Đang tải... (xem toàn văn)
Gần đây, các ứng dụng sử dụng các kỹ thuật định vị trong nhà ngày càng thu hút được sự quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là phương pháp định vị sử dụng thiết bị Blue-tooth Low Energy (BLE) năng lượng thấp. Tuy nhiên, hệ thống sử dụng các thiết bị BLE đang phải đối mặt với vấn đề là tín hiệu RSSI thu được không ổn định trong môi trường trong nhà.
ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 208(15): 203 - 208 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ DẪN ĐƯỜNG BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP Phạm Thành Nam1* Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền Thông Thái Nguyên TÓM TẮT Gần đây, ứng dụng sử dụng kỹ thuật định vị nhà ngày thu hút quan tâm nghiên cứu, đặc biệt phương pháp định vị sử dụng thiết bị Blue-tooth Low Energy (BLE) lượng thấp Tuy nhiên, hệ thống sử dụng thiết bị BLE phải đối mặt với vấn đề tín hiệu RSSI thu khơng ổn định môi trường nhà Kết dẫn đến độ xác định vị chưa cao Để nâng cao độ xác hệ thống định vị nhà sử dụng BLE, đề xuất sử dụng chồng chéo nhiều thiết bị dẫn đường BLE đặt vị trí để lọc độ lệch RSSI, từ giảm khơng ổn định tín hiệu RSSI Chúng tơi đưa mơ hình tốn học phương pháp đề xuất để tính tốn vị trí người dùng Kết triển khai thử nghiệm cho thấy hệ thống cải thiện độ xác định vị đáng kể so với hệ thống khác Từ khóa: Định vị nhà; Thiết bị BLE; Tín hiệu RSSI; Thuật tốn định vị; Lỗi định vị Ngày nhận bài: 28/10/2019; Ngày hoàn thiện: 26/11/2019; Ngày đăng: 29/11/2019 INCREASE THE ACCURACY OF THE INDOOR LOCATION SYSTEM USING THE BLUETOOTH LOW ENERGY DEVICES Pham Thanh Nam University of Information And Communication Technology - TNU ABSTRACT Recently, the commerical applications using indoor positioning techniques are increasing rapidly, including many systems using Bluetooth Low Engergy (BLE) devices However, these systems are facing the problem that the RSSI signal received is not stable in the indoor environment This result leads to low positioning accuracy In order to improve the accuracy of the indoor positioning system using BLE, we propse using multiple BLE devices to filter out the RSSI deviation, thereby reducing the instability of the RSSI signal We also give the mathematical model to calculate the user's location Our results show that the system has improved the positioning accuracy significantly compared to other systems Keyword: Indoor Positioning System; Bluetooth Low Engergy Beacon; RSSI signal; Poisitioning algorithm; Positioning error Received: 28/10/2019; Revised: 26/11/2019; Published: 29/11/2019 * Corresponding author Email: ptnam@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 203 Phạm Thành Nam Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Các hệ thống định vị nhà phát triển nhanh trở thành công nghệ quan trọng nhiều hệ thống ứng dụng Cơng nghệ định vị tồn cầu truyền thống (GPS) khơng đủ đảm bảo độ xác để định vị đối tượng bị che khuất tòa nhà độ xác trung bình khoảng 10 mét tín hiệu GPS bị suy giảm mạnh môi trường nhà Do đó, cần tìm cơng nghệ giống GPS giúp định vị xác đối tượng nhà Đã có nhiều giải pháp cho vấn đề định vị nhà Bluetooth [1-4, 7], Wi-Fi [5], Ultrasound [6], QR code [8], Xử lý ảnh [9] Tuy nhiên, hệ thống phải đối mặt với hạn chế chi phí cao, tiêu thụ lượng lớn, tín hiệu thu thường xuyên không ổn định nhiễu mơi trường nhà dẫn tới độ xác thấp Gần đây, phát triển thiết bị cầm tay thông minh, đặc biệt điện thoại thông minh với khả nhận tín hiệu RSSI thơng qua kết nối Bluetooth hứa hẹn mang đến giải pháp hiệu cho việc tiết kiệm lượng hệ thống định vị nhà Dựa tín hiệu RSSI nhận được, hệ thống ước lượng vị trí tương đối người dùng Với đời công nghệ Blue-tooth Low Energy (BLE) Bluetooth 4.0 điểm nhấn quan trọng cho truyền thông tiết kiệm lượng Thiết bị dẫn đường BLE có nhiều ưu điểm chi phí thấp tiêu thụ lượng ít, lắp đặt nhiều thiết bị tòa nhà lớn Các thiết bị BLE dễ dàng kết nối với điện thoại thông minh người dùng thơng qua kết nối Bluetooth, người dùng biết vị trí họ thời điểm Trong báo này, đề xuất phương pháp sử dụng nhiều thiết bị dẫn đường BLE đặt vị trí để giải vấn đề tín hiệu RSSI khơng ổn định Nếu sử dụng thiết bị dẫn đường xảy tượng độ lệch tín hiệu RSSI dẫn đến sai số 204 208(15): 203 - 208 định vị lớn, nhiên sử dụng nhiều thiết bị dẫn đường xác suất xảy nhỏ Tại vị trí, độ mạnh tín hiệu phát từ nhiều thiết bị dẫn đường gần giống Nếu khác biệt độ mạnh tín hiệu vượt qua giá trị ngưỡng, phát lỗi loại bỏ giá trị RSSI bị lỗi Với giá trị trung bình RSSI nhận chúng tơi tính tốn khoảng cách người dùng đến điểm đặt thiết bị BLE từ tìm vị trí người dùng phòng Do hệ thống ln đạt độ ổn định giá trị RSSI nên đạt độ xác cao so với hệ thống khác Bài báo bao gồm phần: Phần giới thiệu, Phần mô tả phương pháp đề xuất, Phần kết thực nghiệm, Phần kết luận Phương pháp đề xuất 2.1 Kiến trúc hệ thống Kiến trúc hệ thống bao gồm thiết bị dẫn đường BLE phần mềm ứng dụng chạy điện thoại di động người dùng Thiết bị dẫn đường định kì phát quảng bá tín hiệu RSSI vào khoảng khơng gian định vị thiết bị di động người dùng thu tín hiệu sau phân tích liệu để tính vị trí người dùng Kiến trúc hệ thống mơ tả Hình Thiết bị di động người dùng liên tục thu tín hiệu từ thiết bị dẫn đường lọc độ lệch RSSI Phần mềm ứng dụng xác định trạng thái người dùng di chuyển đứng yên Trạng thái người dùng tham số quan trọng việc đánh giá hiệu hệ thống đề xuất Không giống với hệ thống trước triển khai nghiên cứu [1], [3], hệ thống chúng tơi, góc phòng lắp đặt nhiều thiết bị dẫn đường Trong phần triển khai thực nghiệm hệ thống, lắp đặt hai thiết bị dẫn đường vị trí đóng vai trò thiết bị dẫn đường Phương thức cho phép tín hiệu RSSI nhận có độ ổn định cao hơn, khắc phục http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Thành Nam Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN nhược điểm hệ thống sử dụng thiết bị dẫn đường BLE trước Theo lý thuyết, số lượng thiết bị dẫn đường lỗi định vị tỉ lệ nghịch với Tuy nhiên, số lượng thiết bị dẫn đường nhiều lên dẫn tới thời gian tính tốn kết lâu chi phí triển khai hệ thống tốn Known distance Known Position RSSI received Known Position RSSI Known distance Known distance Calculated Position Known distance Known Position Known Position Hình Kiến trúc hệ thống đề xuất 2.2 Giải thuật đề xuất mơ hình tốn học Để xây dựng nên mơ hình tốn học hệ thống, chúng tơi triển khai thiết bị dẫn đường BLE góc phòng hình chữ nhật Các thiết bị dẫn đường đặt tên bi, i = 1, 2… Dựa giá trị RSSI thu từ thiết bị dẫn đường này, ước lượng vị trí người dùng Giá trị RSSI nhận thiết bị dẫn đường giá trị trung bình 10 lần thu từ Đối với liệu thu thập nhỏ 10 giá trị, sử dụng liệu có để tính tốn giá trị RSSI trung bình Nếu số lượng giá trị liệu nhận lớn 10 giá trị, chúng tơi lấy 10 giá trị sớm thu để tính giá trị RSSI trung bình Số lượng giá trị liệu thay đổi tùy vào trường hợp khác Khi người dùng di chuyển, số lượng giá trị giảm xuống Một giá trị liệu nhận so sánh với giá trị trung bình có Nếu độ lệch khơng vượt q ngưỡng cho trước, liệu lưu lại sử dụng để tính tốn giá trị RSSI trung bình Nếu vượt ngưỡng, giá trị RSSI bị loại bỏ http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 208(15): 203 - 208 Các giá trị trung bình thiết bị dẫn đường đặt tên ri, i = 1, … Sau xếp chồng thiết bị dẫn đường, có thiết bị dẫn đường đặt tên Bi, i = 1, 2, 3, (trong trường hợp này, hai thiết bị dẫn đường BLE xếp chồng góc phòng) Ri giá trị RSSI thiết bị dẫn đường Bi (như biểu thức 1) Để xác định vị trí người dùng phòng, dựa giá trị RSSI thu thiết bị dẫn đường Giải thuật bao gồm bước Bước 1, cần có giá trị Ri tạo trung bình tín hiệu ri, ri+4 Thuật tốn đề xuất cho tính tốn giá trị Ri lọc độ lệch RSSI sau: Giải thuật: Lọc độ lệch RSSI 1: for each ri ∈ [1, 4] 2: if ri – ri+4 ≤ deviation value then Ri = Average(ri, ri+4, time) 3: end if 4: end Trong đó, Average(ri, ri+4, time) biểu thức để tính giá trị Ri từ ri ri+4, time trung bình số lần thực thi Trong trường hợp này, ri ri+4 xếp chồng góc Cơng thức để tính giá trị trung bình là: Average ri , ri , time ri ri 2 (1) time Bước 2, Hình 2, kí hiệu a biểu thị thiết bị dẫn đường với giá trị RSSI lớn coi liệu Chúng giả sử hai thiết bị dẫn đường nằm cạnh với a b d Trong đó, b = a + mod d = a − mod Ví dụ, giả sử B1 thiết bị dẫn đường với giá trị RSSI lớn nhất, B1 a B2 b B4 d Chúng biểu thị Si giá trị tương đối tương ứng với điểm liệu mơ tả vị trí người dùng Thông qua phương pháp này, chuyển đổi liệu hệ tọa độ 3D sang liệu hệ tọa độ 2D Di biểu diễn khoảng cách tương đối (D) thiết bị dẫn đường Bi người dùng mặt phẳng không gian tham số P ảnh 205 Phạm Thành Nam Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN hưởng tới độ xác phương pháp định vị Bằng cách sử dụng phương pháp Trilateration [4-5] để xác định tọa độ người dùng, suy tọa độ x y Nếu a + số lẻ tọa độ trục x từ Da tới Dd trục y từ Da tới Db Nếu a + số chẵn, tọa độ trục x từ Da tới Db trục y từ Da tới Dd Giả sử P số dấu phẩy động, cơng thức để tính tốn giá trị tương đối Si cho bởi: S j R j max Ri P , j 1, ,4 (2) Như Hình 2, tính tốn vị trí người dùng U(X,Y) (giả thuyết độ dài cạnh phòng 1) sử dụng định lý Pythagoras tam giác: 2 Sx S y 1 S S S S x y x y , X U X , Y nÕu a mod 12: x a, y b2vµ z d (3) Sx Sz S S S S z z x Y x , nÕu a mod : x a, y d vµ z b Hình biểu diễn thuật tốn phương pháp đề xuất Khoảng cách tương đối người dùng thiết bị dẫn đường tính bởi: Sa , S a Sb Sb Sd D2 , D3 S a Sb Sa Sd D1 B4 d D3 User D2 D1 Y Y a b B1 X 1-X B2 Hình Phương pháp định vị hệ thống Kết thực nghiệm 206 Chúng tơi chọn phòng để triển khai hệ thống thực nghiệm đề xuất Kích thước phòng 10.1m x 8.8m x 3.2m Trong thực nghiệm này, xây dựng phần mềm ứng dụng để tính tốn hiển thị thơng tin định vị tới người dùng Tần số mà thiết bị dẫn đường truyền gói liệu 0.3 giây/gói, thuật tốn chúng tơi ước lượng vị trí sau 0.3 giây Tại biểu thức (2), tham số P tham số quan trọng, ảnh hưởng tới kết thực nghiệm hệ thống Thực tế P phản ánh kích thước vật thể cần định vị Trạng thái người dùng kích thước P ảnh hưởng tới độ xác kết định vị Trong thực nghiệm, thiết lập P có tập giá trị 1, 10, 20, 30, 40 sau chúng tơi quan sát giá trị xác lớn nhóm ứng với P Giá trị sai số định vị kỳ vọng mong muốn 20, 30, 40, 50 cm Nếu vị trí dự đốn nằm ngồi dải phạm vi này, vị trí xem lỗi Trong trường hợp người dùng di chuyển, giả sử người dùng di chuyển phòng với vận tốc 1, 3, 5, 7, km/h Để so sánh độ xác phương pháp đề xuất phương pháp định vị khác, triển khai thuật toán định vị nghiên cứu [1], [3] đánh giá hai trường hợp người dùng đứng yên di chuyển 3.1 Trường hợp người dùng đứng yên B3 1-Y 208(15): 203 - 208 Giả sử người dùng dừng lại phòng Tọa độ x y vị trí phòng 5.05m 4.4m Nếu cho phép sai số định vị 50 cm, phạm vi hợp lệ x y 455