Đồ án tốt nghiệp CNTT PTIT: Xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà bằng Bluetooth

Tham khảo đồ án tốt nghiệp CNTT PTIT về đề tài xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà, ứng dụng công nghệ Bluetooth (BLE) và lập trình trên Android.

• Tác giả: Trần Đại Nam
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Quốc Dũng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm
• Đề tài: Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống chỉ đường trong nhà bằng Bluetooth

Hệ thống chỉ đường trong nhà bằng Bluetooth là một giải pháp công nghệ tiên tiến giúp xác định vị trí và điều hướng người dùng trong các không gian kín như tòa nhà, siêu thị, bệnh viện hay trung tâm thương mại. Khác với GPS truyền thống chỉ hoạt động ở ngoài trời, công nghệ Bluetooth có thể hoạt động hiệu quả bên trong nhà cửa. Đề tài "Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà" được thực hiện bởi sinh viên Trần Đại Nam tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, dưới hướng dẫn của TS. Ngô Quốc Dũng. Hệ thống này sử dụng các beacon Bluetooth để phát sóng tín hiệu, từ đó thiết bị di động có thể nhận và xử lý dữ liệu để xác định vị trí chính xác. Ứng dụng này mở ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện trải nghiệm người dùng và quản lý không gian công cộng.

1.1. Khái niệm hệ thống định vị trong nhà

Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) là công nghệ cho phép xác định vị trí chính xác của người dùng hoặc thiết bị trong các không gian kín. Không như định vị GPS dựa vào vệ tinh, hệ thống Bluetooth sử dụng các điểm truy cập nhỏ gọi là beacon để phát sóng RF liên tục. Khi thiết bị di động quét được tín hiệu từ nhiều beacon, nó có thể tính toán khoảng cách dựa trên cường độ tín hiệu (RSSI) để xác định vị trí. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều hướng bệnh viện, quản lý bán lẻ, và an ninh tòa nhà.

1.2. Tầm quan trọng của Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE) là phiên bản cải tiến của Bluetooth truyền thống, tiêu thụ ít năng lượng hơn 90% so với công nghệ cũ. Điều này cho phép các beacon Bluetooth hoạt động liên tục với pin lâu dài, giảm chi phí bảo trì. BLE có khả năng kết nối nhanh chóng và hoạt động trên hệ điều hành Android cũng như iOS. Ưu điểm của Bluetooth Low Energy là độ trễ thấp, tín hiệu ổn định, và khả năng áp dụng trong quy mô lớn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho hệ thống chỉ đường trong nhà.

II. Phương pháp kỹ thuật và công nghệ áp dụng

Để xây dựng hệ thống chỉ đường bằng Bluetooth, đề tài sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến và phương pháp xử lý dữ liệu hiệu quả. Trước tiên, hệ thống quét các thiết bị BLE xung quanh bằng cách sử dụng API của hệ điều hành Android. Mỗi beacon Bluetooth phát sóng với các thông số định danh riêng, cho phép thiết bị nhận biết được beacon nào gần nhất. Cường độ tín hiệu (RSSI) được sử dụng để ước tính khoảng cách giữa thiết bị và beacon. Tuy nhiên, RSSI dễ bị nhiễu bởi tường, đồ vật và yếu tố môi trường khác. Để khắc phục điều này, bộ lọc Kalman được áp dụng để làm mịn và lọc nhiễu dữ liệu RSSI, giúp cải thiện độ chính xác của định vị. Quá trình này diễn ra liên tục để theo dõi vị trí người dùng theo thời gian thực.

2.1. Quét thiết bị Bluetooth Low Energy

Quá trình quét thiết bị BLE bắt đầu khi ứng dụng yêu cầu quyền truy cập Bluetooth trên hệ điều hành Android. Hệ thống sẽ quét tất cả các beacon Bluetooth trong phạm vi phát sóng (thường từ 10-100 mét tùy theo công suất). Mỗi beacon gửi tín hiệu định kỳ chứa UUID, Major, Minor và RSSI. Dữ liệu này được thu thập và lưu trữ trong bộ đệm để xử lý. Hệ thống quét Bluetooth phải được tối ưu hóa để tiết kiệm pin, vì quét liên tục sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng.

2.2. Xác định vị trí và lọc nhiễu RSSI

Xác định vị trí dựa trên phương pháp Trilateration, sử dụng khoảng cách từ ba beacon trở lên. Tín hiệu RSSI thường bị nhiễu, nên bộ lọc Kalman được áp dụng để ước tính trạng thái vị trí chính xác nhất. Bộ lọc Kalman hoạt động bằng cách so sánh giá trị dự đoán với giá trị đo được, từ đó điều chỉnh ước tính liên tục. Kết quả là vị trí người dùng được xác định chính xác hơn, giảm sai số từ nhiễu môi trường.

III. Công cụ phát triển và triển khai ứng dụng

Unity là nền tảng phát triển chính được sử dụng trong đề tài này để xây dựng ứng dụng Bluetooth trên Android. Unity là một engine game mạnh mẽ nhưng cũng có thể được sử dụng để phát triển các ứng dụng di động thực tế. Với Unity, developer có thể tạo giao diện người dùng trực quan, tích hợp các module xử lý dữ liệu phức tạp, và triển khai nhanh chóng trên Android. Unity cung cấp thư viện toàn diện cho việc ghi lại vị trí, hiển thị bản đồ trong nhà, và cung cấp chỉ đường thời gian thực cho người dùng. Ngoài ra, framework Unity hỗ trợ các công cụ debug mạnh mẽ giúp kiểm tra hiệu suất và tối ưu hóa ứng dụng. Sự linh hoạt của Unity cho phép tích hợp dễ dàng với các thư viện Bluetooth của Android native, tạo ra một ứng dụng chỉ đường Bluetooth hiệu quả và người dùng thân thiện.

3.1. Tính năng chính của Unity

Các tính năng chính của Unity bao gồm: Công cụ render 3D/2D chất lượng cao, hệ thống physics mạnh mẽ, và hỗ trợ multi-platform. Unity có giao diện trực quan với Scene Editor cho phép thiết kế không gian kỹ thuật số. Hệ thống event và callback cho phép lập trình dễ dàng. Đặc biệt, Unity cung cấp plugin Bluetooth cho phép giao tiếp trực tiếp với beacon Bluetooth. Quản lý tài sản (asset management) của Unity giúp tối ưu hóa kích thước ứng dụng.

3.2. Các thành phần chính trong hệ thống

Hệ thống chỉ đường Bluetooth gồm ba thành phần chính: (1) Module quét Bluetooth - phiên dịch tín hiệu beacon thành dữ liệu có thể sử dụng; (2) Engine xử lý vị trí - tính toán tọa độ người dùng bằng các thuật toán định vị; (3) Giao diện người dùng - hiển thị bản đồ, vị trí, và chỉ đường trên màn hình. Các thành phần này phối hợp chặt chẽ để cung cấp trải nghiệm chỉ đường mượt mà và chính xác.

IV. Ứng dụng thực tế và triển vọng phát triển

Hệ thống chỉ đường bằng Bluetooth có tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong các bệnh viện lớn, hệ thống này giúp bệnh nhân tìm phòng khám một cách dễ dàng, giảm căng thẳng và tăng hiệu quả phục vụ. Các trung tâm thương mại có thể sử dụng công nghệ này để hướng dẫn khách hàng đến các cửa hàng mong muốn, đồng thời thu thập dữ liệu về hành vi mua sắm. Trong các sân bay, nhà ga, Bluetooth giúp hành khách dễ dàng tìm đường đến cửa số check-in hay cửa ra. Các tòa nhà văn phòng có thể sử dụng để quản lý không gian và tối ưu hóa bố trí phòng họp. Triển vọng phát triển của hệ thống chỉ đường Bluetooth rất lớn, đặc biệt khi kết hợp với công nghệ AI để cung cấp các đề xuất cá nhân hóa. Cải thiện độ chính xác định vị, giảm chi phí triển khai, và tích hợp với các dịch vụ location-based khác sẽ là những hướng phát triển chính trong tương lai.

4.1. Các ứng dụng thực tiễn hiện nay

Ứng dụng thực tiễn của công nghệ Bluetooth đã được triển khai ở nhiều nơi: Bệnh viện dùng để điều hướng bệnh nhân, siêu thị dùng để quảng cáo sản phẩm gần khách hàng, bảo tàng dùng để cung cấp thông tin về tranh ảnh, sân bay dùng để hướng dẫn hành khách. Các ứng dụng này chứng minh rằng hệ thống Bluetooth là giải pháp thực tế và hiệu quả. Tỷ lệ áp dụng đang tăng nhanh do chi phí giảm và công nghệ trưởng thành hơn.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Tương lai của hệ thống chỉ đường Bluetooth sẽ tập trung vào: (1) Tăng độ chính xác định vị xuống dưới 1 mét; (2) Tích hợp AI để cung cấp chỉ đường thông minh; (3) Giảm chi phí beacon để có thể triển khai rộng rãi; (4) Bảo mật dữ liệu vị trí người dùng tốt hơn. Công nghệ Bluetooth sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều khả năng mới cho ứng dụng trong đô thị thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện tại, các thành phố trên thế giới đang không chỉ tăng về số lượng mà còn tăng cả về diện tích. Các tòa nhà trọc trời, các khu trung tâm thương mại nằm dưới mặt đất, hay các khu tổ hợp rộng hàng ki-lô-mét vuông đang mọc lên ngày càng nhiều. Các “khu rừng bê tông” dần dần chiếm trọn diện tích của các thành phố. Để có thể định hướng ở trong các công trình lớn, người ta thường sử dụng các biển chỉ dẫn hoặc vạch kẻ đường.

Nhưng các biện pháp này có nhiều hạn chế vì người đi phải liên tục tìm kiếm chỉ dẫn và rất dễ đi lạc nếu đi quá các biển chỉ dẫn. Không những thế, biển chỉ dẫn thường chỉ có thể chỉ đường đến các tầng hoặc khu vực nhất định, chứ không chỉ được chi tiết đến các không gian nhỏ như các phòng, quầy nhỏ, … Cho nên cần có các hệ thống định vị và chỉ đường trong nhà để mọi người có thể tìm đường đi một cách dễ dàng và trực quan. Hình TỔNG QUAN BÀI TOÁN.5: Biển chỉ dẫn trong sân bay (Nguồn: Laura Davis) 4 SV Trần Đại Nam – D15CNPM3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan bài toán Hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý.

Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. Các máy thu GPS ngày nay khá chính xác ở trong môi trường thích hợp, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu dùng 12 kênh song song nhanh chóng khóa vào các vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối liên tục [3]. Tuy nhiên, khi người dùng hoặc máy thu GPS đang ở trong một tòa nhà hay ở dưới mặt đất, độ sai số của GPS trở nên đáng kể.

Nguyên nhân của việc này là các sóng truyền các tín hiệu của GPS ở tần số 1575.42MHz (tần số cực cao) và khó có thể đi xuyên qua các vật rắn. Khi bạn ở trong một công trình, các tín hiệu từ vệ tinh bị chặn lại và làm suy hao bởi các vật thể như tường, đồ vật trong phòng, hay bị xung đột với các sóng khác cũng có tần số cực cao như sóng ăng-ten TV. Điều này làm việc định vị chính xác vị trí của bạn bằng GPS trở nên không thể. GPS chỉ có thể hoạt động hiệu quả khi mà bạn ở ngoài trời, nơi mà bạn có thể nhận được các tín hiệu GPS một cách trực tiếp.

Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng định vị, điều hướng hiện tại chỉ có thể biểu diễn vị trí và bản đồ số trong không gian 2 chiều. Điều này làm hạn chế việc xác định vị trí trong các công trình có nhiều tầng. Người dùng khó có thể xác định đường đi nếu đường đi đó đi qua nhiều tầng. Bài toán được đặt ra là: “Làm thế nào để có thể xác định được vị trí của người hoặc đồ vật trong một công trình và biểu diễn vị trí, đường đi một cách trực quan?” 5 SV Trần Đại Nam – D15CNPM3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Phương pháp đề xuất CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 2.1 Đề xuất phương pháp Trong các phương pháp xây dựng hệ thống định vị, điều hướng trong nhà nêu trên, mỗi hệ thống đều có các đặc thù và ưu điểm riêng.

Tuy nhiên, các hệ thống định vị bằng sóng có sự vượt trội hơn các hệ thống khác về độ chính xác. Bảng PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.1: Các phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhà Qua đánh giá trong bảng 2.1, ta có thể thấy phương pháp xây dựng hệ thống định vị, điều hướng trong nhà bằng các thiết bị BLE hợp lý nhất. Mặc dù chỉ có thể xác định được vị trí xấp xỉ của người dùng với độ chính xác 1 – 3 m, hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bị BLE có các ưu điểm như: các thiết bị BLE nhỏ gọn, dễ triển khai, giá thành rẻ, tiết kiệm năng lượng và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị hơn so với các hệ thống định vị trong nhà khác. Do đó, đồ án sẽ được trình bày về hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bị BLE.

Để biểu diễn vị trí, đường đi trên bản đồ số, thực tế ảo tăng cường được xây dựng trên nền tảng Unity là lựa chọn hợp lý nhất. Người dùng có thể dễ dàng so sánh thông tin mà thực tế tăng cường đưa ra với môi trường thật.2 Hệ thống định vị trong nhà bằng BLE 2.1 Bluetooth Bluetooth là công nghệ sóng không dây thường, sử dụng sóng ngắn có tần số cực cao trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn. Bluetooth hoạt động ở dải tần 2402 đến 2480 MHz hoặc 2400 đến 2483. Hình PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.6: Biểu tượng của Bluetooth (Nguồn: CNet) 6 SV Trần Đại Nam – D15CNPM3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Phương pháp đề xuất 2.2 Bluetooth Low-energy Bluetooth Low-Energy hay BLE (Bluetooth năng lượng thấp) là công nghệ về mạng cá nhân không dây được phát triển bởi Bluetooth Special Interest Group.

BLE được ứng dụng trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, mốc hiệu, an ninh, dịch vụ giải trí trong nhà,… So với Blueooth truyền thống, BLE tiêu tốn ít năng lượng hơn và giá thành rẻ hơn. Hiện nay, các hệ điều hành trên di động như iOS, Android, Windows Phone, BlackBerry và các hệ điều hành trên máy tính như macOS, Linux, Windows 8, Windows 10 đều hỗ trợ BLE. Nó cũng sử dụng các dải tần 2.4 GHz như Bluetooth truyền thống [5]. Bluetooth truyền thống Bluetooth Low-energy Tầm phát Lý thuyết: 100m Lý thuyết: <100m Thực tế: 50m Thực tế: 10 – 30m Tốc độ truyền dữ liệu 1 - 3 Mbit/giây 125 kbit/giây – 1 Mbit/giây – 2 trong không gian Mbit/giây Thông lượng 0,7 – 2,1 Mbit/giây 0,27 – 1,37 Mbit/giây Số thiết bị ngoại vi 7 Tùy vào cài đặt Độ trễ (từ trạng thái Khoảng 100ms 6 ms không hết nối) Năng lượng tiêu thụ 1W 0,01 – 0,5 W (Tùy vào mục đích sử dụng) Dòng điện tiêu thụ tối <30 mA <15 mA đa Bảng PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.2: Một số điểm khác nhau giữa Bluetooth truyền thống và BLE Vào năm 2013, Apple ra mắt thiết bị iBeacon dựa trên BLE, điều này đã làm cho các thiết BLE trở nên phổ biến hơn.

Các thiết bị Bluetooth Low-energy sử dụng Generic Attribute Profile (GATT), tạm dịch là Tập hợp thuộc tính chung để truyền dữ liệu. Một số thuật ngữ trong GATT: - Thiết bị ngoại vi (Client): Thiết bị khởi tạo các câu lệnh, yêu cầu và nhận các phản hồi GATT. Ví dụ như điện thoại di dộng, máy tính. - Thiết bị trung tâm (Server): Thiết bị nhận các câu lệnh, yêu cầu và đưa ra phản hồi GATT.

Ví dụ như cảm biến nhiệt độ - Đặc tính (Characteristic): Một giá trị dữ liệu được truyền giữa thiết bị ngoại vi và thiết bị trung tâm. Ví dụ như điện thế của dòng điện - Dịch vụ (Service): Một nhóm các đặc tính liên quan với nhau, thực hiện một chức năng nhất định. 7 SV Trần Đại Nam – D15CNPM3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Phương pháp đề xuất Hình PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.7: Cấu trúc của GATT [5] 2.3 Quét thiết bị BLE trên hệ điều hành Android Phiên bản Android 4.  Cấp quyền truy cập cho BLE: Để sử dụng các chức năng về Bluetooth trong ứng dụng, cần phải khai báo quyền sử dụng Bluetooth là BLUETOOTH và BLUETOOTH_ADMIN.

Quyền này cho phép ứng dụng yêu cầu kết nối, đồng ý kết nối và truyền dữ liệu. Ngoài ra, phải khai báo quyền truy cập vị trị chính xác ACCESS_FINE_LOCATION. Nếu không khai báo, kết quả quét sẽ trả về rỗng. Trong trường hợp chỉ cần tương tác với các thiết bị BLE, thì phải khai báo thêm  Sau đó, ứng dụng cần lấy được BluetoothAdapter.

BluetoothAdapter là Bluetooth của chính thiết bị mà ứng dụng đang chạy trên và ứng dụng tương tác với BluetoothAdapter như một đối tượng.  Quét các thiết bị BLE: Để bắt đầu tìm kiếm các thiết bị BLE, ứng dụng gọi hàm startLeScan(). Hàm này dùng với tham số là BluetoothAdapter.LeScanCallback để nhận được kết quả trả về là thông tin các thiết bị BLE mà thiết bị quét được (tên, RSSI, địa chỉ MAC, nhãn thời gian của thiết bị BLE) 8 SV Trần Đại Nam – D15CNPM3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Phương pháp đề xuất Nếu cần quét một loại BLE nhất định, thêm UUID của thiết bị ngoại vị đó trong hàm startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter. các dịch vụ của GATT sẽ chỉ quét các thiết bị có UUID trên.

 Từ các thông tin mà ứng dụng quét được từ thiết bị BLE, ta có thể xác định được vị trí người dùng.4 Xác định vị trí người dùng Hiện nay, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng 2 phương pháp chính: a) Dựa vào khoảng cách đến các thiết bị BLE: Các thiết bị Bluetooth Low-energy được gắn cố định vào từng vị trí và được gán một tọa độ nhất định.