Định vị thiết bị di động bằng công nghệ Bluetooth

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
- - -    - - -



NGUYỄN VĂN THÔNG


ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG BẰNG CÔNG NGHỆ
BLUETOOTH




Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN QUANG VINH




Hà Nội – 2011

MỤC LỤC

BNG KÝ HIU CÁC CH VIT TT 1
DANH MC CÁC HÌNH V 3
DANH MC CÁC BNG 4
M U 5
I THIU TNG QUAN V BLUETOOTH 6
1.1. Khái nim Bluetooth 6
1.2. Lch s n ca Bluetooth. 6
1.3. m ca Bluetooth 8
1.4. ng dng ca Bluetooth. 9
 K THUT BLUETOOTH . 10
2.1. Các khái nim dùng trong công ngh Bluetooth. 10
2.2. Cách thc hong ca Bluetooth. 12
2.3. Các tng giao thc trong Bluetooth. 12
 NH V 14
3.1. Thi gian sóng ti 14
3.2. Sai khác ca thi gian sóng ti 14
3.3. Góc sóng ti 14
3.5. Mc công sut thu 16
 H THNH V BNG BLUETOOTH 19
4.1. Thit k ca h thnh v bng Bluetooth 19
4.1.1. Nguyên lý hong ca h thng. 19
4.1.2. Widcomm Bluetooth SDK 22
4.2. Thc thi h thng 29
4.2.1. Phn cng và phn mm 29
4.2.2. Lp trình ng dnh v 33
4.3. Kt qu thc nghi 35
4.3.1. Xây dng d lia RSSI và khong cách. 35
4.3.2. nh v trí t  d liu 36
4.4. Mt h thnh v  xu 39
4.4.1. Yêu cu ca mt h thnh v bng Bluetooth 39

4.4.2. H thnh v  xut 39
4.4.3. ng dng ca h thnh v bng công ngh Bluetooth 40
TNG KT 42
TÀI LIU THAM KHO 43


1
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACL Asynchronous Connectionless
AGPS Assisted GPS
AOA Angle Of Arrival
API Application Programming Interface
CRC Cyclic Redundancy Check
DLL Dynamic-link Library
EDR Enhanced Data Rate
FCC Federal Communications Commission
FTP File Transfer Profile
GPS Global Positioning System
GRPR Golden Received Power Range
GSM Global System for Mobile Communications
GUID Globally Unique Identifier
HCI Host Controller Interface
ISM Industrial, Scientific, Medical
L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol
LAN Local Area Network
LBS Local Based Services
LMP Link Manager Protocol
LOS Light Of Sight
LSE Least Squared Estimation
MAC Media Access Control

OBEX Object Exchange
RSSI Received Signal Strength Indicator
2
SCO Synchronous Connection-Oriented
SDK Software Development Kit
SDP Service Discovery Protocol
SIG Bluetooth Special Interest Group
TDOA Time Difference Of Arrival
TOA Time Of Arrival
UUID Universal Unique Indentifier
WLAN Wireless LAN

3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1  Logo ca Bluetooth 6
Hình 1.2  Các thit b s dng Bluetooth 6
Hình 2.1 - Minh ho mt Piconet 10
Hình 2.2 - Minh ho mt Scatternet 11
Hình 2.3  Hong ca mt piconet 12
2.4 - 

n to kt ni 12
2.5 - Các tng nghi thc Bluetooth 13
Hình 3.1   15
Hình 3.2   16
Hình 3.3 -  17
Hình 3.4  Liên h gia công sut thu và khong cách 18
Hình 4.1  Khong Thu Vàng 20
Hình 4.2  Bluetooth stack dành cho Windows 24

Hình 4.3  Ca s ng dnh v 33
Hình 4.4  ng 35
Hình 4.5   c 36
Hình 4.6   b trí thc nghim 37
Hình 4.7   b trí các access point 39
Hình 4.8  Mô hình h thnh v  xut 40




4
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bng 4.1  Các Class ca WIDCOMM SDK 24
Bng 4.2 - Các giá tr GUID chun cho các lp dch v Bluetooth 26
Bng 4.3  Hàm StartInquiry() 27
Bng 4.4  Hàm StopInquiry() 27
Bng 4.5  Hàm OnDeviceResponded() 28
Bng 4.6  Hàm OnInquiryComplete() 28
Bng 4.7  Hàm GetConnectionStats() 29



5
MỞ ĐẦU



















 . 



























 . Mt s ng dng hu
ích có th k n ng c trin khai trong thc t
nh có h thng nh vi toàn cu. 







 (GPS) 















, v trí ca thit b ng có th c
xánh nu bic khong cách t thit b n 4 v tinh gn nht.



















 (light of sight  LOS) 




 . 


GPS (AGPS) 



, 


















 . Xut phát t yêu cu thc tic phát
trin mt k thunh v mi cho các thit b  che khut tr
thành mt v rc quan tâm hin nay.
 (WLAN), tuy nhiên

công ngh này có nhiu hn ch  ng thit b có ch-t
ng tiêu hao ln c trong thi gian dài. 














, mt khác công ngh Bluetooth
có nhit tri cho mt h thnh v cc b. 










 h, 





















. Xut phát t nhng yu t , lun hành nghiên cu và th nghim
mt h thnh v dùng công ngh Bluetooth.
Lu  c t ch    mt gii thiu tng quan v công ngh
Bluetooth, bao gm lch s phát tring d
trình bày các lý thuym k thut ca công ngh Bluetooth. 
cnh v vi Bluetooth. Và cui cùng mt h thnh v
bng Bluetooth cùng vi kt qu c s  cn. Trong
   xut mt h thnh v  tip tc phát tri
lai.

6
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH

1.1. Khái niệm Bluetooth






 công ngh không dây 

i d liu gia các
thit b ng trong phm vi ngn bng sóng vô tuyn ISM (Industrial,
Scientific, Medical) 

n 2.40 - 2.48 GHz. Công ngh này to ra mt mô hình
mng d liu phm vi nh gi là mng cá nhân (Personal Area Netwoks  
bo mt cao.  90








 , 






 sau 




. c h tr b8000 công ty trên toàn th gii [10].
Công ngh c qun lý và chun hóa bi mt nhóm gi là SIG (Bluetooth
Special Interest Group). Các thành viên ca SIG hin ro, bao g
vc vin thông, máy tính, mn t tiêu dùng. Nhóm SIG qu
trình thnh chng và bo v  mt thit b c chng nhn là
mt thit b Bluetooth, thit b c các chut ra. Bên






















, 

























 . 
















Bluetooth profile. 

















.[1]
Hình 1.1  Logo ca Bluetooth
1.2. Lịch sử hnh thành và phát triển của Bluetooth.
Hình 1.2  Các thit b s dng Bluetooth
Thut ng t theo tên ca mt v vua 
Mch, vua Harald Bluetooth, là v vua 

thng nhch và Na Uy. Tên gi này
7
xut phát t vic ám ch Bluetooth là mt công ngh có th  vi các
giao thc truyn thông, hp nht các chun này thành mt chun chung.[1]
 xut mt chun không dây tm ng thay
th dây cáp RS232, cho phép kt ni vài thit b cùng lúc, gii quyc v ng
b gia các thit b.
Các c t dành cho công ngh c chun hóa bi nhóm SIG, là mt t
chc thành lu bao gm Ericsson, IBM,
 tham gia ca nhiu công ty khác. Tt c các
phiên bn ca c thit k  có th  c. Các phiên bn
c phát trin nay bao gm: [10]
Bluetooth v1.0 và v1.0B
Phiên bn v1.0 và v1.0B có nhi m khin cho các thit b giao tip khó

Bluetooth v1.1
Là chun không dây IEEE 802.15.1-nh sa các li ca phiên bc,
ng thi h tr  s  công
sut thu (RSSI).

Bluetooth v1.2
Là chun IEEE 802.15.1-2005, t i phiên bn 1.1 và có mt s ci tin
 
- Kt n
- Công ngh tri ph nhy tn thích nghi (AFH) giúp tránh nhiu.
- T truyn 721 kbit/s.
- Kt nng b m rng (eSCO) giúp nâng cao chng âm thanh bng cách
cho phép truyn li các gói tin b mt và có tùy chn cho vi tr truyn
 c truyn d liu.
- Host Controller Interface (HCI) h tr chun UART 3 dây ni.
-   u khin lung và truyn li trong lp L2CAP
Bluetooth v2.0 + EDR
c phát hành ni phiên bn 1.2. Khác bit ln nht là s
i ca công ngh truyn d ling (Enhanced Data Rate  EDR) giúp
truyn d li
Bluetooth v2.1 + EDR
i bt là Secure simple pairing (SSP) giúp
ci thin kh a các thit b ng tính bo mt.
8
Bluetooth v3.0 + HS
Phiên b truyn d liu lên ti 24 Mbit/s. Tính
 Speed) giúp truyn thông t cao qua chun 802.11.
Bluetooth v4.0
Bao gm ba giao thc: Classic Bluetooth, Bluetooth high speed và Bluetooth low
energy. Phiên b
1.3. Các đặc điểm của Bluetooth
-  m ni bt ca công ngh Bluetooth là tiêu th  ng thp, cho
phép ng dc trong nhiu loi thit b, bao gm c các thit b cm tay
n thong vi giá thành thit b r.[1]
- Khong cách giao tip cho phép :

 Khong cách gia hai thit b u cui có th n 10m ngoài tri, và 5m
trong nhà.
 Khong cách thit b u cui và Access point có th lên ti 100m ngoài tri
và 30m trong nhà.
- Tuy công sut tiêu th th truyn d liu ca Bluetooth có th
t ti mc t24Mbps (v4.0) mà các thit b không cn phi thy trc tip
nhau.
- Nh có các chu    dàng trong vic phát trin ng
dng c lp v phn c u hành s dng.
- Trong mt mng cá nhân (PAN)  truyn ti
truyn d liu
- Tính an toàn và bo mt c tích hp vi s xác nhn và mã hóa ( build in
authentication and encryption).
- c nhiu nhà sn xut phn cn mm
h tr. [1]
- Nh giao tip bng sóng radio mà d liu Bluetooth có th xuyên qua các vt
th rn và phi kim. Sóng radio cc truyng cách nhy tn
s c truyn trên nhng tn s
khác nhau. T nhy nhanh giúp tránh nhiu tt. Hu hc dùng 79
c nhy, mc nhy cách nhau 1MHz, bu  2.402GHz và kt thúc 
2.480GHz.
- c thit k  hong  mng rt thc t 
3 mng t 1mW ti 100 mW [1]
o Mc thit k cho nhng thit b có phm
vi hong rng (~100m)
o Mng 2 (2.5mW): Cho nhng thit b có phm vi hong
ng (~10m)
o M  ng 3 (1mW): Cho nhng thit b có phm vi ho ng
ngn (~5m)
- Nhng thit b có kh u khin mng có th t

ng bng cách dùng nhng lnh LMP (Link Manager Protocol).

9
1.4. Ứng dụng của Bluetooth.
Bluetooth cho phép kt n i thông tin gia các thit b n thoi di
n thoi c nh, máy tính xách tay, PC, máy in, thit b nh v dùng GPS,
máy nh s, và video game console.[10]
Các ng dng ni bt ca Bluetooth gm:
- u khin và giao tip không giây gia m n tho  ng và tai nghe
không dây.
- Mng không dây gia các máy tính cá nhân trong mt không gian hi ít

- Giao tip không dây vi các thit b vào ra ca máy tính, chng ht,
bàn phím và máy in.
- Truyn d liu gia các thit b dùng giao thc OBEX.
- Thay th các giao tip ni tip dùng dây truyn thng gia các thit b t
b nh v dùng GPS, thit b y t, máy quét mã vch, và các thit b u khin
giao thông.
- Thay th u khin dùng tia hng ngoi.
- Gi các mu qung cáo nh t các pa-nô qung cáo ti các thit b dùng
Bluetooth khác.
- u khin t xa cho các thit b n t - Máy 
n t th h 7 ca Nintendo và PlayStation 3 ca Sony.
- Kt ni Internet cho PC hoc PDA b   n tho  ng thay
modem.

10
Chƣơng 2 KỸ THUẬT BLUETOOTH .
2.1. Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth.
2.1.1. Master Unit

Master thit lng h m xung và kic nh ng b tt c các
thit b 

và nó nh s kênh truyn
thông.
2.1.2. Slaver Unit
Là tt c các thit b i trong piconet, mt thit b 

 i là
Slave.
2.1.3. Piconet
Picotnet là mt loi kt ni bao gm mt tp hp các thit b c hình thành thông
qua k thu

 -Hoc. Các thit b Bluetooth s 
các thit b ngang hàng, có th rong 1


  có 1 thit b là Master còn các thit b khác là slave. T
cùng hoi d ling thi trong 1 Piconet.

Hình 2.1 - Minh ho mt Piconet
Hai Slave mun thc hin liên lc phi thông qua Master bi chúng không trc tip
i c vi nhau.
2.1.4. Scatternet:
Là 2 hay nhic lng b, các Piconet này kt hp li truyn
thông vi nhau.[1] Mc hình thành khi mt thành viên ca mt piconet
c ch tr thành slave ca mt piconet khác. Hin ti vic
thc thi scatternet còn rt hn ch vì gii hn ca Bluetooth và giao tha ch MAC.
11

Hình 2.2 - Minh ho mt Scatternet

2.1.5. Kết nối theo kiểu ad hoc
Kt ni ad hoc da vào s liên lc gim, không cn thit b h tr kt ni
gia các thit b ng, không cn mu khin trung tâm cho các unit da vào
 thit lp kt ni. Trong Bluetooth,  mt s ng ln các kt ni ad hoc cùng
tn ti trong mt vùng mà không cn bt k mt s sp xc lp
cùng tn ti chng chéo lên nhau [1]
2.1.7. Trạng thái của thiết bị Bluetooth
Có 4 trng thái chính ca 1 thit b Bluetooth trong mt piconet: [1]
- Inquiring device (inquiry mode): thit b   

 t b Bluetooth
khác.
- Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thit b nhn tín hiu inquiry ca thit
b c hin inquiry và tr li.
- Paging device (page mode): thit b phát tín hiu yêu cu kt ni vi thit b 


inquiry t c.
- Page scanning device (page scan mode): thit b nhn yêu cu kt ni t paging
device và tr li.
12
2.2. Cách thức hoạt động của Bluetooth.

Hình 2.3  Hot ng ca mt piconet
- Mt kt ni mi c thit lp da trên ti

 và PAGE. Ti



Inquiry giúp mt thit b dò tìm phát hin các thit b khác trong tm hong
cùng va ch và xung ng h (clock) ca nó.
- t b thc thi ti

  to kt ni. Thit b nào thit lp kt
ni s phi thc hin ti

  ng tr thành Master ca kt ni. Có
hai dng paging. Mt chic paging bt buc tt c các thit b u
phi h tr, dùng khi các Unit gp trong lu tiên, và tronng hp ti


paging theo ngay sau ti

 . Hai Unit sau khi kt ni nh dùng chin
c bt bu chn dng paging khác.
- Sau th t  ng cách gi packet POLL
NULL ru. Ch có Master gi tín hiu
c li không có.[1]
2.4 - 

n to kt ni.
2.3. Các tầng giao thức trong Bluetooth.
Công ngh Bluetooth s dng rt nhiu giao thc khác nhau. Các giao thc ct lõi
i t chc SIG. Các giao thi các t chc
khác. Chng giao thc chia thành hai phn: mt ph
a giao din radio và mt phi quyt mc d liu bc
cao. T c thc thi ti mt thit b silicon giá thành thp cha

Bluetooth radio và mt vi x lý. T    c th    t
thành phn ca h u hành hot thành phn có th t vào mt h u
hành. Vi các thit b tích h
có th chy chung trên cùng mt vi x  gic gi là mt h
thng hostless.[10]
13

2.5 - Các tng nghi thc Bluetooth.

14
Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ
   nh v bao gm s  ng qua li gia hai hay nhiu thit b
truyn thông vi nhau. Mt thit b truyn thông có th c
máy thu ti mt tht c nh v thì mt tín
hiu s  máy phát và truyn qua kênh truy n máy thu. Máy
ng v trí ca nó da trên tín him cc
m này ti khi tín hiu truyn qua kênh và khác nhau vi t
nh v. Có nhi  nh v mt thit b  ng bng công ngh sóng
radio. Dc tính truyn sóng mà ta có th có các cách tip cn khác nhau
i vi vinh v. [7]
3.1. Thời gian sóng tới

ime Of Arrival  









8




3.2. Sai khác của thời gian sóng tới
                


gian lú


             
chính xác cao, m
3.3. Góc sóng tới
15


 


   

.

Hình 3.1  Phng pháp AOA

3.4. Nhận dạng cell



 


 




16

Hình 3.2  Phng pháp nh d cell

3.5. Mức công suất thu


.
.



 


                 
[3]



17

Hình 3.3 - 





= 

+ 

+ 

+ 20 log

4
10





RX

TX

TX
, G
RX



8

 

 
 [4]
18
Hình 3.4  Liên h gia công sut thu và khong cách

19
Chƣơng 4 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ BẰNG BLUETOOTH
4.1. Thiết kế của hệ thống định vị bằng Bluetooth
4.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống.























 vài 
(LBS). 
 ,   , 














 ,  (e-map) 

























.
Hin ti h thnh v cho thit b ng ph bin là GPS. Tuy nhiên h thng này
ch hong  ngoài trt cn; m chính xác ca h thng nhiu
c các yêu cu c th trong phm vi ha hình phc tp.
nh v thit b ng trong nhà (indoor) là mng hn hình cn
phi có mt k thunh v mi. [7]
Trong s   nh v  u:  (AOA),
Thi gian ti (TOA), 






 i v

,
AOA, y























 . 

















 . 














(TOA và TDOA ) 










. 
 /











 ~ 1






3 ns nu mu


chính xác 1m.[4]
H th nh v   n k thu nh v da theo công sut thu. Vì thit b
Bluetooth không cho ta mt giao di ly ra giá tr  tín hiu nhn thc
t nên h thng này s dùng giá tr 
ng khong cách gia access point và thit b ng.
Ta cý rng vng trong nhà thì yu t nhing rt ln ti công
sut thu, chng hng do phn x hay hp th. Do vy vic dùng mô hình
truyn sóng trong không gian t do là r thng ca chúng
ta, các tính toán khong cách s c tính bng xp x ca ch s  tín hiu
(RSSI) da trên s ng v mi liên h gia RSSI và khong cách. Các giá tr
ng thc nghic tin hành trong các v trí và khong cách
khác nhau.

20
4.1.1.1. Ƣớc lƣợng khoảng cách từ RSSI
  th







































 : RSSI (Received
signal Strength Indicator) . Giá tr RSSI có th chuyi thành mc công sut tuyt
i nu mc gi là Khong Thu Vàng (Golden Received Power Range -
GRPR) ca mt máy thu c th t. [11]
a Khong Thu Vc minh h

Hình 4.1  Khong Thu Vàng
Khong Thu Vàng c gii hn b
ràng bng mt giá tr lch 6dB so v nhy thc t ca máy thu. Giá tr ln nht
nh là -ng trên là giá tr nng
 chính xác cng trên là khong ±6dB.
Nu công sui thì h th yêu
cu thit b còn lu này là do mc công sut thp s khin
cho vic truyn d liu tr u công sut thu vào nm trong phm
ng trên thì thit b s  c yêu cu gim công su gim công
sut tiêu th. [2]
   kho    n ch cho vic chuy i t RSSI sang
khong cách. Nu giá tr RSSI nm trong khong thu vàng thì nó luôn by
s không xp x c các giá tr này bng mt hàm duy nh nh
nào cho giá tr RSSI khác không mi có th s d xp x hàm. [4]
Chúng ta thc hing bng cách chn hàm xp x tt nht bnh
tham s ca m
y = c lnx + b,
y = c
0
+ c
1
x + c
2
x
2
,
21
y = c
0
+ c

1
x + c
2
x
2
+ c
3
x
3

4.1.1.2. Ƣớc lƣợng vị trí từ các khoảng cách đo đƣợc.
Vi mi giá tr RSSI nhc, ta có mng ca khong cách. Vi duy nht
mt vt mc (thit b  thu nhn giá tr   c
ng v trí chính xác. Cn ít nht ba vt m  thc hin m    
 trí ca thit b ng nm trong phn chung nhau ca ba
vòng tròn có tâm là ba vt m t toán
i thi x lý các s lic. [4]
Gi s s tr (vt m trí ca mt tr 
bi 






= (

, 

)


, 1. . 
ng cách 




, 

() gia các tr i, j và mm trong mt
phng x-c cho bi = (, )

là:






= 




2
+





2





=




2
+ 


2

(1)
Gii h m cn
c mt nghim duy nht thì cn thit phi tính v trí ca thit b ng da trên
khong cách gia thit b t là ba tr khác nhau.
Nu bic khong cách t các tr n thit b ng thì v trí ca thit b
ng có th c tính theo thut v trí ca
thit b trên mt phng x-y mà có tn tt c các min
gii hn bng tròn cho b nht.



= 





2
+




2


=




2
+ 


2

, i, j 1. .  (2)
Phn gii hn bng tròn cho b


2



2
= (

)
2
+ (

)
2
(

)
2
(

)
2
(3)
Gi s ng v trí là 



= (, )

thì 



c tính theo công thc
. 




=  (4)
Vi:
22
=






(2,1)

(2,1)
 

(,1)

(,1)
 

(,1)

(,1)






, 



= 


, =






2,1


,1


,1






Và





,

= 2







,

= 2





,
= 

2


2
+ 


2


2
+ 

2


2



T ng v trí ca thit b nh t công thc:





= (

)
1


 (5)

4.1.2. Widcomm Bluetooth SDK
V u tiên mà h thng cn gii quyc giá tr RSSI t thit b
 c vic c ht ta cn kho sát các Bluetooth stack, là s

thc thi ca Bluetooth protocol stack (chp Bluetooth). Các Bluetooth stack
có th chia thành hai loi: [9]
- Thc thi vi m  ng quát: t       mm do,
ng là dành cho máy tính bàn. Có th h tr thêm các Bluetooth profile t
u khin (drivers).
- Các h thng nhúng: nhm vào các thit b có tài nguyên gii hn và có nhu cu
ng ht b ngoi vi.
H thng ca chúng ta phát trin trên nn tng máy tính bàn s dng Windows, do vy
ta dùng Bluetooth stack loi th nht. Hin nay có khong 6 Bluetooth stack chính
dành cho Windows có th k 
- Widcomm Stack
- Microsoft Stack
- Toshiba Stack
- EtherMind Stack
- BlueSoleil
- BlueFritz!
Qua tìm hiu ta thy rng tt c u có h tr RSSI theo cách
u ht ch h tr cho các h th
6/CE. Ch có WIDCOMM stack h tr RSSI qua máy Desktop trên Windows XP
SP2/3.