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


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH 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

Chuyên ngành
I.

Nơi sinh : TP. HCM

: Kỹ thuật Điện tử

Mã số

: 60520203

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 NHIỆM VỤ : 14/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/01/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trương Quang Vinh
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)


(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


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày về thiết kế hệ thống định vị trong nhà sử dụng
công nghệ Ultra-Wideband.
Đề tài tập trung chủ yếu vào xây dựng mô hình giám sát áp dụng cho các
hệ thống định vị nhân viên, tài sản, các thành viên trong gia đình,…
Mơ hình hệ thống định vị sử dụng module DW1000 do DecaWave sản
xuất, dữ liệu thu thập được xử lý trên board Arduino, sau đó được truyền lên

Web thơng qua chip ESP8266.
Ứng dụng có thể được truy cập bất cứ nơi đâu trên các thiết bị cầm tay có
hỗ trợ trình duyệt web và được trang bị sẵn tín hiệu đường 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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng bố dưới
bất kỳ hình thức nào trước đây.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường đại học Bách Khoa TP. HCM
khơng 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 VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................7
1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 7
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan ............................................................................ 9
1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nước.................................................................... 9
1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi 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 (Circular 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 DỰNG 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
3.2.2.1 Bộ nhớ .............................................................................................................. 46

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

3.2.2.2 Các chân năng lượng ........................................................................................ 46
3.2.2.3 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 VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

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

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH


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 cơng 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 khơng 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 trịn trong khơng gian hai chiều ........................23
Hình 2.2 Phương pháp giao đường trịn trong khơng gian 3 chiều. ..........................24
Hình 2.3 Các khả năng lỗi trong phương pháp giao đường trịn ..............................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 cơng 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 Mơ 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

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối Anchor và Tag ........................................................41
Hình 3.8 Sơ đồ ngun lý khối Anchor góc..............................................................42
Hình 3.9 Sơ đồ ngun 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 Mơ 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 lớp 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 hồn 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 VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

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 VĂN THẠC SĨ


GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Thiết bị GPS (global positioning system - hệ thống định vị tồn cầu) khơng
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 khơng đủ chính xác khi dùng nó để tìm kiếm
trong phịng hoặc người ở một địa điểm nào đó. Các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và
phân tán bởi nhiều vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác. Còn riêng đối
với hệ thống vệ tinh dẫn đường tồn 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 khơng tương thích nhiều với các phần cứng được thiết kế trong
những năm 2008- 2011 với các hoạt động trong nhà. Ngồi ra sai số trung bình cho
hệ thống GNSS thường là lớn hơn nhiều đối với những lĩnh vực địi hỏi độ chính
xác cao.
Vì vậy, cơng nghệ định vị trong nhà ra đời (Indoor Positioning System IPS). Ý tưởng của công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiệu vơ tuyến giao thoa
khơng 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 mơi 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 cơng nghệ sóng âm… Về cơ bản, hệ thống được

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU


Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

thiết kế trong đó ít nhất phải đảm bảo 3 phép đo độc lập để xác định vị trí một các
chính xác.
Hiện tại có hơn 130 cơng 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 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, 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
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


HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
1.2.1 Các cơng 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. Với các công nghệ khơng dây được áp
dụng hiện nay đều có mặt hạn chế lẫn ưu điểm riêng. Có thể liệt kê một số loại công
nghệ không dây áp dụng trong định vị như sau:
- 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 thấp.
- Công nghệ định vị sử dụng sóng siêu âm: Mức giá cao nên khó áp dụng.
- Cơng nghệ định vị sử dụng Bluetooth Low Energy (BLE): Năng lượng tiêu
thụ thấp, phạm vi thu phát trung bình, nhạy cảm với nhiễu mơi 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 cơng nghệ

Hiện tại 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 hưởng lớn của nhiễu
môi trường đối với 2 loại sóng này dẫn đến sai số của các phương pháp định vị.

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

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 mơi
trường bên ngồi tác động dẫn đến sai số khá lớn.
- Kỹ thuật TOA (Time of Arrival): thời gian trả về. Với yêu cầu khắt khe về
đồng bộ hệ thống, mơ 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 cịn 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 mơ 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 ngồi 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
thơng 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 tra sự chính xác của thơng 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
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

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 q
đơng, hơn nữa chi phí lắp đặt cho hệ thống này q cao khơng thích hợp với mục
đích sử dụng ban đầu của cơng nghệ định vị bằng sóng WiFi.
So với phương pháp fingerprint, các nghiên cứu và các thuật tốn áp dụng
phương pháp trilateration cịn hạn chế. Do việc áp dụng các mơi trường khác nhau
làm cho thuật tốn trilateration phải thay đổi khiến cho việc nghiên cứu thuật tốn
này trở nên khó khăn. Nhóm 2 sinh viên Phạm Hữu Hồng – Chu Bảo Trung thực
hiện mơ hình ứng dụng [3] cho thấy tính khả thi của loại phương pháp này trong
thực tế.

1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi 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. Thơng thường trong các bài tốn
theo vết đối tượng trong các mơ 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 mơ hình đó bộ lọc Kalman
giải quyết vấn đề rất tốt. Tuy nhiên chính vì ràng buộc về mơ hình này mà mơ 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. Mơ hình đề xuất bởi Sangwoo Lee và các cộng sự đã áp
dụng bộ lọc Kalman cùng với việc tự hiệu chỉnh dựa trên 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. Nhưng các

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

giải pháp này cũng chỉ giải quyết được một phần yêu cầu của bài tốn tracking, nó
thường gặp phải các nhược điểm như khối lượng tính tốn địi hỏi q 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 thơng số RSSI đo
đạc được từ mơi 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 tơi sẽ trình bày rõ hơn ở phần thiết
kế sau.

Một vấn đề trong các nghiên cứu về định vị ngoài nước được quan tâm tới là
tốc độ xử lí của các thuật tốn, kích thước cơ sở dữ liệu và khối lượng tính tốn 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 tốn
xử lí phức tạp, hơn nữa trong bài nghiên cứu này tơi cịn sử dụng kết hợp thuật tốn
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 mơ 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 cơng 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 tốn Kmean clustering này để gom nhóm các điểm huấn luyện và điểm online của thuật
tốn fingerprint được trình bày bởi Olivier Dousse và các cộng sự [7].

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ


GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

1.3 Mục tiêu của luận văn
-

Tìm hiểu thuật tốn định vị và cơng 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 tốn 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 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.
1.4.1.1 Dựa trên cường độ tín hiệu nhận

Trong phần này, các kỹ thuật chủ yếu dựa vào RSS vì phương pháp đo lường
của chúng được mơ 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 vơ 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 mơi trường, như đối tượng cung quanh và con người, giữa bộ phát và máy
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

thu. Điều này kết hợp với phạm vi ngắn của bộ đọc RFID và thực tế các đối tượng
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 được gọi là Wi-Fi có thể được 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 khơng cần thêm phần
cứng bổ sung nào vào đối tượng theo dõi. Wi-Fi là một giao tiếp dựa trên RF, và do
đó RSSI có thể được sử dụng giống như với RFID để thu được khoảng cách tới
người dùng từ một điểm truy cập. WLAN cũng có thể được thực hiện trên cơ sở hạ
tầng Wi-Fi hiện có, có nghĩa là chi phí lắp đặt có thể rất thấp trong trường hợp lý
tưởng. 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 tốn 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 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 thời 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 địi 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)
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

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 bởi 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 khơng vượt q 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
ngồi phổ thính giác của con người, sau đó được thu bởi một máy thu cho phép nó
tính tốn 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 cơng nghệ RF, có
nghĩa là hiệu ứng khơng 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 thơng 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 mơi trường trong nhà.
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH


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 tốn 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 dị 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 khơng di chuyển.

Hình 1.3 Hệ thống định vị trong nhà minh họa

Quá trình cài đặt UWB

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

Thẻ tag UWB được gắn vào thiết bị hay cơ thể người. Ở đây thẻ tag là cần

thiết bởi vì điện thoại di động khơng có bất ký thiết bị phần cứng UWB nào cả.
Các trạm neo gọi là UWB anchors được cài đặt ở khu vực tường của khu cần
định vị, tối đa lên tới 25 m. Nó có thể đặt ở độ cao từ 2.5 m - 5 m và phải để xa
tường khoảng 15 cm. UWB anchors có thể được cấp nguồn qua USB và PoW (cấp
nguồn qua cáp mạng). Ví dụ, với batter USB 10000 mAh, Anchor có thể hoạt động
liên tục 50-60 hours.
Tối thiểu 4 Anchors cần cho không gian 25mx25m. Các anchors sẽ đồng bộ
clock nội bộ qua Wifi hay cáp mạng Ethernet, và nghe tín hiệu dò ping từ các thẻ
tag UWB. Một khi đồng bộ, chúng sẽ ghi nhận thời gian khi nhận được các tín hiệu
và chuyển hệ thống backend RTLS, tại đây các tính tốn vị trí của các thẻ tag UWB
đựa trên các phương pháp thời gian khác biệt tới các trạm neo (Anchors) - gọi là kỹ
thuật TDoA hay phương tháp Two-way-ranging tuỳ vào cấu hình hệ thống dựa trên
các mơ tả yêu cầu đặc biệt khác nhau.

Hình 1.4 Một bộ Anchor và Tag thực tế

HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS TRƯƠNG QUANG VINH

Hình 1.5 Một bộ Anchor và Tag thực tế được đóng gói

Các ứng dụng RTLS mơ tả thơng tin vị trí cập nhật từ hệ thống dịch
vụ RTLS backend sử dụng chuẩn websockets hay Resful API để đọc vị trí của thẻ
tag UWB. Ngồi ta RTLS có các tính năng khác như lưu lịch sử vị trí và tạo ra các

báo cáo về heat-map cho khu vực cụ thể. Việc cài đặt hệ thống UWB dễ dàng hơn
nhiều so với các hệ thống định vị trong nhà đựa trên độ mạnh tín hiệu RSSI. Những
thứ cần thiết bao gồm trạm neo (Anchors) gắn vào tường, thẻ tag UWB, hạ tầng
Wifi, máy trạm RTLS để theo dõi vị trí nếu cần.
Các ngành cơng nghiệp lớn đã sử dụng UWB để định vị trí robots và truyền
các dữ liệu cảm biến trong các kho tự động hồn tồn vài năm trước. Giải pháp
UWB có lịch sử giá thành rất mắc và chỉ có những ứng dụng trong các ngành công
nghiệp quy mô lớn và quân đội được sử dụng. Cuối năm 2015, chúng ta có cơ hội
tạo ra hệ thống định vị chính xác cao với giá thành vừa phả và bắt đầu tích hợp các
dịch vụ định vị dựa trên UWB vào các ứng dụng. Và bây giờ điều đó khả thi hơn
khi mà giá các giải pháp UWB đã xuống khi mà công ty Decawave đã bắt đầu bán
có chip UWB giá raer mà có thể dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử. Chip có
khả năng truyền các gói UWB và đo lường thời gian truyên của tín hiêu tới
picoseconds. Với khả năng này, nó trở thành khả thi khi phát triển các thuật toán và
HVTH: TRẦN TRỌNG HIẾU

Trang 18