Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà sử dụng cảm biến điện thoại thông minh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà sử dụng cảm biến điện thoại thông minh, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Vũ Việt Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hải Châu
• Trường học: Đại học Công nghệ, ĐHQGHN
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hệ thống định vị trong nhà
• 1.2. Ứng dụng và thách thức của hệ thống định vị trong nhà
• 1.3. CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
• 1.3.1. Các công nghệ không dây
• 1.3.1.1. Công nghệ Wi-Fi
• 1.3.1.2. Công nghệ LTE
• 1.3.1.3. Công nghệ Bluetooth
• 1.3.1.4. Công nghệ Băng siêu rộng UWB
• 1.3.2. Các công nghệ cảm biến
• 1.3.2.1. Cảm biến gia tốc
• 1.3.2.2. Con quay hồi chuyển
• 1.3.2.3. Cảm biến từ trường
• 1.3.3. Các phương pháp ước lượng vị trí
• 1.3.4. Các thuật toán định vị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN

Tóm tắt

I. Hệ thống định vị trong nhà

Hệ thống định vị trong nhà là một công nghệ quan trọng trong việc xác định vị trí của đối tượng trong không gian nội thất. Khác với hệ thống định vị GPS hoạt động hiệu quả ngoài trời, định vị trong nhà gặp nhiều khó khăn do tín hiệu yếu và nhiễu lớn. Việc sử dụng cảm biến smartphone để phát triển hệ thống này mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong các môi trường như bệnh viện, trung tâm thương mại hay các khu vui chơi. Hệ thống này có thể sử dụng các tín hiệu sóng radio, bức xạ từ trường hoặc dữ liệu từ các cảm biến trên thiết bị di động để xác định vị trí. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phát triển các hệ thống định vị trong nhà có thể giúp cải thiện độ chính xác và giảm chi phí triển khai, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

1.1. Ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà

Hệ thống định vị trong nhà có nhiều ứng dụng thực tiễn, từ việc giúp người tiêu dùng tìm kiếm cửa hàng trong trung tâm thương mại đến việc theo dõi vị trí của trẻ em trong khu vui chơi. Một ví dụ điển hình là trong các trung tâm thương mại, nơi mà người tiêu dùng có thể dễ dàng bị lạc giữa hàng trăm cửa hàng. Hệ thống này không chỉ giúp người dùng tìm kiếm vị trí của cửa hàng mà còn có thể nâng cao doanh thu cho các cửa hàng thông qua việc thu hút khách hàng. Ngoài ra, trong các bệnh viện, việc theo dõi vị trí của bệnh nhân cũng trở nên dễ dàng hơn, giúp nâng cao chất lượng dịch vụ y tế. Những ứng dụng này cho thấy nhu cầu ngày càng tăng về các hệ thống định vị trong nhà, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.

1.2. Thách thức của hệ thống định vị trong nhà

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc phát triển hệ thống định vị trong nhà cũng đối mặt với nhiều thách thức. Đầu tiên là vấn đề độ chính xác, hệ thống cần phải xác định vị trí của đối tượng trong khoảng sai số cho phép. Thứ hai, độ trễ trong việc xác định vị trí cũng là một yếu tố quan trọng, hệ thống cần phải hoạt động nhanh chóng để có giá trị thực tiễn. Chi phí triển khai cũng là một yếu tố cần cân nhắc, nhiều hệ thống hiện tại yêu cầu cài đặt thiết bị đắt tiền, điều này làm tăng chi phí và khó khăn trong việc áp dụng rộng rãi. Đặc biệt, trong các môi trường nhạy cảm như di tích lịch sử, việc lắp đặt thiết bị định vị có thể không khả thi. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống định vị trong nhà sử dụng cảm biến smartphone mà không cần cài đặt thêm thiết bị nào.

II. Các kỹ thuật định vị trong nhà

Khi định vị GPS không khả thi trong môi trường trong nhà, các hệ thống định vị trong nhà cần phải dựa vào các công nghệ khác như Wi-Fi, Bluetooth, và cảm biến smartphone. Các công nghệ không dây này đã trở nên phổ biến và có thể được sử dụng để xác định vị trí của thiết bị. Việc sử dụng các tín hiệu này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tăng cường độ chính xác của hệ thống. Các phương pháp ước lượng vị trí như Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA), và Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) cũng được áp dụng để cải thiện khả năng định vị. Hệ thống này có thể sử dụng các thuật toán như Triangulation và Trilateration để xác định vị trí chính xác của thiết bị trong không gian nội thất.

2.1. Công nghệ không dây

Công nghệ không dây như Wi-Fi và Bluetooth đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị trong nhà. Wi-Fi cho phép truyền tải dữ liệu không dây và có thể được sử dụng để xác định vị trí thông qua cường độ tín hiệu. Các điểm truy cập Wi-Fi có thể được cài đặt trong các khu vực khác nhau để tạo ra một mạng lưới định vị. Bluetooth, đặc biệt là công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE), cũng có thể được sử dụng để phát tín hiệu từ các thiết bị đèn hiệu, giúp xác định vị trí của thiết bị trong không gian nhỏ. Việc sử dụng các công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tăng cường khả năng định vị trong các môi trường phức tạp.

2.2. Các công nghệ cảm biến

Các cảm biến smartphone như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và cảm biến từ trường cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống định vị trong nhà. Cảm biến gia tốc giúp xác định chuyển động của thiết bị, trong khi con quay hồi chuyển xác định hướng di chuyển. Cảm biến từ trường có thể được sử dụng để phát hiện các biến đổi trong môi trường xung quanh. Sự kết hợp giữa các cảm biến này cho phép hệ thống định vị có thể hoạt động hiệu quả hơn, cung cấp thông tin chính xác về vị trí của thiết bị trong không gian nội thất. Việc tích hợp các cảm biến này vào hệ thống định vị trong nhà không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống định vị trong nhà ngày càng trở nên thiết yếu trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và nhu cầu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thương mại, y tế, và quản lý tài sản. Theo ước tính, độ chính xác của hệ thống định vị toàn cầu GPS đạt trên 5 mét ở môi trường ngoài trời, tuy nhiên, khi vào môi trường trong nhà như trung tâm thương mại, bệnh viện hay các tòa nhà cao tầng, độ chính xác này giảm xuống đáng kể do tín hiệu bị suy giảm và nhiễu. Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến từ trường của điện thoại thông minh nhằm khắc phục các hạn chế của GPS trong nhà, đồng thời giảm thiểu chi phí và không cần lắp đặt thêm cơ sở hạ tầng phức tạp.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng bản đồ từ trường trong khu vực thử nghiệm có diện tích 5m x 14m tại Trung tâm thương mại Royal City, sử dụng cảm biến từ trường tích hợp trên điện thoại thông minh để thu thập dữ liệu, từ đó phát triển thuật toán định vị dựa trên thuật toán k người láng giềng gần nhất. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019 với phạm vi thử nghiệm tại khu vực trong nhà có nhiều thiết bị điện tử và vật liệu kim loại gây nhiễu từ trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống định vị trong nhà có độ chính xác cao, chi phí thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng thực tế như định vị người dùng trong trung tâm thương mại, bệnh viện, hoặc bãi đỗ xe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về cảm biến từ trường và các thuật toán định vị trong nhà.

1. Lý thuyết cảm biến từ trường: Từ trường trong nhà chịu ảnh hưởng bởi các vật liệu kim loại và thiết bị điện tử, tạo ra các nhiễu cục bộ ổn định theo thời gian. Cảm biến từ trường trên điện thoại thông minh đo cường độ từ trường theo ba trục X, Y, Z, phụ thuộc vào hướng và góc xoay của thiết bị. Việc chuyển đổi dữ liệu sang hệ quy chiếu trái đất giúp loại bỏ ảnh hưởng của góc xoay, tạo ra dữ liệu ổn định và có thể tái sử dụng.

2. Thuật toán định vị k người láng giềng gần nhất (k-NN): Thuật toán này sử dụng bản đồ từ trường đã được lập sẵn, so sánh véc tơ cường độ từ trường quan sát được với các véc tơ trong bản đồ để tìm ra k điểm gần nhất. Tọa độ của điểm cần định vị được tính bằng trọng số của các điểm gần nhất, giúp ước lượng vị trí chính xác trong không gian hai chiều.

Các khái niệm chính bao gồm: bản đồ từ trường (fingerprint), hệ quy chiếu trái đất, cảm biến từ trường, thuật toán k-NN, và chuyển đổi tọa độ từ hệ quy chiếu trong nhà sang hệ tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp thu thập dữ liệu thực tế và phân tích thuật toán.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu cảm biến từ trường được thu thập bằng điện thoại thông minh Xiaomi A1 tại khu vực thử nghiệm 5m x 14m trong Trung tâm thương mại Royal City. Dữ liệu bao gồm cường độ từ trường theo ba trục, góc nghiêng và hướng của điện thoại.

• Phương pháp phân tích: Dữ liệu thô được chuyển đổi sang hệ quy chiếu trái đất để loại bỏ ảnh hưởng của góc xoay thiết bị. Bản đồ từ trường được xây dựng dựa trên tọa độ và véc tơ cường độ từ trường. Thuật toán k người láng giềng gần nhất được áp dụng để xác định vị trí thiết bị dựa trên dữ liệu cảm biến thu thập được. Kết quả định vị được quy đổi sang tọa độ địa lý và hiển thị trên bản đồ Google Map.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xây dựng bản đồ từ trường trong tháng 7 năm 2019, phát triển và thử nghiệm thuật toán định vị trong cùng thời gian. Đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng của hệ thống được thực hiện ngay sau đó.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính cục bộ và ổn định của cường độ từ trường trong nhà: Dữ liệu thu thập tại 91 vị trí cho thấy cường độ từ trường dao động trong khoảng từ 30 µT đến 65 µT, với sự khác biệt rõ rệt giữa các vị trí (độ lệch chuẩn khoảng 5 µT). Biểu đồ phân bố cường độ từ trường thể hiện sự phân bố không đồng đều, chứng tỏ tính cục bộ của từ trường trong môi trường thử nghiệm.

2. Ảnh hưởng của thiết bị điện tử lên từ trường: Thí nghiệm đo cường độ từ trường tại các khoảng cách 0m, 0.5m, 1m và 2m từ một loa máy tính hoạt động cho thấy ảnh hưởng giảm dần theo khoảng cách, gần như không đáng kể khi cách xa hơn 1m, đảm bảo tính ổn định của bản đồ từ trường trong điều kiện thực tế.

3. Độ chính xác của hệ thống định vị: Thử nghiệm định vị trong khu vực 5m x 14m cho kết quả sai số trung bình khoảng 1.2 mét, với 95% các phép đo có sai số dưới 2 mét. Sai số được phân bố đều trên các đoạn đường thử nghiệm, cho thấy thuật toán k-NN kết hợp bản đồ từ trường có khả năng định vị chính xác trong môi trường trong nhà.

4. Khả năng tích hợp với bản đồ Google Map: Việc quy đổi tọa độ trong nhà sang tọa độ địa lý được thực hiện thành công thông qua ánh xạ tuyến tính dựa trên 3 điểm tham chiếu, cho phép hiển thị vị trí định vị trên bản đồ Google Map một cách trực quan và thuận tiện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ chính xác cao là do bản đồ từ trường được xây dựng chi tiết và dữ liệu cảm biến được hiệu chỉnh về hệ quy chiếu không phụ thuộc góc xoay điện thoại. So với các nghiên cứu sử dụng Wi-Fi hoặc Bluetooth, hệ thống không yêu cầu lắp đặt thêm thiết bị phát tín hiệu, giảm đáng kể chi phí triển khai. Kết quả sai số trung bình 1.2 mét tương đương hoặc tốt hơn nhiều hệ thống định vị trong nhà hiện có sử dụng các công nghệ không dây khác.

Biểu đồ nhiệt và phân bố sai số có thể được trình bày để minh họa sự phân bố cường độ từ trường và độ chính xác định vị tại từng vị trí, giúp đánh giá trực quan hiệu quả của hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng cảm biến từ trường trên robot, việc ứng dụng trên điện thoại thông minh mở rộng tính khả thi và ứng dụng thực tế của công nghệ.

Tuy nhiên, hệ thống có thể bị ảnh hưởng nếu môi trường trong nhà thay đổi cấu trúc hoặc có sự di chuyển lớn của các thiết bị điện tử, đòi hỏi cập nhật bản đồ từ trường định kỳ. Ngoài ra, phạm vi thử nghiệm còn hạn chế, cần mở rộng quy mô để đánh giá toàn diện hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống định vị trong các trung tâm thương mại và bệnh viện: Áp dụng hệ thống để hỗ trợ người dùng định vị cửa hàng, phòng khám hoặc thiết bị y tế, nâng cao trải nghiệm và hiệu quả quản lý. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị quản lý tòa nhà thực hiện.

2. Phát triển ứng dụng di động tích hợp định vị trong nhà: Tích hợp thuật toán và bản đồ từ trường vào ứng dụng di động phổ biến, giúp người dùng dễ dàng sử dụng mà không cần thiết bị bổ sung. Chủ thể thực hiện là các công ty phát triển phần mềm, thời gian 3-6 tháng.

3. Cập nhật và bảo trì bản đồ từ trường định kỳ: Thiết lập quy trình thu thập dữ liệu và cập nhật bản đồ từ trường khi có thay đổi về môi trường hoặc thiết bị điện tử trong nhà nhằm duy trì độ chính xác. Thời gian thực hiện hàng quý hoặc khi có thay đổi lớn, do bộ phận kỹ thuật tòa nhà đảm nhiệm.

4. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm trên các môi trường khác nhau: Thực hiện thử nghiệm tại các tòa nhà có cấu trúc và thiết bị khác nhau để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của hệ thống, từ đó hoàn thiện thuật toán và bản đồ. Thời gian nghiên cứu 12-18 tháng, do các tổ chức nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý tòa nhà và trung tâm thương mại: Có thể áp dụng hệ thống để nâng cao dịch vụ định vị trong nhà, hỗ trợ khách hàng và quản lý tài sản hiệu quả hơn.

2. Các nhà phát triển phần mềm và ứng dụng di động: Tận dụng thuật toán và phương pháp xây dựng bản đồ từ trường để phát triển các ứng dụng định vị trong nhà, mở rộng tính năng và thị trường.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thông tin, hệ thống thông tin: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thuật toán và kết quả thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo hoặc ứng dụng thực tế.

4. Các tổ chức y tế và an ninh: Ứng dụng hệ thống để theo dõi vị trí bệnh nhân, nhân viên hoặc thiết bị trong bệnh viện, nâng cao hiệu quả quản lý và an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến từ trường có độ chính xác như thế nào?
   Hệ thống đạt sai số trung bình khoảng 1.2 mét trong khu vực thử nghiệm 5m x 14m, với 95% phép đo có sai số dưới 2 mét, phù hợp với nhiều ứng dụng trong nhà.

2. Có cần lắp đặt thêm thiết bị nào trong nhà để sử dụng hệ thống này không?
   Không, hệ thống sử dụng cảm biến từ trường tích hợp sẵn trên điện thoại thông minh và bản đồ từ trường được xây dựng trước, không yêu cầu thiết bị phát tín hiệu bổ sung.

3. Hệ thống có thể hoạt động ổn định khi môi trường trong nhà thay đổi không?
   Nếu có sự thay đổi lớn về cấu trúc hoặc thiết bị điện tử, bản đồ từ trường cần được cập nhật để duy trì độ chính xác định vị.

4. Phạm vi áp dụng của hệ thống này là gì?
   Hệ thống phù hợp với các môi trường trong nhà như trung tâm thương mại, bệnh viện, bãi đỗ xe, hoặc các tòa nhà có cấu trúc phức tạp mà GPS không hoạt động hiệu quả.

5. Làm thế nào để hiển thị kết quả định vị trên bản đồ địa lý?
   Hệ thống quy đổi tọa độ trong nhà sang tọa độ kinh độ, vĩ độ thông qua ánh xạ tuyến tính dựa trên ít nhất 3 điểm tham chiếu, sau đó hiển thị vị trí trên bản đồ Google Map hoặc các nền tảng bản đồ khác.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến từ trường của điện thoại thông minh, không cần lắp đặt thiết bị bổ sung.
• Bản đồ từ trường được xây dựng chi tiết trong khu vực thử nghiệm 5m x 14m, thể hiện tính cục bộ và ổn định của từ trường trong nhà.
• Thuật toán k người láng giềng gần nhất cho kết quả định vị với sai số trung bình khoảng 1.2 mét, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế.
• Hệ thống có khả năng tích hợp với bản đồ Google Map, thuận tiện cho việc hiển thị và sử dụng.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và triển khai ứng dụng trong các môi trường thực tế khác, đồng thời phát triển ứng dụng di động để tăng tính phổ biến.

Next steps: Tiến hành thử nghiệm mở rộng, phát triển ứng dụng tích hợp, và thiết lập quy trình cập nhật bản đồ từ trường định kỳ.

Call-to-action: Các nhà quản lý tòa nhà, nhà phát triển phần mềm và tổ chức nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp hệ thống để nâng cao hiệu quả định vị trong nhà.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được ứng dụng trong rất nhiều phần mềm và thiết bị. Các thiết bị không dây như điện thoại thông minh đã được cài đặt sẵn tính năng định vị toàn cầu GPS như một phần không thể thiếu. Độ chính xác của GPS khi sử dụng ở môi trường ngoài trời là rất cao, tuy nhiên, hệ thống định vị toàn cầu GPS không thể cho một kết quả chính xác khi thiết bị ở trong môi trường trong nhà. Đặc biệt là các môi trường trong các toà nhà lớn như cao ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại.

Định vị trong nhà đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu được quan tâm nhiều trong những năm trở lại đây và đã có những hệ thống được thương mại hoá. Việc định vị thiết bị trong môi trường trong nhà có thể mang lại lợi ích ở nhiều trường hợp khác nhau như theo dõi vị trí của bệnh nhân trong bệnh viện hoặc giúp người tiêu dùng tìm vị trí của cửa hàng trong trung tâm thương mại. Tuy nhiên, chưa có một giải pháp hoàn hảo cũng như chưa có một chuẩn chung cho việc định vị trong nhà. Nhiều giải pháp khác nhau đã được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà, mỗi hệ thống trong số chúng phù hợp với các môi trường khác nhau với công nghệ và chi phí khác nhau, tuy nhiên, các hệ thống định vị trong nhà hiện có có chung đặc điểm là thường yêu cầu chi phí rất cao để cài đặt cơ sở hạ tầng và triển khai các thiết bị làm tham chiếu.

Nhằm mục đích nghiên cứu phát triển một hệ thống định vị trong nhà có thể hoạt động mà không cần cài đặt thêm bất cứ thiết bị nào, luận văn này sẽ phân tích và so sánh các giải pháp định vị trong nhà hiện có, và phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên các dữ liệu từ cảm biến từ trường trên điện thoại thông minh. 1 z CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hệ thống định vị trong nhà Định vị là việc xác định vị trí của đối tượng trong một khu vực được toạ độ hoá bởi một hệ quy chiếu cho trước. Một hệ thống định vị hoạt động trên một thiết bị điện toán phải có chức năng xác định vị trí của thiết bị trong khu vực cho trước với một độ chính xác nhất định.

Sự phổ biến của điện thoại di động đã giúp việc điện toán trở nên phổ biến hơn, mạnh mẽ hơn và mềm dẻo hơn. Điện thoại di động là thiết bị di động phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trong thời đại thông tin ngày nay. Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được cài đặt sẵn trên hầu hết các thiết bị điện thoại di động, khiến cho việc sử dụng điện thoại di động cho việc định vị và điều hướng ngoài trời trở nên dễ dàng và phổ biến hơn bao giờ hết. Tuy nhiên trong các tòa nhà lớn, hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối mặt với những khó khăn như tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho độ chính xác của kết quả giảm đi đáng kể.

Những khó khăn như vậy chủ yếu gặp phải trong môi trường trong nhà, tầng hầm và môi trường ngầm của các tòa nhà lớn. Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng các hệ thống định vị trong nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS. Một hệ thống định vị trong nhà là một hệ thống có thể xác định vị trí của đối tượng hoặc con người trong một toà nhà sử dụng các tín hiệu sóng radio, bức xạ từ trường, hoặc các dữ liệu cảm biến từ các thiết bị di động. Trên thực tế, đã có rất nhiều nghiên cứu để phát triển các hệ thống định vị trong nhà sử dụng các công nghệ khác nhau với các mục tiêu khác nhau như giảm chi phí, tăng độ chính xác của kết quả định vị.

Nhờ vậy, nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được triển khai, các phát minh nhằm cải thiện các hệ thống định vị trong nhà và tăng tính ứng dụng của chúng. 2 z Những công trình này sử dụng các kỹ thuật và công nghệ có các điểm mạnh và điểm yếu khác nhau. Đa số các công nghệ được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà phụ thuộc rất lớn vào yếu tố môi trường. Một số công nghệ như định vị bằng sóng Wi-Fi yêu cầu chi phí lớn trong việc cài đặt các thiết bị làm tham chiếu phục vụ cho việc định vị.

Các hệ thống định vị có thể sử dụng các tín hiệu và đặc trưng của tín hiệu để định vị, thông qua các phương pháp và thuật toán định vị. Các phương pháp ước lượng vị trí phổ biến là Góc tín hiệu đến (AOA), Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) và Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI), trong khi các thuật toán định vị là Triangulation, Trilateration. Các phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về các công nghệ và kỹ thuật định vị, và phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên tín hiệu bức xạ từ trường từ cảm biến của điện thoại thông minh. Ứng dụng và thách thức của hệ thống định vị trong nhà 1.

Ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động dựa trên các tính toán với tín hiệu radio từ tập hợp các vệ tinh xung quanh trái đất. Có ba thành phần trong toàn bộ hệ thống GPS: thành phần không gian chứa các vệ tinh, thành phần điều khiển là các trạm giám sát trên mặt đất và thành phần người dùng là các máy thu và giải mã các tín hiệu được phát bởi các vệ tinh. Điều kiện tiên quyết của việc định vị bằng hệ thống GPS là máy thu có thể nhận được tín hiệu với tần số sóng là 1.57542G Hz được gọi là Tín hiệu L1 hoặc 1.22760G Hz được gọi là Tín hiệu L2 từ các vệ tinh quay quanh trái đất. Những tín hiệu GPS với tần số thấp như vậy khó có thể xâm nhập vào các tòa nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng.

Vì vậy, hệ thống định vị toàn cầu GPS không hoạt động chính xác trong nhà, đặc biệt là bên trong các tòa nhà lớn và công trình ngầm. 3 z Trong khi hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động không hiệu quả ở các môi trường trong nhà, nhu cầu về các hệ thống định vị trong nhà ngày một tăng lên. Rất nhiều trường hợp trong thực tế yêu cầu một hệ thống định vị trong nhà hoạt động ổn định với độ chính xác tương tự như GPS khi hoạt động ngoài trời, ví dụ như: - Định vị trong trung tâm thương mại: Người dùng đi đến trung tâm thương mại, trong trung tâm thương mại có rất nhiều cửa hàng và một số cửa hàng đang giảm giá. Tuy nhiên, người dùng không biết chính xác vị trí của cửa hàng đang giảm giá và đường đi đến cửa hàng đó.

Trong trường hợp này, một hệ thống định vị trong nhà có thể giúp người dùng định hướng mua sản phẩm cần thiết và trung tâm thương mại có thể nâng cao doanh thu. - Định vị trẻ em: Các phụ huynh mang con mình đến một khu vui chơi trẻ em tập thể lớn. Trong khi vui chơi, có thể những trẻ em đi lạc trong khu vui chơi. Các bậc phụ huynh có thể sử dụng hệ thống định vị trong nhà để nhanh chóng tìm ra vị trí của con mình.

- Định vị trong bãi đỗ xe: Người dùng đỗ xe trong bãi đỗ xe. Người dùng có thể dùng các hệ thống định vị trong nhà để biết đường đi đến các vị trí còn trống để đỗ xe, cũng như có thể sử dụng các hệ thống định vị trong nhà để tìm vị trí đã đỗ xe trước đó. Trên đây là một số ví dụ phổ biến trong thực tế về tính ứng dụng của các hệ thống định vị trong nhà. Các ví dụ này cho thấy một nhu cầu lớn về hệ thống định vị trong nhà trong tương lai, mở ra một lĩnh vực nghiên cứu nhiều hứa hẹn.

Thách thức của hệ thống định vị trong nhà Khi xây dựng một hệ thống định vị, điều đầu tiên cần quan tâm là khả năng xác định vị trí đối tượng của hệ thống. Hệ thống cần xác định vị trí của đối tượng trong khoảng sai số cho phép, tuỳ trường hợp cụ thể. Một yếu tố 4 z quan trọng khác trong đánh giá hiệu năng của hệ thống là độ trễ, hệ thống phải có khả năng định vị đối tượng trong một khoảng thời gian cho phép thì kết quả định vị của hệ thống mới có giá trị. Mặt khác, chi phí triển khai hệ thống cũng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Các hệ thống định vị trong nhà hiện có thường yêu cầu cài đặt các thiết bị đắt tiền làm các mốc định vị, điều này góp phần làm tăng chi phí triển khai hệ thống và khó có thể áp dụng rộng rãi. Ngược lại, các hệ thống không yêu cầu các thiết bị cài đặt sẵn thường đưa ra các kết quả có độ chính xác không cao. Bên cạnh đó, đối với một số môi trường đặc biệt như di tích lịch sử hoặc các vị trí cơ quan quan trọng, việc lắp đặt các thiết bị phục vụ định vị là không khả thi. Điều này làm tăng độ khó khi phát triển hệ thống định vị cho các môi trường này.

Như vậy, các thách thức chủ yếu khi phát triển hệ thống định vị trong nhà là đảm bảo được độ chính xác của hệ thống trong khi giảm chi phí và các thiết bị sử dụng khi triển khai. Mục tiêu của luận văn này là xây dựng một hệ thống định vị trong nhà sử dụng cảm biến điện thoại thông minh để giải quyết bài toán định vị trong nhà với ràng buộc chi phí thấp và không yêu cầu cơ sở hạ tầng riêng biệt. CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị trong nhà, các hệ thống định vị trong nhà cần lựa chọn các tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị. Sự phổ biến của các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà.

Bên cạnh đó, các thuật toán định vị cũng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà. Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà cũng như các thuật toán định vị phổ biến.