Thiết kế hệ thống định vị sử dụng phương pháp ROC-RSSI

Nội dung text: Thiết kế hệ thống định vị sử dụng phương pháp ROC-RSSI

1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ROC-RSSI DESIGN OF A LOCALIZATION SYSTEM USING ROC-RSSI METHOD Nguyễn Đăng Thuấn*, Nguyễn Hữu Tuấn, Lƣơng Vinh Quốc Danh *E-mail: nguyenthuan359@gmail.com tinh được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ vào đầu Tóm tắt năm 1970. Tuy nhiên, đối với môi trường có nhiều vật Bài viết này trình bày việc thiết kế và thử nghiệm một mô hình xác định vị trí dựa trên cường độ sóng vô tuyến ở tần cản như ở các thành phố có nhiều tòa nhà cao tầng hoặc số 169 MHz. Hệ thống, bao gồm 4 trạm thu/phát tín hiệu tham môi trường trong nhà (indoor) nơi không thể thu được khảo và 01 trạm phát là đối tượng cần định vị, có khả năng tín hiệu từ các vệ tinh GPS, kỹ thuật định vị dựa trên hệ xác định tọa độ 2D của đối tượng (người, vật) di chuyển trong thống GPS bị hạn chế rất nhiều. Khi đó, các phương một phạm vi được xác định trước dựa trên mức cường độ tín pháp định vị như TOA (Time of Arrival), DOA hiệu sóng điện từ RSSI (Received Signal Strength Indicator) (Direction of Arrival) và RSSI (Received Signal thu được. Giá trị cường độ sóng RSSI do các trạm tham khảo Strength Indicator) là các giải pháp thay thế hiệu quả. nhận được từ trạm mục tiêu di động được xử lý bằng thuật toán ROC-RSSI (Ring Overlapping Circle RSSI) để xác định Trong các phương pháp định vị trong môi trường indoor vị trí tương đối của đối tượng mục tiêu so với trạm tham khảo. nói trên, phương pháp định vị dựa trên cường độ sóng vô Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng 6 mô-đun thu/phát tuyến nhận được RSSI được sử dụng phổ biến do có giải RF CC1120 - 169 MHz của hãng Texas Instruments để xây thuật tính toán khá đơn giản và chi phí phần cứng hệ dựng hệ thống để thử nghiệm kiểm chứng. Kết quả thực thống thấp hơn các phương pháp TOA và DOA. Đã có nghiệm cho thấy hệ thống định vị có khả năng xác định vị trí nhiều nghiên cứu triển khai ứng dụng phương pháp định của một đối tượng trong phạm vi 30m x 30m với độ chính xác vị dựa trên thuật toán RSSI được công bố trong thời gian đạt từ 80% đến 85%. vài năm gần đây [1-5]. Trong đa số các nghiên cứu dụng Abstract phương pháp định vị RSSI, sóng vô tuyến tần số 2.4 GHz được chọn sử dụng do tính phổ biến của các mô- This paper presents the design and implementation of đun thu/phát sóng RF hoạt động ở dải tần này. Tuy a localization system using the Ring-Overlapping based nhiên, đối với các ứng dụng trong nhà (indooor), sóng vô on Comparison of Received Signal Strength Indicator tuyến ở dải tần số 2.4 GHz có mức độ suy hao đường (ROC-RSSI). The designed systems, consisting of 5 RF truyền cao hơn sóng ở dải tần số thấp như VHF và UHF transceiver modules playing roles as 4 Reference nodes nên làm hạn chế phạm vi hoạt động của các mô-đun and one Target node, can be used to locating position of thu/phát RF cũng như khả năng định vị của hệ thống [6]. a moving object within a pre-defined area basing on the received signal strength RSSI. The RSSI values obtained Trong bài viết này, tác giả trình bày việc thiết kế và thử by the Reference nodes are processed using the ROC- nghiệm một mô hình xác định vị trí dựa trên cường độ RSSI algorithm to determine relative position of the sóng vô tuyến hoạt động ở tần số 169 MHz. Hệ thống, targeted object. In this work, the authors have utilized 6 bao gồm 4 trạm thu/phát tín hiệu tham khảo và 01 trạm Texas Instruments CC1120 RF - 169 MHz modules to phát là đối tượng cần định vị, có khả năng xác định tọa build the prototype system. Tested results have shown độ 2D của đối tượng (người, vật) di chuyển trong một that the system can offer accuracy of up to 80% to 85% phạm vi được xác định trước dựa trên mức cường độ tín within an area of 30m x 30m. hiệu sóng điện từ RSSI thu được. Giá trị cường độ sóng RSSI do các trạm tham khảo nhận được từ trạm mục tiêu di động được xử lý bằng thuật toán ROC-RSSI (Ring Keyword: CC1120 module, Localization, ROCRSSI, RSSI Overlapping Circle RSSI) để xác định vị trí tương đối của đối tượng mục tiêu so với trạm tham khảo. Giải thuật tính toán được kiểm chứng thực tế thông qua việc 1. Giới thiệu xây dựng hệ thống định vị sử dụng 6 mô-đun thu/phát Trong những năm gần đây, hệ thống định vị được phát RF CC1120 - 169 MHz của hãng Texas Instruments. triển ngày càng mạnh mẽ và càng ngày càng đạt đến độ 2. Hệ thống định vị dựa trên cƣờng độ sóng RSSI chính xác cao. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một hệ thống định vị dựa trên vệ 1
2. Điều kiện đúng Điều kiện sai SP I Hình 1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống định vị. Cấu trúc tổng quát của hệ thống định vị trong nghiên cứu này được trình bày ở Hình 1. Hệ thống bao gồm 4 trạm thu/phát sóng RF tham khảo (RN) đặt cố định ở các vị trí A, B, C và D. Trạm mục tiêu X là 01 mô-đun Hình 3: Lưu đồ truyền/ nhận dữ liệu thu/phát RF được gắn trên vật thể cố định hoặc di chuyển trong phạm vi giới hạn bởi 4 trạm tham khảo Hoạt động truyền/nhận dữ liệu giữa các trạm được (RN). Một trạm gốc (GN) sử dụng cho việc nhận dữ liệu mô tả theo như lưu đồ ở Hình 3. từ các trạm tham khảo (RN) sau đó đưa lên máy tính để Trạm mục tiêu X phát tín hiệu RF đến bốn trạm tính toán vị trí của đối tượng quan tâm. Vị trí của mục tham khảo A,B,C và D. Tại các trạm nầy sẽ nhận được tiêu sẽ được hiển thị trên máy tính thông qua giao diện các giá trị RSSI từ trạm mục tiêu X là RSSIX_A, phần mềm được tạo bằng ngôn ngữ Matlab. RSSIX_B, RSSIX_C và RSSIX_D. Sau đó trạm A sẽ Cấu tạo của mỗi trạm bao gồm 01 mô-đun thu/phát RF tiếp tục truyền dữ liệu đến trạm C và trạm B sẽ truyền CC1120 – 169 MHz do hãng Texas Instruments sản xuất tiếp dữ liệu đến trạm D, lúc nầy tram C và D có các dữ [7]được điều khiển bởi bộ vi xử lý MSP430G2553[9]. liệu là RSSIX_C, RSSIX_A, n_AC; RSSIX_D,RSSIX- Hình ảnh thực tế của bộ thu/phát sóng RF tần số 169 B,n_BD (trong đó n_AC và n_BD hệ số môi trường từA MHz được trình bày ở Hình 2. đến C và từ B đến D) Cuối cùng dữ liệu tổng hợp RSSIX_C, RSSIX_A, n_AC; RSSIX_D,RSSIX-B,n_BD sẽ truyền đến trạm gốc M và truyền lên máy tính tính toán cho ta tọa độ điểm mục tiêu X. 3.Quan hệ giữa cƣờng độ tín hiệu và khoảng cách RSSI được định nghĩa là cường độ của tín hiệu nhận được tại máy thu, đơn vị thường được sử dụng là dBm. Giá trị RSSI tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Dựa vào mối quan hệ trên, ta có thể tính toán được khoảng cách tương đối giữa 2 thiết bị phát - thu. Trong thực tế, do ảnh hưởng của hiện tượng fading, giá trị RSSI nhận được không ổn định, và phụ thuộc rất lớn vào điều kiện môi trường. Theo phương trình truyền sóng Friis, chúng ta có mối quan hệ sau: Hình 2: Mô-đun thu/phát RF tần số 169 MHz sử dụng trong nghiên cứu. . Trong đó, A (tính bằng đơn vị dBm) là công suất tín hiệu thu được ở khoảng cách 1 mét, RSSI là cường độ tín hiệu nhận tại máy thu ở khoảng cách d, n là hệ số truyền sóng đặc trưng của môi trường. Với điều kiện truyền sóng tầm nhìn thẳng (line of sight), n có giá trị bằng 2. Như vậy, Từ công thức trên, nếu 2 tham số A và n được 2
3. biết, với giá trị RSSI thu được, chúng ta có thể tìm ra + Lấy giá trị lớn nhất trong tập hợp F và tính ra khoảng khoảng cách d giữa 2 thiết bị truyền-nhận. cách là d1, d1 là bán kính của đường tròn với tâm là A. 4.Thuật toán xác định vị trí dựa trên cƣờng độ sóng + Lấy giá trị nhỏ nhất trong tập hợp N và tính được vô tuyến RSSI khoảng cách d2, với d2 là bán kính của đường tròn với Để xác định vị trí của mục tiêu, chúng ta cần biết tâm là A. khoảng cách từ trạm mục tiêu đến ít nhất 3 trạm tham Thực hiện tương tự với các trạm tham khảo còn lại để khảo. Các giải thuật xác định vị trí dựa trên cường độ xác định được vùng giao nhau của các đường tròn có sóng RSSI được sử dụng phổ biến là Trilateration, chứa trạm mục tiêu S. MinMax và ROCRSSI. Trong nghiên cứu này, tác giả Bƣớc 2: Xác định tọa độ tại các điểm giao nhau của các chọn sử dụng giải thuật ROCRSSI (Ring Overlapping vòng tròn có chứa trạm S. Circle RSSI) để tính vị trị của mục tiêu [8]. Dựa vào bán kính của các đường tròn được tạo ra ở Trên Hình 4, các trạm tham khảo A, B và C có vị trí Bước 1, ta có thể xác định tọa độ các điểm giao nhau được xác định trước và nhận tín hiệu từ trạm mục tiêu S. bằng cách cho tất cả các phương trình của các đường Phương pháp ROCRSSI cho phép xác định vị trí của tròn đó bằng nhau, giá trị tìm ra được từ phương trình trạm mục tiêu S dựa vào phần diện tích chồng chéo của này chính là tọa độ của các điểm giao nhau. các đường tròn có tâm tại vị trí trạm tham khảo để thu Bƣớc 3: Xác định tọa độ của trạm mục tiêu S. hẹp phạm vi xác định. Giả sử A phát ra tín hiệu cho B, C, S. Khi đó, các giá trị RSSI nhận được sẽ là RSSIAB > RSSIAS > RSSIAC. Từ kết quả này S có thể nằm trong vùng tô đậm khi S, B, C nằm cùng hướng với A. Phương pháp ROCRSSI không cố gắng để ánh xạ cường độ tín hiệu nhận được RSSI vào khoảng cách tuyệt đối điểm-điểm mà chỉ so sánh mối quan hệ về cường độ tín hiệu RSSI và không lệ thuộc vào giá trị tuyệt đối RSSI. Mức độ chính xác của ROCRSSI được dựa trên giả định rằng trong một phạm vi định hướng nhất định, với sự gia tăng khoảng cách giữa nguồn phát và nguồn thu, cường độ tín hiệu nhận được sẽ giảm dần một cách đơn điệu. Giá trị RSSI của mỗi trạm tham khảo còn được xác định bởi các trạm tham khảo lân cận. Bằng cách này, mỗi trạm tham khảo sẽ có thể thu thập đủ thông tin để tạo ra một loạt các đường tròn giao Hình 5: Minh họa cách xác định vị trí của S tại vùng nhau. giao nhau của các đường tròn. Gọi x, y là giá trị tọa độ của các điểm trong phần giao nhau, phần giao nhau này sẽ được chứa trong hình chữ nhật có các góc được xác định như sau: + Phần góc trên bên trái P1: ( giá trị nhỏ nhất của X, giá trị nhỏ nhất của Y). + Phần góc trên bên phải P2: ( giá trị lớn nhất của X, giá trị nhỏ nhất của Y). + Phần góc dưới bên phải P3: ( giá trị lớn nhất của X, giá trị lớn nhất của Y). Hình 4: Nguyên lý giải thuật ROCRSSI + Phần góc dưới bên trái P4: ( giá trị nhỏ nhất của X, giá Giải thuật định vị ROCRSSI có thể được thực hiện theo trị lớn nhất của Y). trình tự như sau: + Phần tâm của hình chữ nhật chính là vị trí ước tính Bƣớc 1: Xác định vùng giao nhau có chứa trạm S của S: + Trạm thu A sẽ đo giá trị RSSI của các trạm thu còn lại x = 0.5(Giá trị lớn nhất của X – Giá trị nhỏ nhất của X) và so sánh với giá trị RSSI của trạm S gửi về. + Giá trị nhỏ nhất của X + Những giá trị này sẽ chia thành 2 tập hợp N và F: y = 0.5(Giá trị lớn nhất của Y – Giá trị nhỏ nhất của Y) - N: tập hợp những giá trị RSSI lớn hơn giá trị RSSI từ + Giá trị nhỏ nhất của Y S tới A. Tọa độ của trạm S được xác định bởi: - F: tập hợp những giá trị RSSI nhỏ hơn giá trị RSSI từ X = (X + X )/2 hoặc X = (X + X )/2 S tới A. S P1 P3 S P2 P4 YS = (YP1 + YP3)/2 hoặc YS = (YP2 + YP4)/2 3
4. Việc sử dụng phương pháp ROCRSSI gặp phải một hạn Hình 7: Sơ đồ bố trí thực nghiệm môi trường ngoài trời chế là vùng giao nhau của các đường tròn quá lớn. Vì thế, việc xác định tọa độ của trạm mục tiêu S có thể dẫn Các mô-đun tham khảo CC1120 – 169 MHz, đóng vai đến sai số lớn. Giải pháp khắc phục nhược điểm này là trò các trạm thu giá trị RSSI từ mô-đun mục tiêu, được áp dụng một cải tiến ở bước 3. Sau khi đã xác định được đặt tại các điểm có tọa độ tương ứng A(20, 30), B(0, vùng giao nhau của các vòng tròn có chứa trạm S, chúng 30), C(0, 0) và D(20, 0). Đồng thời, các vị trí này sẽ ta thực hiện tính toán khoảng cách từ trạm S tới các đóng vai trò điểm tham khảo trong thuật toán định vị trạm A, B, C và D dựa trên giá trị RSSI nhận được từ S. ROCRSSI. Mô-đun mục tiêu S được đặt cố định tại các Những khoảng cách này được dùng để làm bán kính cho điểm khảo sát ①, ②, ③, ④, ⑤ (Hình7). Các giá trị các các đường tròn có tâm là A, B, C và D (Hình 6). Từ RSSI, khoảng cách và tọa độ điểm mục tiêu sẽ được ghi các bước 2 và 3, chúng ta tính được tọa độ của trạm mục nhận tại từng vị trí để làm cơ sở tính toán và đối chiếu. tiêu S. Bảng 1: Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu đặt cố định, trường hợp ngoài trời. Tọa độ Tọa độ Độ chênh lệch Điểm thực tế ước lượng ( m ) khảo sát X Y X Y Vị trí 1 20 0 22 2 2.8 Vị trí 2 40 17 38 16 2.2 Vị trí 3 20 34 21 34 1 Vị trí 4 0 17 3 18 3.2 Hình 6: Minh họa cách xác định tọa độ của trạm S theo Vị trí 5 20 17 22 14 3.6 phương pháp ROCRSSI cải tiến. Kết quả đo đạc, được trình bày ở Bảng 1, cho thấy 5.Kết quả thực nghiệm trường hợp trạm mục tiêu đặt cố định, kết quả ước Để kiểm chứng mức độ hiệu quả của giải thuật lượng tọa độ của trạm mục tiêu cho sai số thấp nhất là 1 ROCRSSI, hệ thống thiết kế được sử dụng để đo đạc m (vị trí 3) và sai số cao nhất là 3.6 m (vị trí 5). Với cường độ sóng với 4 trạm tham khảo và 01 trạm mục phạm vi khảo sát là 20m x 30m, kết quả định vị có sai số tiêu. Kết quả thực nghiệm được trình bày cho cả trường trung bình (số với vị trí thực tế) là 7%. hợp môi trường ngoài trời (outdoor) và môi trường Ngoài ra, việc thực nghiệm cũng được tiến hành với trong nhà (indoor). mục tiêu di chuyển. Tuy nhiên, kết quả cho thấy lộ trình 5.1 Trƣờng hợp môi trƣờng outdoor: của mục tiêu không được thể hiện một cách chính xác + Phạm vi đo đạc: khu vực sân có kích thước 20m x trên giao diện phần mềm hiển thị mặc dù kết quả hiển 30m. thị vẫn cho chúng ta hình dung được lộ trình và hướng di chuyển của điểm mục tiêu với độ trễ so với thực tế là + Công suất phát tín hiệu: 0 dBm khoảng 5s. Thời gian trễ này là kết quả của khoảng thời + Chiều cao các trạm thu/phát: 3 m gian cần thiết mà hệ thống sử dụng để xử lý thông tin RSSI. 5.2 Trƣờng hợp môi trƣờng indoor: + Phạm vi đo đạc: khu vực giới hạn bởi các hành lang với kích thước 30m x 30m. + Công suất phát tín hiệu: 7 dBm + Chiều cao các trạm thu / phát: 2 m 4
5. cho môi trường ngoài trời và trong nhà cho thấy hệ thống có khả năng xác định vị trí 2D của một đối tượng cố định trong phạm vi 30m x 30m và hiển thị kết quả thông qua phần mềm mô phỏng trên máy tính, với độ chính xác 80-85%. Độ chính xác của giải thuật đối với môi trường trong nhà thấp hơn môi trường ngoài trời do ảnh hưởng của hiện tượng fading. Trong thời gian tới, việc tìm hiểu các giải thuật tốt hơn để cải thiện độ chính xác, phương pháp làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading, việc cải thiện độ trễ trong tính toán lộ trình của mục tiêu di chuyển là các hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Nguyễn Đức Hậu, Nguyễn Duy Minh đã hỗ trợ việc thực hiện nghiên cứu cứu nầy. Hình 8: Sơ đồ bố trí thực nghiệm môi trường trong nhà Các mô-đun CC1120 – 169 MHz, đóng vai trò làm các Tài liệu tham khảo trạm thu giá trị RSSI từ mô-đun mục tiêu, được đặt tại các điểm có tọa độ A (30, 30), B(0, 30), C(0, 0) và D(30, [1] Cong Zou, A Sol Kim, and Jun Gyu Hwang 0). Đồng thời, các vị trí này sẽ đóng vai trò là điểm tham “Enhanced Positioning Method using WLAN khảo trong thuật toán định vị ROCRSSI. Module mục RSSI Measurements considering Dilution of tiêu S đặt cố định tại các điểm khảo sát ①, ②, ③, ④, Precision of AP Configuration - ICSNC 2012. ⑤ . Các giá trị RSSI, khoảng cách và tọa độ điểm mục [2] Zheng Zhang “Research of An Adjacent tiêu sẽ được ghi nhận tại từng vị trí (Hình 7). Correction Positioning Algorithm Based on Bảng 2: Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu đặt cố RSSI-Distance Measurement”, China – 2011. định, trường hợp trong nhà. [3] Pratap Kumar Sahu, Eric Hsiao-Kuang Wu, and Jagruti Sahoo, “DuRT: Dual RSSI Trend Based Tọa độ Tọa độ Localization for Wireless Sensor Networks”, Điểm thực tế ước lượng Độ chênh August 2013. khảo sát lệch (m) X Y X Y [4] Vũ Đức Lung “ Giải thuật định vị vị trí trong Vị trí 1 15 0 13 5 5.4 không gian 3-D cho thẻ RFID dựa vào cường độ tín hiệu (RSS)”, Tạp chí Khoa học Trường Đại Vị trí 2 30 15 27 17 3.6 học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 33 (2014): 83-91. Vị trí 3 15 30 16 26 4.1 [5] Jiuqiang Xu, “Distance Measurement Model Vị trí 4 0 15 5 14 5.1 Based on RSSI in WSN”, School of Information Vị trí 5 15 15 20 9 7.8 Science & Engineering Northeastern University, Shenyang,China, 2010. [6] Ali-Rantala, P. et al., “Indoor propagation Kết quả đo đạc, được trình bày ở Bảng 2, cho thấy trong comparison between 2.45 GHz and 433 MHz môi trường indoor, kết quả ước lượng tọa độ của trạm transmissions”, IEEE Antennas and Propagation mục tiêu sử dụng tham số RSSI có sai số lớn hơn giá trị Society International Symposium, 2002, pp. khảo sát trong môi trường outdoor. Nguyên nhân là do 240-243. tín hiệu vô tuyến bị ảnh hưởng mạnh bởi hiện tượng fading. Độ lệch nhỏ nhất so ở vị trí thực tế là 3.6m (vị trí [7] CC1120 High-Performance RF Transceiver for 2), độ lệch lớn nhất ghi nhận là 7.8m khi mục tiêu đặt tại Narrowband Systems. URL: http:// trung tâm khu vực khảo sát (vị trí 5). Với phạm vi khảo www.ti.com/lit/ds/swrs112h/swrs112h.pdf sát là 30m x 30m, mức sai số trung bình ghi nhận được [8] Chong Liu “Sensor Localization with Ring là 5.2m (17%). Overlapping Based on Comparison of Received 6. Kết luận Signal Strength Indicator” University of Victoria BC, Canada V8W 3P6 Tác giả đã trình bày việc thiết kế 01 hệ thống định vị dựa trên cường độ sóng vô tuyến sử dụng giải thuật [9] MSP430x2xx Family User's Guide - ROCRSSI. Kết quả đo đạc thực nghiệm được thực hiện 5
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.