ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG
BÁOTỐT
CÁO
LUẬN VĂN
NGHIỆP
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LAI TRÊN NỀN TẢNG WIFI &
BLUETOOTH
NĂNG LƯỢNG THẤP
GVHD: TS. TRỊNH XUÂN DŨNG
SVTH: HUỲNH THANH DƯ
41300697
NGUYỄN KHÁNH TƯỜNG
41304716
Ngày 11 tháng 01 năm 2018
1
NỘI DUNG CHÍNH
Giới thiệu và yêu cầu của luận văn
Công nghệ định vị và phương pháp định vị
trong nhà
Hệ thống thiết kế định vị trong nhà dùng WLAN
và BLE
Kết luận và hướng phát triển
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
2
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Vì sao phải định vị trong nhà?
Theo thống kê của US EPA năm 2016, trong
một ngày chúng ta sử dụng:
• 7% thời gian cho những việc ngoài trời.
• 93% thời gian còn lại cho các công việc
trong nhà.
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
3
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Wif Access
Point
HYBRID
(WIFI &
BLE)
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Bluetooth LE
Beacon
4
YÊU CẦU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Yêu cầu đề tài luận văn
1 - Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống, công nghệ định vị, ưu, nhược điểm
của từng công nghệ.
2 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Fingerprinting nền tảng
hệ thống WiFi.
3 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Trilateration trên nền
tảng Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energry - BLE).
4 - Đánh giá hiệu quả của hai hệ thống định vị dựa trên nền tảng WiFi và BLE.
5 - Xây dựng phần mềm định vị sử dụng phương pháp lai fngerprinting trên
nền tảng WLAN và trilateration trên nền tảng BLE.
6 - Đánh giá hiệu quả của hệ thống được xây dựng.
7 - Xây dựng hệ thống back-end thu thập vị trí người sử dụng và hệ thống
front-end hiện thị vị trí của các người dùng trong hệ thống.
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
5
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ định vị trong nhà
BLUETOO
TH
UWB
RFID
WLAN
Công nghệ định
vị trong nhà
Công nghệ
Hybrid
Tia hồng
ngoại
Chiếu
sáng LED
Bộ môn Viễn thông
Hệ thống thông tin di
động GSM
Từ trường
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
6
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ định vị trong nhà
Công nghệ định vị sử dụng
WLAN
Công nghệ WLAN: chuẩn giao tiếp IEEE
802.11, được sử dụng phổ biến nhất, bởi
các điểm phát sóng có mặt hầu hết mọi
nơi, nhất là trong các tòa nhà.
Định vị sử dụng WLAN dựa trên độ mạnh
tín hiệu song điện từ từ WAP, hay còn là
chỉ số cường độ sóng nhận được (RSSI).
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
7
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ định vị trong nhà
Công nghệ định vị sử dụng
Bluetooth
Công
nghệ Bluetooth: được tích hợp khá nhiều
trong các điện thoại di động, thường dùng trong
các khu vực nhỏ, cho kết quả định vị có sai số
thấp, chủ yếu trong môi trường trong nhà,
khoảng cách gần.
Bluetooth 4.0 xuất hiện, có tính năng vận hành
năng lượng thấp, tầm hoạt động được mở rộng
hơn, tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
8
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ
Nhược điểm
Tín hiệu GPS khá yếu trong môi
GPS
Có độ chính xác cao khi hoạt động ngoài trời
trường trong nhà
Tín hiệu thay đổi nhiều do môi trường
WLAN
Thiết bị với chi phí lắp đặt thấp, vùng phủ tầm trung
phức tạp
Tiết kiệm năng lượng, chi phí lắp đặt thấp, được xây
Tầm hoạt động thấp, cần nhiều thiết
Bluetooth
dựng ở hầu hết các điện thoại thông minh và thiết bị
bị phát
cá nhân.
Chi phí thực hiện lớn, không được sử
UWB
Độ chính xác cao, băng thông rộng
dụng thông dụng
Không yêu cầu LOS, có thể xuyên qua vật thể rắn, Antenna ảnh hưởng đến tín hiệu RF,
RFID
không kim loại
tiêu tốn nhiều năng lượng.
Không bị nhiễu vơi các thiết bị hoạt động cùng tần
GSM
Độ tin cậy thấp
số
Tầm hoạt động thấp, cần chi phí thực
Phù hợp với mô hình truyền sóng trong nhà, độ
Tia hồng ngoại
hiện, bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt
chính xác cao.
trời
Ánh sáng, từ Độ chính xác trung bình, được sử dụng trong các cửa Chưa phổ biến, thiết bị lắp đặt chi phí
trường
hàng
cao
Tăng độ chính xác, thực hiện nhiều môi trường trong
Hybrid
Cần nhiều thiết bị, chi phí lắp đặt
nhà
Bộ môn Viễn thông
Ưu điểm
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
9
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ định vị trong nhà
Kinh doanh
Công nghiệp
Dân sự
Ứng dụng
định vị trong
nhà
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Y tế
10
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Phương pháp Fingerprinting
Dùng cơ sở dữ liệu đã thu thập từ trước so
sánh với dữ liệu thu thập được dể xác định vị
trí. Thường được dùng với công nghệ WLAN
Có hai giai đoạn:
•Giai đoạn huấn luyện: Mô phỏng trên
matlab từ đó chọn vị trí đặt AP và thuật toán
tính toán.
•Giai đoạn định vị: Thu thập cường độ sóng
dùng cơ sở dữ liệu để đưa ra vị trí
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
11
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Phương pháp Trilateration
Dùng khoảng cách đo được dể xác định vị
trí. Thường được dùng với công nghệ
Bluetooth
Cần ít nhất 3 Beacons để xác định được
vị trí chính là giao điểm của 3 vòng tròn
tâm là các Beacon bán kính chính là
khoảng cách xác định được
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
12
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Ngoài ra, còn có các phương pháp định vị
khác:
Phương pháp ToA (Time of Arrival) và
TDoA (Time Diferent of Arrival)
Dùng thời gian truyền sóng từ trạm phát đến
thiết bị thu để tính khoảng cách. Công nghệ GPS
sử dụng ToA, công nghệ UWB sử dụng TDoA.
Phương pháp góc truyền sóng AoA (Angle
of Arrival)
Định vị vị trí nhờ góc tới của phương truyền sóng.
Cần hai trạm trở lên.
(Góc tới xác định bằng cách chuyển hướng
antenna cho tới khi đạt công suất lớn nhất ứng với
phương
truyền
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Bộ
môn Viễn
thông sóng đó)
13
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Phương pháp
Thời gian truyền
sóng ToA
Thời gian truyền
sóng sai khác
TDoA
Góc truyền sóng
AoA
Tam giác hóa
Trilateration
Dấu vân tay
Fingerprinting
Bộ môn Viễn thông
Ưu điểm
Phù hợp với môi
trường truyền sóng
trong nhà
Phù hợp với môi
trường truyền sóng
trong nhà
Chính xác với các
thiết bị chuyên dụng
Rất đơn giản
Thuật toán đơn giản
Nhược điểm
Phải đồng bộ trạm
phát
Độ chính xác thấp
Độ chính xác thấp
Cần nhiều antenna
đẳng hướng
Quá trình thực hiện
phức tạp
Thời gian tính toán dài
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
14
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG
NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Sử dụng các phương pháp thích hợp với công nghệ WLAN và Bluetooth đó là
Fingerprinting và Trilateration.
Fingerprinti
ng
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Trilateratio
n
15
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Thuật toán định vị khoảng cách
Vị
Đây là thuật toán cơ bản sử
Euclidean
AP
trí
dụng khi tính toán trong phương
pháp
định
vị
bằng
Fingerprinting.
Bước
1: Xây dựng cơ sở dữ
liệu từ các giá trị RSSI mô
phỏng.
Bước 2: Xác định giá trị RSSI
RSSM 1 , xác
RSSMđịnh:
M muốn
2 ,, RSSM n
tạiRSS
điểm
1
1
[X11 Y11]
RSS1
AP2
RSS11
[X12 Y12]
RSS
2
RSS1
…
APn
… [X1n Y1n]
2
2
[X21 Y21]
RSS21
[X22 Y22]
RSS2
2
…
RSSn
RSS1
n
… [X2n Y2n]
RSS2
n
…
…
…
… …
…
…
2
[XN1 RSS 2 RSS RSS
RSS
RSS 2N
N ... RSS
d1N RSS
RSS
M1
11 Nn
2 N2]
12
RSS
[XN2M Y
YNn] 1n
… [XNn Mn
YN1]
2
n
2
2
2
d2 RSSM 1 RSS21 RSSM 2 RSS22 ... RSSMn RSS2n
...
2
2
dN RSSM 1 RSSN1 RSSM 2 RSSN 2 ... RSSMn RSSNn
Bước 3: So sánh kết quả đo
được và kết quả mô phỏng
n
2
toán quát:
Euclidean
di RSS M ,i RSS j ,i , i 1,2,...,N
theo
Côngthuật
thức tổng
j 1
trí cần tìm là vị trí có khoảng cách Euclidean d nhỏ nhất.
Bộ môn Viễn thông
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
16
2
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị Trilateration
Giả sử trong môi trường 3D có n beacon (xi, yi,
zi), i = 1,2,..,n, khoảng cách từ beacon thứ i đến
vị trí định vị là 2ri, các phương
trình
tọa độ được
2
2
2
x
x
y
y
z
z
r
i
i
i
i
biểu diễn như sau:
Biến đổi toán học để tìm vị trí cần định vị (x,
y) , hệ thống tuyến tính được biểu diễn như sau:
Trong đó:
Ax b
x 2 x1 y2 y1
x x1 y3 y1
A 3
x n x1 y n y1
dij
x
i
xj
2
y
Bộ môn Viễn thông
i
z2 z1
z3 z1
z n z1
yj
2
x A 1b
x x1
x y y1
z z1
b21
b
b 31
bn1
1
bn1 r12 rn2 dn21 , n 2,3,...n
2
2
:
khoảng
cách từ beacon thứ i đến beacon thứ j.
zi z j
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
17
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị Trilateration
Trong thực tế, do ảnh hưởng của môi
trường và nhiều yếu tố khác nên đôi khi
từ khoảng cách tính được ta vẽ ra 3
đường tròn cắt nhau tại nhiều điểm. Do
vậy cần xác định một diểm ước lượng
cần định vị..
Có 2 phương pháp tối ưu dùng để ước
lượng: Bình phương tối thiểu tuyến tính
(Linear Least Square - LSQ) và Bình
phương tối thiểu không tuyến tính
(None Linear Least Square - NLSQ).
Tuy nhiên, LSQ cho
1 kết quả tốt hơn so
T
T
x
A
A
A
với NLSQ, tốn ít bộ nhớb hơn, ít thời gian
thựchiện hơn, đồng thời cho sai số vị trí
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Bộ môn
Viễnhơn.
thông
thấp
18
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Khảo sát giá trị RSSI từ Wif Access
Point
Sơ đồ phòng 209 - 210B1 và vị trí 22 điểm
khảo sát để đo tín hiệu RSSI.
Bộ môn Viễn thông
Ứng dụng thu giá trị
RSSI “BKU RSSI
Reader”
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
Ứng dụng thu giá trị
RSSI Wif Analyzer
19
CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Khảo sát giá trị RSSI từ Wif Access
(Đơn vị RSSI: dBm)
Point
Tọa độ
RSSI (BKU
Vị
trí
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
RSSI
Reader)
1
3
5
5
3
1
1
3
5
Bộ môn Viễn thông
3
3
3
4
4
4
5
5
5
-43
-41
-33
-41
-45
-47
-50
-47
-42
RSSI (Wif
Analyzer)
-47
-42
-37
-41
-43
-50
-45
-46
-41
RSSI
(Mô
phỏng)
Sai số RSSI giữa
Sai số RSSI
Mô phỏng &
giữa Mô phỏng
BKU RSSI
& Wif Analyzer
Reader (dB)
(dB)
1.44
-1.07
5.42
-8.08
-6.95
-2.32
-4.86
-7.89
-6.68
-2.56
-2.07
1.42
-8.08
-4.95
-5.32
0.14
-6.89
-5.68
-44.44
-39.93
-38.42
-32.92
-38.05
-44.68
-45.14
-39.11
-35.32
Bảng kết quả đo đạc giá trị
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh
RSSI
20
- Xem thêm -