Chương 1 Tổng quan: Giới thiệu về lý do chọn đề tài. Chỉ rõ được mục tiêu, giới hạn đề tài đối tượng và phương nghiên cứu của đề tài đang thực hiện. Từ đó, định hướng phát triển các chương tiếp theo. ◼ Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Trình bày về các cơ sở lý thuyết đã được thực hiện nghiên cứu và tổng hợp từ trước đó để xây dựng đề tài.
◼ Chương 3 Thiết kế hệ thống: Thực hiện xây dựng phần cứng và phần mềm để hoàn thiện hệ thống, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ chức năng, sơ đồ nguyên lý, hoàn thiện chức năng cho hệ thống. ◼ Chương 4 Kết quả: Thực hiện kiểm tra đánh giá các chức năng đã được yêu cầu của hệ thống về phần cứng và phần mềm. ◼ Chương 5 Kết luận và hướng phát triển: Kết luận về đề tài với những thành quả đã làm và đạt được so với yêu cầu hệ thống đã đề ra trước đó, bên cạnh đó sẽ nêu lên hướng phát triển mở rộng cho đề tài trong tương lai. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ BẰNG SÓNG BLE 2.1 Một số công nghệ thường dùng để xác định vị trí trong nhà WiFi: Sử dụng các trạm gốc phát hay thu tín hiệu Wifi được đặt trong khu vực cần xác định vị trí vật thể.
Từ đó phụ thuộc vào từng mô hình xây dựng trước mà dựa trên cường độ tín hiệu wifi nhận được dược thiết bị phát và thiết bị thu để tính toán vị trí của vật thể [1]. UWB: Cũng giống như các công nghệ khác thì UWB cũng xây dựng mô hình gồm các bộ phát hay bộ thu để thu thập tín hiệu giữa các điểm nút và vật xác định vị trí để tính toán vị trí. Điểm khác biệt là UWB hoạt động ở tần số tương đối cao hơn so với các công nghệ khác dẫn tới khả năng chống nhiễu của sóng này tương đối cao. Trong việc xác định vị trí bằng công nghệ UWB có một số phương pháp tạo nên sự chính xác cao của công nghệ này là Time of Flight (ToF) xác định vị trí bằng cách tính dựa trên thời gian bay của tín hiệu [2].
RFID: Sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ của các thẻ tag và các bộ đọc RFID để xác định vị trí của vật thể. Khoảng cách nhận dạng tần số vô tuyến dao động từ vài cm đến hơn mười mét. So với các công nghệ khác thì công nghệ này tương đối tiêu tốn nhiều chi phí để xây dụng hệ thống [3]. BLE: Có phần giống hơn so với công nghệ xác định vị trí bằng wifi khi sử dụng cường độ tín hiệu nhận được RSSI từ các bộ phát và bộ thu BLE để tính toán vị trí của vật thể cần xác định [4].1 Một số công nghệ định vị trong nhà [5] [6] Technology BLE WIFI UWB RFID Location 1-5m 3-8m 10cm 1-5m accuracy Anti Medium Medium Strong Medium interference 5 Power Very low High High Medium consumtion Security Secure Secure Secure Insecure Deployment Simply Complex Medium Simply complexity Cost Low Medium Medium Low Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ không dây được thiết kế cho những ứng dụng yêu cầu năng lượng hoạt động thấp, phổ biến và dễ tiếp cận.
Bluetooth low energy có khả năng hỗ trợ các kết nối có tốc độ tương đối cao có thể ngang với bluetooth bình thường. Ưu điểm của BLE là nó có thể hỗ trợ nhiều mô hình kết nối hơn so với bluetooth bình thường, điều này giúp nó có lợi thế trong các ứng dụng trong các mô hình mạng lưới nhiều nút kết nối với nhau. Hơn thế nữa, nếu như nhìn vào bảng so sánh các công nghệ định vị không dây ở trên. Nếu như xét về độ chính xác hay khả năng chống nhiễu thì BLE chỉ hạn chế phần nhỏ hơn so với UWB.
Tuy nhiên, BLE lại có ưu điểm vượt trội về năng lượng tiêu thụ thấp và chi phí xây dựng hệ thống thấp hơn nhiều so với các công nghệ xác định vị trí khác. Bởi vì một số tính chất trên mà BLE trở thành công nghệ tương đối phù hợp trong các ứng dụng xác định vị trí vật thể trong nhà.2 Định vị trong nhà bằng công nghệ BLE Theo dõi hay định vị vị trí của các vật thể trong công nghệ BLE được thực hiện từ việc áp dụng các thuật toán để tính vị trí vào tín hiệu tương tác giữ các bộ phát và thu BLE trong hệ thống. Các bộ phát hay bộ thu BLE này sẽ được xây dựng và lắp đặt tùy vào từng mô hình hệ thống phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng định vị trong nhà. Có hai mô hình hệ thống thường đươc sử dụng trong công nghệ định vị bằng BLE: ﹣ Theo dõi vị trí trong nhà ở một số nơi có diện tích không gian nhỏ [4].
6 ﹢ Hệ thống sẽ xây dựng các thiết bị thu BLE được đặt cố định trong không gian là BLE gateway. Còn lại, các thiết bị cần xác định vị trí là các BLE ibeacon( phát BLE). ﹢ Các thiết bị BLE ibeacon phát BLE ra môi trường xung quanh và các thiết bị BLE gateway nhận tín hiệu BLE. Tín hiệu BLE nhận được sẽ được thực hiện phân tích và tính toán vị trí.
Sau cùng, vị trí sẽ được gửi lên giao diện người dùng trên Server.1: Một trong những mô hình về định vị trong nhà bằng BLE ﹣ Theo dõi vị trí trong nhà ở một số nơi có diện tích không gian lớn [4]. ﹢ Hệ thống sẽ xây dựng các thiết bị phát BLE được đặt cố định trong không gian là BLE ibeacon. Còn lại các thiết bị cần xác định vị trí là các thiết bị thu BLE như smartphone hay các BLE tag. ﹢ Các thiết bị BLE ibeacon phát BLE ra môi trường xung quanh và các thiết bị BLE tag hay smartphone nhận tín hiệu BLE.
Tín hiệu BLE nhận được sẽ được thực hiện phân tích và tính toán vị trí. Sau cùng vị trí sẽ được gửi lên giao diện người dùng trên Server.2: Một trong những mô hình định vị trong nhà bằng BLE 2.2 THUẬT TOÁN TÍNH VỊ TRÍ TRILATERATION 2.1 Thuật toán Trilateration 2.1 Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) RSSI(chỉ số cường độ tín hiệu nhận được) đây chính thông số đặc trưng cho cường độ tín hiệu nhận được khi thiết bị thu nhận tín hiệu BLE từ thiết bị phát [7] [8] [9]. Khi một thiết bị nhận được tín hiệu BLE, nó sẽ có sự khác biệt bởi mỗi thiết bị phát BLE sẽ có địa chỉ MAC riêng và thông số RSSI sẽ được phân tách cho từng đối tượng một cách dễ dàng. RSSI thường được đo bằng dBm(decibel-milliwatts) hoặc mW, độ mạnh yếu của tín hiệu này còn phụ thuộc vào công suất phát của thiết bị phát BLE (tx power).
RSSI có vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống định vị bằng BLE khi đây chính là thông số để tính khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu BLE.3: Tính khoảng cách d từ cường độ tín hiệu thu được RSSI 𝑅𝑆𝑆𝐼 = −10𝑛 log10 (𝑑 ) + 𝐴 (𝑑𝐵𝑚) (2.1) Trong đó 𝑛 là hằng số truyền tín hiệu và giá trị của nó nằm trong khoảng từ 2 đến 4 tùy thuộc vào môi trường; 𝑑 là khoảng cách giữa thiết bị phát và thiết bị thu BLE. 𝐴 là giá trị tín hiệu cường độ nhận được ở khoảng cách 1 mét tính từ bộ phát tín hiệu BLE. 𝑋𝜎 là biến ngẫu nhiên có phân phối ngẫu nhiên với giá trị trung bình 0 và phương sai 𝜎 bình phương. Để thuận tiện cho việc tính toán 𝑋𝜎 sẽ có giá trị bằng 0 [7].
Từ công thức tổng quát ta có thể suy ra cách tính khoảng cách từ bộ phát và bộ thu BLE khi nhận được chỉ số cường độ tín hiệu nhận được(RSSI) giữa chúng.2 Công thức thuật toán Trilateration Thuật toán Trilateration hay còn gọi là thuật toán 3 điểm. Thuật toán sẽ cho phép tính được vị trí của một điểm bất kì với điều kiện là 3 điểm đó phải được biết trước vị trí và các khoảng cách từ điểm cần tính tới 3 điểm đó [8]. Chính vì thế, khi áp dụng thuật toán Trilateration để tính vị trí của một thiết bị thu tín hiệu RSSI BLE chúng ta cần phải biết trước được khoảng cách giữa thiết bị thu đến 3 thiết bị phát và toạ độ cố định của 3 thiết bị phát.4: Điều kiện áp dụng thuật toán Trilateration [8] [9] Thuật toán xây dựng nên một hệ phương trình gồm 3 phương trình con từ những dữ liệu đã được biết trước từ những kiến thức về toán học hình học [8].3) 𝑑3 = √(𝑥 − 𝑥3 )2 + (𝑦 − 𝑦3 )2 Sau khi có được hệ phương trình gồm có 3 phương trình con và hai ẩn x,y. Áp dụng kiến thức đại số để gải và tìm ra toạ độ điểm cần tính (x,y).2 Ưu và nhược điểm của thuật toán ﹣ Ưu điểm ﹢ Thuật toán phù hợp với mô hình hệ thống khi hệ thống đã xây dựng nhiều thiết bị phát và thiết bị thu.
﹢ Thuật toán có khả năng mang laị độ chính xác vừa phải, trong khi không yêu cầu quá cao về tài nguyên phần cứng. ﹢ Thuật toán tương đối đơn giản để lập trình trên phần cứng. ﹣ Nhược điểm của thuật toán trilateration bao gồm: ﹢ Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của khoảng cách: Thuật toán trilateration dựa trên ước tính khoảng cách từ điểm cần tìm đến 10 các điểm đã biết. Nếu có sai số trong quá trình đo lường khoảng cách hoặc nhiễu, điều này có thể dẫn đến sai số trong kết quả ước tính vị trí.
﹢ Đa nghĩa vị trí: Khi ba đường tròn giao nhau hoặc gữa chúng không cùng nhau tạo ra điểm chung,. thì thuật toán trilateration không thể xác định chính xác vị trí duy nhất của điểm cần tìm. Thay vào đó, nó chỉ cung cấp một vùng chứa các vị trí có thể. Việc xác định vị trí chính xác trong vùng này đòi hỏi sự hỗ trợ từ các thuật toán hoặc thông tin bổ sung[10].5: Một trong các trường hợp đa nghĩa vị trí [10] Hình 2.6: Một trong các trường hợp đa nghĩa vị trí [10] 11 Hình 2.7: Một trong các trường hợp đa nghĩa vị trí [10] Như các hình ở trên trong bị nhận đo được khoảng cách giữa điểm MP tới ba điểm PRI1, PRI2, PRI3 là r1, r2, r3.
Có thể do nhiễu hay một vài lý do khác mà ba điểm này không giao nhau tại một điểm dẫn tới chúng có tạo nên ba đường tròn cắt nhau tại ba điểm, hai điểm, một điểm và thậm chí là không cắt nhau ở điểm nào. Khi đó tọa độ điểm thực tế có thể sẽ nằm trong vùng giao nhau của ba đường tròn hoặc nằm ngoài vùng giao nhau và thuật toán trilateration sẽ không cho ra kết quả hay kết quả không chính xác.