Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) đóng vai trò then chốt trong định vị và dẫn đường ngoài trời. Tuy nhiên, tín hiệu vệ tinh GPS suy hao nghiêm trọng hoặc mất hoàn toàn khi đi vào môi trường kín như các tòa nhà cao tầng, khu công nghệ, nhà xưởng sản xuất hay hầm ngầm. Để giải quyết bài toán định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS), các giải pháp sử dụng sóng vô tuyến sẵn có như Wi-Fi và Bluetooth Low Energy (BLE) đã được triển khai dựa trên chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (Received Signal Strength Indicator - RSSI). Mặc dù vậy, phương pháp RSSI chịu tác động nặng nề bởi hiện tượng phản xạ đa đường (multipath), nhiễu môi trường và vật cản, dẫn đến sai số vị trí rất lớn và phụ thuộc mạnh vào khoảng cách. Sự xuất hiện của BLE 5.0 kết hợp mạng lưới Bluetooth Mesh có cải thiện phạm vi phủ sóng nhưng độ chính xác vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu giám sát chi tiết.

Công nghệ sóng xung băng siêu rộng (Ultra-Wideband - UWB) với đặc tính truyền xung vô tuyến cực ngắn và băng thông lớn đã mang lại giải pháp định vị trong nhà với độ chính xác cao, giới hạn sai số ở mức khoảng 30 cm. Tại thời điểm nghiên cứu (năm 2020), công nghệ UWB bắt đầu được tích hợp trên các dòng điện thoại thông minh cao cấp (iPhone 11, iPhone 12, Samsung Galaxy Note 20). Tuy nhiên, trên quy mô thương mại toàn cầu, các giải pháp ứng dụng UWB vẫn chỉ tập trung ở một số ít doanh nghiệp và startup công nghệ (như Sewio Networks, infsoft); tại Việt Nam, số lượng đơn vị nghiên cứu và chế tạo thực tế còn rất hạn chế (tiêu biểu có Nha Trang Hitech).

Trong bối cảnh đó, khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Máy tính của tác giả Bùi Trung Điền (Trường Đại học Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) đã chọn đề tài xây dựng và đánh giá thực nghiệm một hệ thống định vị và cảnh báo trong nhà sử dụng công nghệ UWB.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của công nghệ UWB, thuật toán đo khoảng cách thời gian bay hai chiều (Two-Way Ranging) và thuật toán giải tích định vị tam giác (Trilateration).
  2. Thiết kế và chế tạo phần cứng hệ thống nhúng gồm các trạm mốc cố định (Anchors) và thẻ di động (Tag) dựa trên module UWB Decawave DWM1001.
  3. Lập trình firmware điều khiển thời gian thực cho Anchor và Tag, xây dựng giao thức truyền nhận dữ liệu gói tin theo chuẩn IEEE 802.15.4.
  4. Phát triển ứng dụng trên thiết bị di động Android kết nối Bluetooth BLE để thu thập khoảng cách, tính toán tọa độ mặt phẳng, hiển thị vị trí của Tag trên bản đồ mô phỏng và thực hiện các tính năng cảnh báo.
  5. Tiến hành đo đạc thực nghiệm độ chính xác khoảng cách và tọa độ ở các cự ly từ 4.5 m đến 14 m trong cả hai điều kiện: đường truyền thẳng không có vật cản (Line-of-Sight - LOS) và có vật cản là cơ thể người (Non-Line-of-Sight - NLOS); đồng thời thực hiện đo đối chứng với công nghệ RSSI của Bluetooth.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các vật thể hoặc con người cần xác định vị trí trong khu vực phủ sóng UWB; đánh giá độ chính xác đo khoảng cách và định vị của công nghệ UWB.
  • Phạm vi không gian: Hệ thống được thử nghiệm trong không gian kín có diện tích từ 20 $\text{m}^2$ đến 50 $\text{m}^2$, bao gồm các mặt bằng thử nghiệm có kích thước 4x4 m, 9x9 m và 14x14 m.
  • Phạm vi thiết bị: Mô hình triển khai gồm 03 thiết bị Anchor cố định trên trần nhà, 01 thiết bị Tag gắn trên đối tượng di chuyển, và 01 thiết bị di động đóng vai trò trạm giám sát.
  • Phạm vi thời gian và nguồn điện: Toàn bộ thiết bị phần cứng được cấp nguồn độc lập bằng pin sạc 16340, cho phép hệ thống hoạt động liên tục trong khoảng thời gian 03 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng tính toán và thực nghiệm dựa trên các cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp kỹ thuật sau:

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Khái niệm và đặc tính công nghệ UWB: Theo định nghĩa của Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) và Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU), UWB là công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến thông qua ăng-ten chiếm băng thông tối thiểu 500 MHz hoặc chiếm tối thiểu 20% tần số trung tâm số học. Tín hiệu xung cực ngắn giúp UWB có khả năng xuyên qua vật cản tốt, kháng nhiễu đa đường và cho phép đo mốc thời gian truyền nhận tín hiệu với độ phân giải cao.
  • Mô hình xác định khoảng cách Two-Way Ranging (TWR): Thiết bị DWM1001 ghi nhận mốc thời gian phát và nhận xung vô tuyến thông qua bộ đếm xung clock phần cứng. Tag phát gói tin tại thời điểm $T_1$, Anchor nhận được tín hiệu và gửi phản hồi sau khoảng thời gian trễ chuẩn bị $T_{delay}$. Tag nhận lại gói tin tại thời điểm $T_2$. Thời gian truyền tín hiệu một chiều giữa hai thiết bị được tính bằng công thức: $$\text{Thời gian} = \frac{T_2 - T_1 - T_{delay}}{2}$$ Khoảng cách giữa Anchor và Tag được tính theo tốc độ truyền sóng radio trong không khí (xem như bằng vận tốc ánh sáng $c = 3 \times 10^8 \text{ m/s}$): $$\text{Khoảng cách} = c \times \text{Thời gian}$$
  • Mô hình giải tích định vị tam giác (Trilateration): Tọa độ của Tag $(X_{Tag}, Y_{Tag}, Z_{Tag})$ liên hệ với khoảng cách $r_i$ đến các Anchor $i$ có tọa độ $(x_i, y_i, z_i)$ thông qua phương trình mặt cầu: $$r_i^2 = (X_{Tag} - x_i)^2 + (Y_{Tag} - y_i)^2 + (Z_{Tag} - z_i)^2$$ Do tất cả các Anchor đều được cố định trên trần nhà ở cùng một độ cao ($z_1 = z_2 = z_3$) song song với mặt sàn, bài toán được quy đổi về mặt phẳng 2D. Biến số cao độ $Z_{Tag}$ được loại bỏ để triệt tiêu lỗi căn thức bậc hai ra giá trị âm, từ đó giải hệ phương trình tìm ra nghiệm tọa độ phẳng duy nhất $(X_{Tag}, Y_{Tag})$.
  • Mô hình suy hao RSSI dùng để đối chứng: Cường độ tín hiệu thu được của Bluetooth/Wi-Fi biến thiên theo khoảng cách $d$ theo phương trình thực nghiệm: $$RSSI[\text{dBm}] = -(10 \times n \times \log_{10}(d) - Tx)$$ Biến đổi để tính khoảng cách: $$d[\text{m}] = 10^{\frac{Tx - RSSI}{10 \times n}}$$ Trong môi trường không khí bình thường, hệ số suy giảm $n = 2$. Với thiết bị Nordic Beacon được tác giả sử dụng làm mốc đo kiểm, công suất phát ở khoảng cách 1 mét là $Tx = -69 \text{ dBm}$.

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tổng hợp và phân tích so sánh: Tham khảo kết quả nghiên cứu của Pablo Cotera và cộng sự (2016) tại Center for Engineering and Industrial Development (Mexico) về thuật toán Trilateration cải tiến cho robot công nghiệp; kết hợp số liệu so sánh các công nghệ định vị trong nhà từ báo cáo kỹ thuật của Gina Wurms (infsoft, 2017) giữa Wi-Fi, BLE, UWB và RFID.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống nhúng: Lập trình hệ thống phân luồng đa nhiệm dựa trên hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên chip vi điều khiển ARM Cortex-M4; cấu hình ngắt phần cứng, cờ trạng thái (flags) và truyền thông dịch vụ UART qua Bluetooth BLE (Nordic UART Service - NUS).
  • Phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm: Tiến hành lấy mẫu khoảng cách với tần số 2-3 mẫu/giây/Anchor; thu thập các bộ dữ liệu lớn gồm 650 mẫu (ở điều kiện không cản) và hơn 80 mẫu (ở điều kiện có cản) tại 4 mốc khoảng cách (4.5 m, 6 m, 9.2 m, 14 m) để tính toán giá trị trung bình, độ phân tán và tỷ lệ mẫu lệch chuẩn.

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc phần cứng

Hệ thống sử dụng các thành phần phần cứng được chuẩn hóa:

  • Kit phát triển UWB Decawave MDEK1001 (tích hợp module DWM1001):
    • Bộ xử lý trung tâm: Vi điều khiển Nordic Semiconductor NRF52832 tích hợp lõi vi xử lý ARM Cortex-M4 32-bit có bộ xử lý dấu phẩy động (FPU), xung nhịp 64 MHz.
    • Bộ nhớ: 512 kB Flash và 64 kB RAM.
    • Cảm biến tích hợp: Cảm biến gia tốc chuyển động 3 trục.
    • Giao tiếp ngoại vi: UART, SPI, I2C, GPIO và cổng mở rộng tương thích chân cắm Raspberry Pi.
    • Nguồn cấp: Hoạt động trong dải điện áp từ 2.8 V đến 3.6 V. Kit tích hợp sẵn đế pin và mạch sạc chuyên dụng cho pin sạc 16340 (dung lượng điện áp danh định 3.7 V), được bao bọc bởi vỏ nhựa bảo vệ có móc treo tường/trần cố định.
  • Thiết bị hiển thị và giám sát (Mobile): Điện thoại Google Pixel XL chạy hệ điều hành Android (yêu cầu tối thiểu Android 4.3 có Bluetooth BLE). Cấu hình gồm vi xử lý Qualcomm Snapdragon 821 (4 nhân: 2 nhân 2.15 GHz và 2 nhân 1.6 GHz), chip đồ họa Adreno 530, bộ nhớ trong 128 GB.

2. Thiết kế Firmware và giao thức truyền thông

Firmware trên các thiết bị Anchor và Tag hoạt động dưới sự điều phối của hệ điều hành FreeRTOS, dựa trên cơ chế phản hồi ngắt (Interrupts) và các cờ trạng thái (Flags):

  • Cơ chế ngắt và quản lý cờ: Hệ thống quản lý 4 trạng thái ngắt chính: (1) Ngắt nhận gói tin tốt (bật Flag nhận dữ liệu tốt); (2) Ngắt nhận bị timeout; (3) Ngắt nhận bị lỗi (hai trường hợp này bật Flag lỗi); (4) Ngắt hoàn thành quá trình phát (bật Flag truyền dữ liệu).
  • Cấu trúc gói tin vô tuyến (chuẩn IEEE 802.15.4):
    • Gói tin cơ sở gồm 10 byte dữ liệu: Byte 0-1 chứa mã điều khiển khung (Frame Control 0x8841 - quy định khung dữ liệu địa chỉ 16-bit); Byte 2 là số thứ tự gói tin (Sequence Number - tự động tăng); Byte 3-4 là định danh mạng PAN ID (0xDECA); Byte 5-6 là địa chỉ nguồn (Source Address); Byte 7-8 là địa chỉ đích (Destination Address); Byte 9 là mã chức năng (Function Code).
    • Gói tin phản hồi thứ hai gồm 10 byte cơ sở cộng thêm 6 byte mở rộng chứa các mốc thời gian tiếp nhận dữ liệu và thời gian trễ $T_{delay}$ để phục vụ tính toán Two-Way Ranging.
  • Chu trình hoạt động của Anchor: Sau khi khởi tạo LED, cấu hình thanh ghi, xung clock và ngắt DWM1001, Anchor chuyển sang chế độ đợi nhận gói tin. Khi Flag nhận dữ liệu tốt bật, Anchor kiểm tra địa chỉ đích. Nếu trùng khớp địa chỉ của mình, Anchor tạo gói tin phản hồi chứa mốc thời gian, bật chức năng phát và chờ Flag truyền dữ liệu hoàn thành trước khi quay lại trạng thái đón nhận gói tin tiếp theo. Nếu cờ lỗi xuất hiện, hệ thống tự động xóa thanh ghi và reset chu trình.
  • Chu trình hoạt động của Tag: Tag khởi tạo cấu hình DWM1001 và hệ thống Bluetooth BLE, sau đó vận hành song song hai luồng xử lý và một bộ định thời (Callback Timer 1 giây):
    • Luồng truyền nhận: Tuần tự tạo và gửi gói tin thăm dò đến Anchor 1, Anchor 2, Anchor 3. Sau khi nhận được phản hồi hợp lệ, dữ liệu được ghi vào bộ đệm và chuyển tiếp sang thăm dò Anchor kế tiếp.
    • Luồng xử lý dữ liệu: Trích xuất mốc thời gian từ bộ đệm, tính toán khoảng cách vật lý đến từng Anchor và kiểm tra Flag timeout của Timer để sẵn sàng gửi dữ liệu.
    • Callback Timer 1 giây: Kiểm tra kết nối Bluetooth BLE với điện thoại; nếu kết nối thông suốt và dữ liệu sẵn sàng, Tag đóng gói 3 giá trị khoảng cách truyền sang ứng dụng di động thông qua dịch vụ Nordic UART Service (NUS).

3. Thiết kế ứng dụng giám sát trên thiết bị di động

Ứng dụng Android được phân tích và thiết kế chức năng theo chuẩn UML với 6 trường hợp sử dụng (Use Cases) chính:

  • Quét thiết bị Bluetooth: Dò tìm và hiển thị danh sách thiết bị BLE xung quanh kèm tên, địa chỉ MAC và chỉ số RSSI. Thiết bị Tag được nhận diện bằng tên "UWB_TAG".
  • Kết nối với thiết bị: Thiết lập đường truyền truyền thông dữ liệu không dây với Tag qua BLE NUS.
  • Định vị vị trí: Tiếp nhận chuỗi dữ liệu NUS (mảng 6 phần tử gồm phần nguyên và phần thập phân của 3 khoảng cách), áp dụng thuật toán giải tích Trilateration để tính tọa độ $(X, Y)$ của Tag.
  • Hiển thị vị trí: Vẽ và cập nhật vị trí thời gian thực của Tag lên bản đồ không gian tượng trưng với chu kỳ làm tươi 1 giây.
  • Cảnh báo người dùng: Kiểm tra tọa độ tức thời của Tag. Nếu đối tượng di chuyển ra khỏi vùng an toàn hoặc xâm nhập vào khu vực nguy hiểm đã thiết lập, điện thoại sẽ kích hoạt motor rung liên tục để cảnh báo.
  • Chỉnh sửa dữ liệu cảnh báo: Cho phép người dùng trực tiếp cấu hình, thay đổi ranh giới tọa độ của vùng cảnh báo trên giao diện.

Giao diện điều khiển chính cung cấp hai nút chức năng: Check Item (bật/tắt tính năng giám sát vùng nguy hiểm) và Warning (bật/tắt tính năng cảnh báo khi di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng UWB).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu phân tích sự phát triển của công nghệ định vị và hạn chế cốt lõi của GPS trong nhà. Tác giả chỉ ra các nhược điểm của công nghệ Wi-Fi và Bluetooth dựa trên RSSI (độ sai số vị trí rất lớn, dao động mạnh theo khoảng cách và môi trường). Giới thiệu sự xuất hiện của công nghệ UWB với độ sai số chỉ khoảng 30 cm, khảo sát hiện trạng ứng dụng UWB trên thế giới và tại Việt Nam. Xác định mục tiêu đề tài là xây dựng hệ thống định vị trong nhà kết hợp tính năng cảnh báo, giới hạn phạm vi nghiên cứu từ 20 đến 50 $\text{m}^2$ với 3 Anchor, 1 Tag và thời lượng hoạt động bằng pin liên tục trong 3 giờ.

Chương 2. Công nghệ UWB

Chương này đi sâu vào cơ sở kỹ thuật của sóng xung UWB, băng thông tối thiểu 500 MHz theo chuẩn FCC/ITU và khả năng truyền nhận xung cực ngắn giúp tối ưu hóa định vị thời gian thực. Tác giả tổng hợp các hướng nghiên cứu tiền đề, bao gồm thuật toán Trilateration nâng cao của nhóm nghiên cứu Pablo Cotera et al. (2016) và bảng so sánh toàn diện giữa 4 công nghệ định vị trong nhà của Gina Wurms (infsoft, 2017):

Tiêu chí so sánh Wi-Fi BLE UWB RFID
Độ chính xác (Accuracy) < 15 m < 5 m (với LOS) < 30 cm < 1 m (vùng quét thẻ thụ động)
Tầm phủ (Range) < 150 m < 75 m < 150 m Vùng nhận diện hẹp (spot detection)
Độ phù hợp theo dõi (Tracking) Trung bình Cao Rất cao Thấp (chỉ phát hiện hiện diện)
Mức tiêu thụ điện năng Cao Rất thấp Thấp / Trung bình Rất thấp (thẻ thụ động)

Chương 2 đồng thời trình bày cấu hình phần cứng kit phát triển MDEK1001, module DWM1001 (SoC Nordic NRF52832 ARM Cortex-M4, cảm biến gia tốc 3 trục) và thông số kỹ thuật điện thoại Google Pixel XL.

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3 trình bày mô hình kiến trúc tổng thể của hệ thống gồm 3 Anchor UWB cố định, 1 Tag UWB di động và 1 smartphone Android. Trình bày chi tiết công thức toán học đo thời gian bay hai chiều (Two-Way Ranging) với tốc độ ánh sáng $c$, cấu trúc khung dữ liệu IEEE 802.15.4 (các trường Frame Control 0x8841, Sequence Number, PAN ID 0xDECA, địa chỉ nguồn/đích và mã chức năng). Tác giả thiết lập hệ phương trình mặt cầu Trilateration và chứng minh giải pháp đưa về mặt phẳng 2D khi các Anchor được bố trí cùng độ cao trên trần nhà nhằm loại bỏ sai số căn thức của trục Z.

Cuối chương, tác giả tiến hành khảo sát thực nghiệm định lượng về hạn chế của phương pháp đo khoảng cách bằng RSSI trên sóng vô tuyến Bluetooth sử dụng Nordic Beacon ở khoảng cách 4 m:

Đại lượng đo RSSI (khoảng cách 4 m) Giá trị thực nghiệm
Số lượng mẫu đo 650 mẫu (tốc độ lấy mẫu 20 mẫu/giây)
Giá trị RSSI trung bình -85.44 dBm
Giá trị RSSI lớn nhất (Max) -69 dBm
Giá trị RSSI nhỏ nhất (Min) -106 dBm
Tỷ lệ mẫu nằm trên mức trung bình 38.61%

Biên độ dao động cực lớn (từ -69 dBm đến -106 dBm) chứng minh rằng từ cự ly 4 m trở lên, việc tính toán khoảng cách từ hàm logarit của RSSI gây sai số vọt cấp (tại -81 dBm tính ra 4 m, nhưng chỉ cần dao động sang -83 dBm khoảng cách đã nhảy lên 5 m).

Chương 4. Trình bày, đánh giá bàn luận về kết quả

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa hệ thống:

  • Lưu đồ thuật toán và máy trạng thái FreeRTOS cho Anchor và Tag, phân chia luồng truyền nhận, luồng tính toán và callback timer 1 giây gửi dữ liệu NUS.
  • Đặc tả 6 use case của ứng dụng mobile bằng chuẩn ngôn ngữ UML (bảng đặc tả use case, giao diện kết nối thiết bị MAC, màn hình định vị 2D và cơ chế rung cảnh báo).
  • Trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm đo khoảng cách giữa 3 Anchor và Tag ở các mốc cự ly 4.5 m, 6 m, 9.2 m và 14 m trong hai điều kiện không cản và có cản (cơ thể người).
  • Báo cáo kết quả thử nghiệm định vị thực tế trên ba không gian mặt bằng: khu vực 4x4 m, 9x9 m và 14x14 m.

Chương 5. Điểm mạnh và điểm yếu của đề tài

Tác giả tự đánh giá các điểm mạnh và điểm yếu cốt lõi sau quá trình thử nghiệm:

  • Điểm mạnh: Ứng dụng thành công công nghệ UWB vào hệ thống thực tế với độ chính xác cao vượt trội so với BLE/Wi-Fi; firmware FreeRTOS vận hành ổn định; ứng dụng mobile xử lý tính toán mượt mà và hỗ trợ tính năng cảnh báo rung thời gian thực hữu ích.
  • Điểm yếu: Hệ thống mới chỉ hỗ trợ định vị duy nhất 01 Tag di chuyển; thời lượng cấp nguồn pin 16340 giới hạn trong 3 giờ; khi xuất hiện vật cản che khuất giữa Tag và Anchor, sai số khoảng cách bị tăng lên và có thời điểm xuất hiện hiện tượng mất mẫu cục bộ trong chu kỳ đo.

Chương 6. Hướng phát triển

Chương cuối cùng đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống:

  • Mở rộng kiến trúc mạng UWB để hỗ trợ định vị đồng thời nhiều Tag (multi-tag tracking) phục vụ giám sát số lượng lớn đối tượng.
  • Nghiên cứu tích hợp các bộ lọc ước lượng trạng thái nâng cao (như Kalman Filter) để khử nhiễu và bù sai số khi tín hiệu UWB bị che khuất trong môi trường phi tầm nhìn thẳng (NLOS).
  • Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và nâng cấp nguồn pin để tăng thời gian hoạt động liên tục của các node phần cứng.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả đo đạc thực nghiệm

Khóa luận đã thu thập các tập dữ liệu đo đạc thực tế để kiểm tra độ chính xác của UWB ở các cự ly chuẩn. Mỗi giây hệ thống UWB lấy được từ 2 đến 3 mẫu khoảng cách từ mỗi Anchor về Tag; kết quả hiển thị là trung bình các lần đo trong 1 giây.

Dữ liệu đo đạc ở các khoảng cách tiêu biểu được tổng hợp như sau:

Khoảng cách chuẩn Điều kiện đo đạc Số lượng mẫu Anchor 1 (Trung bình) Anchor 2 (Trung bình) Anchor 3 (Trung bình) Ghi chú về độ lệch và tỷ lệ mẫu
4.5 m Không vật cản (LOS) 650 mẫu 4.4436 m Đạt độ chính xác cao Đạt độ chính xác cao Sai lệch cự ly chỉ ~0.056 m; tỷ lệ mẫu trên TB: A1 (50%), A2 (32%), A3 (47%)
4.5 m Có vật cản (cơ thể người) > 80 mẫu 5.11 m Bị ảnh hưởng Bị ảnh hưởng Khoảng cách đo tăng thêm +0.61 m do suy hao và trễ truyền qua cơ thể
6.0 m Không vật cản (LOS) 650 mẫu 6.39 m Tương đương A1 Tương đương A1 Tỷ lệ mẫu trên TB: A1 (30%), A2 (67%), A3 (31%)
6.0 m Có vật cản (cơ thể người) > 80 mẫu 6.20 m Tương đương A1 Tương đương A1 Xuất hiện dao động cục bộ
9.2 m & 14 m Thử nghiệm không cản & có cản 650 mẫu & 80 mẫu Ghi nhận dữ liệu Ghi nhận dữ liệu Ghi nhận dữ liệu Tín hiệu duy trì ổn định, không bị mất kết nối hoàn toàn

Trong các đợt thử nghiệm định vị tọa độ mặt bằng thực tế tại các khu vực 4x4 m, 9x9 m và 14x14 m (Bảng 4-23 đến 4-28 trong văn bản), hệ thống đã giải và vẽ thành công vị trí của Tag lên bản đồ ứng dụng Android theo chu kỳ 1 giây, phản ánh đúng quỹ đạo chuyển động thực tế.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất của tác giả

  • Bố trí Anchor trên trần nhà: Đề xuất lắp đặt toàn bộ các thiết bị Anchor cố định trên trần nhà ở cùng một độ cao mặt phẳng song song với sàn. Giải pháp này giúp hạn chế tối đa vật cản di động trong không gian, đồng thời cho phép triệt tiêu biến cao độ $Z_{Tag}$, chuyển bài toán định vị không gian 3D phức tạp về mặt phẳng 2D nhằm loại bỏ hoàn toàn nguy cơ xuất hiện nghiệm âm trong căn thức bậc hai.
  • Tách luồng và đồng bộ bằng Timer: Kiến nghị tổ chức firmware của Tag thành hai luồng tách biệt (luồng giao tiếp vô tuyến UWB và luồng tính toán khoảng cách), kết hợp bộ định thời Callback Timer chu kỳ 1 giây để truyền dữ liệu qua dịch vụ NUS của Bluetooth. Cơ chế này đảm bảo ứng dụng Android có đủ thời gian tiếp nhận, phân tích mảng dữ liệu và cập nhật giao diện mà không gây nghẽn đường truyền.
  • Cơ chế cảnh báo an toàn tức thời: Triển khai tính năng rung cảnh báo trực tiếp trên thiết bị di động khi Tag vi phạm ranh giới an toàn (Warning) hoặc tiếp cận khu vực nguy hiểm (Check Item), tạo giải pháp ứng dụng thiết thực cho bài toán bảo hộ lao động và giám sát an ninh.

3. Đóng góp khoa học và kỹ thuật

  • Chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh một hệ thống định vị trong nhà hoạt động thực tế từ phần cứng nhúng UWB DWM1001, hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS đến phần mềm ứng dụng di động Android.
  • Cung cấp tập số liệu thực nghiệm đo đạc định lượng chi tiết (bộ 650 mẫu và 80 mẫu) về độ chính xác của công nghệ UWB trong các điều kiện môi trường thực tế (có và không có vật cản cơ thể người che chắn).
  • Đưa ra phân tích đối chứng thực nghiệm rõ ràng giữa công nghệ UWB và RSSI Bluetooth, chứng minh sự bất ổn định và sai số lớn của RSSI ở cự ly trên 4 m, khẳng định UWB là giải pháp thay thế vượt trội cho định vị trong nhà chính xác cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn nêu rõ các hạn chế kỹ thuật và phạm vi chưa hoàn thiện của hệ thống:

  • Giới hạn số lượng đối tượng: Hệ thống mới chỉ quản lý và định vị được duy nhất 01 thiết bị Tag trong vùng phủ sóng UWB tại một thời điểm, chưa hỗ trợ cơ chế đa truy cập để giám sát nhiều đối tượng đồng thời.
  • Thời lượng hoạt động của nguồn pin: Do sử dụng pin sạc dung lượng nhỏ 16340, thời gian cấp nguồn liên tục của hệ thống chỉ đạt khoảng 03 giờ, cần phải sạc lại định kỳ nên chưa thể ứng dụng vận hành công nghiệp liên tục 24/7.
  • Ảnh hưởng của vật cản hấp thụ sóng (NLOS): Cơ thể con người đóng vai trò là vật cản làm chậm và suy hao sóng vô tuyến UWB, dẫn đến sai số đo khoảng cách tăng lên rõ rệt (khoảng cách đo thực tế bị kéo dài ra, ví dụ ở mốc 4.5 m sai số tăng lên mức trung bình 5.11 m).
  • Mất mẫu cục bộ: Trong quá trình đo đạc thực tế, đôi khi một trong ba Anchor không lấy được giá trị khoảng cách trong chu kỳ 1 giây, dù toàn hệ thống không bị ngắt kết nối hoàn toàn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp giao thức truyền thông UWB để hỗ trợ mạng lưới đa thẻ (multi-tag tracking), cho phép quản lý hàng chục hoặc hàng trăm đối tượng trong cùng một vùng phủ sóng.
  • Bổ sung các thuật toán lọc số và ước lượng nâng cao (như Extended Kalman Filter hoặc thuật toán bù trừ độ trễ NLOS) nhằm triệt tiêu sai số đo đạc khi bị con người hoặc chướng ngại vật che chắn.
  • Tối ưu hóa phần cứng và chế độ tiết kiệm năng lượng của chip NRF52832/DWM1001, kết hợp các giải pháp pin dung lượng lớn hơn để nâng cao thời lượng vận hành.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng và IoT: Cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết từ lý thuyết đến thực hành về công nghệ vô tuyến UWB, cách cấu hình và lập trình module Decawave DWM1001 / NRF52832 trên nền tảng FreeRTOS.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống định vị thời gian thực (RTLS): Tham khảo kiến trúc phân chia luồng truyền nhận - xử lý, cấu trúc đóng gói khung tin chuẩn IEEE 802.15.4, phương pháp giải hệ phương trình Trilateration 2D và kỹ thuật kết nối Bluetooth NUS với ứng dụng Android.
  • Các nghiên cứu so sánh công nghệ vô tuyến: Số liệu đo đạc thực nghiệm 650 mẫu RSSI và UWB ở các cự ly 4.5 m, 6 m, 9.2 m, 14 m là nguồn dữ liệu đối chứng giá trị cho các đề tài nghiên cứu về suy hao tín hiệu vô tuyến trong nhà.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phần cứng vi điều khiển và module UWB nào để thiết kế Anchor và Tag?

Hệ thống sử dụng kit phát triển Decawave MDEK1001 tích hợp module DWM1001. Module này bao gồm vi điều khiển Nordic Semiconductor NRF52832 với vi xử lý ARM Cortex-M4 32-bit (hỗ trợ FPU, xung nhịp 64 MHz, bộ nhớ 512 kB Flash và 64 kB RAM), cảm biến gia tốc chuyển động 3 trục, chạy hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS và được cấp nguồn bằng pin sạc 16340 (3.7 V).

2. Thuật toán định vị được triển khai như thế nào để chuyển đổi từ không gian 3D về mặt phẳng 2D?

Hệ thống sử dụng thuật toán Trilateration (định vị tam giác) giải hệ phương trình mặt cầu dựa trên khoảng cách từ Tag tới 3 Anchor. Do cả 3 Anchor đều được gắn cố định trên trần nhà ở cùng một độ cao ($z_1 = z_2 = z_3$) song song với mặt sàn, tọa độ trục cao độ $Z_{Tag}$ không cần phải tính toán. Việc loại bỏ trục Z giúp đưa bài toán về hệ tọa độ phẳng 2D, giải ra nghiệm duy nhất $(X_{Tag}, Y_{Tag})$ và triệt tiêu hoàn toàn lỗi căn thức bậc hai nhận giá trị âm trong quá trình tính toán.

3. Nguyên lý đo khoảng cách giữa Tag và Anchor hoạt động ra sao và gói tin truyền nhận có cấu trúc thế nào?

Khoảng cách được xác định bằng phương pháp Two-Way Ranging (TWR): $\text{Khoảng cách} = c \times (T_2 - T_1 - T_{delay}) / 2$, trong đó $c$ là vận tốc ánh sáng, $T_1$ là thời điểm Tag phát, $T_{delay}$ là độ trễ phản hồi tại Anchor và $T_2$ là thời điểm Tag nhận lại tín hiệu. Gói tin truyền nhận tuân thủ chuẩn IEEE 802.15.4 kích thước 10 byte cơ sở (gồm Frame Control 0x8841, Sequence Number, PAN ID 0xDECA, Source Address, Destination Address, Function Code) và gói tin phản hồi kèm thêm 6 byte chứa các mốc thời gian và giá trị delay.

4. Kết quả đo khoảng cách thực tế của UWB ở cự ly 4.5 m khi có và không có vật cản cơ thể người khác nhau như thế nào?

Ở cự ly chuẩn 4.5 m trong điều kiện không có vật cản (trên 650 mẫu đo), khoảng cách trung bình Anchor 1 đo được là 4.4436 m (sai số chỉ 0.056 m so với thực tế). Tuy nhiên, khi có vật cản là cơ thể con người chắn giữa Tag và Anchor (trên 80 mẫu đo), khoảng cách trung bình đo được tăng lên 5.11 m (sai số lệch +0.61 m). Nguyên nhân do mô cơ thể người hấp thụ và làm chậm tốc độ truyền lan của sóng xung vô tuyến.

5. Vì sao nghiên cứu khẳng định phương pháp định vị bằng RSSI của Wi-Fi và Bluetooth không tối ưu ở khoảng cách lớn hơn 4 m?

Thực nghiệm đo 650 mẫu RSSI từ Nordic Beacon ở khoảng cách 4 m cho thấy giá trị RSSI trung bình là -85.44 dBm nhưng biên độ dao động rất lớn, trải rộng từ -106 dBm đến -69 dBm. Do quan hệ giữa RSSI và khoảng cách tuân theo hàm logarit, từ cự ly 4 m trở đi độ nhạy suy giảm mạnh: ở mức -81 dBm tính ra khoảng cách 4 m, nhưng chỉ cần suy hao dao động thêm 2 dBm (xuống -83 dBm) thì khoảng cách tính toán đã nhảy vọt lên 5 m, gây ra sai số vị trí rất lớn và bất ổn định.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Bùi Trung Điền đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống định vị và cảnh báo trong nhà sử dụng công nghệ sóng xung UWB trên nền tảng phần cứng Decawave DWM1001 kết hợp hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS và ứng dụng giám sát Android. Hệ thống đã giải quyết hiệu quả bài toán đo khoảng cách Two-Way Ranging, tính toán tọa độ mặt phẳng bằng thuật toán Trilateration 2D và kích hoạt cảnh báo rung tức thời khi đối tượng tiếp cận vùng nguy hiểm hoặc vượt ranh giới an toàn trong phạm vi 20 đến 50 $\text{m}^2$. Dù còn hạn chế về khả năng theo dõi đa đối tượng và độ trễ khi bị cơ thể người che chắn, các số liệu thực nghiệm định lượng trong công trình đã khẳng định tính chính xác và ưu thế vượt trội của UWB so với các giải pháp định vị RSSI truyền thống. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư ngành Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng trong việc tiếp cận và phát triển các hệ thống định vị thời gian thực chuyên sâu.