Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển các môi trường sống thông minh thuộc hệ sinh thái Internet vạn vật (IoT), các ứng dụng nhận dạng con người đóng vai trò thiết yếu nhằm hỗ trợ tương tác tự động giữa con người và thiết bị xung quanh. Các ngữ cảnh ứng dụng tiêu biểu bao gồm nhà thông minh, hệ thống chăm sóc và theo dõi sức khỏe, an ninh giám sát và điều khiển thiết bị từ xa.

Hiện nay, các phương pháp nhận dạng con người truyền thống tồn tại nhiều hạn chế kỹ thuật:

  • Phương pháp dựa trên thiết bị đeo (Device-based): Yêu cầu người dùng luôn mang theo các thiết bị cảm biến như vòng đeo tay, đồng hồ thông minh hoặc điện thoại. Hướng tiếp cận này gây bất tiện, giảm tính thoải mái và không khả thi trong các ngữ cảnh đặc thù như chăm sóc người cao tuổi hoặc trẻ nhỏ do người dùng có thể quên hoặc tháo thiết bị.
  • Phương pháp không dùng thiết bị đeo (Device-free) truyền thống: Sử dụng camera thị giác máy tính hoặc hệ thống cảm biến môi trường (hồng ngoại, tải trọng, ánh sáng). Camera mang lại hiệu quả xử lý cao nhưng bị phụ thuộc lớn vào điều kiện ánh sáng, góc khuất vật cản và đặc biệt làm dấy lên quan ngại nghiêm trọng về vi phạm quyền riêng tư khi ghi lại nhận dạng hình ảnh cá nhân. Trong khi đó, các cảm biến môi trường chuyên dụng lại gặp rào cản về chi phí trang bị ban đầu lớn và độ bền thiết bị.

Để khắc phục các nhược điểm trên, hướng tiếp cận nhận dạng bằng sóng vô tuyến nổi lên như một giải pháp thay thế. Phương pháp này tận dụng sự biến thiên của tín hiệu không dây khi tương tác với cơ thể con người, hoạt động xuyên vật cản, không phụ thuộc ánh sáng, bảo vệ tính riêng tư do dữ liệu ở dạng sóng và tiết kiệm chi phí nhờ khai thác hạ tầng vô tuyến sẵn có.

Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện tại về sóng vô tuyến bị bó hẹp vào một số card mạng Wi-Fi thương mại cố định (như Intel 5300, Atheros, Broadcom) với các bộ công cụ can thiệp firmware chuyên biệt. Điều này dẫn đến sự thiếu hụt khả năng tùy biến các tham số tầng vật lý (tần số hoạt động, công suất phát, chuẩn điều chế). Mặt khác, các nghiên cứu dùng thiết bị vô tuyến khả lập trình (SDR) lại phụ thuộc vào phần cứng USRP đắt đỏ kết hợp phần mềm thương mại trả phí MATLAB, gây khó khăn cho việc phổ biến nghiên cứu và triển khai thực tế trên các thiết bị biên.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan đến phương pháp nhận dạng con người bằng sóng vô tuyến.
  2. Khảo sát các thiết bị phần cứng vô tuyến khả lập trình và công cụ phần mềm mã nguồn mở để triển khai hệ thống mô phỏng.
  3. Xây dựng ứng dụng nhận dạng hành động tay của con người dựa trên bộ dữ liệu thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) tự thu thập.
  4. Triển khai mô hình hoàn chỉnh lên các máy tính nhúng để thực hiện điều khiển các thiết bị Internet vạn vật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị vô tuyến khả lập trình LimeSDR Mini; máy tính nhúng Raspberry Pi 3B và Orange Pi 5; thư viện xây dựng mô hình TensorFlow - Keras; các chuẩn định dạng mô hình học sâu (TensorFlow SavedModel, ONNX, RKNN); các công cụ phục vụ suy luận mô hình (NVIDIA Triton Inference Server, RKNN Toolkit); thư viện điều khiển chân cắm phần cứng gpiozero.
  • Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quá trình thu thập tín hiệu, huấn luyện mô hình và thử nghiệm triển khai hệ sinh thái thiết bị được tiến hành thực nghiệm trực tiếp tại phòng Lab E3.1 của Khoa Mạng máy tính và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận tích hợp nền tảng lý thuyết từ kỹ thuật truyền thông vô tuyến, xử lý tín hiệu số và các mô hình học sâu:

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM và Thông tin trạng thái kênh truyền

Phương pháp Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM) chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu song song trên các sóng mang con trực giao. Cấu trúc gói tin OFDM sử dụng các sóng mang dữ liệu (data subcarriers) xen kẽ các sóng mang dẫn đường (pilot subcarriers) và chuỗi tiền định (preamble/sync words) theo thuật toán đồng bộ của Timothy Schmidl và Donald Cox.

Quá trình truyền tín hiệu qua môi trường chịu tác động của các hiện tượng phân tán, phản xạ và hấp thụ. Tín hiệu thu được biểu diễn qua công thức ước lượng kênh truyền:

$$y_i = H \cdot p_i + n_i$$

Trong đó $y_i$ là chuỗi tín hiệu nhận được, $H$ là ma trận kênh truyền, $p_i$ là chuỗi huấn luyện tại các pilot subcarriers và $n_i$ là thành phần nhiễu. Ma trận thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information - CSI) bao gồm các phần tử số phức $Z = a + jb$, từ đó trích xuất được hai thông số vật lý:

  • Biên độ (Amplitude): $A = \sqrt{a^2 + b^2}$
  • Pha (Phase): $P = \arctan(b/a)$

Tác giả sử dụng sự thay đổi biên độ của ma trận CSI theo thời gian để nhận diện các chuyển động và cử chỉ tay của con người.

Khung phương pháp học sâu

Nhằm giải quyết hạn chế trích xuất đặc trưng thủ công của các thuật toán học máy truyền thống, tác giả áp dụng hai kiến trúc mạng học sâu:

  • Mạng nơ-ron tích chập (CNN - LeNet): Tiếp cận dữ liệu CSI dưới dạng ma trận đặc trưng không gian, trích xuất cấu trúc tín hiệu cục bộ qua các lớp tích chập (Convolutional) và lấy mẫu giảm chiều (Pooling).
  • Mạng nơ-ron hồi quy hai chiều (BiLSTM): Khai thác tính phụ thuộc chuỗi thời gian của luồng tín hiệu CSI, ghi nhận thông tin ngữ cảnh chuyển động từ cả hai chiều thời gian quá khứ và tương lai.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình kết nối giữa trạm phát tín hiệu vô tuyến, trạm thu trích xuất tín hiệu, bộ xử lý suy luận mô hình học sâu và mạch điều khiển cơ cấu chấp hành IoT.

Thông số cấu hình OFDM Giá trị thiết lập trên GNU Radio
Độ dài biến đổi Fourier nhanh (FFT Length) 64
Số sóng mang dữ liệu (Data Subcarriers) 48
Số sóng mang hoa tiêu (Pilot Subcarriers) 4
Độ dài tải dữ liệu (Payload Length) 120
Băng thông lấy mẫu (Sample Rate) 1 MHz
Tần số sóng mang gốc (Center Frequency) 850 MHz
Điều chế Header BPSK (Tỷ lệ phân tách 8:1)
Điều chế Payload QPSK (Tỷ lệ phân tách 8:2)

Hệ thống triển khai thực tế trên nền tảng phần cứng, phần mềm và dịch vụ tính toán được tổng hợp trong các bảng sau:

Thiết bị phần cứng Thông số kỹ thuật cụ thể Vai trò trong hệ thống
Raspberry Pi 3B CPU Broadcom BCM2837 64-bit (4 nhân 1.2 GHz), RAM 1 GB Máy chủ điều khiển trạm phát tín hiệu OFDM
Orange Pi 5 CPU Rockchip RK3588S (4 nhân Cortex-A76 2.4 GHz + 4 nhân Cortex-A55 1.8 GHz), RAM 16 GB, NPU 6 TOPS Máy chủ điều khiển trạm thu tín hiệu, trích xuất CSI và suy luận mô hình biên
LimeSDR Mini Dải tần 10 MHz - 3.5 GHz, Băng thông 30.72 MHz, Full Duplex, FPGA Intel MAX 10, giao tiếp USB 2.0 Thu phát tín hiệu vô tuyến khả lập trình
TP-Link WN722N Card mạng không dây chuẩn USB Bổ sung kết nối mạng quản trị cho bo mạch Orange Pi 5
Bảng mạch cắm (Breadboard) Mạch tích hợp 4 đèn LED và 4 điện trở kết nối qua GPIO Cơ cấu chấp hành trực quan hóa kết quả nhận dạng
Thành phần phần mềm / Dịch vụ Nền tảng / Cấu hình Mục đích sử dụng
GNU Radio Framework xử lý tín hiệu số mã nguồn mở Xây dựng luồng phát/thu OFDM và trích xuất CSI
PiSDR Hệ điều hành nhân Linux cài sẵn driver SDR Chạy trên bo mạch Raspberry Pi 3B
Ubuntu for Orange Pi 5 Hệ điều hành tùy biến kernel phần cứng Chạy trên bo mạch Orange Pi 5
TensorFlow - Keras Thư viện học sâu Python Xây dựng và huấn luyện mô hình LeNet và BiLSTM
NVIDIA Triton Inference Server Máy ảo Microsoft Azure (Standard D2ds v4, 2 vCPU, 8 GB RAM) Triển khai phục vụ mô hình dạng dịch vụ đám mây (Model as a Service)
RKNN Toolkit / RKNPU Bộ công cụ biên dịch mô hình cho chip Rockchip Tối ưu và chạy mô hình trực tiếp trên NPU của Orange Pi 5 (Edge Deployment)
Google Colab Nền tảng điện toán đám mây Huấn luyện mô hình học sâu trên tập dữ liệu CSI
gpiozero Thư viện lập trình giao tiếp phần cứng Python Điều khiển trạng thái bật/tắt các chân GPIO gắn LED

Chuỗi khối xử lý phát tín hiệu OFDM trên GNU Radio bao gồm: Random Source $\rightarrow$ Stream to Tagged Stream $\rightarrow$ Stream CRC32 $\rightarrow$ Protocol Formatter $\rightarrow$ Repack Bits $\rightarrow$ Chunks to Symbols $\rightarrow$ OFDM Carrier Allocator $\rightarrow$ FFT (IFFT) $\rightarrow$ OFDM Cyclic Prefixer $\rightarrow$ LimeSDR Sink. Phía thu thực hiện quy trình giải điều chế ngược lại kết hợp khối trích xuất ma trận kênh truyền Channel State Information.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu phát triển các hệ thống tương tác người - máy thông minh không tiếp xúc và không xâm phạm quyền riêng tư. Tác giả xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phạm vi thực nghiệm tại phòng Lab E3.1 thuộc Khoa Mạng máy tính và Truyền thông, cùng cấu trúc tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

Chương 2. Tình hình các nghiên cứu liên quan

Chương 2 tổng quan các công trình nghiên cứu sử dụng sóng không dây (RFID, FMCW, Wi-Fi, LoRa, LTE) để nhận dạng con người. Tác giả phân tích chi tiết các bộ công cụ trích xuất CSI hiện có: Linux 802.11n CSI Tool (card Intel 5300), Atheros CSI Tool, nexmon (chip Broadcom/Cypress), ESP32 CSI tool và PicoScenes. Chương này chỉ ra hạn chế của các giải pháp trước: phụ thuộc vào phần cứng Wi-Fi đóng, thiếu tính tùy biến thông số vô tuyến, hoặc sử dụng thiết bị USRP và phần mềm MATLAB với chi phí bản quyền đắt đỏ. Từ đó, tác giả định vị giải pháp nghiên cứu dựa trên sự kết hợp giữa phần cứng SDR giá rẻ (LimeSDR Mini) và phần mềm nguồn mở (GNU Radio).

Chương 3. Nghiên cứu lý thuyết

Chương 3 xây dựng khung lý thuyết toàn diện cho đề tài:

  • Bài toán nhận dạng con người: So sánh giữa hai hướng tiếp cận dựa trên thiết bị mang theo (device-based) và không dùng thiết bị (device-free), phân tích sự vượt trội của giải pháp sóng vô tuyến đối với tính riêng tư và khả năng thích ứng môi trường.
  • Kỹ thuật điều chế OFDM: Trình bày chi tiết toán học và sơ đồ khối điều chế/giải điều chế (S/P, Mapping, IDFT, P/S, chèn khoảng bảo vệ Cyclic Prefix, chèn Sync Words theo chuẩn Schmidl & Cox).
  • Thông tin trạng thái kênh truyền (CSI): Định nghĩa toán học của ma trận kênh truyền $H$, công thức trích xuất biên độ và pha từ số phức $Z = a + jb$.
  • Kỹ thuật học máy và học sâu: Phân loại các nhóm học máy (có giám sát, không giám sát, bán giám sát, củng cố) và cấu trúc mạng nơ-ron sâu (CNN, RNN).
  • Các công nghệ hỗ trợ triển khai: Nguyên lý thiết bị vô tuyến khả lập trình (SDR), bộ công cụ GNU Radio, hai phương thức phục vụ mô hình (Model as a Service qua Triton Server và Edge Deployment qua NPU trên máy tính nhúng).

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

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thực nghiệm tại phòng Lab E3.1:

  • Thiết lập hệ thống phát sóng OFDM trên Raspberry Pi 3B và thu sóng trên Orange Pi 5 cùng hai module LimeSDR Mini ở tần số 850 MHz.
  • Thu thập dữ liệu biến thiên biên độ CSI ứng với các thao tác cử chỉ tay của người thực nghiệm.
  • Huấn luyện hai mô hình LeNet và BiLSTM trên môi trường Google Colab, sau đó chuyển đổi sang định dạng ONNX và RKNN.
  • Triển khai suy luận theo hai phương án: kết nối API đến máy chủ Triton trên Microsoft Azure và nạp trực tiếp vào bộ tăng tốc RKNPU trên Orange Pi 5.
  • Thực hiện kết nối chân GPIO điều khiển đóng ngắt 4 đèn LED trên bo mạch cắm tương ứng với các trạng thái cử chỉ tay được phân loại thành công.

Chương 5. Thuận lợi và khó khăn

Chương 5 đúc kết các bài học kinh nghiệm trong quá trình thực hiện:

  • Thuận lợi: Sự phong phú của hệ sinh thái phần mềm mã nguồn mở (GNU Radio, TensorFlow, ONNX), sự hỗ trợ từ phòng thí nghiệm E3.1 và tài liệu kỹ thuật từ cộng đồng SDR.
  • Khó khăn: Hiện tượng trôi tần số và nhiễu sóng trong môi trường thực nghiệm; tài nguyên tính toán giới hạn của các máy tính nhúng đòi hỏi quy trình tối ưu hóa mô hình nghiêm ngặt; độ trễ xử lý luồng tín hiệu số thời gian thực qua giao tiếp USB 2.0.

Chương 6. Hướng phát triển

Chương 6 đề xuất hai hướng nâng cấp hệ thống:

  • Xử lý tín hiệu và mô hình: Nghiên cứu các giải pháp lọc nhiễu thích nghi cho ma trận CSI, kết hợp thêm thông tin pha và thử nghiệm các kiến trúc học sâu tiên tiến nhằm mở rộng sang các bài toán phức tạp hơn như nhận diện vị trí, dáng đi hoặc theo dõi hô hấp.
  • Phương pháp triển khai: Tối ưu hóa sâu hơn nữa thời gian suy luận trên các dòng vi xử lý biên chuyên dụng, giảm kích thước mô hình và xây dựng giao diện điều khiển hoàn chỉnh cho các ứng dụng nhà thông minh thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và thực nghiệm

  • Hiệu năng nhận dạng của mô hình học sâu: Quá trình huấn luyện và kiểm thử trên tập dữ liệu CSI thu nhận thực tế ghi nhận mô hình LeNet đạt độ chính xác trung bình 95%, trong khi mô hình BiLSTM đạt độ chính xác trung bình 94%.
  • Hoàn thiện chuỗi truyền nhận và suy luận: Hệ thống đã xây dựng thành công bộ thu phát OFDM độc lập bằng GNU Radio trên phần cứng LimeSDR Mini với tần số hoạt động 850 MHz, trích xuất dữ liệu CSI ổn định mà không cần can thiệp phần cứng card mạng Wi-Fi thương mại.
  • Hiện thực hóa điều khiển IoT: Hệ thống đã liên kết thành công kết quả phân loại cử chỉ tay từ mô hình học sâu (chạy trên NPU của Orange Pi 5 và Triton Server trên Azure) để điều khiển trực quan trạng thái 4 đèn LED thông qua thư viện gpiozero.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng một quy trình hoàn chỉnh, mở và có chi phí thấp cho nghiên cứu nhận dạng con người bằng sóng vô tuyến, khắc phục sự phụ thuộc vào các phần cứng card mạng độc quyền (Intel/Atheros/Broadcom) hoặc các hệ thống USRP-MATLAB đắt tiền.
  • Minh chứng tính khả thi của việc đưa mô hình học sâu nhận dạng tín hiệu vô tuyến triển khai trực tiếp trên các thiết bị nhúng biên (Edge AI) có tài nguyên hạn chế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận các hạn chế kỹ thuật sau:

  • Phạm vi thu thập dữ liệu và đánh giá mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (Lab E3.1) với số lượng cử chỉ tay và kịch bản thực nghiệm hữu hạn.
  • Tốc độ truyền nhận dữ liệu giữa máy tính nhúng và SDR bị giới hạn bởi chuẩn kết nối USB 2.0.
  • Khả năng thích ứng của mô hình khi thay đổi môi trường bố trí vật cản hoặc khi có sự xuất hiện của nhiều người cùng lúc chưa được đánh giá toàn diện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả vạch ra bao gồm:

  • Tối ưu hóa thuật toán tiền xử lý để khai thác đồng thời cả dữ liệu biên độ và dữ liệu pha của ma trận CSI.
  • Nâng cấp phần cứng máy tính nhúng và giao tiếp truyền dữ liệu để giảm thiểu độ trễ xử lý luồng thời gian thực.
  • Thử nghiệm trên các bài toán nhận dạng hành vi phức tạp hơn trong hệ thống giám sát y tế và an ninh nhà thông minh.

Giá trị tham khảo

Công trình là tài liệu tham khảo giá trị đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Mạng máy tính và Truyền thông dữ liệu, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính và Trí tuệ nhân tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Hướng dẫn thiết lập luồng xử lý tín hiệu OFDM (Tx/Rx Flowgraph) và trích xuất ma trận CSI trên bộ công cụ GNU Radio Companion.
  • Cấu hình điều khiển phần cứng vô tuyến khả lập trình LimeSDR Mini trên hệ điều hành Linux/PiSDR.
  • Quy trình chuẩn hóa để chuyển đổi mô hình học sâu (TensorFlow $\rightarrow$ ONNX $\rightarrow$ RKNN) nhằm tối ưu hóa suy luận trên bộ xử lý thần kinh NPU của bo mạch Rockchip RK3588S.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận giải quyết nhược điểm nào của các công cụ trích xuất CSI phổ biến hiện nay?
Các công cụ truyền thống (như Linux 802.11n CSI Tool hay Atheros CSI Tool) bị khóa chặt vào một số dòng card mạng Wi-Fi của các nhà sản xuất cụ thể (Intel, Atheros) và bị cố định các tham số vô tuyến. Khóa luận sử dụng thiết bị LimeSDR Mini kết hợp GNU Radio, cho phép tự do tùy biến tần số sóng mang (chọn 850 MHz), băng thông và các tham số điều chế OFDM mà không phụ thuộc vào phần cứng thương mại đóng.

2. Cấu hình điều chế tín hiệu OFDM được tác giả thiết lập trên GNU Radio gồm những thông số nào?
Mô hình OFDM được thiết lập với độ dài FFT là 64, số sóng mang dữ liệu (data subcarriers) là 48, số sóng mang hoa tiêu (pilot subcarriers) là 4, độ dài payload là 120, tần số lấy mẫu là 1 MHz, tần số sóng mang trung tâm là 850 MHz. Dữ liệu header được điều chế theo chuẩn BPSK và payload điều chế theo chuẩn QPSK.

3. Thành phần nào của ma trận CSI được trích xuất để đưa vào mô hình học sâu nhận dạng hành động tay?
Ma trận kênh truyền $H$ được tính toán từ các pilot subcarriers dưới dạng các số phức $Z = a + jb$. Tác giả trích xuất thành phần biên độ $A = \sqrt{a^2 + b^2}$ để biểu diễn sự biến thiên tín hiệu theo thời gian làm đầu vào cho các mô hình học sâu LeNet và BiLSTM.

4. Độ chính xác của các mô hình học sâu đạt được trong khóa luận là bao nhiêu?
Sau quá trình huấn luyện trên bộ dữ liệu cử chỉ tay tự thu thập, mô hình nơ-ron tích chập LeNet đạt độ chính xác trung bình 95%, trong khi mô hình mạng hồi quy hai chiều BiLSTM đạt độ chính xác trung bình 94%.

5. Khóa luận đã thử nghiệm những phương thức nào để triển khai suy luận mô hình học sâu?
Tác giả đã thử nghiệm hai phương thức: (1) Triển khai dạng dịch vụ (Model as a Service) bằng NVIDIA Triton Inference Server trên máy ảo Microsoft Azure VM (Standard D2ds v4); (2) Triển khai tại biên (Edge Deployment) bằng cách biên dịch mô hình sang định dạng RKNN và chạy trực tiếp trên bộ tăng tốc phần cứng NPU 6 TOPS của vi xử lý Rockchip RK3588S trên bo mạch Orange Pi 5.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Đặng Trần Hồng Hà đã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống nhận dạng hành động tay của con người bằng sóng vô tuyến thông qua việc trích xuất dữ liệu CSI trên nền tảng thiết bị vô tuyến khả lập trình LimeSDR Mini và phần mềm mã nguồn mở GNU Radio. Các mô hình học sâu LeNet và BiLSTM được huấn luyện đạt độ chính xác thực nghiệm cao (lần lượt 95% và 94%), đồng thời được tối ưu hóa triển khai trên máy tính nhúng Orange Pi 5 (qua NPU) và máy chủ Triton Server trên đám mây. Kết quả phân loại cử chỉ đã được liên kết trực tiếp để điều khiển cơ cấu chấp hành đèn LED qua giao tiếp GPIO, mở ra hướng tiếp cận khả thi, tiết kiệm chi phí và linh hoạt cho các ứng dụng nhận dạng không tiếp xúc trong hệ sinh thái Internet vạn vật.