………………………………………………………… 60 5.2.4 Kết tính tốn khoảng cách dựa tham số RSSI 61 5.2.5 Kết xác định tọa độ điểm mục tiêu 62 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67 6.1 KẾT LUẬN 67 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 71 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang vi LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH MỘT SỐ K TỰ VIẾT TẮT - 2D Two Dimensional space - 3D Three Dimensional space - AOA Angle of arrival - GPS Global positioning system - ISM The Industrial Scientific Medical band - LOS Line-of-Sight - MCU Microcontroller Unit - NLOS Non Line-of-Sight - RF Radio frequency - RN Referencss Node - ROCRSSI Ring-Overlapping based on Comparison of Received Signal Strength Indicator - RSS Received signal strength - RSSI Received Signal Strength Indicator - RX Reciever - TDOA Time difference of arrival - TI Texas Instruments - TOA Time of arrival - TX Transmitter HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang vii Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, hệ thống định vị đƣợc phát triển ngày mạnh mẽ ngày đạt đến độ xác cao Phạm vi xác định vị trí thiết bị di động đạt đƣợc mức độ phát triển đáng kể, từ cấp độ toàn cầu cấp độ địa phƣơng, chí tòa nhà Hệ thống định vị đƣợc phân chia thành mức độ: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống định vị phạm vi rộng tảng hệ thống điện thoại di động, hệ thống định vị nhà ( môi trƣờng Indoor ) Hệ thống định vị giúp ích việc xác định vị trí, tính tốn khoảng cách, tìm đƣờng phạm vi khác Một ví dụ tác dụng hệ thống định vị hệ thống tìm đƣờng máy GPS đặt tơ Chúng giúp ngƣời lái xe có khả tìm kiếm đƣờng ngắn tới địa điểm định trƣớc, giúp ngƣời rút ngắn thời gian tìm kiếm nhƣ giảm bớt hao phí tài Trong phạm vi hẹp, hệ thống định vị giúp robot có khả tìm đƣờng mơ hình bóng đá robot Lợi ích đem lại từ hệ thống định vị lớn ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi đời sống sinh hoạt, sản xuất ngƣời Hệ thống định vị có nhiều thuật ngữ khác Trong số tài liệu, chúng đƣợc gọi hệ thống xác định vị trí hay hệ thống xác định không gian Trong đề tài này, thuật ngữ đƣợc dùng đến chủ yếu hệ thống định vị vị trí 1.2 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Khi đề cập đến hệ thống định vị, có hệ thống từ lâu có nhiều ngƣời biết đến hệ thống định vị GPS hay cịn gọi hệ thống định vị tồn cầu Hệ thống định vị GPS hệ thống định vị dựa vệ tinh đƣợc phát triển Bộ Quốc phòng Mỹ vào đầu năm 1970 Năm 1978, vệ tinh GPS đƣợc đƣa Năm 1994, hệ thống đƣợc hồn thành với 24 vệ tinh hệ HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH thứ vệ tinh GPS đƣợc đƣa vào cuối năm 2005 GPS cung cấp vị trí liên tục thơng tin thời gian, nơi giới theo điều kiện thời tiết GPS cách định vị hệ thống định vị Ngƣời sử dụng thiết bị hệ thống đo vị trí họ cách sử dụng tín hiệu vệ tinh Định vị GPS có độ xác cao, nhiên hoạt động xác mơi trƣờng xung quanh khơng có nhiều vật cản tín hiệu nhƣ biển, sa mạc đồng trống nhƣng mơi trƣờng có nhiều vật cản tín hiệu nhƣ thành phố có nhiều tịa nhà cao tầng đặc biệt môi trƣờng Indoor định vị GPS bị hạn chế nhiều Trong trƣờng hợp ngƣời dùng sử dụng kỹ thuật định vị khác có độ xác cao hơn, cụ thể nhƣ sau: - Hệ thống định vị sử dụng phƣơng pháp TOA - Hệ thống định vị sử dụng phƣơng pháp DOA - Hệ thống định vị sử dụng đo lƣờng RSSI mạng cảm biến không dây … Từ số hệ thống định vị nêu trên, tác giả chọn hệ thống định vị sử dụng đo lƣờng RSSI làm đề tài “ Kỹ thuật xác định vị trí cường độ sóng vơ tuyến RSSI ” để thực với mục đích xây dựng tảng phát triển phƣơng pháp xác định vị trí khơng phụ thuộc vào GPS, áp dụng hiệu sử dụng môi trƣờng indoor Với phƣơng pháp định vị sử dụng đo cƣờng độ sóng vơ tuyến RSSI giới nƣớc có nhiều cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố, có tác giả nhƣ [1]; [2]; [3]; [4]… báo tác giả đƣa cách cải tiến thuật tóan định vị, đề xuất sơ đồ định vị hay giải thuật định vị vị trí khơng gian 3D cho thẻ RFID dựa vào cƣờng độ tín hiệu (RSSI) 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích đề tài xây dựng mơ hình truyền/nhận sóng vơ tuyến thực nghiệm đo cƣờng độ cƣờng độ sóng vơ tuyến (RSSI) hai môi trƣờng Outdoor Indoor để làm tảng cho định vị xác định vị trí phục vụ cho cơng tác cứu hộ tịa nhà, bệnh viện…nói riêng mơi trƣờng Indoor nói chung HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH Để giảm độ suy hao sóng vơ tuyến lan truyền mơi trƣờng indoor có nhiều vật cản tín hiệu giảm thiểu tựơng fading, đồng thời tăng khoảng cách xác định vị trí tác giả sử dụng sóng vơ tuyến có tần số thuộc dải tần VHF (169MHZ) Đây điểm đề tài mà tác giả thực 1.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài Để đạt đƣợc mục đích nêu tác giả thực số công việc cụ thể sau: - Nghiên cứu phƣơng pháp định vị đƣợc công bố - Xây dựng hệ thống định vị dựa cƣờng độ sóng vơ tuyến sử dụng môi trƣờng Indoor - Thực nghiệm kiểm tra môi trƣờng thực tế 1.4.2 Giới hạn đề tài Đề tài đƣợc nghiên cứu thực xây dựng hệ thống xác định vị trí hồn chỉnh có khả xác định vị trí đối tƣợng đƣợc đặt cố định di chuyển môi trƣờng cụ thể phạm vi nhỏ ( 30m x 30m ) Các kết đƣợc thực nghiệm ghi nhận môi trừơng thực tế đƣợc xác định trƣớc: Sân khoa nông nghiệp trƣờng Đại Học Cần Thơ ( môi trƣờng Outdoor) tầng khoa công nghệ ( môi trƣờng Indoor ) 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tìm tổng hợp tài liệu tham khảo có liên quan đến kỹ thuật xác định vị trí mục tiêu mạng khơng dây - Ứng dụng kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến giải thuật xác định vị trí - Thực thí nghiệm môi trƣờng thực tế HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH // 5) Set VCO cap-array to (FS_VCO2 = 0x00) writeByte = 0x00; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_VCO2, &writeByte, 1); // 6) Continue with mid VCDAC (original VCDAC_START): writeByte = original_fs_cal2; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_CAL2, &writeByte, 1); // 7) Calibrate and wait for calibration to be done (radio back in IDLE state) trxSpiCmdStrobe(CC112X_SCAL); { cc112xSpiReadReg(CC112X_MARCSTATE, &marcstate, 1); } while (marcstate != 0x41); // 8) Read FS_VCO2, FS_VCO4 and FS_CHP register obtained with mid VCDAC_START value cc112xSpiReadReg(CC112X_FS_VCO2, &calResults_for_vcdac_start_mid[FS_VCO2_INDEX], 1); cc112xSpiReadReg(CC112X_FS_VCO4, &calResults_for_vcdac_start_mid[FS_VCO4_INDEX], 1); cc112xSpiReadReg(CC112X_FS_CHP, &calResults_for_vcdac_start_mid[FS_CHP_INDEX], 1); // 9) Write back highest FS_VCO2 and corresponding FS_VCO and FS_CHP result if (calResults_for_vcdac_start_high[FS_VCO2_INDEX] > calResults_for_vcdac_start_mid[FS_VCO2_INDEX]) { writeByte = calResults_for_vcdac_start_high[FS_VCO2_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_VCO2, &writeByte, 1); writeByte = calResults_for_vcdac_start_high[FS_VCO4_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_VCO4, &writeByte, 1); writeByte = calResults_for_vcdac_start_high[FS_CHP_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_CHP, &writeByte, 1); } HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 75 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH else { writeByte = calResults_for_vcdac_start_mid[FS_VCO2_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_VCO2, &writeByte, 1); writeByte = calResults_for_vcdac_start_mid[FS_VCO4_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_VCO4, &writeByte, 1); writeByte = calResults_for_vcdac_start_mid[FS_CHP_INDEX]; cc112xSpiWriteReg(CC112X_FS_CHP, &writeByte, 1); } } // -static int8 getRSSI(void) { cc112xSpiReadReg(CC112X_RSSI0, &rssiValid, 1); if(rssiValid & 0x01) { cc112xSpiReadReg(CC112X_RSSI1, &rssi2compl, 1); rssiConverted = ((int8)rssi2compl - rssiOffset); } return rssiConverted; } // -static void runRX () { if(packetSemaphore == ISR_ACTION_REQUIRED) // Wait for packet received interrupt { cc112xSpiReadReg(CC112X_NUM_RXBYTES, &rxBytes, 1); // Read number of bytes in rx fifo if(rxBytes != 0) // Check that we have bytes in fifo are there any bytes ? { cc112xSpiReadReg(CC112X_MARCSTATE, &marcStatus, 1); // Read marcstate to check for RX FIFO error if((marcStatus & 0x1F) == RX_FIFO_ERROR) { HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 76 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH trxSpiCmdStrobe(CC112X_SFRX); // Flush RX Fifo, Mask out marcstate bits and check if we have a RX FIFO error } else { cc112xSpiReadRxFifo(rxBuffer, rxBytes); if(rxBuffer[rxBytes-1] & 0x80) // Read out data Read n bytes from rx fifo // if CRC OK, If CRC is disabled the CRC_OK field will read { // -Do something here - // -} } } packetSemaphore = ISR_IDLE; // Reset packet semaphore trxSpiCmdStrobe(CC112X_SRX); // set radio in RX } } // static void runTX ( uint8 data0) { // Creat packet -txBuffer[0] = PKTLEN; txBuffer[1] = 1; // Length byte 30 // Address txBuffer[2] = data0; for(uint8 i =3; i< (PKTLEN+1); i++) { txBuffer[i] = data0; // data } // -cc112xSpiWriteTxFifo(txBuffer,sizeof(txBuffer)); // write packet to tx fifo trxSpiCmdStrobe(CC112X_STX); // strobe TX to send packet while(!(P2IN & BIT6)); // packet has been sent HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 77 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH delay_cycles(50000); // packet has been sent txok=1; packetSemaphore = ISR_IDLE; // clear semaphore flag // -trxSpiCmdStrobe(CC112X_SRES); registerConfig(); // write radio registers manualCalibration(); // Calibrate radio according to errata } // -MODULE XXXXX -// void main(void) { halInitMCU(); halLedInit(); //init LEDs halButtonInit(); //init button halButtonInterruptEnable(); // UART -// P1SEL = BIT1 + BIT2 ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD P1SEL2 = BIT1 + BIT2 ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK UCA0BR0 = 104; // 1MHz 9600 UCA0BR1 = 0; // 1MHz 9600 UCA0MCTL = UCBRS0; // Modulation UCBRSx = UCA0CTL1 &= ~UCSWRST; IE2 &=~ UCA0TXIE; bis_SR_register(GIE); // **Initialize USCI state machine** // Enable USCI_A0 RX interrupt // Enter LPM0, interrupts enabled // -SPI Initialize -exp430RfSpiInit(); // init spi registerConfig(); // write radio registers // Interrupt Configuaration P2SEL &= ~0x40; // P2SEL bit (GDO0) set to one as default Set to zero (I/O) trxIsrConnect(GPIO_0, FALLING_EDGE, &radioRxTxISR); trxEnableInt(GPIO_0); // enable interrupt from GPIO_0 P2IE &=~ BIT6; HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 78 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH manualCalibration(); // Calibrate radio according to errata //trxSpiCmdStrobe(CC112X_SRX); // set radio in RX while (1) { // Do something here ledtrang(1); runTX(d0X); if(txok) { ledxanh(1); txok=0; delay_cycles(2000000); } } } // Interrupt - #pragma vector=PORT1_VECTOR interrupt void port1_ISR(void) { if (P1IFG&BUTTON) { for (i=0;i XD XX=XD; end % Loai bo toa am YY if YY < YC YY=YC; HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 86 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS LƢƠNG VINH QUỐC DANH elseif YY > YB YY=YB; end if(mod(((round(XX*10)/10)*10),10)