ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
——

TRẦN TRỌNG HIẾU

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
SỬ DỤNG ULTRA-WIDEBAND

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số
: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trương Quang Vinh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: .............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: .............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày 16 tháng 1 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Hoàng Trang: Chủ tịch hội đồng.
2. PGS.TS. Hà Hoàng Kha: Phản biện 1..
3. TS. Nguyễn Minh Sơn: Phản biện 2.
4. TS. Bùi Trọng Tú: ủy viên.
5. TS. Trần Hoàng Linh: Thư ký.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : TRẦN TRỌNG HIẾU

MSHV : 1570365

Ngày, tháng, năm sinh : 06/09/1985


Nơi sinh : TP. HCM

Chuyên ngành

Mã số : 60520203

: Kỹ thuật Điện tử

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Hệ thống định vị trong nhà sử dụng Ultra-Wideband.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Khảo sát, tìm hiểu các hệ thống định vị trong nhà sử dụng Ultra-Wideband.
Nghiên cứu và phân tích các phương pháp ước lượng khoảng cách của các đối
tượng.
Nghiên cứu và xây dựng hệ thống định vị vật thể trên board nhúng; ứng dụng
vào lĩnh vực công nghiệp, đời sống hằng ngày...
III. NGÀY GIAO NHỆM VỤ : 14/03/2018
IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 01/01/2019

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trương Quang Vinh

Tp. HCM, ngày .... tháng.. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)


CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Em xin kính gửi đến Thầy TS Trương Quang Vinh lời cảm ơn chân thành với sự
trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc về sự hướng dẫn thật chu đáo và rất nhiệt tình. Thầy
đã dẫn dắt, tạo cho em cách tư duy và làm việc một cách khoa học từ việc lựa chọn các
nguồn tài liệu, phân tích bài báo, chọn lọc và cách tóm tắt các ý chính đến việc quản lý
lưu trữ sử dụng tối ưu các nguồn tài liệu tham khảo; hướng em đến các đề tài khoa học
thiết thực, tiếp cận với các công nghệ kỹ thuật tiên tiến.
Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tử đã
hết lòng dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu.
Tôi xin cảm ơn các bạn đã cùng học tập, giúp đỡ, động viên và cùng tôi bước
trên con đường nghiên cứu này.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2019
Học viên
Trần Trọng Hiếu


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày về thiết kế hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ UltraWideband.
Đề tài tập trung chủ yếu vào xây dụng mô hình giám sát áp dụng cho các hệ thống định vị
nhân viên, tài sản, các thành viên trong gia đình,...
Mô hình hệ thống định vị sủ dụng module DW1000 do DecaWave sản xuất, dữ liệu thu

thập đuợc xủ lý trên board Arduino, sau đó đuợc truyền lên Web thông qua chip ESP8266.
ứng dụng có thể đuợc truy cập bất cứ nơi đâu trên các thiết bị cầm tay có hỗ trợ trình duyệt
web và đuợc trang bị sẵn tín hiệu đuờng truyền internet thông qua Wifi hoặc 3G, 4G.


ABSTRACT
This thesis presents the design of indoor navigation systems using UltraWideband technology.
The thesis focuses on building a monitoring model which applied to the system
of positioning employees, assets, family members,...
The system model using the DW1000 module produced by DecaWave. The
collected data is processed on the Arduino board, then transmitted to the Web via the
ESP8266 chip.
The application can be accessed anywhere on handheld devices that support web
browsing and is able to connect to the internet via wi-fi or 3G, 4G.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu ứng dụng của riêng tôi và được sự hướng
dẫn khoa học của TS Trương Quang Vinh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là
trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn của mình. Trường đại học Bách Khoa TP. HCM không liên quan đến những vi phạm
(nếu có) về tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 1 năm 2019
Học viên

Trần Trọng Hiếu




LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG BIÊU ......................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... iv
CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................... 7
1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................................... 7
1.2

Các công trình nghiên cứu liên quan ........................................................................................ 9

1.2.1

Các công trình nghiên cứu trong nước .................................................................................. 9

1.2.2

Các công trình nghiên cứu ngoài nước ................................................................................ 11

1.3

Mục tiêu của luận văn ............................................................................................................... 13

1.4 ........................................................................................................................................
Phương pháp nghiên cứu...................................................................................................................... 13

1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết............................................................................................ 13

1.4.2 Đề xuất giải thuật................................................................................................. 16

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................... 22
2.1 ........................................................................................................................................ Lý
thuyết cơ bản về các phương pháp định vị ........................................................................................... 22
2.1.1

Giao đường tròn (Cừcular lateration) ................................................................................. 22

2.1.2

Giao Hyperbolic................................................................................................................. 29

2.2

Lý thuyết cơ bản về Ultra-Wideband ........................................................................................ 31

2.1.1. Các tiêu chuẩn về UWB ...................................................................................... 35
2.1.2. ứng dụng công nghệ UWB .................................................................................. 36

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT XÂY DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ ......... 39
3.1 Mô tả hệ thống............................................................................................................ 39
3.1.1. Sơ đồ khối............................................................................................................. 40
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý.................................................................................................... 41
3.2 Phần cứng hệ thống ................................................................................................... 43
3.2.1 Arduino IDE ......................................................................................................... 43
3.2.2 Arduino Pro Mini ................................................................................................. 45

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU


i


LUẬN VẤN THẠC sĩ

3.2.2.1
3.2.2.2

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

Bộ nhớ .......................................................................................................................... 46
Các chân năng lượng .................................................................................................... 46

3.22.3 Các chân I/O ...................................................................................................................... 46

3.2.3 Node MCU ESP8266 ............................................................................................ 47
3.2.4 Module DWM100 ................................................................................................. 49
3.3 Phần mềm hệ thống ...................................................................................................... 50
3.3.1

Giao thức MQTT ................................................................................................................ 50

3.3.2

Ngôn ngữ lập trình web HTML .......................................................................................... 63

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THựC HIỆN ........................................................................ 67
4.1

Phần cứng hệ thống ................................................................................................................... 67


4.2

Giao diện hệ thống .................................................................................................................... 71

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI ........................................... 75
5.1

Kết quả đạt được ....................................................................................................................... 75

5.2

Hướng phát triển đề tài ............................................................................................................. 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 76

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

ii


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1 Header cố định ............................................................................................ 53
Bảng 3-2 Bảng các cờ .................................................................................................53
Bảng 3-3 Loại message ..............................................................................................54
Bảng 3-4 Giá trị QoS .................................................................................................. 55

Bảng 3-5 Miêu tả độ dài ứng với số byte ................................................................... 56
Bảng 3-6 Ý nghĩa gói CONNACK ............................................................................. 57
Bảng 3-7 Giá trị mức QoS .......................................................................................... 58

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

3


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 ứng dụng hệ thống định vị trong nhà ............................................................. 8
Hình 1.2 Đánh giá thang điểm theo các tiêu chí các loại công nghệ ............................ 9
Hình 1.3 Hệ thống định vị trong nhà minh họa .......................................................... 16
Hình 1.4 Một bộ Anchor và Tag thực tế.................................................................... 17
Hình 1.5 Một bộ Anchor và Tag thực tế được đóng gói ........................................... 18
Hình 1.6 Module DWM1000 thực tế.......................................................................... 19
Hình 1.7 Phương pháp ToA Two-way-ranging .......................................................... 19
Hình 1.8 Phương pháp khắc phục lỗi phát hiện tag không tin cậy ............................. 20
Hình 1.9 Minh họa phương pháp phát hiện tag không tin cậy .................................. 21
Hình 1.10 Minh họa ước lượng khoảng cách sau khi xác định sai số ........................ 21
Hình 2.1 Phương pháp giao đường tròn trong không gian hai chiều ........................ 23
Hình 2.2 Phương pháp giao đường tròn trong không gian 3 chiều ........................... 24
Hình 2.3 Các khả năng lỗi trong phương pháp giao đường tròn ................................ 25
Hình 2.4 Tập hợp các điểm có cùng TDoA tới hai trạm thu sẽ nằm trên hai nửa của
hình hyperboloid ........................................................................................................ 29
Hình 2.5 Phương pháp giao Hyperbolic .................................................................... 30

Hình 2.6 Minh họa lỗi trong trường hợp hai đường hyperbol giao nhau .................. 31
Hình 2.7 Tín hiệu xung và dạng phổ UWB ................................................................ 33
Hình 2.8 Tín hiệu UWB, truyền đi 3 symbol dựa vào vị trí (TH) và cực tính của
xung ............................................................................................................................ 33
Hình 2.9 Các quy định của FCC về công suất phát xạ UWB ..................................... 34
Hình 2.10 Quy định của Nhật Bản và Châu Âu về UWB .......................................... 35
Hình 3.1 Giao diện hệ tọa độ định vị .......................................................................... 39
Hình 3.2 Mô hình ứng dụng hệ thống ........................................................................ 39
Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................... 40
Hình 3.4 Hình Sơ đồ khối một Anchor....................................................................... 40
Hình 3.5 Sơ đồ khối một Anchor góc ......................................................................... 41
Hình 3.6 Sơ đồ khối Tag............................................................................................. 41

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

4



LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối Anchor và Tag .......................................................... 41
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối Anchor góc ............................................................... 42
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối Node MCU ESP8266 ............................................... 42
Hình 3.10 Giao diện của Arduino IDE ....................................................................... 43
Hình 3.11 Giao diện sketch mới của IDE ................................................................... 44
Hình 3.12 Arduino Pro Mini....................................................................................... 45
Hình 3.13 Sơ đồ chân chip ESP8266.......................................................................... 48

Hình 3.14 Sơ đồ chân module DWM1000 ................................................................. 50
Hình 3.15 Ví dụ về kết nối trong mạng lưới MQTT .................................................. 52
Hình 3.16 Mô hình cơ bản của giao thức MQTT ....................................................... 53
Hình 3.17 Session và subscription được thiết lập với clean session flag = 1 ............ 60
Hình 3.18 Session và subscription được thiết lập với clean session flag = 0 ............ 61
Hình 3.19 QoS mức 0 ................................................................................................. 62
Hình 3.20 QoS mức 1 ................................................................................................. 62
Hình 3.21 QoS mức 2 ................................................................................................. 63
Hình 3.22 Trình bày bố cục giao diện sử dụng HTML .............................................. 65
Hình 3.23 Minh họa các thành phần trang web .......................................................... 65
Hình 4.1 Giao diện thiết kế mạch in trên Proteus ....................................................... 67
Hình 4.2 Mạch in lóp TOP trên Proteus ..................................................................... 68
Hình 4.3 Mạch in lớp BOTTOM trên Proteus ............................................................ 68
Hình 4.4 Kiểm tra kích thước mạch in lớp TOP trên giấy in ..................................... 68
Hình 4.5 Kiểm tra kích thước mạch in lớp BOTTOM trên giấy in ............................ 69
Hình 4.6 Sơ đồ bố trí linh kiện lớp TOP - trên giấy in ............................................... 69
Hình 4.7 Sơ đồ bố trí linh kiện lớp BOTTOM - trên giấy in...................................... 69
Hình 4.8 Board TAG, ANCHOR sau khi hoàn thiện ................................................. 70
Hình 4.9 Board ANCHOR trung tâm kết nối ESP8266 ............................................. 70
Hình 4.10 Hệ thống board định vị trong nhà và nguồn cung cấp ............................... 70
Hình 4.11 Giao diện hệ thống định vị trong nhà khi khởi động ................................. 71
Hình 4.12 Giao diện hệ thống định vị trong nhà hiển thị MAP 1 .............................. 72

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

V



LUẬN VẤN THẠC sĩ


GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

Hình 4.13 Giao diện hệ thống định vị trong nhà hiển thị MAP 2 .............................. 73
Hình 4.14 Giao diện hệ thống định vị trong nhà hiển thị CÀI ĐẶT .......................... 74
Hình 4.15 Giao diện hệ thống định vị CÀI ĐẶT thông số hệ tọa độ ......................... 74

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

vi


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Thiết bị GPS (global positioning system - hệ thống định vị toàn cầu) không thể
vận hành nếu chưa nhận được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh nên người ta thường phải sử
dụng ngoài trời. Hơn nữa, GPS không đủ chính xác khi dùng nó để tìm kiếm trong phòng
hoặc người ở một địa điểm nào đó. Các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và phân tán bời nhiều
vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác. Còn riêng đối với hệ thống vệ tinh
dẫn đường toàn cầu (GNSS) có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu hơn GPS tiến bộ không
ngừng trong công nghệ chip và sức mạnh xử lý. Tuy nhiên, GNSS lại không tương thích
nhiều với các phần cứng được thiết kế trong những năm 2008- 2011 với các hoạt động
trong nhà. Ngoài ra sai số trung bình cho hệ thống GNSS thường là lớn hơn nhiều đối
với những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao.
Vì vậy, công nghệ định vị trong nhà ra đời (Indoor Positioning System - IPS). Ý
tưởng của công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiệu vô tuyến giao thoa không có gì

mới. Đã có rất nhiều ứng trên các mạng di động cho phép xác định vị trí tương đối của
mình nhờ vào tham số thời gian đến ToA (Time of Arrival - thời gian truyền từ máy
phát đến máy thu), chu vi cell, hay góc đến (AoA) của tín hiệu.
Hiện nay chưa có tiêu chuẩn chung trong thiết kế của một hệ thống IPS. Tuy
nhiên đã có rất nhiều dự án định vị trong nhà được thương mại hóa. Thay vì sử dụng vệ
tinh, các giải pháp IPS dựa trên các công nghệ khác nhau, bao gồm cả đo khoảng cách
đến các nút gần đó (nút ở đây là vị trí được xác định, ví dụ như điểm truy cập WiFi),
định vị từ tính , xác định vị trí bằng cách dùng la bàn... Hệ thống chủ động xác định vị
trí các thiết bị di động, hoặc cung cấp vị trí xung quanh hay bối cảnh môi trường có thệ
nhận diện được. Tính chất cục bộ của IPS đã dẫn đến thiết kế phân mảnh, với hệ thống
hoạt động sử dụng nhiều phương thức xác định vị trí khác nhau như ánh sáng hay công
nghệ sóng âm... về cơ bản, hệ thống được thiết kế trong đỏ ít nhất phải đảm bảo 3 phép đo
độc lập để xác định vị trí một các chính xác.
Hiện tại cố hơn 130 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.
HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC sĩ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

Những tên tuổi lớn đáng kể như Google hay Nokia đang dẫn đầu giải pháp này. Các ứng dụng
thực tế như:

- Tìm địa điềm trong các tòa 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 hộ và khoanh vùng tình huống khẩn cấp
- Theo dõi người và tài sản - bệnh nhân, ừẻ 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...; xảc định vị trí thiết bị trong nhà máy, văn phòng và bệnh viện.

- Các ứng dụng xã hội: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà
- ứng dụng trong lĩnh vực quảng cáo
Hệ thống định vị trong nhà được kì vọng mang đến nguồn doanh thu khổng lồ trong
tương lai. Một ví dụ điển hình là ứng dụng trong ngành quảng cáo khi có ước tính chỉ ra rằng
các doanh nghiệp địa phương trên toàn cầu sẽ chi ra 50 tỷ USD mỗi năm cho hệ thống tìm kiếm
trong nhà.

Hình 1.1 ứng dụng hệ thống định vị trong nhà

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
1.2.1

Các công trình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, có rất nhiều cá nhân và tổ chức nghiên cứu về các phương pháp kết hợp với

các công nghệ định vị trong nhà. Vớí các công nghệ không dây được áp dụng hiện nay đều cố
mặt hạn chế lẫn ưu điểm riêng. Có thề liệt kê một sổ loại công nghệ không dây áp dụng trong
đỉnh vị như sau:
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC sĩ


GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

- Công nghệ định vị sử dụng tia hồng ngoại: Năng lượng tiêu thụ thấp tuy nhiên dễ bị hấp
thụ bởi môi trường, phạm vi thu phát tháp.

- Công nghệ đỉnh vị sử dụng sóng siêu âm: Mức giá cao nên khó áp dụng.
- Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth Low Energy (BLE): Năng lượng tiêu thụ thấp, phạm
vi thu phát trung bình, nhạy cảm với nhiễu môi trường.

- Công nghệ định vị sử dụng WIFI: Năng lượng tiêu thụ cao, phạm vi thu phát rộng, nhạy
cảm với nhiễu môi trường và phổ biến trên các thiết bị cầm tay.

Hình 1.2 Đánh giá thang điểm theo các tiêu chí các loại công nghệ
Hiện tạỉ các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào 2 loại công nghệ BLE và WiFi
bởi tính phổ biến của chúng trên các thiết bị di động cầm tay, hơn nữa phạm thu phát của 2 loại
công nghệ này đáp ứng đủ yêu cầu đối với môi trường trong nhà. Tuy nhiên những nghiên cứu
này cho thấy sự ảnh hường lớn của nhiễu môi trường đối với 2 loại sống này dẫn đến sai số của
các phương pháp định vị.

Định vị trong nhà cũng sử dụng những kỹ thuật định vị đã được áp dụng trong
định vị bên ngoài, hiện nay các kỹ thuật định vị này chia làm 3 loại phổ biến:
- Kỹ thuật định vị sử dụng RSS (Received Signal Strength): sử dụng thiết bị thu phát
RF đo đạc cường độ tín hiệu của điểm phát, từ đó có thể quy đổi ra khoảng cách giữa 2
thiết bị thu phát. Đây là kỹ thuật đơn giản dễ
- ứng dụng, chi phí thấp tuy nhiên giá trị của RSS dễ bị ảnh hưởng của môi trường
bên ngoài tác động dẫn đến sai số khá lớn.
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 9



LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

- Kỹ thuật TOA (Time of Arrival): thời gian trả về. Với yêu cầu khắt khe về đồng
bộ hệ thống, mô hình này rất khó để triển khai, chi phí thiết lập phần cứng cũng như
phần mềm là khá lớn. Tác động của môi trường đối với hệ thống này là khá nhỏ.
- Kỹ thuật định vị sử dụng TDOA (Time Difference of Arrival): thời gian chênh
lệch trả về. Tương tự như kỹ thuật TOA, kỹ thuật TDOA còn có thêm một số tùy chỉnh
trong tiến trình định vị, và dĩ nhiên sự phức tạp của hệ thống là rất lớn.
Do đó việc lựa chọn kỹ thuật định vị sẽ quyết định rất nhiều đến thiết kế thuật
toán định vị và mô hình hệ thống. Do đặc tính phổ biến, đơn giản và chi phí thấp, kỹ
thuật định vị bằng RSS được hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng.
Có 2 loại phương pháp, giải thuật định vị thông dụng nhất được áp dụng trong
môi trường indoor được trình bày trong khóa luận của tác giả Phạm Ngọc Huy [1]:
phương pháp trilateration và phương pháp fingerprint. Vì vậy hầu hết các nghiên cứu
hiện nay tập trung xây dựng và cải thiện các phương pháp này để giảm thiểu tối đa sai
số của hệ thống định vị trong nhà.
Tác giả Phạm Thị Thanh Thủy [2] đã đề xuất phát triển kỹ thuật định vị thông
qua hình ảnh qua camera để phát hiện người kết hợp với phương thức định vị bằng sóng
Wifi trên phương pháp fingerprint, sau cùng kết hợp định vị và định danh để kiểm ưa sự
chính xác của thông tin. Ưu điểm của phương thức này là áp dụng kết hợp giữa thuật
toán xử lý ảnh để xác thực lại độ chính xác của phương pháp định vị bằng WiFi, tuy
nhiên khuyết điểm lớn ở phạm vi quan sát của camera sẽ bị giới hạn đối với môi trường
quá nhiều vật cản, tương tự với số lượng người quá đông, hơn nữa chi phí lắp đặt cho
hệ thống này quá cao không thích hợp với mục đích sử dụng ban đầu của công nghệ
định vị bằng sóng WiFi.
So với phương pháp fingerprint, các nghiên cứu và các thuật toán áp dụng
phương pháp trilateration còn hạn chế. Do việc áp dụng các môi trường khác nhau làm

cho thuật toán trilateration phải thay đổi khiến cho việc nghiên cứu thuật toán này trở
nên khó khăn. Nhóm 2 sinh viên Phạm Hữu Hoàng - Chu Bảo Trung thực hiện mô hình
ứng dụng [3] cho thấy tính khả thi của loại phương pháp này trong thực tế.

HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 10


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong khi các nghiên cứu trong nước tập trung về các công nghệ định vị, các
phương pháp định vị và những so sánh đối chiếu cải tiến giữa các phương pháp này, các
nghiên cứu ngoài nước gần đây tập trung nhiều hơn về cải thiện sai số định vị của hệ
thống, áp dụng những lý thuyết điều khiển và các bộ lọc, tiêu biểu là những bộ lọc theo
vết đối tượng được trình bày sau đây. Thông thường trong các bài toán theo vết đối
tượng trong các mô hình tuyến tính, người ta thường hay áp dụng bộ lọc Kalman là giải
pháp tối ưu với đòi hỏi rằng nhiễu xử lý và nhiễu trong quá trình đo đạc tuân theo phân
bố Gauss. Và quả thực trong các mô hình đó bộ lọc Kalman giải quyết vấn đề rất tốt.
Tuy nhiên chính vì ràng buộc về mô hình này mà mô hình hệ thống định vị bằng RSSI
với các tác động của nhiễu phi Gauss, mà rất khó khăn để áp dụng loại bộ lọc này. Mô
hình đề xuất bởi Sangwoo Lee và các cộng sự đã áp dụng bộ lọc Kalman cùng với việc
tự hiệu chỉnh dựa hên những biến đổi bất thường bởi ảnh hưởng của nhiễu phi tuyến tác
động tới sóng Wifi [4], Tương tự, để giải quyết vấn đề này nhiều phương pháp được đưa
ra nhằm cải tiến bộ lọc Kalman truyền thống như: EKF (Extended Kalman Filter), UKF
(Unscented Kalman Filter)... Mục đích của các bộ lọc này nhằm tuyến tính hóa các hệ

thống phi tuyến bằng phương pháp khai triển Taylor các hàm phi tuyến thành chuỗi các
hàm số sơ cấp tuyến tính. Nhung các giải pháp này cũng chỉ giải quyết được một phần
yêu cầu của bài toán tracking, nó thường gặp phải các nhược điểm như khối lượng tính
toán đòi hỏi quá lớn với các hệ thống phức tạp và nhiễu đo đạc bị phân cực (bias
measurement noise) lớn. Chính vì vậy bộ lọc chất điểm đã ra đời nhằm giải quyết các
yêu cầu trên. Bộ lọc chất điểm có thể có nhiều tên gọi khác nhau như bộ lọc Bootstrap
(Bootstrap Filter), bộ lọc Monte Carlo (Monte Carlo) - vì nó dựa trên nền tảng của
phương pháp Monte Carlo,... nhưng sau thống nhất gọi là bộ lọc chất điểm (Particle
Filter). Do vậy, trong bài luận văn này tôi sẽ áp dụng bộ lọc chất điểm với mục đích theo
vết đối tượng từ các thông số RSSI đo đạc được từ môi trường nhằm tăng độ chính xác
cho giải thuật định vị của hệ thống. Lý thuyết cụ thể về bộ lọc chất điểm, so sánh giữa
bộ lọc Kalman filter và Particle Filter có thể tham khảo chi tiết ở bài trích dẫn tại [5]
hoặc tôi sẽ trình bày rõ hơn ở phần thiết kế sau.

HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 11


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

Một vấn đề trong các nghiên cứu về định vị ngoài nước được quan tâm tới là tốc
độ xử lí của các thuật toán, kích thước cơ sở dữ liệu và khối lượng tính toán cần phải
được tối ưu để đáp ứng thông tin định vị một cách nhanh nhất, đạt yêu cầu gần với thời
gian thực. Hầu hết những nghiên cứu này tập trung cho phương pháp fingerprint bởi vì
phương pháp này yêu cầu khối lượng dữ liệu lớn, các thuật toán xử lí phức tạp, hơn nữa
trong bài nghiên cứu này tôi còn sử dụng kết hợp thuật toán particle filter nên việc cải
thiện tốc độ truy xuất là rất cần thiết. Trong bài báo của mình, Jianye Peng và các cộng

sự đề xuất giải thuật định vị dựa trên mô hình hình học cùng với giải thuật gom nhóm
clustering [6], những điểm dữ liệu huấn luyện ở khâu offline trong phương pháp
fingerprint sẽ được phân nhóm dựa trên tọa độ hai chiều địa lý, việc phân nhóm này sẽ
dựa trên các công thức hình học để tìm ra các điểm tập gần nhau nhất, qua đó có thể làm
giảm tốc độ truy xuất ở khâu online của phương pháp fingerprint. Một bài nghiên cứu
tương tự cũng sử dụng thuật toán K- mean clustering này để gom nhóm các điểm huấn
luyện và điểm online của thuật toán fingerprint được trình bày bởi Olivier Dousse và
các cộng sự [7].

1.3 Mục tiêu của luận văn
-

Tìm hiểu thuật toán định vị và công nghệ định vị trong nhà hiện tại trong và ngoài

nước. Đánh giá về chất lượng, độ chính xác, mặt hạn chế và thuận lợi của các thuật toán.
-

Thiết kế thuật toán định vị đề xuất bằng phương pháp TDoA có thể cải thiện độ

chính xác và tốc độ đáp ứng, xử lí so với các thuật toán nghiên cứu có trước.
-

Thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống, đảm bảo có tính ứng dụng cao đáp

ứng các nhu cầu định vị trong nhà.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
1.4.1

Nghiên cứu lý thuyết

Có nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề định vị trong nhà, mỗi phương pháp

có điểm mạnh và yếu riêng. Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các công
việc liên quan với các phương pháp và công nghệ này.
Trong phần tổng quan, các phương pháp khác nhau để đo khoảng cách giữa hai
HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 12


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

bộ thu phát đã được đưa ra, được sử dụng các kỹ thuật như là dựa trên RSS, dựa trên
thời gian..., đặc trưng cho các hệ thống dựa trên phương pháp ước tính khoảng cách

chính của chúng.
Dựa trên cường độ tín hiệu nhận

1.4.1.1

Trong phần này, các kỹ thuật chủ yếu dựa vào RSS vì phương pháp đo lường của
chúng được mô tả, tuy nhiên thường không ổn định cả về độ chính xác, phạm vi và khó
xử lý trong các điều kiện hỗn hợp.
1.4.1.1.1

Xác định tần số vô tuyến

Có thể sử dụng nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) để định vị trong nhà bằng cách

sử dụng RSSI để xác định khoảng cách giữa các điểm tham chiếu cố định và đối tượng.
Như với nhiều kỹ thuật khác sử dụng RSSI, nó bị thiếu chính xác do ảnh hưởng môi
trường, như đối tượng cung quanh và con người, giữa bộ phát và máy thu. Điều này kết
hợp với phạm vi ngắn của bộ đọc RFID và thục tế các đối tuợng theo dõi giới hạn nghiêm
trọng hiệu suất gây ra trở ngại lớn cho công nghệ này.
1.4.1.1.2 Mạng cục bộ không dây

Mạng cục bộ không dây (WLAN) cũng đuợc gọi là Wi-Fi có thể đuợc sử dụng
cho nhiều ứng dụng trong đó có định vị trong nhà. WLAN mở ra khả năng cho các cá
nhân chuyển động qua các điện thoại có nghĩa là không cần thêm phần cứng bổ sung
nào vào đối tuợng theo dõi. Wi-Fi là một giao tiếp dụa trên RF, và do đó RSSI có thể
đuợc sử dụng giống nhu với RFID để thu đuợc khoảng cách tới nguừi dùng từ một điểm
truy cập. WLAN cũng có thể đuợc thục hiện trên cơ sở hạ tầng Wi-Fi hiện có, có nghĩa
là chi phí lắp đặt có thể rất thấp trong truờng hợp lý tuởng. Vấn đề với loại hệ thống
định vị trong nhà này là độ chính xác rất hạn chế, và do đó cần thêm các thuật toán hoặc
phần cứng để đảm bảo rằng kết quả là tối ưu nhât. Các trường hợp sử dụng của WLAN
tốt hơn nhiều so với các trường hợp khác vì hệ thống có thể dễ dàng được xây dựng
xung quanh thông qua các ứng dụng.
1.4.1.1.3 Bluetooth

Bluetooth có thể được sử dụng theo các cách tương tự như Wi-Fi để ước tính vị
HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 13


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH


trí của mục tiêu bằng cách đo RSSI và do đó có nhiều nhược điểm tương tự về độ chính
xác mặc dù nó tốt hơn so với Wi-Fi. đáng kể. Những lợi thế cũng hơi giống với Wi-Fi
ở chỗ cho phép theo dõi điện thoại khi có thể, loại bỏ nhu cầu bổ sung phần cứng vào
mục tiêu theo dõi, mặc dù cần phải cài đặt hệ thống các điểm tham chiếu.
1.4.1.2 Dựa trên thòi gian

Trong phần này, các kỹ thuật có khả năng sử dụng các phương thức dựa trên thời
gian. Phần tổng quan đã chỉ ra các kỹ thuật dựa trên thời gian thường chính xác hơn các
kỹ thuật dựa trên RSS, tuy nhiên đòi hỏi cả chi phí và độ phức tạp do tính chất xác định
khoảng cách dựa trên tốc độ của tín hiệu.
1.4.1.2.1 Siêu băng rộng (UWB)

UWB sử dụng các băng tần rộng để cho phép truyền các xung năng lượng cao,
hạn chế nhiễu với các thiết bị RF khác hoạt động trong cùng một tần số. Các hệ thống
UWB thường dựa vào các phương pháp dựa trên thời gian để xác định vị trí mục tiêu,
và tin cậy hơn so với AoA hoặc RSS. UWB có độ chính xác cao khi đo chính xác thời
gian di chuyển và hỗ trợ điều kiện NloS, vì dải tần số rộng là mạnh mẽ đối với nhiễu
gây ra bời tín hiệu phản xạ và nội dung năng lượng cao của tín hiệu có thể xuyên qua
nhiều vật liệu. Mức độ tắc nghẽn khác nhau trong nhà, điều này làm cho UWB trở thành
lựa chọn tuyệt vời cho các hệ thống được thiết kế chuyên dụng nơi LoS có thể được đảm
bảo. Phạm vi hoạt động của tín hiệu năng lượng cao có khả năng mở rộng và không quá
phức tạp. Độ chính xác này chủ yếu là do năng lượng tín hiệu được phân tán trên dải tần
rộng, khung thời gian có thể nhỏ gọn mà không vượt quá giới hạn mật độ năng lượng.
Hạn chế chính của UWB là bản thân công nghệ không được phát triển như nhiều công
nghệ khác, khiến cho phần cứng đắt tiền hơn và hạn chế hỗ trợ. Điều này nhất định thay
đổi theo thời gian khi nhiều nhà cung cấp phát hành sản phẩm của riêng họ, nhưng hiện
tại đây là mối quan tâm lớn nhất liên quan đến một hệ thống dựa trên công nghệ này.
1.4.1.2.2 Siêu âm
Siêu âm sử dụng một máy phát để phát ra những sóng âm tần số cao bên ngoài


phổ thính giác của con người, sau đó được thu bời một máy thu cho phép nó tính toán
HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 14


LUẬN VẤN THẠC sĩ

GVHD; TS TRƯƠNG QUANG VĨNH

khoảng cách giữa chúng bằng cách sử dụng phương pháp dựa trên thời gian. Kết quả từ
nhiều máy phát sau đó có thể được sử dụng để định vị đích. Ưu điểm chính của siêu âm
là tốc độ thấp hơn của tín hiệu đo so với công nghệ RF, có nghĩa là hiệu ứng không
chính xác của đồng hồ hệ thống tại các điểm đo khác nhau có ảnh hưởng nhỏ hơn đến
độ chính xác tổng thể. Điều này loại bỏ nhu cầu đồng bộ hóa đồng bộ chặt chẽ hoặc
nhiều thông điệp mà các kỹ thuật khác sử dụng các phương pháp tiếp cận dựa trên thời
gian. Điều này cùng với thực tế là công nghệ đã được sử dụng trong một thời gian dài
trong các hệ thống như sonar mang lại cho nó độ chính xác cao, tuy nhiên siêu âm yêu
cầu LoS đến vật thể cần xác định vị trí, khiến khó sử dụng ở hầu hết các môi trường
trong nhà.
1.4.2 Đề xuất giải thuật

Trong nội dung báo cáo trình bày các đặc tính, khảo sát hoạt động module
DWM1000, nghiên cứu giải thuật hoạt động và xây dựng ứng dụng định vị trong nhà.
Với DWM1000, chúng ta có thể đo lường được thời gian mà tín hiệu di chuyển
từ bộ truyền tới bộ nhận, từ đó tính toán được khoảng cách chính xác cao tới cm. Với
phương pháp này cho phép thông tin khoảng cách chính xác và chất lượng cao hơn so
với các phương pháp dựa trên độ mạnh tín hiệu. Các ứng dụng có thể nhận được dữ liệu
chính xác cao (sai số nhỏ hơn 20 cm) và vị trí được cập nhật mỗi 100 ms nếu cần thiết,
như các ứng dụng đáp ứng cao. Một người dùng sẽ mang theo một thẻ tag UWB nhỏ,

có thể ghi nhận vị trí chính xác cao của họ. Thẻ tag được trang bị khả năng truyền UWB
và có thể gắn vào USB hay có battery có thời gian sống khoảng 1 năm. Nó gởi các tín
hiệu dò ping qua UWB cho mỗi lần cập nhật vị trí, và nó được trang bị cảm biến gia tốc,
nó giữ lại vị trí nếu không di chuyển.

HVTH: TRẰN TRỌNG HIẾU

Trang 15