Tài liệu Xây dựng hệ thống định vị trong nhà sử dụng phương pháp lai trên nền tảng wifi và bluetooth năng lượng thấp.pptx

  • Số trang: 40 |
  • Loại file: PPTX |
  • Lượt xem: 32 |
  • Lượt tải: 0
thucaothi349968

Tham gia: 25/12/2016

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG BÁOTỐT CÁO LUẬN VĂN NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI TRÊN NỀN TẢNG WIFI & BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP GVHD: TS. TRỊNH XUÂN DŨNG SVTH: HUỲNH THANH DƯ 41300697 NGUYỄN KHÁNH TƯỜNG 41304716 Ngày 11 tháng 01 năm 2018 1 NỘI DUNG CHÍNH Giới thiệu và yêu cầu của luận văn Công nghệ định vị và phương pháp định vị trong nhà Hệ thống thiết kế định vị trong nhà dùng WLAN và BLE Kết luận và hướng phát triển Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 2 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Vì sao phải định vị trong nhà? Theo thống kê của US EPA năm 2016, trong một ngày chúng ta sử dụng: • 7% thời gian cho những việc ngoài trời. • 93% thời gian còn lại cho các công việc trong nhà. Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 3 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Wif Access Point HYBRID (WIFI & BLE) Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Bluetooth LE Beacon 4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Yêu cầu đề tài luận văn 1 - Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống, công nghệ định vị, ưu, nhược điểm của từng công nghệ. 2 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Fingerprinting nền tảng hệ thống WiFi. 3 - Xây dựng hệ thống định vị sử dụng phương pháp Trilateration trên nền tảng Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energry - BLE). 4 - Đánh giá hiệu quả của hai hệ thống định vị dựa trên nền tảng WiFi và BLE. 5 - Xây dựng phần mềm định vị sử dụng phương pháp lai fngerprinting trên nền tảng WLAN và trilateration trên nền tảng BLE. 6 - Đánh giá hiệu quả của hệ thống được xây dựng. 7 - Xây dựng hệ thống back-end thu thập vị trí người sử dụng và hệ thống front-end hiện thị vị trí của các người dùng trong hệ thống. Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 5 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị trong nhà BLUETOO TH UWB RFID WLAN Công nghệ định vị trong nhà Công nghệ Hybrid Tia hồng ngoại Chiếu sáng LED Bộ môn Viễn thông Hệ thống thông tin di động GSM Từ trường Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 6 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị trong nhà Công nghệ định vị sử dụng WLAN Công nghệ WLAN: chuẩn giao tiếp IEEE 802.11, được sử dụng phổ biến nhất, bởi các điểm phát sóng có mặt hầu hết mọi nơi, nhất là trong các tòa nhà. Định vị sử dụng WLAN dựa trên độ mạnh tín hiệu song điện từ từ WAP, hay còn là chỉ số cường độ sóng nhận được (RSSI). Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 7 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị trong nhà Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth Công nghệ Bluetooth: được tích hợp khá nhiều trong các điện thoại di động, thường dùng trong các khu vực nhỏ, cho kết quả định vị có sai số thấp, chủ yếu trong môi trường trong nhà, khoảng cách gần. Bluetooth 4.0 xuất hiện, có tính năng vận hành năng lượng thấp, tầm hoạt động được mở rộng hơn, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 8 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ Nhược điểm Tín hiệu GPS khá yếu trong môi GPS Có độ chính xác cao khi hoạt động ngoài trời trường trong nhà Tín hiệu thay đổi nhiều do môi trường WLAN Thiết bị với chi phí lắp đặt thấp, vùng phủ tầm trung phức tạp Tiết kiệm năng lượng, chi phí lắp đặt thấp, được xây Tầm hoạt động thấp, cần nhiều thiết Bluetooth dựng ở hầu hết các điện thoại thông minh và thiết bị bị phát cá nhân. Chi phí thực hiện lớn, không được sử UWB Độ chính xác cao, băng thông rộng dụng thông dụng Không yêu cầu LOS, có thể xuyên qua vật thể rắn, Antenna ảnh hưởng đến tín hiệu RF, RFID không kim loại tiêu tốn nhiều năng lượng. Không bị nhiễu vơi các thiết bị hoạt động cùng tần GSM Độ tin cậy thấp số Tầm hoạt động thấp, cần chi phí thực Phù hợp với mô hình truyền sóng trong nhà, độ Tia hồng ngoại hiện, bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt chính xác cao. trời Ánh sáng, từ Độ chính xác trung bình, được sử dụng trong các cửa Chưa phổ biến, thiết bị lắp đặt chi phí trường hàng cao Tăng độ chính xác, thực hiện nhiều môi trường trong Hybrid Cần nhiều thiết bị, chi phí lắp đặt nhà Bộ môn Viễn thông Ưu điểm Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 9 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Công nghệ định vị trong nhà Kinh doanh Công nghiệp Dân sự Ứng dụng định vị trong nhà Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Y tế 10 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị trong nhà  Phương pháp Fingerprinting Dùng cơ sở dữ liệu đã thu thập từ trước so sánh với dữ liệu thu thập được dể xác định vị trí. Thường được dùng với công nghệ WLAN Có hai giai đoạn: •Giai đoạn huấn luyện: Mô phỏng trên matlab từ đó chọn vị trí đặt AP và thuật toán tính toán. •Giai đoạn định vị: Thu thập cường độ sóng dùng cơ sở dữ liệu để đưa ra vị trí Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 11 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị trong nhà  Phương pháp Trilateration Dùng khoảng cách đo được dể xác định vị trí. Thường được dùng với công nghệ Bluetooth Cần ít nhất 3 Beacons để xác định được vị trí chính là giao điểm của 3 vòng tròn tâm là các Beacon bán kính chính là khoảng cách xác định được Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 12 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị trong nhà Ngoài ra, còn có các phương pháp định vị khác:  Phương pháp ToA (Time of Arrival) và TDoA (Time Diferent of Arrival) Dùng thời gian truyền sóng từ trạm phát đến thiết bị thu để tính khoảng cách. Công nghệ GPS sử dụng ToA, công nghệ UWB sử dụng TDoA.  Phương pháp góc truyền sóng AoA (Angle of Arrival) Định vị vị trí nhờ góc tới của phương truyền sóng. Cần hai trạm trở lên. (Góc tới xác định bằng cách chuyển hướng antenna cho tới khi đạt công suất lớn nhất ứng với phương truyền Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Bộ môn Viễn thông sóng đó) 13 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị trong nhà Phương pháp Thời gian truyền sóng ToA Thời gian truyền sóng sai khác TDoA Góc truyền sóng AoA Tam giác hóa Trilateration Dấu vân tay Fingerprinting Bộ môn Viễn thông Ưu điểm Phù hợp với môi trường truyền sóng trong nhà Phù hợp với môi trường truyền sóng trong nhà Chính xác với các thiết bị chuyên dụng Rất đơn giản Thuật toán đơn giản Nhược điểm Phải đồng bộ trạm phát Độ chính xác thấp Độ chính xác thấp Cần nhiều antenna đẳng hướng Quá trình thực hiện phức tạp Thời gian tính toán dài Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 14 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị trong nhà Sử dụng các phương pháp thích hợp với công nghệ WLAN và Bluetooth đó là Fingerprinting và Trilateration. Fingerprinti ng Bộ môn Viễn thông Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Trilateratio n 15 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Thuật toán định vị khoảng cách Vị  Đây là thuật toán cơ bản sử Euclidean AP trí dụng khi tính toán trong phương pháp định vị bằng Fingerprinting. Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu từ các giá trị RSSI mô phỏng. Bước 2: Xác định giá trị RSSI RSSM 1 , xác RSSMđịnh: M muốn 2 ,, RSSM n  tạiRSS điểm 1 1 [X11 Y11] RSS1 AP2 RSS11 [X12 Y12] RSS 2 RSS1 … APn … [X1n Y1n] 2 2 [X21 Y21] RSS21 [X22 Y22] RSS2 2 … RSSn RSS1 n … [X2n Y2n] RSS2 n … … … … … … … 2 [XN1  RSS  2   RSS  RSS RSS RSS 2N N ...   RSS d1N  RSS  RSS  M1 11 Nn 2 N2] 12 RSS [XN2M Y YNn] 1n … [XNn Mn YN1] 2 n 2 2 2 d2   RSSM 1  RSS21    RSSM 2  RSS22   ...   RSSMn  RSS2n  ... 2 2 dN   RSSM 1  RSSN1    RSSM 2  RSSN 2   ...   RSSMn  RSSNn  Bước 3: So sánh kết quả đo được và kết quả mô phỏng n 2 toán quát: Euclidean di   RSS M ,i   RSS j ,i  , i 1,2,...,N  theo Côngthuật thức tổng j 1 trí cần tìm là vị trí có khoảng cách Euclidean d nhỏ nhất.  Bộ môn Viễn thông  Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 16 2 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị Trilateration Giả sử trong môi trường 3D có n beacon (xi, yi, zi), i = 1,2,..,n, khoảng cách từ beacon thứ i đến vị trí định vị là 2ri, các phương trình tọa độ được 2 2 2 x  x  y  y  z  z  r       i i i i biểu diễn như sau: Biến đổi toán học để tìm vị trí cần định vị (x, y) , hệ thống tuyến tính được biểu diễn như sau: Trong đó: Ax b  x 2  x1 y2  y1  x  x1 y3  y1 A  3      x n  x1 y n  y1 dij  x i  xj 2   y Bộ môn Viễn thông i z2  z1   z3  z1     z n  z1   yj  2 x A 1b  x  x1    x  y  y1   z  z1   b21    b b  31       bn1  1 bn1  r12  rn2  dn21 , n 2,3,...n 2   2 : khoảng cách từ beacon thứ i đến beacon thứ j.   zi  z j  Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh 17 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Phương pháp định vị Trilateration Trong thực tế, do ảnh hưởng của môi trường và nhiều yếu tố khác nên đôi khi từ khoảng cách tính được ta vẽ ra 3 đường tròn cắt nhau tại nhiều điểm. Do vậy cần xác định một diểm ước lượng cần định vị.. Có 2 phương pháp tối ưu dùng để ước lượng: Bình phương tối thiểu tuyến tính (Linear Least Square - LSQ) và Bình phương tối thiểu không tuyến tính (None Linear Least Square - NLSQ). Tuy nhiên, LSQ cho  1 kết quả tốt hơn so T T x  A A A với NLSQ, tốn ít bộ nhớb hơn, ít thời gian thựchiện hơn, đồng thời cho sai số vị trí Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Bộ môn Viễnhơn. thông thấp   18 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Khảo sát giá trị RSSI từ Wif Access Point Sơ đồ phòng 209 - 210B1 và vị trí 22 điểm khảo sát để đo tín hiệu RSSI. Bộ môn Viễn thông Ứng dụng thu giá trị RSSI “BKU RSSI Reader” Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh Ứng dụng thu giá trị RSSI Wif Analyzer 19 CÔNG NGHỆ & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ Khảo sát giá trị RSSI từ Wif Access (Đơn vị RSSI: dBm) Point Tọa độ RSSI (BKU Vị trí 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x y RSSI Reader) 1 3 5 5 3 1 1 3 5 Bộ môn Viễn thông 3 3 3 4 4 4 5 5 5 -43 -41 -33 -41 -45 -47 -50 -47 -42 RSSI (Wif Analyzer) -47 -42 -37 -41 -43 -50 -45 -46 -41 RSSI (Mô phỏng) Sai số RSSI giữa Sai số RSSI Mô phỏng & giữa Mô phỏng BKU RSSI & Wif Analyzer Reader (dB) (dB) 1.44 -1.07 5.42 -8.08 -6.95 -2.32 -4.86 -7.89 -6.68 -2.56 -2.07 1.42 -8.08 -4.95 -5.32 0.14 -6.89 -5.68 -44.44 -39.93 -38.42 -32.92 -38.05 -44.68 -45.14 -39.11 -35.32 Bảng kết quả đo đạc giá trị Huỳnh Thanh Dư – Nguyễn Khánh RSSI 20
- Xem thêm -