Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 1.1 Đặt vấn đề 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 chỉ 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 tòa nhà là không 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 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.2 Các kĩ thuật định vị trong nhà Công nghệ không dây - Công nghệ WIFI Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phú, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 11 Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà 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 2.6GHz, 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. 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 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 Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phú, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 12 Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà Siêu âm sử dụng một máy phát để phát ra những sóng âm tần số cao bên ngoài phổ thính giác của con người, sau đó được thu bởi một máy thu cho phép nó tính toán khoảng cách giữa chúng 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.2 Giải pháp cho đề tài 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, chúng 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 Phú, 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 TÀI 2.1 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 (T reply ), 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: 1 T prop = ( T round - T reply ) (2.1) 2 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 Phú, 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: T T - T reply 1 .T reply 2 T^ prop = round 1.2) T round 1 + T round 2 + T reply 1 + T reply 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 t 1 với vận tốc v 1 và được nhận ở t 2. Trong khi tín hiệu thứ hai được gửi đi lúc t 3 với vận tốc v 2.
Hơn nữa, t 3 = t 1 + t wait , và tín hiệu này nhận được ở t 4. Để tính khoảng cách, công thức trở thành: Sinh viên thực hiện: Trần Đình Phú, Nguyễn Hoàng Dương Hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang 15 Nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị trong nhà T f = ( v 1 - v 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. 5 Trilateration Để có thể ước tính được vị trí của các tag, hệ thống cần cố định các anchor.