Đồ án nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Nhận xét của người hướng dẫn


Nhận xét của người phản biện


TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà
Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu
Số thẻ SV: 105180470 Lớp: 18TDHCLC2
Báo cáo này trình bày về nghiên cứu và thiết kế hệ thống định vị trong nhà sử
dụng
công nghệ Ultra-Wideband.
Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình giám sát áp dụng
cho các hệ thống định vị thiết bị,tài sản trong các nhà máy, công ty, hướng dẫn chi
đường cho người dùng trong các siêu thị, trung tâm thương mại.Tìm hiểu về các
phương pháp định vị, tham khảo mô hình định vị của hãng DecaWave và từ đó xây
dựng hệ thống.
Mô hình hệ thống định vị sử dụng module DW1000 BU01 do hãng DecaWave
sản
xuất, dữ liệu thu thập được xử lý trên board ESP32 và đưa lên webserver.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phuc

KHOA ĐIỆN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lớp: 18TDHCLC2

Trần Đình Phu

Sớ thẻ sinh viên: 105180470

Ngũn Hồng Dương

Sớ thẻ sinh viên: 105180450

Khoa: Điện

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
- Thực hiện kết nối 4 ESP32 với 4 module DWM1000 BU01.
- Định vị khoảng các giữa 1 tag và 1 anchor, 2 anchor, 3 anchor.
- Tham khảo hệ thống định vị DWM1001 của DecaWave.
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
- Tìm hiểu về các phương pháp định vị hiện có, đưa ra giải pháp cho đề tài.
- Đọc hiểu thông tin, cách sử dụng module DWM1001 của DecaWave.

- Thực hiện cấu hình cho Tag và Anchor bằng phần mềm TeraTerm.
- Định vị với module DWM1001, hiển thị lên mobile app và webserver.
- Tìm hiểu về VS code, lập trình ESP32. Làm các ví dụ lập trình webserver với
ESP32, ESPNOW. Kết nối ESP32 với chip DWM1000 BU01.
- Đo được khoảng cách giữa Tag và Anchor.
- Tổng hợp kết quả thực nghiệm và tính toán đưa ra phương án tối ưu nhất
- Hiệu chinh hệ số Adelay để có sai lệch nhỏ nhất.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán cho việc tính toán khoảng Họ tên người hướng dẫn: TS.
Nguyễn Khánh Quang
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

/

/2022.


6. Ngày hoàn thành đồ án:

14/07/2022.
Đà Nẵng, ngày 13 tháng 07 năm 2022

Trưởng Bộ môn

Người hướng dẫn

TS. Giáp Quang Huy
TS. Nguyễn Khánh Quang


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ thơng tin, hệ thớng
định vị tồn cầu GPS đã được ứng dụng trong rất nhiều phần mềm và thiết bị.
Các thiết bị không dây như điện thoại thông minh đã được cài đặt sẵn tính
năng định vị tồn cầu GPS như một phần khơng thể thiếu. Độ chính xác của
GPS khi sử dụng ở mơi trường ngồi trời là rất cao, tuy nhiên, hệ thớng định
vị tồn cầu GPS không thể cho một kết quả chính xác khi thiết bị ở trong môi
trường trong nhà. Đặc biệt là các mơi trường trong các tồ nhà lớn như cao
ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại. Định vị trong nhà đã trở thành một
trong những chủ đề nghiên cứu được quan tâm nhiều trong những năm trở lại
đây và đã có những hệ thống được thương mại hoá.
Vì vậy, nhóm chung em thực hiện đề tài “Nghiên cứu và phát triển hệ thống định
vị trong nhà” nhằm mục đích tạo ra một hệ thống định vị trong nhà để có thể khắc
phục được hạn chế của GPS, giám sát các hoạt động trong nhà máy hay chi đường cho
người dùng khi ở trong các trung tâm thương mại hay siêu thị,…
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Khánh Quang đã hướng
dẫn và hỗ trợ, chi bảo kiến thức cần thiết để hoàn thành được đờ án này.
Em xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới đến công ty CP tư
vấn công nghệ và sản xuất PKH và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Đăng
Khoa và anh Nguyễn Hồng Thiết đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giup đỡ em, tạo cho
em cách tư duy và làm việc một cách khoa học từ việc lựa chọn các nguồn tài liệu,
phân tích bài báo, chọn lọc và cách tóm tắt các ý chính đến việc quản lý lưu trữ sử
dụng tối ưu các nguồn tài liệu tham khảo, tiếp cận với các công nghệ kỹ thuật tiên tiến.
Nhờ những sự chi bảo hường dẫn quý giá đó mà trong suốt quá trình triển khai, nghiên
cứu và hồn thành đề tài được giao một cách tớt nhất.
Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chun ngành của em cịn hạn
chế nên khơng thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấn đề. Rất
mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các thầy cô bộ môn để đề tài của em thêm
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

1


CAM ĐOAN

Em xin cam đoan kết quả đạt được là sản phẩm của riêng cá nhân, không sao
chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của báo cáo, những điều được trình
bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài
liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan của mình.
Sinh viên thực hiện

2


MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn
Lời cam đoan liêm chính học thuật
Mục lục
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ
Danh sách các cụm từ viết tắt

i
ii
iii
v

ix

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHA..........................................11
1.1

Đặt vấn đê......................................................................................................11

1.2

Các kĩ thuật định vị trong nha.....................................................................11

1.2

Giải pháp cho đê tai......................................................................................13

Chương 2: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TAI................................................................14
2.1 Cơ sở lý thuyết..................................................................................................14
2.1.1 UWB Ranging (đo đạc khoảng cách)..........................................................14
2.1.2 Line of Sight……………………………………………………………….……….13
2.1.3 Nguồn lỗi……………………………………………………………..……14
2.1.4 Giao tiếp…………………………………………………………………..............15
2.2 Hệ thống định vị trong nha của hãng DecaWave……………………………16
2.2.1 Thiết lập chuẩn bị hệ thống.........................................................................19
2.2.2 Ví dụ cấu hình hệ thống..............................................................................20
2.2.3 Hiển thị định vị trên app RTLS System Manager........................................21
2.2.4 Raspberry Gateway.....................................................................................31
Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHA BẰNG UWB VỚI
ESP32.......................................................................................................................... 36
1.1

Phần cứng hệ thống......................................................................................36

1.1.1 Module DWM1000 BU01..........................................................................36
1.1.2 ESP32.........................................................................................................38
1.1.3 Kết nối phần cứng.......................................................................................40
1.2 Phần mêm hệ thống.........................................................................................41
1.2.1 VS code và PlatformIO IDE........................................................................41
1.2.2 Lập trình ESP32 với VS code.....................................................................42
1.4

Đo khoảng cách giữa 2 Tag va Anchor........................................................49

1.5

Độ trễ Antenna của DWM1000 BU01.........................................................51
3


1.5 Lưu đờ thuật tốn calib Antenna....................................................................54
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................................55
1.1

Với điêu kiện LoS.........................................................................................55

1.2

Với điêu kiện NLOS.....................................................................................63

1.3 Khi thay đổi góc Antenna................................................................................63
1.4 Hiển thị khoảng cách giữa 1 tag va 3 anchor.................................................67

KẾT LUẬN................................................................................................................70
TAI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71

4


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 2.1 Phương pháp Single-sided TWR..................................................................14
Hình 2.2 Double-sided TWR (3 messages)..................................................................15
Hình 2.3 Double-sided TWR (4 messages)..................................................................15
Hình 2.4 Chênh lệch thời gian đến...............................................................................16
Hình 2. 5 Trilateration..................................................................................................16
Hình 2.6 Moldule DWM1000......................................................................................19
Hình 2.7 Chi tiết module DWM1000...........................................................................19
Hình 2.8 Vị trí của Anchor và Tag...............................................................................20
Hình 2.9 Hệ thống với 4 anchor và 8 tag.....................................................................21
Hình 2.10 Hệ thống với 11 anchor và 1 tag..................................................................21
Hình 2.11 Màn hình giao tiếp với TeraTerm................................................................22
Hình 2.12 Cài đặt tốc độ truyền cho port.....................................................................22
Hình 2.13 Giao diện khi kết nối với TeraTerm.............................................................23
Hình 2.14 Giao diện app trên điện thoại......................................................................23
Hình 2.15 Tìm kiếm thiết bị và mạng lân cận..............................................................24
Hình 2.16 Lựa chọn thiết bị để đăng ký vào network..................................................25
Hình 2.17 Mạng mới và các thiết bị chưa thêm vào mạng...........................................25
Hình 2.18 Chi tiết của 1 mạng.....................................................................................26
Hình 2.19 Thông tin chi tiết của 1 thiết bị....................................................................27
Hình 2. 20 Định vị tự động các Anchor.......................................................................29
Hình 2. 21 Quy ước cách sắp xếp các Anchor.............................................................30
Hình 2.22 Màn hình hiển thị định vị thành công..........................................................31
Hình 2.23 DWM1001-DEV có thêm các chân header.................................................31

Hình 2.24 Raspberry với nut làm cầu nối....................................................................32
Hình 2.25 Lấy địa chi IP của Raspberry......................................................................32
Hình 2.26 Kết nối với địa chi IP của Raspberry...........................................................33
5


Hình 2.27 Kết nối thành công với Raspberry...............................................................33
Hình 2.28 Nội dung của tập lệnh cấu hình DWM1001.conf........................................34
Hình 2.29 Giao diện đồ họa của trình quản lí web.......................................................35
Y
Hình 3.1 Module DWM1000 BU01.............................................................................36
Hình 3.2 Sơ đồ chân ESP32.........................................................................................39
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối chân DWM1000 BU01 với ESP32..........................................40
Hình 3.4 Hàn các chân của chip vào board mạch.........................................................40
Hình 3.5 Cắm dây kết nối DWM1000 BU01 với ESP32.............................................41
Hình 3.6 Giao diện VS code........................................................................................41
Hình 3.7 Tạo 1 thư mục data........................................................................................42
Hình 3.8 Tạo 1 tệp mới................................................................................................43
Hình 3.9 Upload filesystem.........................................................................................43
Hình 3.10 Upload filesystem thành công.....................................................................44
Hình 3.11 ESP NOW...................................................................................................44
Hình 3.12 Cách lấy địa chi MAC.................................................................................45
Hình 3.13 Chèn địa chi bo mạch nhận.........................................................................45
Hình 3.14 Truyền dữ liệu thành công...........................................................................45
Hình 3.15 Sơ đồ ESP32 Web Server............................................................................46
Hình 3.16 Cách WebServer hoạt động.........................................................................46
Hình 3.17 Cách tổ chức các tệp...................................................................................47
Hình 3.18 Tệp html......................................................................................................48
Hình 3.19 Tệp css........................................................................................................48
Hình 3.20 Kết nối Esp với Wifi...................................................................................49

Hình 3.21 Kết nối với Wifi thành công........................................................................49
Hình 3.22 Khai báo các chân SPI và thư viện..............................................................49
Hình 3.23 Cấu hình cho Tag........................................................................................50
6


Hình 3.24 Cấu hình cho anchor...................................................................................50
Hình 3.25 Cửa sổ Serial hiển thị khoảng cách giữa tag và anchor...............................50
Hình 3.26 Độ trễ của Antenna......................................................................................51
Hình 3.27 Đặt khoảng cách ban đầu trước khi Calibrate..............................................52
Hình 3.28 Đặt thông số Adelay ban đầu.......................................................................52
Hình 3.29 Tính toán được Adelay sau khi calib...........................................................52
Hình 3.30 Nhập Adelay sau khi calib được vào anchor...............................................53
Hình 3.31 Lưu đồ thuật toán calib antenna..................................................................54

Hình 4.1 Module tag....................................................................................................55
Hình 4.2 Calib với khoảng cách 8m.............................................................................56
Hình 4.3 Nạp hệ số adelay mới vào anchor.................................................................57
Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm với Adelay mặc định...................................................58
Hình 4.5 Kết quả thực nghiệm với Adelay 16539 (calib 8m).......................................59
Hình 4.6 Kết quả thực nghiệm với Adelay 16532 (calib 16m).....................................60
Hình 4.7 Kết quả thực nghiệm với Adelay 16537 (calib 20m).....................................61
Hình 4.8 Biểu đồ thể hiện các giá trị khi đo ở điều kiện LOS......................................62
Hình 4.9 Biểu đồ cường độ tín hiệu khi đo ở điều kiện LOS.......................................62
Hình 4.10 Kết quả đo được với điều kiện NLOS.........................................................63
Hình 4.11 Góc Antenna 45...........................................................................................63
Hình 4.12 Kết quả đo được khi cho góc antenna 45....................................................64
Hình 4.13 Góc Antenna 90..........................................................................................64
Hình 4.14 Kết quả đo được khi cho góc antenna 90....................................................65
Hình 4.15 Kết quả đo được khi cho góc antenna 135..................................................66

Hình 4.16 Kết quả đo được khi cho góc antenna 180..................................................66
Hình 4.17 Biểu đồ thể hiện giá trị db khi thay đổi góc quay........................................67
Hình 4.18 Biểu đồ thể hiện các giá trị khi thay đổi góc quay.......................................67
7


Hình 4.19 Thực nghiệm 1 tag và 3 anchor...................................................................68
Hình 4.20 Code hiển thị khoảng cách giữa 1 tag và 3 anchor......................................69
Hình 4.21 Kết quả khoảng cách...................................................................................69

8


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT:
RTLS: Real Time Location System
TWR: Two-way Ranging
LOS: Line of Sight
NLOS: Non Line of Sight
UWB: Ultra -Wideband
Adelay: Antenna Delay
IPS: Indoor Positioning System
BLE: Bluetooth Low Energy
ToF: Time of Flight

9


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

MỞ ĐẦU

- Mục đích thực hiện đê tai:
Hệ thống định vị GPS cho ra sai số lớn khi định vị trong nhà, đề tài Nghiên cứu
và phát triển hệ thống định vị trong nhà nhằm mục đích thay thế cho GPS khi định vị
trong các khơng gian như tịa nhà, nhà máy,…
- Mục tiêu đê tai:
Xây dựng được hệ thống định vị trong nhà với độ chính xác lên tới 10cm, hiển
thị thông tin về đối tượng đang di chuyển lên app mobile và webserver.
- Phạm vi va đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là chip DWM1000 BU01 của hãng
Decawave sản xuất và ESP32.
- Phương pháp nghiên cứu:
Dựa trên lý thuyết về các phương pháp định vị, đề tài chọn xây dựng hệ thống
định vị bằng UWB. Kết hợp tham khảo module định vị của Decawave, từ đó xây dựng
hệ thống định vị bằng UWB với chip DWM1000 BU01 và ESP32.
- Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp:
Chương 1: Tổng quan về định vị trong nhà


-

Hạn chế của GPS khi thực hiện định vị trong nhà.

-

Những kĩ thuật định vị trong nhà hiện nay.

-

Giải pháp áp dụng cho đề tài.

 Chương 2: Cơ sở thực hiện đề tài
-

Các khái niệm lý thuyết về tính khoảng cách để thực hiện đề tài.

-

Hệ thống định vị DWM1001-DEV của DecaWave.

 Chương 3: Xây dựng hệ thống định vị trong nhà bằng UWB với ESP32.
-

Mô tả chi tiết phần cứng hệ thống, sơ đồ chân, cách kết nối module
DWM1000 BU01 với ESP32.

-

Phần mềm hệ thống với VS code và các ví dụ lập trình với ESP32.

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

10


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

-

Đo khoảng cách giữa 2 Tag và Anchor, khái niệm và cách hiệu chinh độ trễ
Antenna, giải thích code cho tag và anchor.

-

Lưu đồ thuật toán calib antenna.

-

Chương 4: Kết quả thực nghiệm Kết quả thực nghiệm với các hệ số calib
antenna 8m,16m và 20m trong điều kiện LOS, NLOS và thay đổi các góc
nghiêng của antenna, đưa ra nhận xét.

Kết luận và hướng phát triển.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHA

1.1 Đặt vấn đê
Ngày nay, có khá nhiều hệ thống nhờ vào sự phát triển đa dạng của các công
nghệ truyền thông không dây (Global Positioning System – GPS, Wi-Fi, Bluetooth,
ZigBee, Ultrasounds, Infrared, vv…) có thể được sử dụng cho việc định vị vị trí. Hệ
thống định vị toàn cầu GPS được biết đến với khả năng định vị rất tốt để chi đường đi,
hoặc bất kỳ nơi nào trên phạm vi rộng lớn. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ
thống định vị GPS là trong những trường hợp cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị
trí chính xác của một thiết bị so với tịa nhà là khơng thể xác định chính xác được.
Vì vậy, công nghệ định vị trong nhà ra đời (Indoor Positioning System IPS). Ý tưởng của công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiệu vô tuyến giao thoa
không có gì mới. Đã có rất nhiều ứng trên các mạng di động cho phép xác định vị

trí tương đối của mình nhờ vào tham số thời gian đến ToA (Time of Arrival – thời
gian truyền từ máy phát đến máy thu) hay góc đến (AoA) của tín hiệu, một trong
những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà là phải xác định chính xác vị
trí sử dụng các thiết bị thông minh (Phone, PC, vv..) do vậy vấn đề gặp phải là tính ổn
định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn cũng như độ chính xác thấp.
Các ứng dụng thực tế của IPS như:
- Tìm địa điểm trong các tòa nhà văn phòng lớn, các tòa nhà trường đại học, khu
trung tâm, viện bảo tàng, bệnh viện
- Tình huống khẩn cấp: điều hướng cứu hộ và khoanh vùng tình huống khẩn cấp
- Theo dõi người và tài sản – bệnh nhân, trẻ em, khách tham quan, du khách, ví
dụ: theo dõi hành lý tại các sân bay; giao nhận, vận chuyển hàng hóa và theo dõi
Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

11


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

container trong kho, bến cảng, sân bay…; xác định vị trí thiết bị trong nhà máy, văn
phòng và bệnh viện.
- Các ứng dụng xã hội: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà.
1.2 Các kĩ thuật định vị trong nha
Công nghệ không dây
- Công nghệ WIFI
Wi-Fi là công nghệ truyền dữ liệu không dây được sử dụng rất phổ biến
trên toàn cầu và cũng là một trong các công nghệ được sử dụng nhiều nhất ở
mạng nội bộ. Wi-Fi được triển khai trong một mạng nội bộ bằng cách cài đặt
các điểm truy cập (Access Point – AP) cho phép các thiết bị trong mạng truy

cập không dây. Điều này cho phép các thiết bị di chuyển trong vùng phủ sóng
của các điểm truy cập tuỳ ý. Wi-Fi là tên gọi chung của công nghệ bao gồm
nhiều chuẩn phát tín hiệu khác nhau được phát triển bởi tổ chức IEEE. Trong
đó, chuẩn phổ biến nhất ngày nay là IEEE 802.11 hoạt động với các băng tần
2.4GHz, 3.6GHz, 5GHz và 60GHz, mỗi băng tần cho phép phạm vi hoạt động
và tốc độ mạng khác nhau.
Việc truyền tải dữ liệu dưới dạng tín hiệu sóng cho phép các nhà nghiên cứu
ước lượng được vị trí tương đối giữa thiết bị với điểm truy cập sử dụng các
thông số như cường độ tín hiệu, góc truyền tín hiệu, thời gian nhận tín hiệu, từ
đó định vị được thiết bị trong thực tế.
- Công nghệ Bluetooth Low Energy
Công nghệ bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy – BLE)
là công nghệ được phát triển từ bluetooth nhằm mục đích tiết kiệm năng
lượng hơn nữa để hoạt động với các thiết bị có thời gian hoạt động lâu dài
như các thiết bị đeo tay, hoặc đèn hiệu (beacon). Công nghệ này đã được công
nhận là một phiên bản của bluetooth và được gọi là bluetooth phiên bản 4.0.
Các đèn hiệu là các thiết bị sử dụng công nghệ bluetooth năng lượng
thấp phát sóng đến các thiết bị sử dụng bluetooth ở xung quanh. Nhờ mức tiêu
thụ năng lượng thấp, các thiết bị đèn hiệu này có thời gian hoạt động lâu dài
và ít cần thay thế nguồn điện. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu phục vụ
mục đích định vị trong nhà.
- Công nghệ băng thông siêu rộng UWB

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

12

Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Công nghệ băng siêu rộng (Ultra Wide Band – UWB) là công nghệ
truyền tải dữ liệu trong khoảng cách ngắn sử dụng băng thông rộng. Công
nghệ này sử dụng mức năng lượng thấp trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ
cao ở phạm vi ngắn và do đặc tính công suất, công nghệ băng siêu rộng cũng
có thể được sử dụng ở các phạm vi từ trung bình đến dài với tốc độ thấp.
UWB sử dụng các sóng ngắn với tần số lớn để truyền tải dữ liệu. Việc
sử dụng tần số lớn có nghĩa là UWB ít bị ảnh hưởng bởi các phản xạ khi đi
qua vật cản hơn so với các công nghệ sử dụng băng thông nhỏ hơn.
- Sóng siêu âm
Siêu âm sử dụng một máy phát để phát ra những sóng âm tần sớ cao bên
ngồi phổ thính giác của con người, sau đó được thu bởi một máy thu cho phép nó
tính toán khoảng cách giữa chung bằng cách sử dụng phương pháp dựa trên thời
gian. Kết quả từ nhiều máy phát sau đó có thể được sử dụng để định vị đích. Tuy nhiên
siêu âm yêu cầu LoS đến vật thể cần xác định vị trí, khiến khó sử dụng ở hầu hết các
môi trường trong nhà.
1.2 Giải pháp cho đê tai
Trong nội dung báo cáo trình bày các đặc tính, khảo sát hoạt động module
DWM1000, nghiên cứu giải thuật hoạt động và xây dựng ứng dụng định vị trong
nhà.
Với DWM1000, chung ta có thể đo lường được thời gian mà tín hiệu di
chuyển từ bộ truyền tới bộ nhận, từ đó tính toán được khoảng cách chính xác cao tới
cm. Với phương pháp này cho phép thông tin khoảng cách chính xác và chất lượng
cao hơn so với các phương pháp dựa trên độ mạnh tín hiệu. Các ứng dụng có thể
nhận được dữ liệu chính xác cao (sai số nhỏ hơn 10 cm) và vị trí được cập nhật mỗi
100 ms nếu cần thiết, như các ứng dụng đáp ứng cao. Một người dùng sẽ mang theo
một thẻ tag UWB nhỏ, có thể ghi nhận vị trí chính xác cao của họ. Thẻ tag được
trang bị khả năng truyền UWB và có thể gắn vào USB hay có battery có thời gian
hoạt động khoảng 1 năm. Nó gởi các tín hiệu dò ping qua UWB cho mỗi lần cập nhật

vị
trí, và nó được trang bị cảm biến gia tốc, nó giữ lại vị trí nếu không di chuyển. Và thiết
bị cố định trên tường gọi là anchors, dùng để tính toán và định vị vị trí của tags.

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

13


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Chương 2: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TAI

2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 UWB Ranging (đo đạc khoảng cách)
Ranging là một phương pháp để tính toán khoảng cách giữa hai đối tượng.
Để tính toán khoảng cách từ thẻ đến neo, công thức vật lý d = v.t được sử dụng. Vận
tốc, v, trong trường hợp này là tốc độ ánh sáng trong không khí, là 299,792,458m /s.
Do đó công thức này có thể được viết lại thành d = c.t (với c là tốc độ ánh sáng trong
không khí) và d là khoảng cách. Thời gian là không xác định, nhưng bằng cách thực
hiện Thời gian bay (ToF),còn được gọi là Thời gian đến (ToA), tính toán khoảng cách
có thể được tính toán. Có ba cách khác nhau để tính ToF, hoặc ở đây được gọi là Tf.

Single-sided Two-way Ranging:
Đây là cách đo lường cơ bản nhất:

Hình 2.1 Phương pháp Single-sided TWR
Đầu tiên A gửi tin nhắn (TX) và có đánh dấu lại mốc thời gian, Khi B nhận tin

nhắn và đánh dấu lại mốc thời gian, sau khi trì hoãn ( ), B gửi (TX) và có một bản ghi
về mốc thời gian, và cuối cùng A nhận được tin nhắn, và có bản ghi về mốc thời gian.
Sau đó, thời gian bay được tính:
(2.1)
Double-sided Two-way Ranging:
Sau Single-sided TWR nếu A phản hồi lại cho B thì sẽ là:

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

14


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Hình 2.2 Double-sided TWR (3 messages)
Phép đo này gọi là chế độ 3 thông báo (messages).
Tiếp theo, nếu B khởi tạo lại một thông báo khác và A phản hồi, nó sẽ là:

Hình 2.3 Double-sided TWR (4 messages)

Phép đo này gọi là chế độ 4 thông báo (messages).
Thời gian bay của 2 chế độ được tính như sau:
(2.2)
Time difference of Arrival (TDOA):
Chênh lệch thời gian đến (TdoA), trong đó hai tín hiệu, ví dụ như sóng âm thanh
và sóng vô tuyến, với tốc độ khác nhau được truyền qua. Điều này có thể được mô tả
như tín hiệu đầu tiên được gửi ở với vận tốc và được nhận ở . Trong khi tín hiệu thứ
hai được gửi đi luc với vận tốc. Hơn nữa, , và tín hiệu này nhận được ở . Để tính

khoảng cách, công thức trở thành:
(2.3)
Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

15


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Hình 2.4 Chênh lệch thời gian đến
Trilateration:

Để có thể xác định vị trí đặt một đối tượng trong không gian thứ n, cần ít
nhất n+1 điểm tham chiếu. Để làm điều này, một quy trình được gọi là
trilateration được sử dụng tính toán một khu vực có điểm chưa biết. Nói cách
khác, các anchors (điểm tham chiếu) có thể định vị vị trí của thẻ liên quan đến
các anchors bằng cách tính toán trong khu vực này. Trong hình dưới, cho thấy
cách hoạt động trong không gian 2d nơi có thể nhìn thấy giao điểm của khu vực.
Tuy nhiên, trong không gian 3d, nó sử dụng cùng một thuật toán ngoại trừ đó là
một mặt phẳng khác.

Hình 2. 5 Trilateration
Để có thể ước tính được vị trí của các tag, hệ thống cần cố định các anchor.
Khoảng cách có thể được tính toán bằng cách sử dụng phương trình hình cầu giữa các
tags và anchors. Gọi là khoảng cách từ tag đến anchor thứ i, là khoảng cách giữa 2
anchor i và j. Mỗi anchor có tọa độ là và tag là .

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

16


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(2.12)
- Bình phương nhỏ nhất:
Bằng cách sử dụng phương pháp này ta sẽ cho là khoảng cách chính xác từ tag
đến anchor thứ i. Ta có phương trình:
(2.12)
Tiếp theo, là khoảng cách gần đung từ tag đến anchor thứ i. Tổng của tất cả các
sai lệch bình phương phải càng tốt, ta có công thức:
(2.13)
2.1.2 Line of Sight
Trong IPS, một đường ngắm (LOS) là thứ được mong muốn. Điều này là do các
sóng tín hiệu trong một đường không nhìn thấy (NLOS) có thể bị gián đoạn
và tính toán ToF bị lỗi và do đó khoảng cách sẽ bị sai. Để giải quyết loại vấn đề này,
vật thể phải được phát hiện và chất liệu của thể đó là gì vì ánh sáng truyền với tốc độ
khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu đó là gì. Tuy nhiên, ngay cả khi độ chính xác tốt,

nó không thể chính xác bằng với LOS.
2.1.3 Nguồn lỗi
Khi làm việc với hệ thống thời gian thực và thay đổi theo thời gian, thời gian là
rất quan trọng. Nếu hệ thống bị trôi và tín hiệu tắt chi sau 1ns, nó sẽ đưa ra sai
số khoảng 30cm trong phép tính khoảng cách. Một trong những nguyên nhân gây ra
lỗi
lớn cho vấn đề này là độ trễ của ăng-ten, vì phải mất một khoảng thời gian nhỏ để

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

17


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

đọc, để dữ liệu đi qua ăng-ten rồi đi ra ngoài. Vấn đề là thời gian nên được tính toán
khi dữ liệu đang rời khỏi ăng-ten và do đó nó có độ trễ cần được hiệu chinh.
2.1.4 Giao tiếp
UWB có thể được sử dụng để giao tiếp giữa tag-anchor và anchor-anchor, nhưng
khi nói đến tag-sever, nó cần một giao thức internet. Một giao thức có thể được sử
dụng giữa tất cả các tag và máy chủ, có thể là TCP. Giao thức này đảm bảo rằng các
gói được gửi theo đung thứ tự, kết nối có trạng thái và ít gói bị loại bỏ hơn so
với UDP.
2.2 Hệ thống định vị trong nha của hãng DecaWave
DWM1001 là một sản phẩm Module đi kèm với firmware để cho phép các nhà
phát triển hệ thống nhanh chóng triển khai RTLS cho phù hợp với ứng dụng cụ thể của
họ hoặc thêm khả năng RTLS vào hệ thống hiện có. Module có thể được định cấu hình
để hoạt động như một “anchor” một trong những nut cố định trong hệ thống

hoặc một “tag” cho một trong những nut nằm trên thiết bị di động trong hệ thống. Có
thể đạt được cấu hình Module thông qua Bluetooth bằng ứng dụng đồng hành
(Decawave DRTLS Manager) hoặc thông qua kết nối SPI hoặc UART từ máy chủ bên
ngoài.
Module kết hợp bộ thu phát DW1000 UWB của Decawave mà firmware trên bo
mạch của module điều khiển để triển khai mạng các anchor và thực hiện trao đổi hai
chiều với các tag cho phép mỗi tag tính toán vị trí của chính nó.
Mô-đun này cũng kết hợp với IC Nordic Semiconductor NRF52832 cung cấp kết
nối Bluetooth được sử dụng để cấu hình và bộ vi xử lý chạy phần mềm điều khiển
DW1000 và cung cấp chức năng kích hoạt RTLS.

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

18


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

Hình 2.6 Moldule DWM1000

Hình 2.7 Chi tiết module DWM1000
2.2.1 Thiết lập chuẩn bị hệ thống
- Chuẩn bị Anchor
+ Chọn 1 vài module làm Anchor – 3 là số lượng tối thiểu cho RTLS nhưng ít
nhất là 4 được khuyến khích vì độ chính xác.
+ Gắn neo trên tường hoặc trên giá 3 chân, gắn chung cao sẽ cho hiệu suất tốt
hơn (do LOS).
Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

19


Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà

+ Cấp nguồn cho các Anchor bằng pin hoặc USB

Hình 2.8 Vị trí của Anchor và Tag
- Chuẩn bị các Tag:
+ Chọn các Module làm Tag – bắt buộc phải có ít nhất 1 tag.
+ Nguồn pin: dùng pin lắp vào phía sau nắp vỏ nhựa của từng thiết bị.
- Chuẩn bị máy tính bảng hoặc điện thoại Android:
+ Tải xuống ứng dụng RTLS System Manager từ trang web Decawave
2.2.2 Ví dụ cấu hình hệ thống
4 Anchor va 8 Tag:
Cấu hình này là cấu hình được đề xuất tối thiểu cho hệ thống RTLS
+ Cấu hình 4 module làm anchor
+ Cấu hình 8 module làm tag
+ Tất cả các module phải nằm trong phạm vi Bluetooth của máy tính bảng hoặc điện
thoại, số lượng kết nối bluetooth giới hạn ở 3.

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phu, Nguyễn Hoàng Dương

Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang

20