BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRẦN XUÂN BÁCH

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG
BLUETOOTH THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã chuyên ngành: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Ngọc Sơn.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 năm 2021
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Nguyễn Tấn Lũy ............................... - Chủ tịch Hợi đồng
2. TS. Trần Hữu Tồn ......................................... - Phản biện 1
3. PGS.TS Lê Mỹ Hà .......................................... - Phản biện 2
4. TS. Nguyễn Trọng Tài .................................... - Ủy viên
5. TS. Nguyễn Thế Kỳ Sương ............................. - Thư ký
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN XUÂN BÁCH

MSHV: 18104891

Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1992

Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã chuyên ngành: 8520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG BLUETOOTH THẾ HỆ
MỚI
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu và xây dựng thực nghiệm một hệ thống định vị sử dụng raspberry pi và
beacon C2640 dựa trên thuật toán trilateration

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 841/QĐ-ĐHCN
ngày 10 tháng 7 năm 2020.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 10 tháng 01 năm 2021.
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Ngọc Sơn
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, bên
cạnh những nỗ lực và cố gắng của bản thân mình, tơi cũng đã nhận được rất nhiều
sự quan tâm và giúp đỡ của q Thầy cơ, gia đình và bạn bè. Với lịng biết ơn sâu
sắc nhất, tơi xin chân thành gửi đến quý Thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp
TP.HCM, quý Thầy cô Khoa Công nghệ Điện Tử - những người đã cùng với tri
thức và tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức q báu của mình cho tơi trong suốt thời
gian học tập tại trường. Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy
hướng dẫn TS. Nguyễn Ngọc Sơn, người đã định hướng, tận tình hướng dẫn và giúp
đỡ tơi trong q trình thực hiện luận văn này.
Qua đây cũng xin gửi đến gia đình và bạn bè của mình lời cảm ơn chân thành hỗ trợ
để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.
Trong q trình thực hiện luận án chắc chắn khơng thể tránh khỏi những sai sót, do

vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q báu của q Thầy Cơ để tơi
học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm và hồn thiện luận văn của mình.
Sau cùng, xin kính chúc q Thầy Cô Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, TS.
Nguyễn Ngọc Sơn được dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công trong cuộc
sống và luôn giữ vững ngọn lửa đam mê của mình trong việc truyền đạt kiến thức
cho thế hệ mai sau.
Xin chân thành cảm ơn!

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị được phát triển và ngày càng đạt đến đợ
chính xác cao dựa vào sự phát triển đa dạng của công nghệ truyền thông không dây
(GPS, Wi-Fi, Bluetooth…) dùng để định vị vị trí rất tốt ở mơi trường ngoài trời.
Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là khó truyền qua tường,
cửa kính, nên khơng hoạt đợng tốt trong tịa nhà. Nhiều nghiên cứu đang thực hiện
đang khám phá các cách tiếp cận mới để xác định vị trí trong nhà. Mợt kỹ thuật phổ
biến liên quan đến việc sử dụng các giá trị chỉ báo cường đợ tín hiệu (RSSI) nhận
được từ các Bluetooth Low Energy (BLE) để đo khoảng cách giữa thiết bị thu
(raspberry pi) và phát (beacon) sau đó xác định vị trí của người dùng trong khơng
gian trong nhà bằng cách áp dụng định vị thuật toán chẳng hạn như phương pháp
trilateration. Mục tiêu của thiết kế này là hệ thống hoạt đợng ổn định, đợ chính xác
cao và siêu tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, vẫn khó có được dữ liệu chính xác vì
giá trị RSSI khơng ổn định do ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường xung
quanh như thời tiết, độ ẩm, các rào cản vật lý và nhiễu từ các tín hiệu khác. Trong
luận văn này, tôi đề xuất một hệ thống theo dõi vị trí trong nhà giúp cải thiện hiệu
suất bằng cách tối ưu hóa các tín hiệu RSSI khơng ổn định nhận được từ BLE. Tơi
áp dụng thuật tốn lọc dựa trên Kalman để giảm nhiễu của giá trị RSSI nhận được.


ii


ABSTRACT
Over the years, navigation systems have been developed and increasingly reached
high accuracy based on the diverse development of wireless communication
technologies (GPS, Wi-Fi, Bluetooth ...) for positioning. Excellent location in the
outdoor environment. However, the biggest disadvantage of GPS navigation system
is that it is difficult to pass through walls, glass doors, so it does not work well in
the building. Many studies are exploring new approaches for indoor location
measurement. One popular technique involves using the received signal strength
indicator (RSSI) values from the Bluetooth Low Energy (BLE) beacons to measure
the distance between the receiver (raspberry pi) and the transmitter (beacon) then
determining the position of the user in an indoor space by applying a positioning
algorithm such as the trilateration method. The target of this design is the system
stable operation, high accuracy and ultra energy efficient. However, it remains
difficult to obtain accurate data because RSSI values are unstable owing to the
influence of elements in the surrounding environment such as weather, humidity,
physical barriers, and interference from other signals. In this paper, i propose an
indoor location tracking system that improves performance by optimization unstable
RSSI signals received from BLE beacons. I apply a filter algorithm based on the
average filter and the Kalman filter to reduce the noise of the received RSSI value.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Nguyễn Ngọc Sơn. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được
trình bày trong luận văn này hồn tồn trung thực, khơng sao chép từ bất kỳ mợt

nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tơi xin
hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên

Trần Xuân Bách

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................ii
ABSTRACT .............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu ......................................................................2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. ........................................................3
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................3
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.................................... 5

1.1 Hệ thống định vị trong nhà ...............................................................................5
1.2 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu có liên quan ..........................................5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .................................................................. 5
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 9
1.3 Nội dung nghiên cứu.......................................................................................11
1.4 Bố cục luận văn...............................................................................................11
CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 12

2.1 Giới thiệu ........................................................................................................12
2.2 Phân loại các hệ thống định vị. .......................................................................12
2.2.1 Phân loại theo phương pháp định vị ........................................................... 13
2.2.2 Phân loại theo biến tín hiệu thu ................................................................... 14
2.2.3 Phân loại theo kỹ thuật đo lường................................................................. 14
2.2.4 Phân loại theo thiết bị.................................................................................. 15
2.3 Truyền dẫn sóng điện từ. ................................................................................16
2.3.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ. ............................................................ 16
2.3.2 Nhiễu trong truyền sóng điện từ. ................................................................. 17

v


2.4 Cường đợ tín hiệu thu được RSSI. ..................................................................20
2.5 Cơng nghệ định vị trong nhà. .........................................................................22
2.6 Kỹ thuật định vị trong nhà ..............................................................................26
2.6.1 Ước lượng tiệm cận (Proximity Estimation) ............................................... 26
2.6.2 Uớc lượng dựa trên góc (Triangulation Estimation) .................................. 27
2.6.3 Uớc lượng dựa trên độ trễ tín hiệu (Trilateration Estimation) ................... 29
2.7 Bộ lọc Kalman ................................................................................................32
2.8 Kết luận ...........................................................................................................34
CHƯƠNG 3


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ ........................ 35

3.1 Giới thiệu ........................................................................................................35
3.2 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................35
3.3 Các bước xác định RSSI .................................................................................36
3.4 Đặc trưng của môi trường ...............................................................................37
3.5 Xác định khoảng cách từ RSSI .......................................................................38
3.6 Lọc nhiễu RSSI dùng Kalman ........................................................................38
3.7 Các bước Trilateration ....................................................................................40
3.8 Kết Luận .........................................................................................................41
CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................................................... 43

4.1 Các bước cấu hình mơ hình thực nghiệm .......................................................43
4.1.1 Cấu hình phần cứng ..................................................................................... 43
4.1.2 Cấu hình mạng .............................................................................................46
4.1.3 Cấu hình để hiển thị vị trí trên ứng dụng .................................................... 47
4.2 Khảo sát giá trị RSSI.......................................................................................50
4.3 Thực hiện định vị ............................................................................................57
4.4 Đánh giá độ chính xác của hệ thống ...............................................................57
CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 62
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ......................................................... 66

vi



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 các góc Euler ................................................................................................7
Hình 1.2 Phương pháp của thuật tốn đề x́t ............................................................7
Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống được đề xuất dựa trên BLE cho các bệnh viện .....10
Hình 2.1 Phân loại hệ thống theo dõi vị trí ...............................................................13
Hình 2.2 Hiện tượng đa đường trong thơng tin vơ tuyến ..........................................17
Hình 2.3 Biểu diễn của trễ đa đường ........................................................................19
Hình 2.4 Ảnh hưởng của số mũ suy hao đường truyền ............................................21
Hình 2.5 Ước lượng tam giác ....................................................................................27
Hình 2.6 Ước tính trong nút mục tiêu định vị ...........................................................28
Hình 2.7 Phương pháp định vị Triliteration ..............................................................30
Hình 2.8 Các trường hợp Tam giác hóa Triliteration cần cải thiện ..........................32
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................35
Hình 3.2 Sơ đồ khối lọc nhiễu dùng Kalman ............................................................38
Hình 3.3 Các vị trí cho Trilateration Đơn giản hóa ..................................................41
Hình 4.1 Thơng tin dị tìm beacon ............................................................................43
Hình 4.2 Phần cứng yêu cầu .....................................................................................44
Hình 4.3 Hệ điều hành RASBIAN ............................................................................45
Hình 4.4 Tín hiệu trả về raspberry của beacon cần định vị ......................................46
Hình 4.5 Cấu trúc mạng ............................................................................................47
Hình 4.6 Dữ liệu được cập nhật liên tục lên cloud ...................................................48
Hình 4.7 Cấu hình để hiển thị vị trí trên ứng dụng ...................................................49
Hình 4.8 Cấu hình tọa đợ đợng chọn Raspberry Pi ...................................................50
Hình 4.9 Biểu diễn khảo sát 100 kết quả Rssi ..........................................................50
Hình 4.10 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m của Raspberry Pi 1 trước và sau khi
có bợ lọc kalman ........................................................................................51
Hình 4.11 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m của Raspberry Pi 2 trước và sau khi
có bợ lọc kalman ........................................................................................53

Hình 4.12 Giá trị RSSI với khoảng cách d = 2m của Raspberry Pi 3 trước và sau khi
có bợ lọc kalman ........................................................................................55
Hình 4.13 Kết quả thử nghiệm định vị của hệ thống ................................................57
Hình 4.14 Sai số kết quả thực nghiệm ......................................................................58
Hình 4.15 Kết quả định vị sau khi thêm bộ lọc trung bình .......................................59
Hình 4.16 Sai số thực nghiệm sau khi thêm bợ lọc trung bình .................................59

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Giá trị hệ số suy hao đường truyền n .........................................................37
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả RSSI của Raspberry Pi 1 ..............................................52
Bảng 4.2 So sánh độ lệch chuẩn của Raspberry Pi 1 ................................................52
Bảng 4.3 Kết quả ước lượng của Raspberry Pi 1 ......................................................52
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả RSSI của Raspberry Pi 2 ..............................................53
Bảng 4.5 So sánh độ lệch chuẩn của Raspberry Pi 2 ................................................54
Bảng 4.6 Kết quả ước lượng của Raspberry Pi 2 ......................................................54
Bảng 4.7 Tổng hợp kết quả RSSI của Raspberry Pi 3 ..............................................55
Bảng 4.8 So sánh độ lệch chuẩn của Raspberry Pi 3 ................................................55
Bảng 4.9 Kết quả ước lượng của Raspberry Pi 3 ......................................................56
Bảng 4.10 Kết quả định vị của các Raspberry Pi ......................................................56

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AOA


Angle of Arrival

Góc đến

BLE

Bluetooth Low Energy

Bluetooth năng lượng thấp

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

Global System for

Hệ thống thơng tin di đợng
tồn cầu

GSM
IEEE


Mobile Communications
Institute of Electrical and

Hợi Kỹ sư Điện và Điện tử

Electronics Engineers

IMU

Inertial Measurement Unit

Đơn vị đo lường quán tính

IOT

Internet of Things

Internet Vạn Vật

IPS

Indoor Positioning System

Hệ thống định vị trong nhà

LBS

Indoor Location Based Services

Dịch vụ dựa trên vị trí trong nhà


LOS

Line-Of-Sight

Tầm nhìn thẳng

OWC

Optical Wireless Communication

Giao tiếp khơng dây quang học

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PWAN

Personal Wide Area Networks

Mạng diện rộng cá nhân

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập tạm thời


RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng tần số vô tuyến

RSSI

Receive Signal Strength Indicator

Chỉ báo cường đợ tín hiệu nhận

TDoA

Time Difference of Arrival

Chênh lệch thời gian đến

TOA

Time of Arrival

Thời gian đến


URL

Uniform Resource Locator

Định vị tài nguyên thống nhất

ix


UWB

Ultra-wideband

Băng thơng siêu rợng

VLC

Visible light communication

Giao tiếp ánh sáng nhìn thấy

WLAN

Wireless Local Area Network

mạng cục bộ không dây

x



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại tự đợng hóa, khả năng điều hướng, định vị con người và thiết bị
trong môi trường trong nhà ngày càng trở nên quan trọng do đó số lượng cơng trình
nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tiễn ngày càng tăng. Với sự xuất hiện hệ thống
định vị vệ tinh, hiệu suất của định vị ngoài trời đã trở nên tuyệt vời, 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 hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối
mặt với những khó khăn như tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho đợ chính xác của kết
quả giảm đi đáng kể. Những khó khăn như vậy chủ yếu gặp phải trong môi trường
trong nhà, tầng hầm và môi trường ngầm của các tịa nhà lớn. Vì vậy, phát sinh nhu
cầu tất yếu xây dựng các hệ thống định vị trong nhà đợc lập với hệ thống định vị
tồn cầu GPS.
Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System) 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, cơng śt tiêu thụ lớn cũng như đợ
chính xác thấp.
Mong muốn và nhu cầu về hệ thống định vị trong nhà (IPS) ngày càng phổ biến trên
thị trường. Hệ thống định vị trong nhà không dây đã bắt đầu trở nên phổ biến trong
những năm gần đây. Đã có nhiều các công nghệ được đề xuất và thảo luận như
Wifi, BLE, LTE, UWB, công nghệ lai... mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này
cho việc định vị trong nhà. Mặc dù nhiều nghiên cứu các giải pháp thay thế cho
GPS, khơng có cơng nghệ nào trong số này tạo ra tác động đáng kể trong lĩnh vực,
sao cho có thể coi mợt tiêu chuẩn cho định vị trong nhà.

1



2. Mục tiêu nghiên cứu
Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị trong nhà, các hệ thống định vị
trong nhà cần lựa chọn các tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị. Sự phổ biến của
các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng ứng dụng các
tín hiệu này cho việc định vị trong nhà. Bên cạnh đó, các thuật tốn định vị cũng là
một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà.
Luận văn sẽ trình bày, thiết kế về công nghệ Bluetooth Low Energy với các thơng
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 [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 (coin-cell battery), và không yêu cầu cơ sở hạ tầng riêng biệt; hoạt động ổn
định.
Bluetooth Low Energy là một trong những công nghệ với khả năng cao thực hiện
định vị trong nhà và như vậy sẽ là mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này. Kết
quả của luận văn này nhằm hỗ trợ việc phân tích tính khả thi của việc sử dụng cơng
nghệ Bluetooth LE trong trong nhà để tìm vị trí của bất kỳ vật thể nào dựa trên các
tiếp cận chỉ báo cường đợ tín hiệu (RSSI).
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
Luận văn sẽ trình bày về các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống
định vị trong nhà (Wifi, BLE, LTE, UWB...); thông qua các phương pháp và thuật
toán định vị. Các phương pháp ước lượng vị trí phổ biến là Góc tín hiệu đến (AOA),
Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) và Chỉ
báo cường đợ tín hiệu (RSSI), trong khi các thuật toán định vị là Triangulation,
Trilateration, đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị trong nhà “Bluetooth
beacons” từ đó đưa ra được những ưu điểm thiết thực của công nghệ định vị trong
nhà sử dụng BLE.

2



4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
Luận văn này tập trung xây dựng ứng dụng trong nhà thông minh dựa trên hệ thống
định vị trong nhà với công nghệ Bluetooth năng lượng thấp, ứng dụng này được
phát triển trên nền tảng Android cho người dùng.
Cụ thể là khi các sản phẩm trong nhà được gắn các thiết bị Beacon CC2640, ta có
thể xác định được vị trí của chúng thơng qua các Raspberry Pi (có kết nối
Bluetooth) nhờ các dữ liệu từ Beacon. Sau đó các dữ liệu này được đưa lên Web
server. Từ Web Server sẽ gửi dữ liệu về một ứng dụng định vị được viết bằng
Android trên điện thoại.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
“Hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy” đã đem lại
sự phát triển mới trong hệ thống định vị trong nhà. Công nghệ này được sử dụng
rộng rãi trong các nhà máy, công ty, gia đình hay trong các khu dịch vụ cơng cợng
nhờ những ưu điểm vượt trợi mà nó mang lại.
Hiện tại các công ty trong nhiều lĩnh vực từ ngành quảng cáo, thiết kế bản đồ, hay
như trong lĩnh vực y tế và ngành hàng hải đang phát triển công nghệ định vị trong
nhà. Những tên tuổi lớn đáng kể như Google hay Nokia đang dẫn đầu giải pháp này.
Các ứng dụng thực tế như:
-

Tìm địa điểm trong các tịa nhà văn phòng lớn, các tòa nhà trường đại học, khu
trung tâm, viện bảo tàng, bệnh viện

-

Tình huống khẩn cấp: điều hướng cứu hợ và khoanh vùng tình huống khẩn cấp

-


Theo dõi người và tài sản – bệnh nhân, trẻ em, khách tham quan, du khách, ví
dụ: theo dõi hành lý tại các sân bay; giao nhận, vận chuyển hàng hóa và theo
dõi container trong kho, bến cảng, sân bay… xác định vị trí thiết bị trong nhà
máy, văn phịng và bệnh viện.

-

Các ứng dụng xã hợi: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà;
quảng cáo dịch vụ.

3


Hơn nữa, khi sử dụng BLE tầm gần sẽ giúp hệ thống hoạt đợng ít bị ảnh hưởng bởi
các sóng vơ tuyến khác trong mơi trường hoạt đợng của nó như: Wifi, LTE, GSM,
radio,… do đó cơng nghệ BLE sẽ trở thành một công nghệ của tương lai trong việc
định vị vị trí trong nhà.

4


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Hệ thống định vị trong nhà
Định vị trong nhà là một kỹ thuật cung cấp vị trí liên tục theo thời gian thực của các
đối tượng hoặc con người trong một không gian khép kín thơng qua các phép đo.
Định vị trong nhà chủ yếu được sử dụng trong các tòa nhà, nhà kho, nhà máy và văn
phòng để giám sát và theo dõi con người, thiết bị, hàng hóa.... Hệ thống định vị

trong nhà (IPS) sử dụng cảm biến và công nghệ truyền thông để định vị các đối
tượng trong môi trường trong nhà. IPS đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học
và doanh nghiệp vì có cơ hợi thị trường lớn để áp dụng các công nghệ này. Có
nhiều khảo sát trước đây về hệ thống định vị trong nhà; tuy nhiên, hầu hết chúng
chưa có tác đợng đáng kể trong lĩnh vực này, hoặc đều bỏ qua các cơng nghệ có liên
quan, hoặc ở mợt phương diện nào đó cấu trúc phân loại cịn hạn chế; cuối cùng,
các c̣c khảo sát nhanh chóng trở nên lỗi thời trong một lĩnh vực năng động như
IPS.
Sự phổ biến của các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng
ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà. Định vị trong nhà luôn được
chú ý tới vì đây là mợt lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng.
1.2 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu có liên quan
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Nhu cầu cao về IPS đã thúc đẩy ngày càng nhiều công trình nghiên cứu trong vịng
15 năm trở lại đây. Số lượng nghiên cứu IPS được đưa ra trong giai đoạn này là rất
lớn, được phản ánh trong số lượng các cơng trình nghiên cứu liên quan đến IPS gần
đây. Số lượng khảo sát đáng chú ý chỉ tập trung vào khía cạnh vấn đề chung chung,
các nghiên cứu chỉ đề cập ngắn gọn kỹ thuật định vị trong nhà. Tuy nhiên, mợt số
trong đó đã giải quyết mợt số vấn đề cụ thể của IPS; các nghiên cứu này nói chung
khác biệt với các nghiên cứu trước đây không chỉ bằng cách cung cấp các tối ưu

5


mới về các giải pháp IPS bằng cách đề xuất các nguyên tắc phân loại mới hoặc bằng
cách nghiên cứu về các khía cạnh cụ thể như các ứng dụng cụ thể [3].
Dưới đây là mợt số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu.
➢ Hệ thống định vị trong nhà dành cho người đi bộ cho các ứng dụng thị trường
[4]
Hệ thống dựa trên quán tính người dùng. Hệ thống quán tính tính tốn vị trí của

riêng người dùng mà khơng cần bất kỳ sự trợ giúp nào từ cơ sở hạ tầng vật lý. Cảm
biến quán tính đo các lực tác dụng lên cảm biến và do đó chuyển đợng của vật thể
được gắn cảm biến có thể được tính tốn. Thơng thường, các cảm biến qn tính
được gắn với nhau tạo thành quán tính đơn vị đo lường (IMU), được hình thành bởi
gia tốc kế 3 trục, con quay hồi chuyển 3 trục và 3 trục từ kế (Từ kế khơng phải là
cảm biến qn tính, tuy nhiên nghiên cứu đưa vào đơn vị đo lường qn tính vì đây
là thuật ngữ điển hình được sử dụng). Có hai loại chính của hệ thống dẫn đường
qn tính:
• Hệ thống dây đeo: các hệ thống này tích hợp hai lần gia tốc của người dùng để
ước tính vị trí
• Hệ thống bước và dẫn đầu (SHS): các hệ thống này ước tính vị trí bằng cách thêm
vào ban đầu vectơ ước tính vị trí đại diện cho chiều dài bước và bước đầu của người
dùng. Bất kể cách tiếp cận nào được sử dụng, bước đầu tiên của hệ thống điều
hướng qn tính là tính tốn định hướng tương đối của cảm biến và cơ thể của
người dùng. Các phép đo của IMU được thể hiện trong khung tọa độ cảm biến, bất
cứ khi nào gắn IMU vào người dùng, các trục của khung tọa đợ cảm biến có thể
khơng trùng với các trục của khung điều hướng. Bất kỳ sai lệch nào trong các trục
đều tạo ra sai số trong các phép đo; do đó, ước tính của định hướng tương đối là
một phần quan trọng của một hệ thống điều hướng quán tính. Sự biến đổi tương đối
giữa hai khung tọa đợ có thể thu được bằng cách xoay tuần tự quanh ba trục, trong
đó góc của bánh xe đều được thể hiện dưới dạng Góc Euler. Định nghĩa của các góc
Euler được hiển thị trong Hình 1.1
6


Hình 1.1 các góc Euler
➢ Thuật tốn định vị trong nhà sử dụng WiFi được cải tiến bởi trọng số Fusion [5]
Trong nghiên cứu này, mợt thuật tốn mở rợng và cải tiến được trình bày để ước
tính vị trí của mục tiêu. Thuật toán đề xuất dựa trên thuật tốn fingerprinting, vị trí
mục tiêu được cải thiện từng bước thuật tốn truyền thống, nó được hiển thị trong

Hình 1.2

Hình 1.2 Phương pháp của thuật toán đề xuất

7


Thuật toán đề xuất dựa trên thuật toán fingerprinting bao gồm hai giai đoạn: quy
trình thu nhận offline và quy trình định vị online.
• Q trình thu nhận offline bao gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Thu thập tín hiệu WiFi trong nhà
Giai đoạn này thu thập tín hiệu WiFi dựa trên bản đồ thu thập điểm. Bản đồ thu thập
các điểm được hình thành bằng cách chia nhà định vị thành mợt lưới các điểm
tương đương. Sau đó, Tín hiệu WiFi gốc được thu thập bằng cách sử dụng thiết bị
di đợng tại vị trí của từng điểm.
- Giai đoạn 2: Xử lý lỗi thu thập tín hiệu WiFi trong nhà
Giai đoạn này xử lý tín hiệu WiFi gốc bằng cách phân loại lỗi khi thu thập. Có ba
loại lỗi: lỗi hệ thống, lỗi tổng hợp và lỗi ngẫu nhiên.
- Giai đoạn 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu về vị trí
Cơ sở dữ liệu của vị trí fingerprinting vị trí chủ yếu chứa thơng tin sau: giá trị trung
bình về cường đợ tín hiệu WiFi gốc, đợ lệch chuẩn của cường đợ tín hiệu WiFi gốc
và giá trị trung bình của cường đợ tín hiệu WiFi được xử lý.
• Q trình định vị trực tuyến bao gồm các giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Vị trí fingerprinting phù hợp
Giai đoạn này được sử dụng để giảm số lượng fingerprinting có thể, để rút ngắn thời
gian định vị.
- Giai đoạn 2: Cải thiện định vị khoảng cách Euclide.
➢ Kỹ thuật định vị trong nhà không dây dựa trên công nghệ Ultra Wideband
(UWB) [6].
UWB là một trong những công nghệ mới nhất, chính xác và đầy hứa hẹn. UWB dựa

trên việc truyền các xung cực ngắn và sử dụng các kỹ thuật gây ra sự lan rộng của
năng lượng vô tuyến (trên diện rộng dải tần số) với phổ công suất rất thấp. Tần số
thấp của các xung UWB cho phép tín hiệu hoạt đợng hiệu quả vượt qua các chướng
ngại vật như tường và đồ vật. Có ba lĩnh vực ứng dụng chính để sử dụng UWB: (1)

8


truyền thông và cảm biến; (2) định vị và theo dõi; và (3) radar. Các kỹ thuật định vị
UWB trên thực tế có thể cung cấp cho theo dõi đợ chính xác trong nhà theo thời
gian thực cho mợt số ứng dụng như kho lưu trữ và định vị di động đèn hiệu cho các
dịch vụ khẩn cấp, điều hướng trong nhà cho người khiếm thị, theo dõi của người
hoặc dụng cụ, và trinh sát quân sự. Dữ liệu cao tốc đợ của UWB có thể đạt tới 100
Megabits mỗi giây (Mbps). Ngồi ra, các dạng sóng xung băng thơng rộng và cực
ngắn giúp giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu đa đường và tạo điều kiện xác định TOA
cho truyền dẫn giữa máy phát và máy thu tương ứng, điều này làm cho UWB trở
thành một giải pháp hấp dẫn hơn cho định vị trong nhà hơn các công nghệ khác.
Trên thực tế, UWB cung cấp tỷ lệ chính xác cao có thể giảm thiểu lỗi đến centimet.
Do đó, UWB được coi là một trong những lựa chọn phù hợp nhất cho quan trọng
ứng dụng định vị đòi hỏi kết quả chính xác cao.
Ngồi ra cịn có rất nhiều nghiên cứu điển hình như Yassin và cợng sự [7] nghiên
cứu mợt phần giới hạn định vị, mặc dù nó ngắn gọn và có mợt số lượng nhỏ tài liệu
dùng tham khảo dành cho các nghiên cứu khác. Nó cũng có một phần dành riêng để
kết hợp định vị và hợp nhất các dữ liệu, bài báo cung cấp các ví dụ thú vị nhưng
thiếu rõ ràng định nghĩa tách hai khái niệm. Sakpere và cộng sự [8] nghiên cứu gần
như tất cả các công nghệ, không hạn chế các ứng dụng cụ thể, có số lượng lớn tài
liệu, thảo luận về những thách thức và nhược điểm của từng công nghệ. Basiri và
cộng sự [9] cung cấp các đánh giá về nghiên cứu IPS tình trạng được thực hiện bởi
mợt cuộc khảo sát chủ yếu là người dùng LBS thông thường, nhà nghiên cứu LBS,
nhà phân tích thị trường LBS và nhà phát triển ứng dụng LBS. Một cuộc khảo sát

như vậy là một sự cần thiết, cho rằng việc sử dụng và mục tiêu của IPS rõ ràng là
vượt ra ngồi các cơng trình học thuật được cơng bố…
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Cùng với sự phát triển của công nghệ IOT, định vị trong nhà cũng đã được chú ý
đến tại Việt nam, lĩnh vực hệ thống định vị trong nhà (IPS) còn rất mới, mở ra nhiều
thách thức và cơ hội cụ thể.

9


Đã có nhiều nghiên cứu trong nước về “Định vị trong nhà”. Trong [10, 11] tác giả
đã nghiên cứu chung, giới thiệu về phương pháp định vị trong nhà, việc định vị
trong nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng và có nhiều ứng dụng trong
Internet of Things. Trong [12] thì tác giả đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định
vị trong nhà “Bluetooth năng lượng thấp” từ đó đưa ra được những giải pháp nâng
cao đợ chính xác cho hệ thống, bài viết cũng đưa ra mơ hình tốn học của phương
pháp đề x́t để tính tốn ra vị trí của người dùng. Kết quả triển khai thử nghiệm
cho thấy hệ thống đã cải thiện được đợ chính xác định vị đáng kể so với các hệ
thống khác.
Không chỉ tập trung vào nghiên cứu chung và cải thiện đợ chính xác, các cơng trình
nghiên cứu gần đây cịn mở rợng vào thực tiễn, ứng dụng [13], Hình 1.3 tác giả xây
dựng mợt hệ thống định vị trong nhà dựa trên BLE cho các bệnh viện.

Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống được đề xuất dựa trên BLE cho các bệnh viện [13]
Hệ thống cung cấp 3 chức năng chính như khám sức khỏe y tế mới-đăng ký, quản lý
lịch trình trong ứng dụng của bệnh nhân và điều hướng. Tác giả đã triển khai một
trang web chức năng ứng dụng, bên cạnh đó, tạo mợt app android cho bệnh nhân
quản lý lịch và tìm các vị trí, phịng khám.

10



1.3 Nội dung nghiên cứu
Luận văn này tập trung xây dựng ứng dụng trong nhà thông minh dựa trên hệ thống
định vị trong nhà với công nghệ Bluetooth năng lượng thấp, ứng dụng này được
phát triển trên nền tảng Android cho người dùng.
-

Xây dựng hệ thống của công nghệ Bluetooth năng lượng thấp bằng phương
pháp Triliteration từ đó tối ưu chính xác kết quả từ việc định vị.

-

Làm giảm sai số từ kết quả từ định vị vị trí bằng bợ lọc kalman.

-

Xây dựng hồn thiện ứng dụng định vị trên nền tảng di động cho người dùng
trên nền tảng Android.

1.4 Bố cục luận văn
Cấu trúc của luận văn được phân thành 4 chương như sau:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan vê luận văn.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp định vị trong nhà
- Chương 3: Thiết kế và thi công (lựa chọn công nghệ và phương pháp định vị sẽ
sử dụng, đưa ra được các thử nghiệm)
- Chương 4: Trình bày mơ hình thực tế, kết quả đạt được.
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

11



CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu
Trong môi trường nhà thường sóng điện từ lan truyền khá phức tạp và chịu nhiều
ảnh hưởng của vật cản, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, và các điều kiện biến đổi. Do đó,
việc tính tốn hệ số suy hao đường truyền trong nhà phụ thuộc lớn vào các đặc điểm
thiết kế, kết cấu, vật liệu xây dựng, các loại tịa nhà…
Nhiều cơng nghệ dựa trên sóng điện từ đã được đề xuất để sử dụng trong các hệ
thống định vị trong nhà. Tuy nhiên, khơng có đủ các cơng trình nghiên cứu để
khẳng định công nghệ nào là tiêu chuẩn cho định vị trong nhà, như GPS đã trở
thành tiêu chuẩn ngoài trời cho đến nay. Một số giải pháp được sử dụng cho hệ
thống định vị trong nhà là: Wi-Fi, ZigBee, Radio băng thông cực rộng, Bluetooth
truyền thống và Bluetooth năng lượng thấp. Bên cạnh đó, các thuật tốn định vị
cũng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà.
Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết truyền sóng trong mơi
trường trong tịa nhà, các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống định
vị trong nhà cũng như các thuật toán định vị phổ biến.
2.2 Phân loại các hệ thống định vị.
Ngày nay, các kỹ thuật và công nghệ khác nhau [14] sẵn sàng cho việc phát triển
các hệ thống định vị sẵn có [15]. Yêu cầu lựa chọn hệ thống định vị cụ thể hơn để
phù hợp với các nhu cầu và môi trường khác nhau như đợ chính xác, mơi trường
trong nhà/ngồi trời, kỹ thuật, các phương pháp khác nhau, bảo mật và quyền riêng
tư, thiết bị khả dụng...Từ quan điểm công nghệ, phân loại hệ thống vị trí có thể
được phân loại theo như trong Hình 2.1

12