Tài liệu định vị trong nhà sử dụng công nghệ bluetooth low energy

Võ Minh Phụng MSHV: 1670777 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG ---------------o0o--------------- BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Minh Phụng MSHV: 1670777 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2017 i Võ Minh Phụng MSHV: 1670777 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo tiểu luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trịnh Xuân Dũng đã tận tâm hướng dẫn qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, trình bày về các lĩnh vực, những nghiên cứu mới về khoa học công nghệ viễn thông. Bài báo cáo được thực hiện trong khoảng thời gian gần 2 tuần và tìm hiểu về công nghệ mới. Do vậy không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy và các bạn trong lớp học để kiến thức của tôi ngày càng được hoàn thiện hơn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 1 năm 2017. Sinh viên Võ Minh Phụng ii Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng TÓM TẮT TIỂU LUẬN Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) được biết đến với khả năng định vị rất tốt để chỉ đường đi, hoặc bất kỳ nơi nào trên phạm vi rộng lớn. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là trong những trường hợp cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị trí chính xác của một thiết bị so với tòa nhà thì không thể xác định chính xác được. Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) có khả năng giải quyết tốt vấn đề này, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà gặp phải là tính ổn định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn. Việc kết hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 (BLE) đã khắc phục được những nhược điểm trên, với các ưu điểm nỗi bật như: Tiết kiệm năng lượng, tính ổn định cao, cho phép thiết bị hoạt động trong vài năm chỉ với một viên pin nhỏ bằng đồng xu (Coin-cell Battery). Tiểu luận này trình bày về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy”, ví dụ như khi bạn bước vào một tiệm sách để tìm một cuốn sách hiếm nào đó, thay vì phải tìm và hỏi nhân viên bán hàng, bạn chỉ việc sử dụng điện thoại di động thông minh để tìm tên tựa sách hoặc tên tác giả và rồi một bản đồ trong nhà sách sẽ xuất hiện và chỉ cho bạn đúng kệ sách có trưng bày cuốn sách cần tìm. iii Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng MỤC LỤC 1 2 3 4 5 6 GIỚI THIỆU ...................................................................................................1 1.1 Tổng quan ....................................................................................................1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................2 1.3 Nhiệm vụ tiểu luận ......................................................................................2 CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY ............................................2 2.1 Bluetooth Low Energy Protocol Stack........................................................3 2.2 Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 ....................................................................5 CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HIỆN NAY ..........................5 ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLE ............................6 4.1 Thuật toán định vị trong nhà .......................................................................7 4.1.1 Cell of Origin (COO) / Cell ID (CID) ..................................................7 4.1.2 Signal Level Triangulation ...................................................................8 4.1.3 Angle of Arrival (AOA) .......................................................................9 4.2 Nguyên lý hoạt động định vị trong nhà sử dụng BLE ................................9 4.3 Các ứng dụng định vị trong nhà sử dụng BLE.........................................12 4.3.1 Các dịch vụ định vị .............................................................................12 4.3.2 Cảnh sát và lính chữa cháy .................................................................13 4.3.3 Thư viện, bảo tàng, khu thương mại ..................................................13 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................13 5.1 Kết luận .....................................................................................................13 5.2 Hướng phát triển .......................................................................................14 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................15 iv Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2-1: Cấu trúc Bluetooth Low Energy 4.0.......................................................3 Hình 2-2: Các kiểu cấu hình phần cứng .................................................................4 Hình 2-3: Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 ...............................................................5 Hình 3-1: Các công nghệ định vị trong nhà ............................................................6 Hình 4-1: Công nghệ định vị Cell of Origin ...........................................................7 Hình 4-2: Công nghệ định vị trong nhà Signal Level Triangulation ......................8 Hình 4-3: Công nghệ định vị Angle of Arrival.......................................................9 Hình 4-4: Sử dụng thuật toán Triangulation để xác định vị trí của thiết bị ..........10 Hình 4-5: Mối quan hệ giữa khoảng cách và RSSI ..............................................12 Hình 4-6: Các ứng dụng định vị trong nhà. ..........................................................13 v Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AOA Angle of Arrival AP Access Point ATT Attribute Protocol BluetoothSIG Bluetooth Special Interest Group BLE Bluetooth Low Energy CID Cell ID COO Cell of Origin GPS Global Positioning System HCI Host Controller Interface IR Infrared ID Identification IPS Indoor Positioning System L2CAP Logical Link Control and Adaption Protocol LAN Local Area Network PN Personal Network PAN Personal Area Network GAP Generic Access Profile GATT Generic Attribute Profile GSM Global System Mobile IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers RF Radio Frequency RSS Received Signal Strength RSSI Received Signal Strength Indicator TOA Time of Arrival SIG Special Interest Group SOC System on chip WLAN Wireless Local Area Network vi Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 1 GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Ngày nay, có khá nhiều hệ thống nhờ vào sự phát triển đa dạng của các công nghệ truyền thông không dây (Global Positioning System - GPS, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ultrasounds, Infrared, vv…) có thể được sử dụng cho việc định vị vị trí. Hệ thống định vị toàn cầu GPS được biết đến với khả năng định vị rất tốt để chỉ đường đi, hoặc bất kỳ nơi nào trên phạm vi rộng lớn. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là trong những trường hợp cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị trí chính xác của một thiết bị so với tòa nhà là không thể xác định chính xác được. Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) có khả năng giải quyết tốt vấn đề này, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà là phải xác định chính xác vị trí sử dụng các thiết bị thông minh (Phone, PC, vv..) do vậy vấn đề gặp phải là tính ổn định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn cũng như độ chính xác thấp. Để giải quyết vấn đề này đã có nhiều nghiên cứu thiết kế và thực hiện định vị trong nhà dựa trên mức cường độ tín hiệu thu nhận (Receive Signal Strength Indicator - RSSI), kết hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 (BLE) [1, 2] đã khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ Bluetooth trước đây, với các ưu điểm nỗi bật như: Siêu tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài năm chỉ với một viên pin nhỏ bằng đồng xu (coin-cell battery), hoạt động ổn định trong phạm vi 10m. Tiểu luận này trình bày về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy”, ví dụ như khi bạn bước vào một tiệm sách để tìm một cuốn sách hiếm nào đó, thay vì phải tìm và hỏi nhân viên bán hàng, bạn chỉ việc sử dụng điện thoại di động thông minh để tìm tên tựa sách hoặc tên tác giả và rồi một bản đồ trong nhà sách sẽ xuất hiện và chỉ cho bạn đúng kệ sách có trưng bày cuốn sách cần tìm. Đó là ví dụ khá điển hình của một ứng dụng chuyên định vị trong nhà sử dụng công nghệ BLE. Kết quả là người tiêu dùng sẽ thuận tiện hơn trong việc mua sắm, không bị “lạc” trong tòa nhà đó và biết chính xác tình trạng của thứ mình cần. 1 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy”. Trong [3, 4] tác giả đã nghiên cứu về phương pháp định vị trong nhà sử dụng Bluetooth Low Energy Beacons, việc định vị trong nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng và có nhiều ứng dụng trong Internet of Things, sử dụng BLE đã được hỗ trợ hầu hết trong các thiết bị thông minh và có các ưu điểm như: Kích thước nhỏ, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng,… Trong [5] thì tác giả đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị trong nhà như: “Wi-Fi indoor positioning” và “Bluetooth beacons” từ đó đưa ra được những ưu điểm thiết thực của công nghệ định vị trong nhà sử dụng BLE. Bài báo [6, 7] là nghiên cứu cho thấy tính chính xác khi sử dụng BLE trong định vị vị trí trong nhà, bài viết đã đưa ra các thuật toán và kết quả thực nghiệm để chứng minh về tính hiệu quả của công nghệ này. 1.3 Nhiệm vụ tiểu luận Tiểu luận sẽ trình bày lần lượt về công nghệ Bluetooth Low Energy với các thông số kỹ thuật, ưu điểm của nó và sẽ đi vào giới thiệu hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy, tìm hiểu thông qua các nghiên cứu đã thực hiện trong và ngoài nước từ đó đưa ra được những điểm nổi bật về đề tài này. Nội dung 1: Tìm hiểu về công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE). Nội dung 2: Tìm hiểu công nghệ định vị trong nhà. Nội dung 3: Kết luận và nhận xét. 2 CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY Bluetooth Low Energy (viết tắt là BLE) hay còn gọi là Bluetooth 4.0, là công nghệ truyền dữ liệu không dây tầm ngắn được phát triển bởi Special Interest Group Bluetooth (SIG). Trước đây, một trong những lý do khiến người ta ngại bật Bluetooth vì nó tốn khá nhiều năng lượng, lại gây nóng thiết bị nếu hoạt động liên tục. Tuy nhiên, Bluetooth 4.0 đã khắc phục được nhược điểm này. Một trong những cải thiện vượt trội nhất của BLE là gần như máy tiêu hao năng lượng rất thấp dù bạn có bật liên tục [8, 9]. 2 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 2.1 Bluetooth Low Energy Protocol Stack Bluetooth Protocol Stack [10] là bộ giao thức dạng ngăn xếp cho phép các thiết bị Bluetooth thiết lập, kết nối, truyền nhận dữ liệu với nhau. Tương tự như cấu trúc của Classic Bluetooth, các giao thức ngăn xếp của BLE bao gồm ba thành phần chính sau: - Bộ điều hiển (Controller): Là các lớp dưới của Bluetooth Protocol Stack, bao gồm chức năng truyền nhận radio. - Phần chủ (Host): Các lớp trên của Bluetooth Protocol Stack. - Khối giao diện (Interface): Làm nhiệm vụ kết nối giữa phần chủ và bộ điều khiển. Cấu trúc được mô tả như trong hình 2-1. Hình 2-1: Cấu trúc Bluetooth Low Energy 4.0 Bộ điều khiển bao gồm các lớp vật lý (Physical Layer), lớp liên kết (Link Layer) và thường được tích hợp vào trong một con chip nhỏ cùng với bộ phát sóng (System on Chip - SOC). Phần Host chạy trên một bộ xử lý ứng dụng và bao gồm các khối chức năng trên lớp bao gồm: 3 Báo cáo tiểu luận - SVTH: Võ Minh Phụng Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP): Nhiệm vụ chính của L2CAP là để dồn các kênh dữ liệu của ba lớp giao thức cao hơn bao gồm ATT, SMP và Link Layer. - Attribute Protocol (ATT): ATT là giao thức dùng để truyền thông giữa hai thiết bị hoạt động trên mô hình chủ (server) và khách (client). Server lưu trữ tập hợp các thuộc tính của dữ liệu, một thuộc tính là một cấu trúc dữ liệu lưu trữ các thông tin do GATT quản lý. Client có thể truy cập vào các thuộc tính của máy chủ bằng cách gửi yêu cầu truy xuất đến server. - Generic Attribute Profile (GATT): GATT là khung dữ liệu được sử dụng để ATT trao đổi các đặc tính từ thiết bị này đến thiết bị khác. Đặc tính đó là một tập hợp dữ liệu bao gồm giá trị và thuộc tính của dữ liệu. - Security Manager Protocol (SMP): BLE cung cấp các dịch vụ bảo mật để bảo vệ sự trao đổi thông tin giữa hai thiết bị kết nối với nhau. Các thông tin được bảo mật bằng hình thức mã hóa và xác thực có độ tin cậy cao. - Generic Access Profile (GAP): GAP được sử dụng để ghép nối và kết nối thông tin với các thiết bị khác. Ba khối chính của một thiết bị Bluetooth được tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, dưới đây là 3 kiểu cấu hình phần cứng như hình dưới: Hình 2-2: Các kiểu cấu hình phần cứng 4 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 2.2 Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 Hình 2-3: Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 Như hình trên thì ta thấy, thiết bị BLE gồm hai loại là Bluetooth Smart và Bluetooth Ready [10]. - Bluetooth Smart (Single Mode): Chỉ có thể giao tiếp với thiết bị Bluetooth Smart hoặc Bluetooth Smart Ready. - Bluetooth Smart Ready (Dual Mode): Có thể giao tiếp được các loại thiết bị Bluetooth như Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready và Classic Bluetooth. 3 CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HIỆN NAY Hiện nay, có rất nhiều cá nhân, tổ chức nghiên cứu về các phương pháp định vị trong nhà, mỗi phương pháp đều có một công nghệ đi kèm với nó. Trong nghiên cứu [11] liệt kê một số công nghệ dùng trong quá trình định vị trong nhà như sau: Công nghệ định vị sử dụng tia hồng ngoại: Công nghệ này xác định khoảng cách từ thiết bị phát tia hồng ngoại tới thiết bị thu tia hồng ngoại. Với 3 nguồn phát tia hồng ngoại ở 3 vị trí khác nhau, thiết bị thu có thể xác định được vị trí của mình. Điểm yếu của công nghệ này là tia hồng ngoại có sức lan tỏa yếu, dễ bị hấp thụ bởi các môi trường khác, khó có khả năng phát tia hồng ngoại ở bán kính trên 5m. 5 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng Công nghệ định vị sử dụng sóng siêu âm: công nghệ này có điểm yếu là sử dụng sóng siêu âm, thiết bị thu phát có mức giá cao nên không thể áp dụng trong đa số các trường hợp. Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth: công nghệ này có mức phổ biến cao hơn so với 2 công nghệ trước. Bluetooth được sử dụng phổ biến trong các điện thoại thông minh nhưng lại không phổ biến ở các thiết bị cầm tay khác do vậy đó là một trong những nhược điểm của công nghệ này. Hình 3-1: Các công nghệ định vị trong nhà 4 ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLE Một hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System – IPS) là hệ thống được xem xét ở môi trường định vị bên trong một tòa nhà. Các vị trí của người sử dụng hoặc các thiết bị của họ trong mạng cá nhân (Personal Network – PN) có thể được xác định bằng cách đo vị trí của các thiết bị di động của họ trong nhà. Có nhiều loại cảm biến được được sử dụng để phát hiện các tính hiệu điện từ do tính chất của từng loại công nghệ là khác nhau. Các thiết bị cảm biến sẽ chuyển đổi các tín hiệu thu được sang các giá trị về khoảng cách hoặc góc. Từ đó có thể xác định được vị trí của thiết bị di động trong nhà dựa trên thuật toán được xây dựng sẵn. Có một điểm khó khăn của việc định vị trong nhà là sự thay đổi ôi trường liên tục, các thiết bị trong nhà luôn thay đổi vị trí, tác động tới sự lan tỏa của tín hiệu. Đó là lý do lớn ngăn cản một hệ thống định vị trong nhà áp dụng trên các môi trường khác nhau. 6 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng Việc sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy cho phép kết nối các thiết bị tạo thành các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network – PANs), giúp hỗ trợ việc truyền nhận dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định. Bluetooth có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10m – 100m, trong giải tần số 2,4 GHz [9]. 4.1 Thuật toán định vị trong nhà 4.1.1 Cell of Origin (COO) / Cell ID (CID) Đây là công nghệ đơn giản nhất để tìm vị trí của thiết bị [13], với công nghệ này chúng ta có thể dễ dàng xác định các điểm truy cập (Access Point – AP) mà hiện tại thiết bị cần tìm vị trí đang các kết nối vào. Các thông tin dùng để tính toán vị trí của một thiết bị di động là những tính hiệu nhận được từ trung tâm điện thoại hoặc từ các điểm nhận tín hiệu (ví dụ Beacons BLE). Bằng việc sử dụng thông tin về vị trí của các trạm phát và mức cường độ tín hiệu thu được thì ta sẽ xác định được vị trí của thiết bị. Hình 4-1: Công nghệ định vị Cell of Origin Độ chính xác của công nghệ này phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của các trung tâm phát tín hiệu. Ví dụ, với mạng GSM một trạm phát có thể phát tín hiệu trong phạm vi có bán kính hàng trăm mét đến vài chục kilomet, do đó một máy điện thoại được xác định là đang sử dụng sóng của trạm phát đó sẽ được xác định nằm trong khu vực phát sóng của nó. Ưu điểm: 7 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng  Chi phí thấp  Đáp ứng nhanh chóng, khả năng xác định vị trí nhanh.  Hệ thống định vị sử dụng các thiết bị phổ biến. Khuyết điểm:  Độ chính xác thấp vào phụ thuộc vào mật độ và khoảng cách của các trạm thu phát. 4.1.2 Signal Level Triangulation Trong công nghệ này, vị trí của thiết bị cần định vị được xác định bằng cách sử dụng mức cường độ tín hiệu giảm xuống khi khoảng cách giữa AP và thiết bị di động tăng lên [13]. Trong điều kiện môi trường lý tưởng, mức cường độ tín hiệu bằng nhau phát ra từ một AP sẽ có dạng hình tròn. Nếu biết được mối quan hệ giữa các mức cường độ sóng và khoảng cách giữa AP với thiết bị di động thì khoảng cách giữa AP và thiết bị di động sẽ được xác định. Hình 4-2: Công nghệ định vị trong nhà Signal Level Triangulation Như vậy thiết bị di động sẽ nằm trên đường tròn có bán kính là khoảng cách đã được xác định với ba AP, thiết bị sẽ được xác định bằng 3 vòng tròn như trên hình vẽ. Tuy nhiên, môi trường thực tế không phải là môi trường lý tưởng, do đó sóng phát ra từ AP sẽ không phải là hình tròn, sóng không phát đồng đều theo mọi hướng do vậy kết quả từ phương pháp này sẽ có sai số trong thực tế. 8 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 4.1.3 Angle of Arrival (AOA) Trong công nghệ AOA [13], các trạm thu phát được trang bị một chuỗi các anten liên tiếp thì góc nhìn tới thiết bị di động của một trạm phát sẽ xác định được. Dựa trên số đo về góc nhìn của 2 trạm phát, vị trí của thiết bị di động hoàn toàn có thể xác định (như hình 4-3). Phương pháp này yêu cầu trạm phát phải có hệ thống anten liên hoàn trong khi đó các trạm phát thông thường không cần đáp ứng yêu cầu đó. Ngoài ra, phương pháp này chỉ đúng khi sóng truyền theo từ đường thẳng từ trạm phát đến thiết bị di động. Do vậy môi trường không đồng nhất hoặc bị phản xạ sóng thì kết quả thu được từ phương pháp này sẽ không đảm bảo độ chính xác. Ưu điểm:  AOA hỗ trợ hầu hết các thiết bị cầm tay. Khuyết điểm:  Các trạm thu phát cần phải nâng cấp thiết bị phù hợp.  Yêu cầu phần cứng lớn và phức tạp. Hình 4-3: Công nghệ định vị Angle of Arrival 4.2 Nguyên lý hoạt động định vị trong nhà sử dụng BLE Các thiết bị Bluetooth kết nối với nhau thành mạng Ad-hoc Network (MANET) thông qua các nút phát sóng (Nodes Broadcasting), việc kết nối thành mạng Ad-hoc giúp hệ thống định vị tự động cập nhật sự thay đổi vị trí [12]. Vị trí của một người hoặc là một vật thể như là hàng hóa, sẽ được theo dõi và định vị trị trí dựa trên một thiết bị di động (hầu hết là các Smartphone), một ứng dụng sẽ dựa trên các tín hiệu nhận được từ các nút BLE thiết bị này sẽ gửi ra các mã nhận dạng ID của nó, mỗi nút 9 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng cung cấp vùng tín hiệu bao phủ khoảng 15m và khoảng cách kết nối giữa các nút là 6m. Vị trí của các nút giả sử tại các vị trí (X1, Y1), (X2, Y2)…(X5, Y5). Cường độ tín hiệu nhận được sẽ truyền đến một đám mây lưu trữ và sử dụng thuật toán Signal Level Triangulation để đưa ra vị trí chính xác của đối tượng đang di chuyển trong nhà. Trong [1, 2] tác giả dựa trên mô hình truyền sóng phổ biến để mô tả mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách. Theo đó thì cường độ tín hiệu nhận được RSSI được định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.11, là tỉ số của công suất truyền và công suất nhận tính theo đơn vị dBm RSSIdBm = -10.n.log10(d) + A Trong đó: n là hằng số tín hiệu truyền sóng d là khoảng cách từ người gửi A là cường độ tín hiệu nhận được từ khoảng cách 1m Từ công thức trên ta có thể đưa ra được mối quan hệ giữa khoảng cách d và RSSI như sau: dm = 10(RSSI-A)/(-10.n) Hình 4-4: Sử dụng thuật toán Triangulation để xác định vị trí của thiết bị 10 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng Với mô hình này, chúng ta có thể xác định vị trí bằng cách sử dụng thuật toán Triangulation. Đối với mỗi vị trí của những nút thu phát chúng ta sẽ có được một tập hợp bảng danh sách cường độ tín hiệu từ các nút có vị trí vật lý khác nhau (X1, Y1), (X2, Y2)…(X5, Y5). Các vị trí được đưa ra từ bởi một điểm truy cập duy nhất thường sẽ có mức cường độ tín hiệu thu nhận khác nhau vì sự thay đổi liên tục của môi trường, theo công thức trên thì với sự thay đổi này sẽ làm cho cường độ tín hiệu nhận được tại khoảng cách dm thay đổi. Nếu mức tín hiệu từ ba trạm gốc khác nhau thì vị trí của thiết bị di động sẽ là vị trí xấp xỉ của giao điểm ba đường tròn. Việc bổ sung nhiều hơn các điểm truy cập giúp chúng ta tính toán được khoảng cách với sự gia tăng độ chính xác cao hơn. Hình 4-4 mô tả việc sử dụng thuật toán Triangulation để xác định vị trí của thiết bị, giả sử rằng thiết bị thông minh có khả năng xác định chính xác khoảng cách ri với i € {1, 2, 3}, một vòng tròn có bán kính ri sẽ được vẽ quanh mỗi nút phát. Giao điểm của ba vòng tròn có bán kính r1, r2, r3 sẽ xác định được vị trị cần tìm tại (X5, Y5) nhờ việc giải hệ phương trình sau đây: (x – x1)2 + (y – y1)2 = r12 (x – x2)2 + (y – y2)2 = r22 (x – x3)2 + (y – y3)2 = r32 Trong nghiên cứu [2] tác giả đã thực hiện dự án định vị trong nhà với BLE, với những thông số kỹ thuật phần cứng bên dưới và đã đưa ra được mối quan hệ về khoảng cách với mức cường độ tín hiệu nhận được RSSI. Qua đó khi khoảng cách càng xa thì mức cường độ tín hiệu nhận được sẽ càng giảm (hình 4-5). Phần cứng được tạo thành từ hai phần sau: - Khối truyền (Transmission Unit):  Các nút phát tính hiệu CC2540 (Bluetooth Technology 4.0)  Nguồn nuôi 3.7V (Battery)  Led (Indicator) 11 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng CC2540 sản xuất từ Texas Instrument Microcontroller, với các ưu điểm mang lại như tiêu tốn công suất thấp, độ ổn định cao. Các nút phát này có khả năng phát ra khung tín hiệu trong khoảng thời gian 400ms. - Khối nhận (Receiver Unit): Sử dụng các thiết bị thông minh có hỗ trợ công nghệ Bluetooth 4.0 để đo mức cường độ tín hiệu RSSI sau đó sử dụng thuật toán tam giác để tìm ra vị trí của đối tượng gần nhất. DISTANCE AND RSSI CC2450 BLE 1m 2 3 4m 5 6 -80 -80 -79 7m 8 9 10 -88 -86 -87 11m -42 -52 -73 -85 -94 Hình 4-5: Mối quan hệ giữa khoảng cách và RSSI 4.3 Các ứng dụng định vị trong nhà sử dụng BLE Trong nghiên cứu [11] tác giả đã đưa ra các ứng dụng định vị trong nhà sử dụng công nghệ BLE như sau : 4.3.1 Các dịch vụ định vị Việc sử dụng định vị trong nhà giúp tìm kiếm địa điểm trong các văn phòng, tòa nhà lớn, trường đại học, khu trung tâm và quản lý vị trí các vật dụng trong nhà một cách nhanh chóng, thuận tiện. Trong bệnh viện hệ thống định vị được sử dụng để theo dõi bệnh nhân, y tá, bác sĩ hay thậm chí là định vị các thiết bị dụng cụ đắt tiền trong bệnh viện. Theo dõi hành lý tại các sân bay, giao nhận, vận chuyển hàng hóa. 12 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 4.3.2 Cảnh sát và lính chữa cháy Định vị trong nhà có khả năng cung cấp lợi ích quan trọng trong việc thực thi pháp luật, dịch vụ cứu hộ và chữa cháy, ví dụ như việc phát hiện vị trí của lính cứu hỏa đang thực hiện công việc của họ trong những căn nhà đang cháy dữ dội. Cảnh sát sẽ dễ dàng truy bắt các tên cướp giật nếu như các vật có giá trị được gắn thẻ định vị. Hoặc sử dụng định vị để phát hiện vị trí của những chú chó cảnh sát đang tìm chất nổ tại một vị trí nào đó trong tòa nhà rộng lớn. Hình 4-6: Các ứng dụng định vị trong nhà. 4.3.3 Thư viện, bảo tàng, khu thương mại Có rất nhiều ứng dụng của công nghệ định vị trong nhà được sử dụng trong các vị trí này chẳng hạn như trong bảo tàng hoặc trong các hội chợ, hệ thống định vị có thể giúp chúng ta tìm chính xác vị trí của gian hàng bán sản phẩm đang cần tìm, theo dõi, giám sát số lượng khách vào cổng. Chỉ ra vị trí chính xác của các quyển sách trong thư viện hoặc các trang phục cần bán kèm với thông tin khuyến mãi chi tiết đến cho khách hàng một cách nhanh chóng nhất. Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà. 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận “Hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy” đã đem lại sự đột phá mới trong hệ thống định vị trong nhà. Công nghệ này được sử dụng 13 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng rộng rãi trong các văn phòng, gia đình hay trong các khu công nghiệp nhờ những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại. Hơn nữa, khi sử dụng BLE tầm gần sẽ giúp hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi các thiết bị đặt trong môi trường hoạt động của nó như: WLAN, GSM, radio,… do đó công nghệ BLE sẽ trở thành một công nghệ của tương lai trong việc định vị vị trí trong nhà. 5.2 Hướng phát triển Ngoài những ưu điểm nỗi bật trên thì các yếu tố cần thiết để phát triển cho hệ thống định vị trong nhà: Hiệu quả hoạt động: Hệ thống định vị hoạt động tốt phải đưa ra thông tin vị trí một cách chính xác. Các tiêu chuẩn khác để đo hiệu quả hoạt động là độ trễ, năng lực hoạt động, độ bao phủ và tính mở rộng của hệ thống. Yêu cầu của ứng dụng: Các yêu cầu chình là sự gọn nhẹ, tính hiệu quả và tính khả thi. Các yêu cầu này thay đổi trong từng ứng dụng khác nhau. Sự gọn nhẹ ở đây được hiểu theo cả hai khía cạnh thời gian và không gian. Theo thời gian đó là sự nhanh chóng của hệ thống, theo không gian đó là mực độ chi tiết của thông tin nhận được. Tính bảo mật: Hệ thống định vị chỉ hoạt động khi được sự đồng ý của người dùng có quyền đưa ra yêu cầu. Ngoài ra, hệ thống định vị không được phép sử dụng thông tin của những cá nhân không cho phép tiết lộ thông tin về đại điểm của họ. 14