xây dựng hệ thống định vị trong nhà sử dụng phương pháp lai trên nền tảng wifi và bluetooth năng lượng thấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG

BÁO CÁO
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LAI TRÊN NỀN TẢNG WIFI & BLUETOOTH
NĂNG LƯỢNG THẤP

GVHD: TS. TRỊNH XUÂN DŨNG
SVTH: HUỲNH THANH DƯ
NGUYỄN KHÁNH TƯỜNG

41300697
41304716

Ngày 11 tháng 01 năm 2018

1


NỘI DUNG CHÍNH

Giới thiệu và yêu cầu của luận văn

Công nghệ định vị và phương pháp định vị trong nhà

Hệ thống thiết kế định vị trong nhà dùng WLAN và BLE

Kết luận và hướng phát triển

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

2


TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Vì sao phải định vị trong nhà?
Theo thống kê của US EPA năm 2016, trong một ngày chúng ta sử dụng:

•
•

7% thời gian cho những việc ngoài trời.
93% thời gian còn lại cho các công việc trong nhà.

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

3


TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Wifi Access Point

HYBRID
(WIFI & BLE)

Bluetooth LE Beacon
Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

4


YÊU CẦU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Yêu cầu đề tài luận văn
1 - Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống, công nghệ định vị, ưu, nhược điểm của từng công nghệ.

2 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Fingerprinting nền tảng hệ thống WiFi.

3 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Trilateration trên nền tảng Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energry BLE).
4 - Đánh giá hiệu quả của hai hệ thống định vị dựa trên nền tảng WiFi và BLE.
5 - Xây dựng phần mềm định vị sử dụng phương pháp lai fingerprinting trên nền tảng WLAN và trilateration trên nền tảng BLE.

6 - Đánh giá hiệu quả của hệ thống được xây dựng.
7 - Xây dựng hệ thống back-end thu thập vị trí người sử dụng và hệ thống front-end hiện thị vị trí của các người dùng trong hệ thống.

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

5


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Công nghệ định vị trong nhà
UWB

BLUETOOTH

RFID
WLAN

Công nghệ định vị trong

Hệ thống thông tin di động GSM

nhà
Công nghệ Hybrid
Tia hồng ngoại

Chiếu sáng LED

Bộ môn Viễn thông

Từ trường

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

6

CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Công nghệ định vị trong nhà
Công nghệ định vị sử dụng WLAN

Công nghệ WLAN: chuẩn giao tiếp IEEE 802.11, được sử dụng phổ biến
nhất, bởi các điểm phát sóng có mặt hầu hết mọi nơi, nhất là trong các
tòa nhà.

Định vị sử dụng WLAN dựa trên độ mạnh tín hiệu song điện từ từ WAP,
hay còn là chỉ số cường độ sóng nhận được (RSSI).

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

7


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Công nghệ định vị trong nhà
Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth

Công nghệ Bluetooth: được tích hợp khá nhiều trong các điện thoại di động,
thường dùng trong các khu vực nhỏ, cho kết quả định vị có sai số thấp, chủ yếu
trong môi trường trong nhà, khoảng cách gần.

Bluetooth 4.0 xuất hiện, có tính năng vận hành năng lượng thấp, tầm hoạt động
được mở rộng hơn, tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

8


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Công nghệ
GPS

WLAN

Bluetooth

Ưu điểm

Nhược điểm

Có độ chính xác cao khi hoạt động ngoài trời

Tín hiệu GPS khá yếu trong môi trường trong nhà

Thiết bị với chi phí lắp đặt thấp, vùng phủ tầm trung

Tín hiệu thay đổi nhiều do môi trường phức tạp

Tiết kiệm năng lượng, chi phí lắp đặt thấp, được xây dựng ở hầu hết các điện thoại thông
minh và thiết bị cá nhân.

Tầm hoạt động thấp, cần nhiều thiết bị phát

UWB

Độ chính xác cao, băng thông rộng

Chi phí thực hiện lớn, không được sử dụng thông dụng

RFID

Không yêu cầu LOS, có thể xuyên qua vật thể rắn, không kim loại

Antenna ảnh hưởng đến tín hiệu RF, tiêu tốn nhiều năng lượng.

GSM

Không bị nhiễu vơi các thiết bị hoạt động cùng tần số

Độ tin cậy thấp

Tia hồng ngoại

Ánh sáng, từ trường

Hybrid
Bộ môn Viễn thông

Phù hợp với mô hình truyền sóng trong nhà, độ chính xác cao.

Tầm hoạt động thấp, cần chi phí thực hiện, bị ảnh hưởng bởi ánh
sáng mặt trời

Độ chính xác trung bình, được sử dụng trong các cửa hàng

Chưa phổ biến, thiết bị lắp đặt chi phí cao

Tăng độ chính xác, thực hiện nhiều môi trường trong nhà

Cần nhiều thiết bị, chi phí lắp đặt

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

9


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Công nghệ định vị trong nhà

Kinh doanh

Công nghiệp

Dân sự

Y tế

Ứng dụng
định vị trong nhà
Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

10


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị trong nhà



Phương pháp Fingerprinting
Dùng cơ sở dữ liệu đã thu thập từ trước so sánh với dữ liệu thu thập được dể

xác định vị trí. Thường được dùng với công nghệ WLAN
Có hai giai đoạn:

•Giai đoạn huấn luyện: Mô phỏng trên matlab từ đó chọn vị trí đặt AP và
thuật toán tính toán.

•Giai đoạn định vị: Thu thập cường độ sóng dùng cơ sở dữ liệu để đưa ra vị
trí

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

11


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị trong nhà

 Phương pháp Trilateration
Dùng khoảng cách đo được dể xác định vị trí. Thường được dùng với
công nghệ Bluetooth
Cần ít nhất 3 Beacons để xác định được vị trí chính là giao điểm của 3
vòng tròn tâm là các Beacon bán kính chính là khoảng cách xác định được

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

12


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị trong nhà
Ngoài ra, còn có các phương pháp định vị khác:



Phương pháp ToA (Time of Arrival) và TDoA (Time Different of Arrival)
Dùng thời gian truyền sóng từ trạm phát đến thiết bị thu để tính khoảng cách.

Công nghệ GPS sử dụng ToA, công nghệ UWB sử dụng TDoA.



Phương pháp góc truyền sóng AoA (Angle of Arrival)
Định vị vị trí nhờ góc tới của phương truyền sóng. Cần hai trạm trở lên.
(Góc tới xác định bằng cách chuyển hướng antenna cho tới khi đạt công suất lớn

nhất ứng với phương truyền sóng đó)

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

13


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị trong nhà
Phương pháp

Ưu điểm

Nhược điểm

Thời gian truyền sóng ToA

Phù hợp với môi trường truyền sóng

Phải đồng bộ trạm phát

trong nhà

Thời gian truyền sóng sai khác

Phù hợp với môi trường truyền sóng

TDoA

trong nhà

Góc truyền sóng AoA

Chính xác với các thiết bị chuyên

Độ chính xác thấp

Độ chính xác thấp

Cần nhiều antenna đẳng hướng

dụng

Tam giác hóa Trilateration

Rất đơn giản

Quá trình thực hiện phức tạp

Dấu vân tay Fingerprinting

Thuật toán đơn giản

Thời gian tính toán dài

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

14


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Phương pháp định vị trong nhà
Sử dụng các phương pháp thích hợp với công nghệ WLAN và Bluetooth đó là Fingerprinting và Trilateration.

Fingerprinting

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

Trilateration

15


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Thuật toán định vị khoảng cách Euclidean



Đây là thuật toán cơ bản sử dụng khi tính toán trong
phương pháp định vị bằng Fingerprinting.

Vị trí

AP1

RSS1

AP2

RSS2

…

APn

RSSn

1

[X11 Y11]

RSS11

[X12 Y12]

RSS12

…

[X1n Y1n]

RSS1n

2

[X21 Y21]

RSS21

[X22 Y22]

RSS22

…

[X2n Y2n]

RSS2n

…

…

…

…

…

…

…

…

[XN2 YN2]

RSSN2
2

…

[XNn YNn]

RSSNn
2

Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu từ các giá trị RSSI
mô phỏng.
Bước 2: Xác định giá trị RSSI tại điểm muốn xác

d1 =
N

định:

RSSM =  RSSM 1 , RSSM 2 ,…, RSSMn 

d2 =

( [XRSSYM1]− RSSRSS11 )
N1 N1

2

Nn
2

( RSSM1 − RSS21 )

+ ( RSSM 2 − RSS12 ) + ... + ( RSSMn − RSS1n )
2

2

+ ( RSSM 2 − RSS22 ) + ... + ( RSSMn − RSS2 n )

...
Bước 3: So sánh kết quả đo được và kết quả mô
phỏng theo thuật toán Euclidean



Công thức tổng quát:


Bộ môn Viễn thông

di =

∑ ( RSS(

dN =

n

j =1

M ,i )

( RSSM 1 − RSSN1 ) + ( RSSM 2 − RSSN 2 ) + ... + ( RSSMn − RSSNn )

− RSS( j ,i )

2

)

2

2

, i = 1,2,...,N

Vị trí cần tìm là vị trí có khoảng cách Euclidean d nhỏ nhất.
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

16

2


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị Trilateration
Giả sử trong môi trường 3D có n beacon (xi, yi, zi), i = 1,2,..,n, khoảng cách từ
beacon thứ i đến vị trí định vị là r i, các phương trình tọa độ được biểu diễn như sau:

( x − x i ) + ( y − y i ) + ( z − zi )
2

2

2

= ri2

Biến đổi toán học để tìm vị trí cần định vị (x, y) , hệ thống tuyến tính được biểu
diễn như sau:

Ax = b

Trong đó:

 x 2 − x1 y2 − y1

x − x1 y3 − y1
A= 3
 M
M

 x n − x1 y n − y1

dij =

(x

i

Bộ môn Viễn thông

− xj

) +( y
2

i

x = A−1b

z2 − z1 

z3 − z1 
M 


z n − z1 

− yj

 x − x1 


x =  y − y1 
 z − z1 

) +( z − z )
2

i

j

b21 
 
b
b =  31 
 M
 
bn1 

bn1 =

1 2 2
r1 − rn + dn21 , n = 2,3,...n

2

(

)

2

: khoảng cách từ beacon thứ i đến beacon thứ j.

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

17


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Phương pháp định vị Trilateration
Trong thực tế, do ảnh hưởng của môi trường và nhiều yếu tố khác
nên đôi khi từ khoảng cách tính được ta vẽ ra 3 đường tròn cắt nhau
tại nhiều điểm. Do vậy cần xác định một diểm ước lượng cần định
vị..
Có 2 phương pháp tối ưu dùng để ước lượng: Bình phương tối thiểu
tuyến tính (Linear Least Square - LSQ) và Bình phương tối thiểu
không tuyến tính (None Linear Least Square - NLSQ).
Tuy nhiên, LSQ cho kết quả tốt hơn so với NLSQ, tốn ít bộ nhớ hơn, ít
thời gian thựchiện hơn, đồng thời cho sai số vị trí thấp hơn.

(

x= A A
Bộ môn Viễn thông

T

)

−1

AT b
Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

18


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Khảo sát giá trị RSSI từ Wifi Access Point
Sơ đồ phòng 209 - 210B1 và vị trí 22 điểm khảo sát để đo tín hiệu RSSI.

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

Ứng dụng thu giá trị RSSI “BKU RSSI

Ứng dụng thu giá trị RSSI Wifi

Reader”

Analyzer
19


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Khảo sát giá trị RSSI từ Wifi Access Point
(Đơn vị RSSI: dBm)
Tọa độ
RSSI (BKU RSSI
Vị trí

RSSI

(Mô

Sai số RSSI giữa Mô phỏng &

Sai số RSSI giữa Mô phỏng

phỏng)

BKU RSSI Reader (dB)

& Wifi Analyzer (dB)

RSSI (Wifi Analyzer)
Reader)

x

y

1

1

3

-43

-47

-44.44

1.44

-2.56

2

3

3

-41

-42

-39.93

-1.07

-2.07

3

5

3

-33

-37

-38.42

5.42

1.42

4

5

4

-41

-41

-32.92

-8.08

-8.08

5

3

4

-45

-43

-38.05

-6.95

-4.95

6

1

4

-47

-50

-44.68

-2.32

-5.32

7

1

5

-50

-45

-45.14

-4.86

0.14

8

3

5

-47

-46

-39.11

-7.89

-6.89

9

5

5

-42

-41
Bảng kết quả
đo đạc giá trị-35.32
RSSI

-6.68

-5.68

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

20


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Khảo sát giá trị RSSI từ Wifi Access Point

Thông số

Matlab và BKU

Matlab và Wifi

RSSI Reader

Analyzer

Sai số trung bình

-2.68 dBm

-4.09 dBm

Độ lệch chuẩn

4.75 dB

6.61dB

Kết quả đánh giá sai số của RSSI giữa mô phỏng
và các phần mềm đo đạc thực tế

Độ lệch chuẩn của một số phần mềm thương
mại AWE, ibwave thường từ 8 – 10 dB.
So sánh RSSI tại 22 điểm giữa mô phỏng và đo thực tế

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

21


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Khảo sát giá trị RSSI từ beacon
Tiến hành đo khảo sát RSSI

RSSI từ khoảng cách d = 1m

Bộ môn Viễn thông

RSSI từ khoảng cách

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

d = 2m

RSSI từ khoảng cách

d = 3m

22


CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

Khảo sát giá trị RSSI từ beacon
Giá trị trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất của RSSI thu được từ beacon #1,
#2, #3 với d = 1m12m

∑(
K

d = d0 10
Bộ môn Viễn thông

RSSI0 + X g − RSSI
10 n

n=

i =1

d 
RSSId0 − RSSIi 10log  i ÷
 d0 
2

K 
 di  
 10log  ÷÷
∑
÷
i =1 
 d0  

)

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

(

1 N
Xg =
∑ RSSIi − RSSI
N − 1 i =1

)

2

= σ RSSI

23


HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Sơ đồ hệ thống

Giai đoạn huấn luyện (Offline):
Thu thập thông tin, dữ liệu cần thiết, thực hiện
các bài đo. Chọn các giá trị thích hợp làm cơ sở dữ
liệu cũng như xây dựng dựng mô hình truyền sóng.
Giai đoạn định vị (Online):
Từ vị trí, thiết bị người dùng sẽ thu được tín hiệu
RSSI của AP và Beacon, sử dụng phương pháp định vị
để xác định vị trí.

Bộ môn Viễn thông

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

24


HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
Giai đoạn huấn luyện (Offline)
Sơ đồ khối quá trình định vị bằng Bluetooth LE

Hệ số suy hao môi trường n và độ lệch chuẩn Xg được tính thông qua các phép đo thí nghiệm được thực hiện
tại môi trường khảo sát nhất định.

∑(
K

d = d0 10
Bộ môn Viễn thông

RSSI0 + X g − RSSI

10 n

n=

i =1

d 
RSSId0 − RSSI i 10log  i ÷
 d0 
2
K 

 di 
10log

 ÷÷
∑

÷
i =1 
 d0  

)

Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Tường

(

1 N
Xg =

RSSI i − RSSI
∑
N − 1 i =1

)

2

= σ RSSI
25