Luận văn Kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐĂNG THUẤN KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG CƯỜNG ĐỘ SÓNG VÔ TUYẾN RSSI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 4 6 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN ĐĂNG THUẤN KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG CƢỜNG ĐỘ SÓNG VÔ TUYẾN RSSI KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Nguyễn Đăng Thuấn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1970 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 38/11/4 đƣờng Mậu Thân,P.An Hòa, Q. Ninh kiều, TP.Cần Thơ Điện thoại cơ quan: 07103821327 Di động: 0918573802 Fax: Email: nguyenthuan359@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Mở rộng Thời gian đào tạo từ: 9/1988 đến 3/1993 Nơi học: Trƣờng ĐH SPKT III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 6/1996 Trung tâm dạy nghề TP Cần Thơ Giáo viên dạy nghề điện-điện tử đến 9/2007 Từ 10/2007 Trƣờng cao đẳng Nghề Cần Thơ Giảng viên dạy nghề điện tử đến nay HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang i
4. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp.Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 03 năm 2015 Nguyễn Đăng Thuấn HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang ii
5. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Lƣơng Vinh Quốc Danh giảng viên chính Khoa Công Nghệ trƣờng ĐHCT đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn . Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô Khoa Công Nghệ trƣờng Đại Học Cẩn Thơ , Quí Thầy, Cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho tôi. Cảm ơn anh chị, vợ và bạn bè đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn. Học viên Nguyễn Đăng Thuấn HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang iii
6. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH TÓM TẮT Trong đề tài này, tác giả xây dựng một mô hình xác định vị trí sử dụng sóng vô tuyến (sóng RF) ở tần số 169MHz. Hệ thống có khả năng xác định tọa độ 2D cho đối tƣợng (ngƣời, vật, v.v ) đƣợc đặt cố định hoặc di chuyển trong môi trƣờng cụ thể đƣợc xác định trƣớc, dựa vào mức cƣờng độ tín hiệu (RSSI) của sóng RF thu từ một thiết bị có khả năng phát sóng RF đƣợc đối tƣợng đó mang theo. Thông qua thuật toán xác định vị trí, giá trị RSSI đƣợc sử dụng để tính toán tìm ra vị trí tƣơng đối của đối tƣợng mục tiêu so với trạm tham khảo, kết quả sẽ đƣợc hiển thị thông qua phần mềm mô phỏng trên máy tính. Để thực hiện đề tài này, tác giả đã sử dụng 6 module RF CC1120 169MHz giao tiếp với vi xử lý MSP430G2553, xây dựng thành một hệ thống mạng để truyền-nhận giá trị RSSI. Hệ thống đƣợc xây dựng bao gồm 4 trạm tham khảo, 1 trạm mục tiêu (là đối tƣợng cần định vị), 1 trạm nền đƣợc sử dụng kết nối với máy tính để xử lý và hiển thị kết quả lên màn hình. ABSTRACT In this work, we will build a simple model to locate a position using 169MHz Radio Frequency (RF). This system has ability to identify an object’s 2D coordinate in outdoor and indoor enviroment. The object can be a human or thing that is placed at fixed position or moving inside. Received Signal Strength Indicator (RSSI) will be collected from a module that is carried on by the object. By using a suitable positioning algorithm, the object 2D coordinate will be calculated by RSSI values and displayed on computer screen. To implement the project, we built a network includes 6 CC1120 RF 169 MHz modules communicated with MCU MSP430G2553 through SPI standard to transmit-receive RSSI values. The sensor network contains 4 modules placed at fixed postion and role as Reference Nodes, another one played as Blind Node that need to identify position, last module will be use to connect with computer for processing data and displaying. Keyword: RSSI, Distance, ROCRSI+ algorithm Title: Localization Technique Using RSSI HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang iv
7. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH MỤC LỤC Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2 1.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 3 1.4.2 Giới hạn của đề tài. 3 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 Chƣơng 2 CƠ SỞ L THUYẾT 4 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NÚT MẠNG 4 2.1.1 Phƣơng pháp AOA 4 2.1.2 Phƣơng pháp thời gian tới (TOA) và khác nhau thời gian tới (TDOA) 6 2.1.3 Phƣơng pháp nhận cƣờng độ tín hiệu RSSI 7 2.1.4 Mối quan hệ giữa cƣờng độ tín hiệu và khoảng cách 7 2.1.5 Thuật toán xác định vị trí dựa vào khoảng cách 8 2.2 ĐỊNH HƢỚNG THỰC HIỆN 11 Chƣơng 3 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN 13 3.1 MÔ HÌNH NÚT MẠNG KHÔNG DÂY 13 3.2 MODULE THU PHÁT RF CC1120 14 3.2.1 Giới thiệu về chip CC1120 14 3.2.2 Kit phát triển CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz 17 3.3 THIẾT KẾ BOARD GIAO TIẾP 19 3.3.1 Giới thiệu MCU MSP430G2553 19 3.3.2 Giới thiệu các chuẩn giao tiếp trong MSP430G2553 22 3.3.2.1 UART 22 3.3.2.2 SPI 23 3.3.3 Board giao tiếp sử dụng MSP430G2553 .25 3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 25 3.3.3.2 Hình ảnh thiết kế board giao tiếp sử dụng MSP430G2553 29 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang v
8. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Chƣơng 4 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỬ DỤNG RSSI 31 4.1 KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120 31 4.1.1 Cách đọc giá trị RSSI từ module CC1120 31 4.1.2 Phƣơng pháp khảo sát giá trị RSSI 31 4.1.3 Kết quả khảo sát 32 4.1.4 Giới thiệu bộ lọc Kalman 35 4.2 TÍNH TOÁN KHOẢNG CÁCH DỰA VÀO THAM SỐ RSSI 37 4.2.1 Biểu thức quan hệ giữa khoảng cách và RSSI 37 4.2.2 Xác định các tham số đặc trƣng 38 4.3 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI 40 4.4. GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI+ 43 4.5. CHƢƠNG TRÌNH HIỂN THỊ VỊ TRÍ TRÊN MÁY TÍNH 44 4.6. LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT PHẦN MỀM HỆ THỐNG .46 Chƣơng 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 50 5.1. TRƢỜNG HỢP I- KHU VỰC TRỐNG TRẢI CÓ ÍT VẬT CẢN 50 5.1.1 Điều kiện khảo sát 50 5.1.2 Phƣơng pháp khảo sát 50 5.1.3 Kết quả khảo sát 51 5.1.4 Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI 52 5.1.5 Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu 54 5.2 TRƢỜNG HỢP II- KHU VỰC HÀNH LANG TOÀ NHÀ, CÓ NHIỀU VẬT CẢN 58 5.2.1 Điều kiện khảo sát 58 5.2.2 Phƣơng pháp khảo sát 59 5.2.3 Kết quả khảo sát 60 5.2.4 Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI 61 5.2.5 Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu 62 Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67 6.1. KẾT LUẬN 67 6.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 71 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang vi
9. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH MỘT SỐ K TỰ VIẾT TẮT - 2D Two Dimensional space - 3D Three Dimensional space - AOA Angle of arrival - GPS Global positioning system - ISM The Industrial Scientific Medical band - LOS Line-of-Sight - MCU Microcontroller Unit - NLOS Non Line-of-Sight - RF Radio frequency - RN Referencss Node - ROCRSSI Ring-Overlapping based on Comparison of Received Signal Strength Indicator - RSS Received signal strength - RSSI Received Signal Strength Indicator - RX Reciever - TDOA Time difference of arrival - TI Texas Instruments - TOA Time of arrival - TX Transmitter HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang vii
10. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Nguyên tắc góc tới. [5] 5 Hình 2.2: Phƣơng pháp AOA [5] 5 Hình 2.3: Phƣơng pháp sử dụng nguyên tắc TOA multilateration cho vị trí 2D. [5] . 6 Hình 2.4: Mô hình truyền sóng trong không gian 7 Hình 2.5: Phƣơng pháp Trilateration [ 7 ] 9 Hình 2.6: Giải thuật MinMax [8] 9 Hình 2.7: Giải thuật ROCRSSI [9] 10 Hình 3.1: Mô hình nút mạng 13 Hình 3.2: Minh họa phần cứng tại một module thu phát RF 14 Hình 3.3: Ảnh thực tế và sơ đồ chân chip CC1120 [10] 15 Hình 3.4 : Sơ đồ khối bên trong chip C1120[10] .16 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí CC1120 Evalutation Module Kit [10] 17 Hình 3.6: Sơ đồ mạch in 3D CC1120 Evalutation Module Kit 17 Hình 3.7: Ảnh thực tế CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz [11] 18 Hình 3.8: Giao diện phần mềm SmartRF Studio [10] 18 Hình 3.9: Sơ đồ chân họ MSP430x22x2 loại chân TSSOP[12] 21 Hình 3.10: Sơ đồ chân họ MSP430x22x2 loại chân dán QFP[12] 21 Hình 3.11: Sơ đồ khối chức năng của vi xử lý MSP430G2553[12] 22 Hình 3.12: Cấu trúc khung truyền UART[12] 23 Hình 3.13: Sơ đồ kết nối trong giao tiếp SPI [12] 24 Hình 3.14: Quá trình truyền dữ liệu trong giao tiếp SPI[12] 25 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý tổng quát[11] 25 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí mạch chuyển đổi điện áp[12] 26 Hình 3.17 : Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển 27 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối nạp data[12] 27 Hình 3.19: Sơ đồ kết nối với module CC1120[12] 28 Hình 3.20: Sơ đồ mạch PCB Board giao tiếp sử dụnSg MSP430G2553[12] 29 Hình 3.21: Ảnh minh họa 3D Board giao tiếp sử dụng MSP430G2553[12] 29 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang viii
11. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Hình 3.22: Ảnh thực tế board giao tiếp + module CC1120 [12] 30 Hình 4.1: Ảnh thực tế môi trƣờng khảo sát 32 Hình 4.2: Giá trị RSSI theo khoảng cách trong môi trƣờng outdoor 33 Hình 4.3: Giá trị RSSI theo khoảng cách trong môi trƣờng indoor 33 Hình 4.4: Sơ đồ mô tả hoạt động mạch lọc Kalman [15] 36 Hình 4.5: Giá trị RSSI sử dụng lọc Kalman môi trƣờng Indoor 37 Hình 4.6: Giá trị hệ số A 38 Hình 4.7: Giá trị hệ số n trong môi trƣờng Outdoor 40 Hình 4.8: Ví dụ về ROCRSSI [9] 41 Hình 4.9: Mô tả cách xác định vị trí nguồn phát S 41 Hình 4.10: Vùng giao nhau có chứa trạm X 42 Hình 4.11: Kết quả tính toán sử dụng phƣơng pháp ROCRSSI 43 Hình 4.12: Kết quả tính toán bằng phƣơng pháp ROCRSSI+ 44 Hình 4.13: Phần mềm sử dụng 44 Hình 4.14: Đồ hoạ 2D tầng trệt Khoa Công Nghệ 45 Hình 4.15: Đồ hoạ 2D sân Khoa Nông Nghiệp 45 Hình 4.16: Lƣu đồ giải thuật truyền . 46 Hình 4.17: Lƣu đồ giải thuật nhận . 47 Hình 4.18: Lƣu đồ giải thuật truyền lên máy tính 48 Hình 5.1: Khu vực khảo sát I – Sân Khoa Nông Nghiệp (ĐHCT) 50 Hình 5.2: Sơ đồ khảo sát sân Khoa Nông NGhiệp (ĐHCT) 51 Hình 5.3: Kết quả khảo sát RSSI tại vị trí 2 52 Hình 5.4: Kết quả tính toán khoảng cách tại vị trí 1 53 Hình 5.5: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 1 54 Hình 5.6: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 2 55 Hình 5.7: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 3 55 Hình 5.8: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 4 56 Hình 5.9: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 5 56 Hình 5.10: Sơ đồ hƣớng di chuyển 57 Hình 5.11: Vị trí mục tiêu di chuyển đƣợc hiển thị trên phần mềm 57 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang ix
12. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Hình 5.12: Khu vực khảo sát II - Tầng trệt khoa Công Nghệ (ĐHCT) 58 Hình 5.13: Sơ đồ khảo sát khu vực tầng trệt khoa Công Nghệ (ĐHCT) 59 Hình 5.14: Kết quả khảo sát RSSI tại vị trí 5 60 Hình 5.15: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 1 63 Hình 5.16: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 2 63 Hình 5.17: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 3 64 Hình 5.18: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 4 64 Hình 5.19: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 5 65 Hình 5.20: Sơ đồ hƣớng di chuyển 65 Hình 5.21: Vị trí mục tiêu di chuyển đƣợc hiển thị trên phần mềm 66 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang x
13. LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: So sánh các phƣơng pháp xác định vị trí nút mạng 11 Bảng 3.1: Đặc điểm CC1120 16 Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật module CC1120 19 Bảng 4.1: Giá trị RSSI tại môi trƣờng Outdoor 34 Bảng 5.1: Giá trị RSSI tại các điểm khảo sát 51 Bảng 5.2: Kết quả tính toán khoảng cách tại các vị trí (đơn vị: mét) 52 Bảng 5.3: Kết quả ƣớc lƣợng vị trí tại các điểm cố định 54 Bảng 5.4: Giá trị RSSI tại các điểm khảo sát62 60 Bảng 5.5:Kết quả tính toán khoảng cách tại các vị trí 61 Bảng 5.6 : Giá trị RSSI-offset cho các vị trí 62 HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang xi
14. Chƣơng 1: TỔNG QUAN GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 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. 1.2. 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
15. 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
16. 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. 1.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4.1 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. 1.4.2 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 ). 1.5 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
17. 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) . 2.1.1 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
18. 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 x , y phát thứ i có tọa độ i i . 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 y i 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 x 2 (2) tan 2 tan 1 R tan tan y 1 2 (3) tan 2 tan 1 Hình 2.2: Phƣơng pháp AOA [5 ] HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 5
19. 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 2.1.2 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. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải đồng bộ hóa thời gian chính xác giữa các nút mục tiêu và đồng hồ các nút tham khảo. Phƣơng pháp TDOA phụ thuộc vào việc xử lý thời gian khác nhau của nhiều tín hiệu đƣợc tạo ra từ các nút tham chiếu đến thiết bị thu. Bằng cách này, các thiết bị thu có thể đo vị trí của nó. Mỗi TDOA xác định thiết bị nhận nằm trên một hyperbol với phạm vi khác nhau không đổi giữa hai nút tham chiếu truyền. Hai cặp nút tham khảo đƣợc yêu cầu để tìm vị trí của một thiết bị nhận trong 2D và ba cặp nút tham khảo trong trƣờng hợp 3D. Vì các phƣơng pháp phụ thuộc hoàn toàn vào thời gian chính xác đo đƣợc, bất kỳ thời gian đo lƣờng không chính xác sẽ gây ra lỗi trong phạm vi tính toán. Phƣơng pháp TOA dựa trên kết hợp các ƣớc tính về thời điểm xuất hiện của tín hiệu phát, khi đến các nút tham chiếu khác nhau. Hình (2.3) cho thấy phƣơng pháp sử dụng các nguyên tắc TOA multilateration cho 2D. Hình 2.3: Phƣơng pháp sử dụng nguyên tắc TOA multilateration cho vị trí 2D. [5] HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 6
20. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH 2.1.3 Phƣơng pháp nhận cƣờng độ tín hiệu RSSI RSSI đƣợc định nghĩa là cƣờng độ của tín hiệu nhận đƣợc tại máy thu, đơn vị thƣờng sử dụng là dBm. Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Cụ thể, giá trị RSSI tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách. Dựa vào mối quan hệ trên, ta có thể tính toán đƣợc khoảng cách tƣơng đối giữa 2 thiết bị truyền - nhận. Vị trí của nút mạng có thể đƣợc ƣớc lƣợng khi biết đƣợc khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất 3 điểm tham khảo. Giá trị RSSI nhận đƣợc không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách mà còn bị ảnh hƣởng rất lớn bởi các yếu tố môi trƣờng. Các vật cản trên đƣờng truyền sóng nhƣ tòa nhà, xe cộ, cây cối, v.v làm tín hiệu vô tuyến không chỉ có 1 đƣờng truyền thẳng (LOS) mà còn bị tán xạ, khúc xạ thành nhiều đƣờng truyền không thẳng (N- LOS) đến nơi thu. NLOS LOS NLOS RX TX Hình 2.4: Mô hình truyền sóng trong không gian Thiết bị nhận sẽ thu cùng lúc nhiều tín hiệu có pha và biên độ khác nhau (hiện tƣợng Fading) tổng hợp thành một tín hiệu có cƣờng độ đƣợc tăng (hoặc giảm) bất định, điều này dẫn đến giá trị RSSI nhận đƣợc không ổn định, giá trị phụ thuộc rất lớn vào môi trƣờng. 2.1.4 Mối quan hệ giữa cƣờng độ tín hiệu và khoảng cách Tín hiệu truyền LOS trong không gian, theo phƣơng trình truyền sóng Friis [6 ], ta có mối quan hệ sau: HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 7
21. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH (4) Trong đó: + PRX: công suất hay cƣờng độ tín hiệu tại máy thu, đơn vị dBm + PTX: công suất hay cƣờng độ tín hiệu tại máy phát, đơn vị dBm + GRX: độ lợi anten thu + GTX: độ lợi anten phát + λ: bƣớc sóng của tín hiệu + d: khoảng cách giữa máy thu và máy phát. Phƣơng trình (4) có thể đƣợc viết lại theo dạng đơn giản nhƣ sau: (5a) Với n là hệ số môi trƣờng đặc trƣng, n=2 khi tín hiệu truyền thẳng trong không gian LOS. Lấy logarit cơ số 10, sau đó nhân cả 2 vế, từ phƣơng trình (5a), ta đƣợc: (5b) Với công suất phát PTX biết trƣớc, ta có thể xem 10log(PTX) là hằng số A, 10log(PRX) chính là giá trị RSSI(dBm) nhận đƣợc . Công thức (5b) đƣợc viết lại nhƣ sau: (6) Từ công thức trên, giả sử 2 tham số A và n đƣợc biết, với giá trị RSSI thu đƣợc, ta có thể tìm ra khoảng cách d giữa 2 thiết bị truyền-nhận. 2.1.5 Thuật toán xác định vị trí dựa vào khoảng cách Hầu hết các thuật toán xác định vị trí đều yêu cầu thông tin về khoảng cách giữa mục tiêu cần xác định và điểm tham khảo. Để xác định vị trí của mục tiêu, ta cần biết khoảng cách từ điểm mục tiêu đến ít nhất 3 điểm tham khảo. Ba giải thuật xác định vị trí dựa vào khoảng cách phổ biến là Trilateration, MinMax hoặc ROCRSSI HVTH : Nguyễn Đăng Thuấn Trang 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4