Nghiên cứu triển khai hệ thống định vị dùng công nghệ RFID thụ động

MỤC LỤC

MỤC LỤC ...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG ........................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................9
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...................................10
1.1.

Công nghệ định vị trong môi trƣờng hẹp ..................................................10

1.2.

Kỹ thuật định vị trong nhà sử dụng công nghệ UHF-RFID thẻ thụ động 12

1.3.

Tình hình nghiên cứu trên Thế giới liên quan đến lĩnh vực của Đề tài ....14

1.4.

Mục tiêu nghiên cứu của Đề tài ................................................................16

CHƢƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................18
2.1.

Hệ thống định vị dùng công nghệ RFID thẻ thụ động ..............................18

2.1.1.

Thẻ RFID ..............................................................................................19

2.1.2.

Đầu đọc thẻ RFID .................................................................................20

2.1.3.

Ăng-ten đầu đọc ....................................................................................21

2.1.4.

Phần mềm thu thập và hiển thị thông tin của thẻ..................................22

1


Phƣơng trình truyền sóng trong hệ thống định vị dùng công nghệ RFID

2.2.

thẻ thụ động ...........................................................................................................22
Phƣơng trình truyền sóng......................................................................23

2.2.1.

2.2.1.1. Phƣơng trình truyền sóng ..............................................................23
2.2.1.2. Phƣơng trình truyền tổn hao theo ảnh hƣởng đa đƣờng ................27
2.2.2.

Cách Tính Thông số RSSI ....................................................................30
Các Phƣơng pháp Định vị .........................................................................32

2.3.
2.3.1.

Thời gian truyền tín hiệu (DOA hoặc DTOA) .....................................32

2.3.2.

Thuật toán tam giác...............................................................................33

2.3.3.

Thuật toán K điểm gần nhất (KNN) .....................................................34

2.3.3.1. Lựa chọn giá trị K ..........................................................................34
2.3.3.2. Tính toán hệ số tin cậy ...................................................................34
a.

Hệ số tin cậy về giá trị RSSI .............................................................35

b.

Hệ số tin cậy về sai số khoảng cách ƣớc lƣợng.................................35

c.

Hệ số tin cậy về số các vùng biên .....................................................36

CHƢƠNG 3 – ĐẶC TÍNH HÓA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI HỆ THỐNG
ĐỊNH VỊ DÙNG RFID THẺ THỤ ĐỘNG ..............................................................37
3.1.

Ảnh hƣởng của hƣớng đặt ăng-ten ............................................................37

3.2.

Ảnh hƣởng của vật liệu tiếp xúc thẻ .........................................................39

3.2.1.

Thẻ đƣợc dán trên tƣờng gỗ ..................................................................40

3.2.2.

Thẻ đƣợc dán trên tƣờng bê – tông .......................................................42

3.2.3.

Thẻ đƣợc đặt trong không khí.......................................................474748

3.2.4.

Thẻ đƣợc đeo trên ngƣời ...............................................................515152

3.2.5.

Kết luận chung ..............................................................................535354

2


Ảnh hƣởng của đặc tính khác của môi trƣờng ..................................535354

3.3.

CHƢƠNG 4 – CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RFID THẺ
THỤ ĐỘNG ĐÃ TRIỂN KHAI .......................................................................545455
4.1 Hệ thống định vị sử dụng một đầu đọc và một thẻ ...............................545455
4.1.1. Cấu hình hệ thống.............................................................................545455
4.1.2. Hiệu chỉnh hệ thống .........................................................................575758
4.1.3. Phƣơng pháp định vị ........................................................................585859
4.1.4. Kết quả và Khó khăn ........................................................................616162
Hệ thống định vị sử dụng một đầu đọc và nhiều thẻ.........................626263

4.2.
4.2.1.

Cấu hình hệ thống .........................................................................626263

4.2.2.

Hiệu chỉnh hệ thống ......................................................................636364

4.2.2.1. Hiệu chỉnh thông tin thu thập trong CSDL............................656566
4.2.2.2. Hiệu chỉnh dữ liệu cho các điểm định vị ...............................666667
4.2.3.

Phƣơng pháp Định vị ....................................................................676768

4.2.4.

Kết quả và khó khăn .....................................................................686869

4.3.

Hệ thống định vị sử dụng ba ăng-ten và một thẻ ..............................696970

4.3.1.

Cấu hình hệ thống .........................................................................696970

4.3.2.

Hiệu chỉnh dữ liệu.........................................................................717172

4.3.3.

Phƣơng pháp định vị .....................................................................727273

4.3.4.

Kết quả và khó khăn .....................................................................747475

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................767677
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................787879
CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ...............................................................797980

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả đạt đƣợc trong Luận Văn là do tôi nghiên cứu và
đƣợc sự hƣớng dẫn của giáo viên hƣớng dẫn cùng nhóm nghiên cứu trong thời gian
thực hiện. Những trích dẫn, thông tin tham chiếu đều đƣợc ghi rõ tài liệu tham khảo.
Nếu những kết quả của tôi phát hiện đƣợc sao chép kết quả trong những Tài liệu
tham chiếu khác thì hội đồng có thể hủy kết quả nghiên cứu của Luận Văn này.

Học Viên

4


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG
STT

Ký hiệu

Giải thích

1

RFID (Radio
Frequency
Identification)

Sự định danh dựa vào tín hiệu sóng vô tuyến

2

RSSI(Received Signal
Strength Indicator)

Chỉ số độ lớn của tín hiệu nhận đƣợc

3

ID (Identification)

Định danh

4

Tag

Thẻ

5

Reader

Đầu đọc

6

Antenna

Ăng-ten

7

KNN(K-nearest
neighborv)

K điểm gần nhất

8

Triangulation

Thuật toán tam giác

9

RF(Radio Frequency)

Tần số tín hiệu sóng vô tuyến

10

Cable

Cáp

11

Loss

Tổn hao

12

CSDL

Cở sở dữ liệu

13

NA (North American)

Dải tần có tần số trung tâm 915Mhz

14

EU3

Dải tần có tần số trung tâm 868Mhz

15

Histogram

Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị RSSI và số lần
xuất hiện

16

Gain

Hệ số của ăng-ten

17

WSN(Wireless Sensor
Network)

Mạng lƣới cảm biến không dây

18

GPS(Global
Positioning System)

Hệ thống định vị toàn cầu

19

RT(Reference Tag)

Thẻ tham chiếu

20

TT(Target Tag)

Thẻ định vị

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1- 1: Mối quan hệ giữa khoảng cách & tần số tín hiệu trong hệ thống RFID
thẻ thụ động [1] .........................................................................................................12
Bảng 1- 2: Một số công nghệ định vị trong môi trƣờng diện hẹp.............................12
Bảng 1- 3: Một số nghiên cứu về Hệ thống định vị trong môi trƣờng diện hẹp đã
công bố ......................................................................................................................15
Bảng 2- 1: Lƣợng tổn hao năng lƣợng tín hiệu do cáp và giắc kết nối .....................32
Bảng 3- 1: Dải giá trị của hằng số điện môi theo vật liệu .........................................39
Bảng 3- 2: Kết quả thí nghiệm dùng 2 ăng – ten MT245 và ăng–ten Metal ............41
Bảng 3- 3: Bảng tổng hợp các kết quả thu đƣợc ...............................................434344
Bảng 3- 4: Các kết quả khi dùng ăng–ten Metal thu tín hiệu ...........................464647
Bảng 3- 5: Các kết quả khi dùng ăng–ten MT245 thu tín hiệu .........................464647
Bảng 3- 6: Kết quả thu đƣợc khi dùng Ăng–ten Metal đọc tín hiệu từ các thẻ đặt
trong không khí .................................................................................................484849
Bảng 3- 7: Kết quả thu đƣợc khi dung Ăng-ten MT245 thu tín hiệu từ thẻ đặt ngoài
không khí ...........................................................................................................505051
Bảng 3- 8: Giá trị RSSI khi thẻ đƣợc đeo trên ngƣời........................................525253
Bảng 4- 1: Bảng kết quả phân tích chất lƣợng của các CSDL thu thập............595960
Bảng 4- 2: Các tham số phản ánh mức độ ổn định của CSDL .........................656566
Bảng 4- 3: So sánh mức độ ổn định của 2 loại CSDL ......................................666667

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Ba khối cơ bản trong hệ thống định vị .....................................................10
Hình 2- 1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị RFID thẻ thụ động trong môi
trƣờng hẹp [14]..........................................................................................................18
Hình 2- 2: Cấu trúc của một loại thẻ RFID [1] .........................................................19

Hình 2- 3: Hình dạng của ăng – ten Metal ................................................................21
Hình 2- 4: Khi ăng-ten truyền và ăng-ten nhận đặt lệch nhau [14] ..........................23
Hình 2- 5: Phần dƣ hồi qui ........................................................................................28
Hình 2- 6: Mô hình định vị tam giác .........................................................................33
Hình 3- 1: Sự thay đổi theo hƣớng của Hệ số ăng-ten đầu đọc Thingmagic ............37
Hình 3- 2: Sự thay đổi giá trị RSSI theo hƣớng của ăng-ten đầu đọc.......................38
Hình 3- 3: Ăng–ten Metal thu tín hiệu của thẻ dán trên miếng xốp + tƣờng gỗ.......40
Hình 3- 4: Ăng–ten MT245 thu tín hiệu của thẻ dán trên miếng xốp + tƣờng gỗ ....41
Hình 3- 5: Ăng–ten MT245 thu tín hiệu của thẻ dán trên miếng xốp nhỏ + tƣờng bê
– tông .................................................................................................................424243
Hình 3- 6: Ăng–ten Metal thu tín hiệu từ thẻ dán trên miếng xốp nhỏ + tƣờng bê
tông ....................................................................................................................454546
Hình 3- 7: Ăng–ten Metal thu tín hiệu từ thẻ đặt trong không khí ...................484849
Hình 3- 8: Ăng–ten MT245 thu tín hiệu của thẻ đặt trong không khí ..............505051
Hình 3- 9: Thẻ treo trên ngƣời ..........................................................................525253
Hình 4- 1: Bàn thí nghiệm đặt lƣới thẻ Landmark ............................................545455
Hình 4- 2: Tọa độ của các điểm trong lƣới thẻ .................................................555556
Hình 4- 3: Vị trí của ăng–ten đầu đọc và vàn thí nghiệm .................................565657

7


Hình 4- 4: Lƣới thẻ chỉ có một thẻ ....................................................................575758
Hình 4- 5: Qui trình định vị...............................................................................585859
Hình 4- 6: So sánh giá trị khoảng cách d thực tế và khoảng cách d tính toán đƣợc
(m) .....................................................................................................................606061
Hình 4- 7: So sánh Histogram giữa điểm định vị (màu đỏ) và điểm tham chiếu (màu
xanh) ..................................................................................................................616162
Hình 4- 8: Kết quả định vị khi sử dụng một thẻ trong lƣới Landmark .............616162
Hình 4- 9: Lƣới thẻ đặt đầy đủ các thẻ ..............................................................626263

Hình 4- 10: Qui trình định vị.............................................................................646465
Hình 4- 11: Mô hình sơ đồ theo phép nội suy tuyến tính .................................666667
Hình 4- 12: Sai số ƣớc lƣợng (%) của các điểm định vị ...................................686869
Hình 4- 13: Hình vẽ mô tả ba ăng-ten và thẻ ....................................................707071
Hình 4- 14: Hình chiếu bằng của hệ thống lắp đặt theo mô hình Tam giác .....707071
Hình 4- 15: Mô tả hệ thống đã triển khai ..........................................................717172
Hình 4- 16: Cách đặt thẻ tham chiếu và thẻ định vị..........................................727273
Hình 4- 17: Mô hình tam giác ...........................................................................737374
Hình 4- 18: So sánh dữ liệu nhận đƣợc của các trƣờng hợp .............................747475
Hình 4- 19: Sai số(m) của các điểm định vị ......................................................757576

8


LỜI MỞ ĐẦU
Vị trí là thông tin chính trong các ứng dụng theo dõi và định vị đối tƣợng. Thông tin
quan trọng này hỗ trợ ngƣời sử dụng khi hoạt động trong môi trƣờng không quen
thuộc. Với mục tiêu xây dựng đƣợc hệ thống định vị có giá thành hợp lý và độ ổn
định cao trong môi trƣờng hẹp, công nghệ RFID với thẻ thụ động đƣợc lựa chọn khi
triển khai hệ thống.
Dƣới đây là bố cục các phần trong luận văn:
-

Chƣơng 1: Tình hình nghiên cứu tổng quan trên thế giới và Việt Nam. Phần
này sẽ giải thích về các công nghệ định vị và mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

-

Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng này phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt
động của hệ thống định vị dùng công nghệ RFID; đặc điểm của tín hiệu sóng

điện từ truyền trong môi trƣờng hẹp và các thuật toán định vị hay đƣợc sử
dụng.

-

Chƣơng 3: Đặc tính hóa các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ thống. Các yếu tố ảnh
hƣởng nhƣ lớp vật liệu tiếp xúc với thẻ, độ định hƣớng của các ăng-ten và
ảnh hƣởng của môi trƣờng sẽ đƣợc phân tích chi tiết.

-

Chƣơng 4: Các hệ thống định vị đã đƣợc triển khai. Phần này đƣa ra và phân
tích cụ thể 3 hệ thống mà luận văn đã triển khai.

-

Phần cuối là một số kết luận và định hƣớng phát triển cho đề tài trong thời
gian tới.

Trong quá trình nghiên cứu em đã gặp phải nhiều khó khăn và đã nhận đƣợc sự giúp
đỡ từ cô giáo hƣớng dẫn Lê Minh Thùy, các thành viên trong nhóm RF của phòng
TTAC thuộc Viện nghiên cứu quốc tế Mica–trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội,
cùng sự giúp đỡ của bạn bè lớp cao học khóa 2013B và các đồng nghiệp ở phòng
Nghiên Cứu & Phát Triển của công ty TNHH Phát Triển Điện Tử Bình Anh. Em xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của mọi ngƣời trong suốt thời gian vừa qua!

9


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN TÌNH HÌNH

NGHIÊN CỨU
1.1. Công nghệ định vị trong môi trƣờng hẹp
Nhu cầu định vị đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong những thập kỷ
gần đây do nhu cầu thực tế về xác định vị trí đối tƣợng trong lĩnh vực quân sự, công
nghiệp, y tế, dân sự. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, những công nghệ mới hỗ
trợ định vị đối tƣợng nhƣ RFID, camera, wifi, WSN với các ứng dụng định vị trong
môi trƣờng hẹp (trong các tòa nhà, sân bay, kho chứa đồ). Các ứng dụng định vị
trong môi trƣờng hẹp nhƣ giám sát, dẫn đƣờng cho ngƣời phiếm thị, ngƣời cao tuổi,
trẻ nhỏ, ngƣời bệnh hay ngƣời sử dụng ở trong môi trƣờng không quen thuộc; hay
các ứng dụng tìm kiếm hàng hóa trong kho, tìm kiếm hành lý của khách hàng trong
sân bay. Phạm vi ứng dụng ngày càng mở rộng và yêu cầu định vị ngày càng cao đòi
hỏi phải xây dựng đƣợc hệ thống định vị hoạt động hiệu quả trong môi trƣờng hẹp.
Một hệ thống định vị bao gồm 3 khối cơ bản: khối cảm biến, khối xử lý dữ liệu và
khối hiển thị:

Hình 1-1: Ba khối cơ bản trong hệ thống định vị
Một số công nghệ định vị sử dụng trong môi trƣờng hẹp nhƣ: tín hiệu GPS, sử dụng
camera hoặc dựa vào tín hiệu sóng điện từ-RF (sử dụng Wifi, mạng cảm biến không
dây, công nghệ RFID). Mỗi công nghệ phát triển các khối chức năng khác nhau nên
có các ƣu điểm và hạn chế riêng. Nên phải dựa vào mục đích và yêu cầu cụ thể của
ngƣời dùng mới lựa chọn đƣợc công nghệ định vị và cách xây dựng hệ thống định vị
phù hợp. Phân loại theo khối cảm biến (quyết định đến công nghệ định vị) thì hệ
thống định vị trong môi trƣờng hẹp có thể chia ra thành các kiểu dƣới đây:

10


-

Hệ thống định vị toàn cầu-GPS (Globle Positioning System) là hệ thống định

vị sử dụng tín hiệu GPS. Hệ thống định vị này có khả năng định vị, giám sát
đƣợc đối tƣợng trong vùng không gian mở với chất lƣợng tốt. Còn trong môi
trƣờng hẹp, tín hiệu truyền trong môi trƣờng bị giới hạn và thay đổi hƣớng
liên tục nên tín hiệu GPS sẽ bị suy hao nhiều. Mặt khác, các thiết bị GPS
thƣờng có giá thành cao nên gây nhiều trở ngại, khó khăn về mặt tài chính
khi xây dựng, lắp đặt hệ thống cho các ứng dụng triển khai với phạm vi lớn.

-

Hệ thống định vị sử dụng camera là hệ thống lắp đặt các camera để theo dõi,
giám sát và định vị đối tƣợng. Hệ thống có thể biết đƣợc chính xác vị trí của
đối tƣợng trong phạm vi giám sát. Tuy nhiên, trong các trƣờng hợp cần bảo
mật các thông tin cá nhân hoặc có những vùng không thuộc thị trƣờng quan
sát của camera thì việc sử dụng camera chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu.

-

Hệ thống định vị sử dụng wifi là hệ thống dùng mạng wifi để thu thập tín
hiệu. Hệ thống này dễ dàng sử dụng và triển khai trong thực tế. Nhƣng chất
lƣợng định vị chƣa tốt đặc biệt khi đối tƣợng ở gần những vị trí đặc biệt nhƣ
cửa ra vào, cửa sổ.

-

Hệ thống định vị dùng mạng cảm biến không dây WSN để thu thập thông tin
từ các nút cảm biến. Khi hệ thống triển khai trên phạm vi rộng, số lƣợng nút
cảm biến nhiều làm tăng chi phí lắp đặt.

-

Hệ thống định vị sử dụng công nghệ sóng điện từ (RFID) là hệ thống sử dụng
sóng điện từ truyền từ đầu đọc để thu thập thông tin từ thẻ RFID. Dựa vào
loại thẻ sử dụng trong hệ thống là thụ động hay tích cực mà có các hệ thống
định vị tích cực và thụ động. Ở tần số từ 2.4Ghz trở lên thì thƣờng sử dụng
thẻ tích cực, hệ thống có nguyên lý hoạt động giống nhƣ các mạng cảm biến
không dây WSN. Còn ở dải tần UHF (860Mhz980Mhz) trở xuống, thẻ
RFID thụ động hay đƣợc sử dụng trong ứng dụng không cần khoảng cách
truyền sóng lớn. Bảng dƣới đây chỉ ra mối liên hệ tƣơng đối giữa khoảng
cách thu đƣợc tín hiệu trong hệ thống định vị dùng công nghệ RFID thụ động
[1].

11


Bảng 1- 1: Mối quan hệ giữa khoảng cách & tần số tín hiệu trong hệ thống RFID
thẻ thụ động [1]
Tần số

135KHz

13.56MHz

900MHz

2.45GHz

5.8GHz

Khoảng cách phát hiện

<1m

<1.5m

<20m

10-50m

>100m

Các ứng dụng trong môi trƣờng trong nhà có khoảng cách thu đƣợc tín hiệu từ 1m15m, dải tần số UHF thƣờng đƣợc lựa chọn. Bảng dƣới đây tổng hợp lại các công
nghệ định vị thƣờng đƣợc sử dụng trong diện hẹp.
Bảng 1- 2: Một số công nghệ định vị trong môi trường diện hẹp
STT

Công nghệ

Chất lƣợng

Giá thành

1

Global Positioning System

Kém ()

Cao ()

2

Camera

Trung bình ()

Trung bình ()

3

Wifi

Trung bình ()

Rẻ ()

4

WSN

Tốt ()

Cao ()

5

RFID

Tốt ()

Trung bình ()

Với mục đích xây dựng đƣợc hệ thống định vị có chi phí lắp đặt hợp lý và chất
lƣợng định vị ổn định nên Luận văn tập trung vào hệ thống định vị dùng công nghệ
UHF-RFID với thẻ thụ động. Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về các kỹ thuật định
vị trong nhà dựa trên công nghệ UHF-RFID thẻ thụ động.

1.2. Kỹ thuật định vị trong nhà sử dụng công nghệ
UHF-RFID thẻ thụ động
Hệ thống định vị sử dụng công nghệ RFID và thẻ thụ động thƣờng đƣợc xây dựng
theo 2 mô hình hệ thống dƣới đây:
Mô hình hệ thống thứ nhất dựa trên yêu cầu xác định vị trí của đầu đọc (hoặc ăngten của đầu đọc). Đối tƣợng cần định vị sẽ đƣợc gắn với đầu đọc (đầu đọc đối
tượng), còn các thẻ đƣợc đặt cố định tại các vị trí tham chiếu biết trƣớc trong môi
trƣờng. Đối tƣợng di chuyển trong vùng không gian giám sát để thu thập thông tin

12


từ các thẻtham chiếu. Dựa vào thông tin nhận đƣợc từ các thẻ tham chiếu để ƣớc
lƣợng vị trí của đối tƣợng. Khi hệ thống có nhiều đối tƣợng cần định vị thì số lƣợng
đầu đọc cần sử dụng tăng lên,do đó làm tăng chi phí lắp đặt hệ thống.
Mô hình hệ thống thứ hai với yêu cầu xác định vị trí của thẻ. Đối tƣợng cần định vị
đƣợc gắn với thẻ (tag) thụ động (thẻ đối tƣợng), ăng-ten và đầu đọc đƣợc đặt cố
định tại một vị trí trong môi trƣờng giám sát hẹp. Thông tin thu đƣợc trực tiếp từ thẻ
đối tƣợng bao gồm ID (để định danh đối tƣợng) và công suất bức xạ trở lại đầu đọc
từ thẻ (RSSI) đƣợc sử dụng để định vị trí đối tƣợng. Thông số RSSI phụ thuộc vào
khoảng cách từ thẻ tới ăng-ten đầu đọc; công suất phát của đầu đọc; độ lợi của ăngten đầu đọc và thẻ cũng nhƣ môi trƣờng lắp đặt. Mỗi đầu đọc cố định có khả năng
đọc các thông tin của thẻ trong một vùng không gian tùy thuộc vào đồ thị bức xạ
của ăng-ten. Để mở rộng vùng không gian định vị thì hệ thống sử dụng nhiều đầu
đọc.
Hệ thống đề xuất trong Luận văn đƣợc xây dựng theo mô hình thứ hai để phù hợp

khi mở rộng vùng không gian định vị. Thông tin đầu đọc thu thập từ thẻ thụ động
RFID gồm:
-

ID (Identification): bao gồm mã định danh đƣợc đặt bởi nhà sản xuất, mã này
không thể thay đổi đƣợc.

-

Application ID/User ID: ngƣời sử dụng có thể đặt tên cho đối tƣợng thông
qua việc thay đổi tên đặt trong thẻ

-

Công suất bức xạ lại từ thẻ (giá trị RSSI)

Thông tin ID giúp xác định rõ loại đối tƣợng, thông tin về mức công suất phản xạ
giúp ƣớc lƣợng vị trí của đối tƣợng. Cách ƣớc lƣợng giá trị RSSI cũng nhƣ phƣơng
pháp định vị sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong các chƣơng tiếp theo.

13


1.3. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới liên quan
đến lĩnh vực của Đề tài
Đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà, với các phƣơng pháp định vị
khác nhau. Một số kết quả nghiên cứu liên quan trong khoảng 10 năm gần đây đƣợc
liệt kê trong bảng dƣới. Năm 2013, Bhavik xây dựng hệ thống định vị đơn giản, đặt
các thẻ tham chiếu thụ động theo mô hình lƣới thẻ (mô hình Landmark) kích thƣớc
nhỏ trên bàn thí nghiệm với mức sai số khoảng cách 60cm. Sau đó vào năm 2009,

Yeh đã triển khai lƣới thẻ Landmark trên sàn nhà, có mức sai số nhỏ hơn (34cm).
Nghiên cứu của Vorst (2008) đã đặt thẻ lên các đồ vật hoặc lên tƣờng cũng cho kết
quả định vị khá tốt. Các nghiên cứu sau đó với mức sai số nhỏ hơn do cải thiện phần
cứng của hệ thống hoặc áp dụng các thuật toán phức hợp (Saad and Nakad-2011;
Fortin-Simard et al-2012).

14


Bảng 1- 3: Một số nghiên cứu về Hệ thống định vị trong môi trường diện hẹp đã
công bố
STT

Tác giả

Vị trí thẻ

Phần cứng

Phƣơng pháp

Loại thẻ/r

Sai
số

1

[2]

Bàn thí
nghiệm

9 tags/ 2
antennas

RSS +Landmark

Passive/
30cm

60cm

2

[3]

Đồ vật +
Tƣờng,

374tags/4
antenna

snapshots +
“fingerprinting+ bộ
lọc (reference tags)

Passive/
20cm

20 26cm

3

[4]

Sàn nhà

198tags/1
antenna

Landmark

Passive/
34cm

<10cm

4

[5]

Sàn nhà

25
tags/1antenna

ESN (Echo State
Networks)

Passive/50
cm

<10%

5

[6]

Tƣờng/sàn

33 tags/ 1
antenna

Thay đổi mức công
suất phát của đầu
đọc

Passive/
40cm

<20cm

6

[7]

Sàn nhà

1 tag/ 4 antenna

RSSI

(semi)
Passive/

20cm –
30cm

7

[8]

Giữ ở độ cao
1m

>36 tags/ 4
antenna

Landmark

Passive/

<10%

8

[9]

Tƣờng

100 thẻ/ 1
antenna

RSSI (PL)+Kalman

Passive/

<10cm

9

[10]

Vật trong
phòng/sàn/tu
òng

100 thẻ/ 4
antenna

RSSI+Trilateration
+các mạch
lọc+fuzzy logic

Passive/
30cm

14cm

10

[11]

Sàn nhà

1 đối tƣợng/2
antenna

RSSI+Landmark

Passive/ 2cm
– 10cm

<10cm

11

[12]

Sàn nhà

30 thẻ/ 1
antenna

Hybrid = WCL +
Pratical

Passive/
27cm

<10cm

12

[13]

Cao hơn 1m

9 antenna

Mô hình PassTrack

Passive/
60cm

30cm

Trong bảng trên r là khoảng cách gần nhất giữa 2 thẻ tham chiếu đặt trong môi
trƣờng. Với các hệ thống dùng thẻ tích cực thì khoảng cách giữa 2 thẻ thƣờng lớn
hơn 1m. Còn các hệ thống dùng thẻ thụ động thì khoảng cách giữa 2 thẻ thƣờng <
1m. Để tăng độ tin cậy, 2 giải pháp dƣới đây hay đƣợc áp dụng:

15


-

Giải pháp phần cứng: tăng số lƣợng đầu đọc hoặc/và số lƣợng thẻ đặt trong
vùng định vị để thu thập đƣợc nhiều thông tin hơn; sử dụng thêm các cảm

biến (nút cảm biến) để thu thập dữ liệu chính xác hơn.

-

Giải pháp xử lý tín hiệu: sử dụng các thuật toán phức hợp, mỗi thuật toán
dùng trong một giai đoạn nhất định để tăng độ chính xác của phép định vị.

1.4. Mục tiêu nghiên cứu của Đề tài
Một hệ thống định vị khi xây dựng phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu, tiêu chí do
ngƣời sử dụng đặt ra, đáp ứng đƣợc các tiêu chí thiết kế. Mỗi ứng dụng khác nhau
sẽ có những yêu cầu khác nhau. Mục tiêu của Đề tài là tiến tới xây dựng đƣợc một
hệ thống định vị dựa trên công nghệ UHF-RFID và dùng thẻ thụ động thỏa mãn các
tiêu chí đánh giá sau:
Sai số e : là yếu tố then chốt, quyết định đến kết quả và chất lƣợng định vị. Độ chính
xác khoảng cách tuyệt đối là sai lệch giá trị giữa tọa độ thực tế và ƣớc lƣợng. Độ
chính xác tƣơng đối là độ chính xác so với vùng không gian chứa đối tƣợng (hay
khoảng cách từ thẻ RFID tới đầu đọc RFID). Với hệ thống định vị dùng công nghệ
UHF-RFID và thẻ RFID thụ động thƣờng có khoảng cách của vùng định vị ngắn
(<20m) thì mức sai số khoảng cách tƣơng đối chấp nhận đƣơc sẽ < 30%.
Độ trễ  : là một thƣớc đo quan trọng khác để đánh giá chất lƣợng cho hệ thống
định vị đáp ứng thời gian thực. Độ trễ là khoảng thời gian từ khi đối tƣợng di
chuyển tới một vị trí mới cho tới khi thông tin về vị trí mới đƣợc thu thập. Độ trễ
càng ít thì hệ thống có khả năng bám thời gian thực tốt. Các hệ thống định vị xây
dựng trình bày trong Luận văn dừng lại ở bƣớc đƣa ra qui trình định vị áp dụng các
điểm thử nghiệm và xử lý dữ liệu offline nên chƣa tính tới yêu cầu về thời gian trễ.
Giá thành $ : là một nhân tố quan trọng để đánh giá toàn diện hệ thống. Đặc biệt,
khi lắp đặt hàng loạt các hệ thống nhỏ làm tăng chi phí tổng. Nên một hệ thống có
chi phí hợp lý là sự lựa chọn tốt nhất. Trong các hệ thống định vị RFID, giá thành là

16

tổng giá của chi phí phần cứng (các thẻ, các đầu đọc, ăng-ten đầu đọc, cáp nối, máy
tính). Hệ thống định vị triển khai dùng thẻ thụ động giúp giảm giá thành tối đa.
Các tiêu chuẩn thực tế khác về sự phù hợp của hệ thống khi lắp đặt.

17


CHƢƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Hệ thống định vị dùng công nghệ RFID thẻ thụ
động
Một hệ thống định vị dựa trên công nghệ RFID dùng thẻ thụ động gồm các phần:
-

Các thẻ RFID thụ động

-

Các đầu đọc RFID và ăng-ten đầu đọc

-

Phần hiển thị dữ liệu

Hình vẽ 2-1 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID khi đặt trong môi trƣờng
hẹp [14]:

Hình 2- 1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị RFID thẻ thụ động trong môi
trường hẹp [14]

Với hệ thống RFID dùng thẻ thụ động thì quá trình truyền sóng theo qui trình
“ReaderTagReader”. Đầu tiên, tín hiệu phát ra từ đầu đọc tới ăng-ten đầu đọc
rồi truyền tới thẻ. Một phần năng lƣợng này để kích hoạt hoạt động của thẻ và phần
còn lại sẽ đƣợc mã hóa thông tin rồi truyền trở lại ăng-ten đầu đọc.
Khi tín hiệu sóng điện từ truyền qua cáp nối từ đầu đọc tới ăng–ten đầu đọc sẽ bị
suy hao một lƣợng. Tiếp đó, tín hiệu truyền từ ăng-ten đầu đọc tới thẻ theo đƣờng
18


truyền trực tiếp hoặc đƣờng truyền gián tiếp. Đƣờng truyền trực tiếp là đƣờng
truyền theo 1 đƣờng thẳng duy nhất (nguồn tín hiệu tới thẻ đƣợc phát đi từ ăng-ten
đầu đọc). Đƣờng truyền gián tiếp là đƣờng truyền bị đổi hƣớng 1 hoặc nhiều lần
(nguồn tín hiệu cuối truyền tới thẻ không phải từ ăng-ten đầu đọc).
Khi tín hiệu sóng điện từ truyền theo chiều ngƣợc lại từ thẻ tới ăng-ten đầu đọc
cũng theo đƣờng truyền trực tiếp và gián tiếp. Do vậy, tín hiệu cuối cùng nhận đƣợc
tại ăng-ten đầu đọc thƣờng là tín hiệu đƣợc tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau nên
có mức độ dao động lớn.

2.1.1.

Thẻ RFID

Mỗi thẻ RFID bao gồm một vi mạch kết nối với một ăng–ten. Thẻ có nhiều hình
dạng: thẻ giấy (inlay), thẻ đƣợc tích hợp trực tiếp vào vật cần định vị. Hình dƣới
đây là ví dụ về cấu trúc của một thẻ RFID.

Hình 2- 2: Cấu trúc của một loại thẻ RFID [1]
Dựa vào cách cấp nguồn hoạt động, thẻ RFID đƣợc chia làm 3 loại là thẻ tích cực,
thẻ thụ động hoặc thẻ bán tích cực (bán thụ động):
-

Thẻ RFID tích cực: đƣợc tích hợp pin, nguồn cấp nên có thể tự gửi dữ liệu về
cho đầu đọc ở khoảng cách khá xa (có thể lên tới 300m). Thẻ tích cực thƣờng
đƣợc dùng khi hệ thống cần truyền tin với khoảng cách lớn để tiết kiệm số
lƣợng đầu đọc. Nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo, tuổi thọ của pin
ngày càng đƣợc kéo dài (có thể lên tới vài năm) giúp giảm chi phí cho việc
thay thế.

19


Thẻ RFID thụ động: loại thẻ này không cần nguồn cung cấp mà sử dụng
ngay chính năng lƣợng sóng điện từ truyền từ ăng-ten đầu đọc. Loại thẻ này
có khoảng cách truyền tín hiệu giới hạn.Khoảng cách giới hạn này phụ thuộc
vào cấu trúc của hệ thống, tần số của tín hiệu, môi trƣờng lắp đặt hệ thống.
Thẻ bán thụ động (bán tích cực) có nguyên lý hoạt động giống nhƣ thẻ thụ
động nhƣng vẫn đƣợc tích hợp thêm phần cấp nguồn. Luận văn tập trung
phân tích cho hệ thống định vị sử dụng các thẻ RFID thụ động nhằm giảm
chi phí cho toàn bộ hệ thống và có khoảng cách đọc phù hợp với các ứng
dụng định vị trong môi trƣờng diện hẹp.

2.1.2. Đầu đọc thẻ RFID
Đầu đọc RFID thu thập dữ liệu từ thẻ RFID dựa trên tần số sóng vô tuyến kết hợp
với giao thức truyền và nhận dữ liệu. Đầu đọc có thể sử dụng một hoặc nhiều ăngten để thu thập thông tin.Đầu đọc có giao tiếp với máy tính (hoặc smartphone) để
hiển thị thông tin về thẻ cho ngƣời sử dụng. Để phục vụ các ứng dụng điều khiển
đối tƣợng, nhiều loại đầu đọc có thêm khả năng ghi thông tin vào thẻ tùy theo yêu
cầu của ngƣời dùng.
Với hệ thống RFID triển khai trong luận văn, đầu đọc Thing Magic Me6 đƣợc sử
dụng, hoạt động ở dải tần UHF từ 860MHz tới 960MHz, tốc độ đọc tối đa lên tới
400 thẻ/giây.

Đầu đọc có thể đọc đƣợc các thẻ theo chuẩn EPC global Gen 2 (ISO 18000-6C),
ISO 18000-6B và đƣợc giao tiếp thông tin với máy tính thông qua cáp nối USB.
Công suất phát của đầu đọc có thể điều chỉnh trong khoảng từ 5dBm đến 31dBm với
bƣớc nhảy +/-0.5dBm.
Đầu đọc có 4 cổng kết nối với ăng-ten để tăng sự lựa chọn, thiết kế hệ thống. Thƣ
viện các hàm giao tiếp (API) của đầu đọc MagicThing Me6 cho phép thiết lập các
tham số của đầu đọc.

20


2.1.3. Ăng-ten đầu đọc
Ăng-ten đầu đọc làm nhiệm vụ bức xạ tín hiệu trong môi trƣờng để tìm kiếm hoặc
giao tiếp với các thẻ. Khoảng cách truyền tín hiệu xa nhất cũng nhƣ vùng phủ sóng
của ăng-ten phụ thuộc vào đặc tính của ăng-ten và đặc tính của môi trƣờng xung
quanh cũng nhƣ mức công suất phát của đầu đọc.
Trong quá trình triển khai, có 2 loại ăng-ten đầu đọc đều hoạt động ở dải tần số
UHF cùng đƣợc sử dụng để thu thập tín hiệu:
-

Ăng–ten thứ nhất là 865MHz–956MHz MT242025/TRH do hẵng
Thingmagic sản xuất với hệ số (gain) tƣơng ứng ở dải tần số 865-870 MHz là
7 dBic (min); với dải tần số 902-928 MHz thì ăng–ten có hệ số 7.5 dBic
(min); còn trong dải tần số 950-956 MHz thì ăng–ten có hệ số 6.5 dBic
(min).

-

Ăng–ten thứ hai là một ăng–ten Metal (cấu tạo gồm 2 tấm đồng ghép lại,
hoạt động ở dải tần UHF với tần số trung tâm 915Mhz). Ăng–ten này có hệ

số (gain) khoảng 8.6dBi trong dải tần NA (tần số trung tâm 915MHz). Dƣới
đây là hình vẽ mô tả hình dạng của ăng–ten:

b. Hình ảnh thực tế - Ăng-ten gắn
trên giá gỗ

a. Mô hình lý thuyết

Hình 2- 3: Hình dạng của ăng – ten Metal
Mỗi ăng-ten có đặc tính khác nhau, loại cáp nối tới đầu đọc khác nhau và vị trí đặt
trong môi trƣờng khác nhau nên dữ liệu thu thập đƣợc từ mỗi ăng-ten từ cùng 1 đối

21


tƣợng ở cùng 1 thời điểm có thể khác nhau. Các thí nghiệm tiến hành trong
CHƢƠNG 3 sẽ kiểm nghiệm các sự sai khác này.

2.1.4. Phần mềm thu thập và hiển thị thông tin của thẻ
Trong một hệ thống định vị theo công nghệ RFID, dữ liệu sau khi thu thập sẽ đƣợc
hiển thị đầy đủ trên màn hình theo dõi của máy tính (hoặc smartphone). Những
thông tin này sẽ đƣợc lƣu trữ trong CSDL để sử dụng cho quá trình phân tích, xử lý
dữ liệu ở các bƣớc tiếp theo. Hệ thống có độ tin cậy định vị cao thì phần xử lý dữ
liệu sẽ có chất lƣợng tốt.

2.2. Phƣơng trình truyền sóng trong hệ thống định
vị dùng công nghệ RFID thẻ thụ động
Khoảng cách tử thẻ tới đầu đọc đƣợc xác định thông qua mức công suất bức xạ
ngƣợc trở lại đầu đọc của Thẻ (RSSI). Giá trị RSSI càng lớn thì độ mạnh của tín
hiệu càng lớn. Tuy nhiên, mức công suất này phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống và

của môi trƣờng bao quanh Hệ thống. Đặc tính của hệ thống đƣợc xác định thông qua
các thông số kỹ thuật của đầu đọc, ăng-ten, thẻ, cáp, giắc kết nối. Vì vậy, để xác
định đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng tới giá trị RSSI thì phải đặc tính hóa các yếu tố ảnh
hƣởng từ môi trƣờng. Các yếu tố ảnh hƣởng này đƣợc biểu diễn thông qua môi
trƣờng truyền tín hiệu.
Mô hình cơ bản của truyền sóng vô tuyến đƣợc xây dựng trong không gian lý tƣởng
(Free Space) nhƣng mô hình này không áp dụng đƣợc trong thực tế. Phần dƣới đây
sẽ trình bày chi tiết về cách lập phƣơng trình truyền sóng trong môi trƣờng thực tế,
chịu ảnh hƣởng từ nhiều yếu tố của môi trƣờng.

22


2.2.1. Phƣơng trình truyền sóng
2.2.1.1.

Phương trình truyền sóng

Trong hệ thống thực tế, ăng-ten đầu đọc và ăng-ten thẻ không đƣợc đặt trên cùng 1
phƣơng, nhƣ mô tả trong hình bên dƣới:

Hình 2- 4: Khi ăng-ten truyền và ăng-ten nhận đặt lệch nhau [14]
Quá trình truyền tín hiệu theo qui luật “Reader–Tag-Reader” đƣợc chia làm 2 giai
đoạn truyền tín hiệu [14]:
Giai đoạn 1: Tín hiệu truyền từ ăng-ten đầu đọc tới ăng-ten thẻ
Cƣờng độ công suất đẳng hƣớng từ ăng–ten phát đƣợc tính theo công thức:

W0  ereader

Ptr reader

4 R 2

(2. 1)

Với:
-

ereader là hiệu suất bức xạ của ăng–ten phát

-

Ptr  reader là công suất phát của đầu đọc

-

R là khoảng cách giữa ăng-ten đầu đọc và thẻ

Trong trƣờng hợp ăng–ten đầu đọc không đẳng hƣớng thì mật độ công suất theo
hƣớng (1 , 1 ) phải tính theo công thức sau:

23


Wtr reader 

Ptr reader Greader (1 , 1 )
P
D
( ,  )
 ereader tr  reader reader2 1 1

2
4 R
4 R

(2. 2)

Với Greader (1 , 1 ) và Dreader (1 , 1 ) là hệ số độ lợi và hệ số định hƣớng của ăng–ten
phát theo hƣớng (1 , 1 ) . Từ đó, vùng hiệu dụng của ăng–ten của thẻ đƣợc biểu
diễn theo hiệu suất và độ định hƣớng của ăng–ten thẻ:

 2 
Arec tag  etag Dtag ( 2 , 2 ) 

 4 

(2. 3)

Từ đây sẽ tính đƣợc lƣợng công suất nhận đƣợc ở phía ăng–ten thẻ:

2
Prec tag  Arec tagWtr reader  etag Dtag ( 2 , 2 ) Wtr reader
4
2
 Dreader (1 , 1 ) Dtag ( 2 , 2 ) Ptr reader
 ereader etag
(4 R) 2

(2. 4)

Từ đó ta có thể tính đƣợc tỷ số giữa công suất phát đi và công suất nhận đƣợc tại

ăng-ten đầu đọc:

Prec tag
Ptr  reader

 2 Dreader (1 , 1 ) Dtag ( 2 , 2 )
 ereader etag
(4 R) 2

 Greader (1 , 1 )Gtag ( 2 , 2 )
(4 R) 2
2



(2. 5)

Khi ăng-ten truyền và ăng-ten nhận đều là ăng-ten đẳng hƣớng và đặt trên cùng
phƣơng truyền sóng và môi trƣờng đƣợc coi là lý tƣởng thì mức công suất bức xạ
đạt giá trị lớn nhất và có đƣợc biểu thức dƣới đây:

Prec tag
Ptr reader

  

 G0reader G0-tag
 4 R 
2

(2. 6)

24


  
Thông số 
 trong công thức (2. 6) mô tả mức tổn hao tín hiệu nhận đƣợc tại
 4 R 
2

ăng-ten của thẻ khi hệ thống lắp đặt trong môi trƣờng lý tƣởng.
Giai đoạn 2: Tín hiệu phản xạ từ ăng-ten Thẻ truyền lại ăng-ten đầu đọc
Sau khi thẻ nhận đƣợc năng lƣợng cung cấp từ đầu đọc, 1 phần năng lƣợng dùng để
kích hoạt thẻ; phần năng lƣợng còn lại sẽ đóng vai trò là nguồn phát tín hiệu trở lại
ăng–ten của đầu đọc. Phần năng lƣợng phát từ thẻ có giá trị bằng:

Ptr tag   tag

 2Greader (1 , 1 )Gtag ( 2 , 2 )
Ptr reader
(4 R) 2

(2. 7)

Với  tag là hằng số RCS đặc trƣng cho mức độ hòa hợp trở kháng trong thẻ
Từ đây tính đƣợc mật độ công suất phát của thẻ:

Wtr tag 
  tag

Ptr -tagGtag ( 2 , 2 )

4 R 2
 2Greader (1 ,1 )G 2tag ( 2 ,2 )
(4 R) 2 4 R 2

(2. 8)

Ptr reader

Vùng không gian hiệu dụng của ăng–ten đầu đọc lúc này là:

 2 
Arec reader  Greader (1 ,1 ) 

 4 

(2. 9)

Công suất ăng–ten đầu đọc thẻ nhận đƣợc là:

25