Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE: Kỹ Thuật Xác Định Vị Trí Bằng Cường Độ Sóng Vô Tuyến RSSI

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến rssi, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Nguyễn Đăng Thuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lương Vinh Quốc Danh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Kỹ Thuật Xác Định Vị Trí Bằng Cường Độ Sóng Vô Tuyến RSSI
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.3.2. Giới hạn của đề tài
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NÚT MẠNG
• 2.1.1. Phương pháp AOA
• 2.1.2. Phương pháp thời gian tới (TOA) và khác nhau thời gian tới (TDOA)
• 2.1.3. Phương pháp nhận cường độ tín hiệu RSSI
• 2.1.4. Mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách
• 2.1.5. Thuật toán xác định vị trí dựa vào khoảng cách
• 2.2. ĐỊNH HƯỚNG THỰC HIỆN
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN CỨNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN
• 3.1. MÔ HÌNH NÚT MẠNG KHÔNG DÂY
• 3.2. MODULE THU PHÁT RF CC1120
• 3.2.1. Giới thiệu về chip CC1120
• 3.2.2. Kit phát triển CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz
• 3.3. THIẾT KẾ BOARD GIAO TIẾP
• 3.3.1. Giới thiệu MCU MSP430G2553
• 3.3.2. Giới thiệu các chuẩn giao tiếp trong MSP430G2553
• 3.3.3. Board giao tiếp sử dụng MSP430G2553
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỬ DỤNG RSSI
• 4.1. KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120
• 4.1.1. Cách đọc giá trị RSSI từ module CC1120
• 4.1.2. Phương pháp khảo sát giá trị RSSI
• 4.1.3. Kết quả khảo sát
• 4.1.4. Giới thiệu bộ lọc Kalman
• 4.2. TÍNH TOÁN KHOẢNG CÁCH DỰA VÀO THAM SỐ RSSI
• 4.2.1. Biểu thức quan hệ giữa khoảng cách và RSSI
• 4.2.2. Xác định các tham số đặc trưng
• 4.3. GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI
• 4.4. GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI+
• 4.5. CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ VỊ TRÍ TRÊN MÁY TÍNH
• 4.6. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT PHẦN MỀM HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. TRƯỜNG HỢP I - KHU VỰC TRỐNG TRẢI CÓ ÍT VẬT CẢN
• 5.1.1. Điều kiện khảo sát
• 5.1.2. Phương pháp khảo sát
• 5.1.3. Kết quả khảo sát
• 5.1.4. Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI
• 5.1.5. Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu
• 5.2. TRƯỜNG HỢP II - KHU VỰC HÀNH LANG TOÀ NHÀ, CÓ NHIỀU VẬT CẢN
• 5.2.1. Điều kiện khảo sát
• 5.2.2. Phương pháp khảo sát
• 5.2.3. Kết quả khảo sát
• 5.2.4. Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI
• 5.2.5. Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Trong những năm gần đây, kỹ thuật xác định vị trí đã phát triển mạnh mẽ, với nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghệ. Hệ thống định vị được phân chia thành ba loại chính: GPS, hệ thống định vị trên nền tảng điện thoại di động, và hệ thống định vị trong nhà. Mỗi loại có những ưu điểm và hạn chế riêng. Đặc biệt, hệ thống định vị trong nhà gặp khó khăn khi sử dụng GPS do sự cản trở của các vật thể xung quanh. Do đó, việc phát triển các phương pháp định vị khác như RSSI trở nên cần thiết. Đề tài này tập trung vào việc xây dựng mô hình xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI, nhằm cải thiện độ chính xác trong môi trường indoor.

1.1 Đặt Vấn Đề

Hệ thống định vị giúp xác định vị trí và tính toán khoảng cách, từ đó hỗ trợ nhiều ứng dụng trong đời sống. Ví dụ, hệ thống GPS giúp người lái xe tìm đường ngắn nhất. Tuy nhiên, trong môi trường có nhiều vật cản, GPS không còn hiệu quả. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp định vị khác như kỹ thuật truyền thông và công nghệ thông tin là rất quan trọng. Đề tài này sẽ nghiên cứu và ứng dụng RSSI để xác định vị trí trong môi trường indoor, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.

II. Cơ Sở Lý Thuyết

Đề tài này sẽ nghiên cứu các phương pháp xác định vị trí, trong đó có RSSI. Phương pháp này dựa trên cường độ tín hiệu nhận được từ các thiết bị phát sóng. Các phương pháp khác như AOA, TOA, và TDOA cũng được đề cập. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. RSSI là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong các hệ thống mạng không dây. Nó cho phép xác định vị trí của đối tượng dựa trên cường độ tín hiệu nhận được từ các trạm tham khảo. Đặc biệt, trong môi trường indoor, RSSI có thể cung cấp thông tin chính xác hơn so với các phương pháp khác.

2.1 Các Phương Pháp Xác Định Vị Trí

Có nhiều phương pháp xác định vị trí trong mạng không dây, bao gồm AOA, TOA, TDOA và RSSI. Phương pháp AOA sử dụng góc tới của tín hiệu để xác định vị trí, trong khi TOA và TDOA dựa vào thời gian lan truyền của tín hiệu. RSSI là phương pháp đơn giản và hiệu quả, cho phép xác định vị trí dựa trên cường độ tín hiệu nhận được. Mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách là rất quan trọng trong việc tính toán vị trí. Đề tài này sẽ tập trung vào việc ứng dụng RSSI để xác định vị trí trong môi trường indoor.

III. Kết Quả Thực Nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng RSSI để xác định vị trí trong môi trường indoor mang lại độ chính xác cao. Các thí nghiệm được thực hiện trong hai môi trường khác nhau: outdoor và indoor. Kết quả cho thấy rằng trong môi trường indoor, cường độ tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều bởi các vật cản, nhưng vẫn có thể xác định được vị trí với độ chính xác chấp nhận được. Việc sử dụng bộ lọc Kalman cũng giúp cải thiện độ chính xác của kết quả. Đề tài này đã chứng minh rằng kỹ thuật xác định vị trí bằng RSSI có thể áp dụng hiệu quả trong thực tế.

3.1 Điều Kiện Khảo Sát

Trong quá trình khảo sát, các điều kiện môi trường được ghi nhận kỹ lưỡng. Môi trường outdoor có ít vật cản, trong khi môi trường indoor có nhiều vật cản như tường và đồ đạc. Kết quả khảo sát cho thấy rằng cường độ tín hiệu giảm dần khi khoảng cách tăng lên, và sự suy giảm này phụ thuộc vào loại vật cản. Việc phân tích dữ liệu RSSI cho phép xác định được vị trí của đối tượng một cách chính xác hơn. Đề tài đã sử dụng các phương pháp phân tích tín hiệu để tối ưu hóa kết quả định vị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ định vị, việc xác định vị trí chính xác của các thiết bị di động trong môi trường đa dạng ngày càng trở nên quan trọng. Theo ước tính, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã đạt độ chính xác cao trong môi trường ngoài trời, tuy nhiên, hiệu quả của GPS bị hạn chế rõ rệt trong môi trường trong nhà (indoor) do sự cản trở tín hiệu bởi các vật thể như tường, trần nhà và các thiết bị điện tử khác. Đề tài “Kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI” tập trung nghiên cứu và xây dựng một mô hình định vị sử dụng sóng vô tuyến ở tần số 169 MHz, nhằm khắc phục những hạn chế của GPS trong môi trường indoor.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phát triển hệ thống xác định tọa độ 2D cho đối tượng cố định hoặc di chuyển trong phạm vi khoảng 30m x 30m, sử dụng giá trị Received Signal Strength Indicator (RSSI) thu từ các module RF CC1120 giao tiếp với vi xử lý MSP430G2553. Phạm vi khảo sát thực nghiệm được thực hiện tại hai môi trường điển hình: sân ngoài trời của Khoa Nông Nghiệp và tầng trệt Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp định vị hiệu quả trong môi trường indoor, phục vụ các ứng dụng như cứu hộ trong tòa nhà, bệnh viện, và các hệ thống giám sát an ninh.

Hệ thống được thiết kế nhằm giảm thiểu hiện tượng suy hao tín hiệu và fading trong môi trường nhiều vật cản, đồng thời tăng khoảng cách xác định vị trí nhờ sử dụng tần số VHF 169 MHz với bước sóng dài (λ = 1.77 m). Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng kỹ thuật định vị không phụ thuộc GPS, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và truyền thông không dây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình định vị phổ biến trong mạng không dây, bao gồm:

• Phương pháp AOA (Angle of Arrival): Xác định vị trí dựa trên góc tới của tín hiệu từ các điểm tham chiếu. Phương pháp này yêu cầu anten định hướng cao và ít nhất hai điểm tham chiếu để xác định vị trí 2D. Tuy nhiên, chi phí phần cứng cao và phức tạp.

• Phương pháp TOA (Time of Arrival) và TDOA (Time Difference of Arrival): Dựa trên thời gian truyền sóng từ máy phát đến máy thu để tính khoảng cách. Phương pháp này đòi hỏi đồng bộ hóa thời gian chính xác giữa các thiết bị, phù hợp với các hệ thống có yêu cầu độ chính xác cao.

• Phương pháp RSSI (Received Signal Strength Indicator): Sử dụng cường độ tín hiệu nhận được để ước lượng khoảng cách giữa các nút mạng. RSSI có ưu điểm là chi phí thấp, không cần đồng bộ thời gian, nhưng độ chính xác bị ảnh hưởng bởi môi trường và hiện tượng fading.

Trong đề tài, tác giả lựa chọn phương pháp RSSI kết hợp với thuật toán ROCRSSI+ để xác định vị trí. Thuật toán ROCRSSI+ dựa trên việc xác định vùng giao nhau của các vòng tròn có tâm tại các trạm tham chiếu, giúp thu hẹp phạm vi vị trí mục tiêu. Bộ lọc Kalman được áp dụng để xử lý và loại bỏ nhiễu tín hiệu RSSI, nâng cao độ chính xác của phép đo.

Các khái niệm chính bao gồm:

• RSSI: Đơn vị đo cường độ tín hiệu nhận được, thường tính bằng dBm.

• ROCRSSI+: Thuật toán xác định vị trí dựa trên so sánh và giao thoa các vòng tròn RSSI.

• Bộ lọc Kalman: Thuật toán lọc nhiễu và ước lượng trạng thái dựa trên chuỗi dữ liệu đo lường.

• Module RF CC1120: Thiết bị thu phát sóng RF hoạt động ở tần số 169 MHz, có khả năng đo và truyền giá trị RSSI.

• Vi xử lý MSP430G2553: Bộ điều khiển chính giao tiếp với module RF qua chuẩn SPI, xử lý dữ liệu và điều khiển hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại hai môi trường outdoor và indoor, cụ thể:

• Môi trường outdoor: Sân Khoa Nông Nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ, phạm vi khảo sát 30m, mật độ lấy mẫu 5 mẫu/m, công suất phát 0 dBm.

• Môi trường indoor: Tầng trệt Khoa Công Nghệ, phạm vi khảo sát 40m, mật độ lấy mẫu 5 mẫu/m, công suất phát 0 dBm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thu thập giá trị RSSI từ các module CC1120 qua giao tiếp SPI với vi xử lý MSP430G2553.

• Áp dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu và ổn định dữ liệu RSSI.

• Tính toán khoảng cách dựa trên công thức logarit giữa RSSI và khoảng cách với tham số môi trường đặc trưng (hệ số n).

• Sử dụng thuật toán ROCRSSI+ để xác định vị trí 2D của đối tượng mục tiêu.

• Hiển thị kết quả vị trí trên phần mềm mô phỏng Matlab.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2014 đến tháng 10/2015, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp tài liệu, thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 6 module RF CC1120, trong đó 4 module làm trạm tham chiếu (Reference Nodes), 1 module làm trạm mục tiêu (Blind Node), và 1 module làm trạm gốc (Gateway Node) kết nối với máy tính.

Phương pháp chọn mẫu là khảo sát thực tế tại các vị trí cố định và di chuyển trong phạm vi giới hạn, nhằm đánh giá độ chính xác và tính ổn định của hệ thống trong điều kiện môi trường khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mối quan hệ giữa RSSI và khoảng cách:

   • Trong môi trường outdoor, giá trị RSSI giảm đều và ổn định trong phạm vi 30m, ví dụ tại 1m RSSI là -33 dBm, tại 30m là -71 dBm.

   • Trong môi trường indoor, RSSI suy giảm nhanh hơn, tại 10m là -70 dBm, thấp hơn 17 dBm so với outdoor (-53 dBm), và giảm tới ngưỡng -105 dBm tại 34m, vượt quá đó module thu không nhận được tín hiệu.

2. Hiệu quả của bộ lọc Kalman:

   • Bộ lọc Kalman giúp loại bỏ nhiễu và ổn định giá trị RSSI trong môi trường indoor, giảm sai số đo lường và tăng độ tin cậy của dữ liệu.

3. Độ chính xác vị trí xác định bằng thuật toán ROCRSSI+:

   • Hệ thống xác định vị trí với sai số trung bình trong phạm vi 1-2 mét trong môi trường outdoor và khoảng 2-3 mét trong môi trường indoor.

   • Kết quả vị trí được hiển thị trực quan trên phần mềm mô phỏng Matlab, thể hiện rõ sự tương đồng giữa vị trí thực tế và vị trí ước lượng.

4. Ảnh hưởng của môi trường đến độ chính xác:

   • Môi trường indoor với nhiều vật cản gây hiện tượng fading và nhiễu đa đường, làm giảm độ chính xác so với môi trường outdoor.

   • Việc sử dụng tần số 169 MHz giúp giảm suy hao tín hiệu và tăng phạm vi truyền dẫn so với các tần số cao hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt về giá trị RSSI và độ chính xác vị trí giữa môi trường indoor và outdoor là do đặc tính truyền sóng và sự hiện diện của vật cản. Trong môi trường outdoor, tín hiệu truyền theo đường thẳng (LOS) ít bị tán xạ và hấp thụ, nên giá trị RSSI giảm đều theo khoảng cách. Ngược lại, môi trường indoor có nhiều vật cản gây hiện tượng NLOS, tán xạ và phản xạ tín hiệu, dẫn đến giá trị RSSI không ổn định và sai số lớn hơn.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả của đề tài phù hợp với xu hướng sử dụng tần số thấp để tăng phạm vi truyền và giảm ảnh hưởng của vật cản. Việc áp dụng bộ lọc Kalman và thuật toán ROCRSSI+ giúp cải thiện đáng kể độ chính xác so với các phương pháp đo RSSI truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự suy giảm RSSI theo khoảng cách trong hai môi trường, bảng thống kê giá trị RSSI và sai số vị trí, cũng như sơ đồ mô phỏng vị trí 2D trên phần mềm Matlab để minh họa hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường số lượng trạm tham chiếu (RN): Mở rộng số lượng trạm tham chiếu từ 4 lên 6-8 để cải thiện độ chính xác định vị, đặc biệt trong môi trường indoor phức tạp. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển hệ thống.

2. Phát triển thuật toán lọc nâng cao: Áp dụng các thuật toán lọc dữ liệu tiên tiến hơn như bộ lọc hạt (Particle Filter) hoặc mạng nơ-ron nhân tạo để xử lý nhiễu và đa đường, nâng cao độ chính xác vị trí. Thời gian thực hiện: 9 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu phần mềm.

3. Tối ưu phần cứng và năng lượng: Nghiên cứu sử dụng các module RF tiết kiệm năng lượng hơn và cải tiến thiết kế board giao tiếp để tăng thời gian hoạt động của hệ thống trong các ứng dụng thực tế. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư phần cứng.

4. Mở rộng phạm vi ứng dụng: Áp dụng hệ thống vào các lĩnh vực như cứu hộ trong tòa nhà, giám sát bệnh viện, quản lý kho bãi, với việc tích hợp thêm các cảm biến khác để đa dạng hóa chức năng. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các tổ chức, doanh nghiệp liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử và Truyền thông: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế hệ thống định vị sử dụng RSSI, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ RF.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và mạng cảm biến không dây: Tham khảo để áp dụng giải thuật định vị và thiết kế phần cứng hiệu quả cho các ứng dụng giám sát và quản lý tài sản.

3. Các nhà quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực cứu hộ và an ninh: Hiểu rõ về công nghệ định vị trong môi trường indoor, từ đó triển khai các giải pháp hỗ trợ công tác cứu hộ và giám sát an ninh.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị định vị và thiết bị điện tử: Nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, cải tiến công nghệ định vị không phụ thuộc GPS, phù hợp với thị trường trong nước và quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. RSSI là gì và tại sao được sử dụng trong định vị?
   RSSI (Received Signal Strength Indicator) là chỉ số đo cường độ tín hiệu nhận được tại thiết bị thu. Nó được sử dụng trong định vị vì có mối quan hệ nghịch đảo với khoảng cách giữa thiết bị phát và thu, giúp ước lượng vị trí mà không cần đồng bộ thời gian phức tạp.

2. Tại sao chọn tần số 169 MHz cho hệ thống?
   Tần số 169 MHz thuộc dải VHF có bước sóng dài, giúp giảm suy hao tín hiệu và tăng khả năng xuyên vật cản, phù hợp cho môi trường indoor nhiều vật cản và fading, từ đó nâng cao phạm vi và độ chính xác định vị.

3. Bộ lọc Kalman có vai trò gì trong hệ thống?
   Bộ lọc Kalman giúp loại bỏ nhiễu và ổn định giá trị RSSI thu được, cải thiện độ chính xác của phép đo trong môi trường có nhiều nhiễu và biến động tín hiệu như indoor.

4. Thuật toán ROCRSSI+ hoạt động như thế nào?
   ROCRSSI+ xác định vị trí dựa trên vùng giao nhau của các vòng tròn có tâm tại các trạm tham chiếu với bán kính tương ứng khoảng cách ước lượng từ RSSI, giúp thu hẹp phạm vi vị trí mục tiêu và tăng độ chính xác.

5. Hệ thống có thể áp dụng trong những lĩnh vực nào?
   Hệ thống phù hợp cho các ứng dụng định vị trong nhà như cứu hộ tòa nhà, giám sát bệnh viện, quản lý kho bãi, robot tự hành trong môi trường indoor, và các hệ thống IoT cần xác định vị trí thiết bị.

Kết luận

• Đề tài đã xây dựng thành công mô hình xác định vị trí 2D sử dụng cường độ sóng vô tuyến RSSI ở tần số 169 MHz, phù hợp cho môi trường indoor và outdoor trong phạm vi 30m x 30m.
• Bộ lọc Kalman và thuật toán ROCRSSI+ giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống trong điều kiện môi trường phức tạp.
• Kết quả thực nghiệm tại sân ngoài trời và tầng trệt tòa nhà cho thấy sai số vị trí trong khoảng 1-3 mét, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế.
• Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cứu hộ, giám sát an ninh và quản lý tài sản trong môi trường indoor.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng số lượng trạm tham chiếu, phát triển thuật toán lọc nâng cao và tối ưu phần cứng để nâng cao hiệu quả và phạm vi ứng dụng.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp cận và phát triển thêm dựa trên nền tảng này nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ định vị không dây trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, hệ thống định vị đƣợc phát triển ngày càng mạnh mẽ và càng ngày càng đạt đến độ chính xác cao hơn. Phạm vi xác định vị trí các thiết bị di động cũng đạt đƣợc những mức độ phát triển đáng kể, từ cấp độ toàn cầu cho tới cấp độ địa phƣơng, thậm chí là trong một tòa nhà. Hệ thống định vị cơ bản đƣợc phân chia thành 3 mức độ: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống định vị phạm vi rộng trên nền tảng hệ thống điện thoại di động, và hệ thống định vị trong nhà ( môi trƣờng Indoor ). Hệ thống định vị giúp ích trong việc xác định vị trí, tính toán khoảng cách, tìm đƣờng đi trong các phạm vi khác nhau.

Một ví dụ về tác dụng của hệ thống định vị là hệ thống tìm đƣờng trên các máy GPS đặt trên ô tô. Chúng giúp ngƣời lái xe có khả năng tìm kiếm con đƣờng ngắn nhất tới địa điểm đã định trƣớc, giúp con ngƣời rút ngắn thời gian tìm kiếm cũng nhƣ giảm bớt hao phí về tài chính. Trong phạm vi hẹp, hệ thống định vị sẽ giúp robot có khả năng tìm đƣờng đi trong một mô hình bóng đá robot. Lợi ích đem lại từ hệ thống định vị rất lớn và càng ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt, sản xuất của con ngƣời.

Hệ thống định vị có nhiều thuật ngữ khác nhau. Trong một số tài liệu, chúng đƣợc gọi là hệ thống xác định vị trí hay hệ thống xác định không gian. Trong đề tài này, thuật ngữ đƣợc dùng đến chủ yếu là hệ thống định vị vị trí. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Khi đề cập đến hệ thống định vị, có một hệ thống từ rất lâu và có rất nhiều ngƣời đã biết đến đó là hệ thống định vị GPS hay còn gọi là hệ thống định vị toàn cầu.

Hệ thống định vị GPS là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh đƣợc phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ vào đầu năm 1970. Năm 1978, vệ tinh GPS đầu tiên đã đƣợc đƣa ra. Năm 1994, hệ thống chính đã đƣợc hoàn thành với 24 vệ tinh và thế hệ HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 1 Luan van Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH thứ 3 của vệ tinh GPS đã đƣợc đƣa ra vào cuối năm 2005.

GPS cung cấp vị trí liên tục và thông tin thời gian, bất cứ nơi nào trên thế giới theo bất kỳ điều kiện thời tiết. GPS là một cách định vị hệ thống định vị. Ngƣời sử dụng các thiết bị của hệ thống này có thể đo vị trí của họ bằng cách sử dụng tín hiệu vệ tinh. Định vị GPS có độ chính xác cao, tuy nhiên nó hoạt động chính xác đối với môi trƣờng xung quanh khi không có nhiều vật cản tín hiệu nhƣ trên biển, sa mạc hoặc đồng trống.

nhƣng đối với môi trƣờng có nhiều vật cản tín hiệu nhƣ ở các thành phố có nhiều tòa nhà cao tầng. đặc biệt là ở môi trƣờng Indoor thì định vị GPS bị hạn chế rất nhiều. Trong trƣờng hợp này ngƣời dùng sử dụng những kỹ thuật định vị khác có độ chính xác cao hơn, cụ thể nhƣ sau: - Hệ thống định vị sử dụng phƣơng pháp TOA. - Hệ thống định vị sử dụng phƣơng pháp DOA.

- Hệ thống định vị sử dụng đo lƣờng RSSI mạng cảm biến không dây … Từ một số hệ thống định vị nêu trên, tác giả chọn hệ thống định vị sử dụng đo lƣờng RSSI làm đề tài “ Kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI ” để thực hiện với mục đích xây dựng nền tảng phát triển một phƣơng pháp xác định vị trí không phụ thuộc vào GPS, có thể áp dụng hiệu quả hơn khi sử dụng trong môi trƣờng indoor. Với phƣơng pháp định vị sử dụng đo cƣờng độ sóng vô tuyến RSSI hiện nay trên thế giới và trong nƣớc đã và đang có nhiều công trình nghiên cứu đƣợc công bố, trong đó có các tác giả nhƣ [1]; [2]; [3]; [4]… trong các bài báo này các tác giả đã đƣa ra cách cải tiến thuật tóan định vị, đề xuất sơ đồ định vị hay giải thuật định vị vị trí trong không gian 3D cho thẻ RFID dựa vào cƣờng độ tín hiệu (RSSI) 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích của đề tài này là xây dựng mô hình truyền/nhận sóng vô tuyến và thực nghiệm đo cƣờng độ cƣờng độ sóng vô tuyến (RSSI) trong cả hai môi trƣờng Outdoor và Indoor để làm nền tảng cho định vị xác định vị trí phục vụ cho công tác cứu hộ trong tòa nhà, bệnh viện…nói riêng và trong môi trƣờng Indoor nói chung. HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 2 Luan van Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Để giảm độ suy hao sóng vô tuyến khi lan truyền trong môi trƣờng indoor có nhiều vật cản tín hiệu và giảm thiểu hiện tựơng fading, đồng thời tăng khoảng cách xác định vị trí tác giả sử dụng sóng vô tuyến có tần số thuộc dải tần VHF (169MHZ).

Đây là điểm mới của đề tài mà tác giả thực hiện.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Nhiệm vụ của đề tài Để đạt đƣợc mục đích nêu trên tác giả thực hiện một số công việc cụ thể sau: - Nghiên cứu các phƣơng pháp định vị đã đƣợc công bố. - Xây dựng hệ thống định vị dựa trên cƣờng độ sóng vô tuyến sử dụng trong môi trƣờng Indoor. - Thực nghiệm kiểm tra trong môi trƣờng thực tế.2 Giới hạn của đề tài. Đề tài đƣợc nghiên cứu và thực hiện xây dựng hệ thống xác định vị trí hoàn chỉnh có khả năng xác định vị trí một đối tƣợng đƣợc đặt cố định hoặc di chuyển trong môi trƣờng cụ thể phạm vi nhỏ ( 30m x 30m ).

Các kết quả đƣợc thực nghiệm và ghi nhận ở 2 môi trừơng thực tế đƣợc xác định trƣớc: Sân khoa nông nghiệp trƣờng Đại Học Cần Thơ ( môi trƣờng Outdoor) và tầng trệt khoa công nghệ ( môi trƣờng Indoor ).5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tìm và tổng hợp tài liệu tham khảo có liên quan đến kỹ thuật xác định vị trí mục tiêu trong mạng không dây. - Ứng dụng kỹ thuật truyền sóng vô tuyến và giải thuật xác định vị trí. - Thực hiện thí nghiệm trên môi trƣờng thực tế. HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 3 Luan van Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: TS.

LƢƠNG VINH QUỐC DANH Chƣơng 2 CƠ SỞ L THUYẾT 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NÚT MẠNG Nhƣ đã trình bày ở trên, đối tƣợng cần xác định vị trí sẽ mang theo một module thu phát tín hiệu không dây. Vị trí của đối tƣợng chính là vị trí của nút mạng trong hệ thống mạng không dây đƣợc thiết lập trƣớc đó. Có nhiều phƣơng pháp xác định vị trí của nút mạng trong một hệ thống mạng không dây, phần này tác giả sẽ giới thiệu các phƣơng pháp phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng (AOA,TOA,TDOA RSSI) .1 Phƣơng pháp AOA Phƣơng pháp AOA (Angle of Arrival) [5] là phƣơng pháp xác định vị trí của thiết bị thu dựa vào hƣớng tới của tín hiệu đƣợc truyền từ các thiết bị phát (điểm tham khảo). Phƣơng pháp này cần ít nhất 2 điểm tham khảo và 2 góc tới của tín hiệu để xác định vị trí 2D; ít nhất 3 điểm tham khảo với 3 giá trị góc tới đƣợc biết cho ta khả năng xác định vị trí 3D của nút mạng.

Phƣơng pháp AOA không yêu cầu thời gian đồng bộ chính xác giữa các thiết bị truyền nhận tín hiệu. Tuy nhiên, để xác định đƣợc hƣớng góc tới, cần sử dụng anten có tính định hƣớng cao hoặc antenna mảng pha. Phƣơng pháp AOA sử dụng nguyên tắc tam giác đơn để tính toán vị trí của một nút mục tiêu và dựa trên vector khác nhau. Nút mục tiêu thể hiện các điểm giao nhau của các đƣờng đƣợc rút ra từ các trạm tham chiếu đến nút mục tiêu.

Một cặp vectơ tạo thành một góc duy nhất trong một thời điểm khi chúng giao nhau. Góc tính toán tới và thông tin cần thiết khác có thể đƣợc sử dụng để tính toán vị trí của một nút mục tiêu. Trạm thu phát với tọa độ đƣợc biết đến phải đƣợc sử dụng nhƣ tham chiếu để có đƣợc tính toán chính xác của các thông tin cần thiết trong phƣơng pháp này Các thông tin về AOA có thể đƣợc đo bằng ba cách. Loại đầu tiên dựa trên phép đo độ lệch pha giữa tín hiệu nhận đƣợc của các phần tử mảng antena.

Thứ hai là đo mật độ chùm tia hình thành hoặc quang phổ trên các mảng antena của ngƣời nhận. Cách thứ ba bƣớc tính vị trí của một thiết bị mục tiêu; để tìm AOA HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 4 Luan van Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH bằng cách sử dụng đa chùm tia ăng-ten đƣợc chia vùng. Kỹ thuật này đƣợc dựa trên sự khác biệt giữa các tính toán biên độ của tín hiệu tới ở chùm tia chính và biên độ của tín hiệu liên quan xuất hiện tính tại chùm lân cận.

Giả sử có một tín hiệu truyền từ nút mục tiêu có tọa độ x, y  đến trạm thu phát thứ i có tọa độ xi , yi . Đƣờng giữa máy phát và các điểm tham chiếu giao nhau với trục X tạo ra một góc 1  nhƣ thể hiện trong hình 2.1, góc này là góc tới đƣợc định nghĩa là:  y  yi  tan i    (1)  x  xi  Hình 2.1: Nguyên tắc góc tới. [5] Để xác định tọa độ của nút mục tiêu T, chúng ta có thể sử dụng các phƣơng trình sau đây: R tan2  x (2) tan2   tan1  R tan1  tan 2  y (3) tan 2   tan1  Hình 2.2: Phƣơng pháp AOA [5 ] HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 5 Luan van Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Tong đó R là khoảng cách giữa các trạm cố định N1 và N2, φ1 là góc tới tại nút tham chiếu N1 , φ2 là góc tới tại nút tham chiếu N2, (x, y) là tọa độ của T.

Nút mục tiêu hình (2.2) cho thấy kỹ thuật AOA 2.2 Phƣơng pháp thời gian tới (TOA) và khác nhau thời gian tới (TDOA) Phƣơng pháp thời gian tới (TOA)[5] và khác nhau thời gian tới (TDOA) [5] dựa vào thời gian lan truyền của một tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Trong phƣơng pháp TOA thời gian lan truyền là cách đƣợc xác định khoảng cách giữa các nút tham chiếu và máy phát đƣợc ƣớc tính.