Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System – 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, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là trong những trường hợp cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị trí chính xác của một thiết bị so với tòa nhà thì không thể xác định chính xác được. Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System – IPS) có khả năng giải quyết tốt vấn đề này, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà gặp phải là tính ổn định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn. Việc kết hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 (BLE) đã khắc phục được những nhược điểm trên, với các ưu điểm nỗi bật như: Tiết kiệm năng lượng, tính ổn định cao, cho phép thiết bị hoạt động trong vài năm chỉ với một viên pin nhỏ bằng đồng xu (Coin– cell Battery).
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG -o0o -
BÁO CÁO TIỂU LUẬN
ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
BLUETOOTH LOW ENERGY
GVHD: TS Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Minh Phụng
MSHV: 1670777
TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2017
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành báo cáo tiểu luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
TS Trịnh Xuân Dũng đã tận tâm hướng dẫn qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, trình bày về các lĩnh vực, những nghiên cứu mới về khoa học công nghệ viễn thông
Bài báo cáo được thực hiện trong khoảng thời gian gần 2 tuần và tìm hiểu về công nghệ mới Do vậy không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy và các bạn trong lớp học để kiến thức của tôi ngày càng được hoàn thiện hơn
Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 1 năm 2017
Võ Minh Phụng
Trang 3TÓM TẮT TIỂU LUẬN
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - 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, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là trong những trường hợp
cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị trí chính xác của một thiết bị so với tòa nhà thì không thể xác định chính xác được
Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) có khả năng giải quyết tốt vấn đề này, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống định vị trong nhà gặp phải là tính ổn định, chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn.Việc kết hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 (BLE) đã khắc phục được những nhược điểm trên, với các ưu điểm nỗi bật như: Tiết kiệm năng lượng, tính ổn định cao, cho phép thiết bị hoạt động trong vài năm chỉ với một viên pin nhỏ bằng đồng xu (Coin-cell Battery) Tiểu luận này trình bày về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy”, ví dụ như khi bạn bước vào một tiệm sách để tìm một cuốn sách hiếm nào
đó, thay vì phải tìm và hỏi nhân viên bán hàng, bạn chỉ việc sử dụng điện thoại di động thông minh để tìm tên tựa sách hoặc tên tác giả và rồi một bản đồ trong nhà sách sẽ xuất hiện và chỉ cho bạn đúng kệ sách có trưng bày cuốn sách cần tìm
Trang 4MỤC LỤC
1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Tổng quan 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2
1.3 Nhiệm vụ tiểu luận 2
2 CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY 2
2.1 Bluetooth Low Energy Protocol Stack 3
2.2 Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 5
3 CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HIỆN NAY 5
4 ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLE 6
4.1 Thuật toán định vị trong nhà 7
4.1.1 Cell of Origin (COO) / Cell ID (CID) 7
4.1.2 Signal Level Triangulation 8
4.1.3 Angle of Arrival (AOA) 9
4.2 Nguyên lý hoạt động định vị trong nhà sử dụng BLE 9
4.3 Các ứng dụng định vị trong nhà sử dụng BLE 12
4.3.1 Các dịch vụ định vị 12
4.3.2 Cảnh sát và lính chữa cháy 13
4.3.3 Thư viện, bảo tàng, khu thương mại 13
5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 13
5.1 Kết luận 13
5.2 Hướng phát triển 14
6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15
Trang 5DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA
Hình 2-1: Cấu trúc Bluetooth Low Energy 4.0 3
Hình 2-2: Các kiểu cấu hình phần cứng 4
Hình 2-3: Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0 5
Hình 3-1: Các công nghệ định vị trong nhà 6
Hình 4-1: Công nghệ định vị Cell of Origin 7
Hình 4-2: Công nghệ định vị trong nhà Signal Level Triangulation 8
Hình 4-3: Công nghệ định vị Angle of Arrival 9
Hình 4-4: Sử dụng thuật toán Triangulation để xác định vị trí của thiết bị 10
Hình 4-5: Mối quan hệ giữa khoảng cách và RSSI 12
Hình 4-6: Các ứng dụng định vị trong nhà 13
Trang 6DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
BluetoothSIG Bluetooth Special Interest Group
L2CAP Logical Link Control and Adaption Protocol
GATT Generic Attribute Profile
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
RSSI Received Signal Strength Indicator
Trang 71 GIỚI THIỆU
1.1 Tổng quan
Ngày nay, có khá nhiều hệ thống nhờ vào sự phát triển đa dạng của các công nghệ truyền thông không dây (Global Positioning System - GPS, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ultrasounds, Infrared, vv…) có thể được sử dụng cho việc định vị vị trí 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, nhược điểm lớn nhất của hệ thống định vị GPS là trong những trường hợp cụ thể ví dụ như trong một tòa nhà, vị trí chính xác của một thiết bị so với tòa nhà là không thể xác định chính xác được
Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) 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, công suất tiêu thụ lớn cũng như độ chính xác thấp
Để giải quyết vấn đề này đã có nhiều nghiên cứu thiết kế và thực hiện định vị trong nhà dựa trên mức cường độ tín hiệu thu nhận (Receive Signal Strength Indicator
- RSSI), kết hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 (BLE) [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 bằng đồng xu (coin-cell battery), hoạt động ổn định trong phạm vi 10m
Tiểu luận này trình bày về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy”, ví dụ như khi bạn bước vào một tiệm sách để tìm một cuốn sách hiếm nào
đó, thay vì phải tìm và hỏi nhân viên bán hàng, bạn chỉ việc sử dụng điện thoại di động thông minh để tìm tên tựa sách hoặc tên tác giả và rồi một bản đồ trong nhà sách
sẽ xuất hiện và chỉ cho bạn đúng kệ sách có trưng bày cuốn sách cần tìm Đó là ví dụ khá điển hình của một ứng dụng chuyên định vị trong nhà sử dụng công nghệ BLE Kết quả là người tiêu dùng sẽ thuận tiện hơn trong việc mua sắm, không bị “lạc” trong tòa nhà đó và biết chính xác tình trạng của thứ mình cần
Trang 81.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về “Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy” Trong [3, 4] tác giả đã nghiên cứu về phương pháp định
vị trong nhà sử dụng Bluetooth Low Energy Beacons, việc định vị trong nhà đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng và có nhiều ứng dụng trong Internet of Things, sử dụng BLE đã được hỗ trợ hầu hết trong các thiết bị thông minh và có các ưu điểm như: Kích thước nhỏ, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng,…
Trong [5] thì tác giả đi sâu nghiên cứu chủ yếu công nghệ định vị trong nhà như:
“Wi-Fi indoor positioning” và “Bluetooth beacons” từ đó đưa ra được những ưu điểm thiết thực của công nghệ định vị trong nhà sử dụng BLE Bài báo [6, 7] là nghiên cứu cho thấy tính chính xác khi sử dụng BLE trong định vị vị trí trong nhà, bài viết đã đưa
ra các thuật toán và kết quả thực nghiệm để chứng minh về tính hiệu quả của công nghệ này
1.3 Nhiệm vụ tiểu luận
Tiểu luận sẽ trình bày lần lượt về công nghệ Bluetooth Low Energy với các thông 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, tìm hiểu thông qua các nghiên cứu đã thực hiện trong và ngoài nước từ đó đưa ra được những điểm nổi bật về đề tài này
Nội dung 1: Tìm hiểu về công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE)
Nội dung 2: Tìm hiểu công nghệ định vị trong nhà
Nội dung 3: Kết luận và nhận xét
2 CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY
Bluetooth Low Energy (viết tắt là BLE) hay còn gọi là Bluetooth 4.0, là công nghệ truyền dữ liệu không dây tầm ngắn được phát triển bởi Special Interest Group Bluetooth (SIG) Trước đây, một trong những lý do khiến người ta ngại bật Bluetooth
vì nó tốn khá nhiều năng lượng, lại gây nóng thiết bị nếu hoạt động liên tục Tuy nhiên, Bluetooth 4.0 đã khắc phục được nhược điểm này Một trong những cải thiện vượt trội nhất của BLE là gần như máy tiêu hao năng lượng rất thấp dù bạn có bật liên tục [8, 9]
Trang 92.1 Bluetooth Low Energy Protocol Stack
Bluetooth Protocol Stack [10] là bộ giao thức dạng ngăn xếp cho phép các thiết
bị Bluetooth thiết lập, kết nối, truyền nhận dữ liệu với nhau Tương tự như cấu trúc của Classic Bluetooth, các giao thức ngăn xếp của BLE bao gồm ba thành phần chính sau:
- Bộ điều hiển (Controller): Là các lớp dưới của Bluetooth Protocol Stack, bao
gồm chức năng truyền nhận radio
- Phần chủ (Host): Các lớp trên của Bluetooth Protocol Stack
- Khối giao diện (Interface): Làm nhiệm vụ kết nối giữa phần chủ và bộ điều
khiển
Cấu trúc được mô tả như trong hình 2-1
Hình 2-1: Cấu trúc Bluetooth Low Energy 4.0
Bộ điều khiển bao gồm các lớp vật lý (Physical Layer), lớp liên kết (Link Layer)
và thường được tích hợp vào trong một con chip nhỏ cùng với bộ phát sóng (System
on Chip - SOC)
Phần Host chạy trên một bộ xử lý ứng dụng và bao gồm các khối chức năng trên lớp bao gồm:
Trang 10- Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP): Nhiệm vụ chính của
L2CAP là để dồn các kênh dữ liệu của ba lớp giao thức cao hơn bao gồm ATT, SMP và Link Layer
- Attribute Protocol (ATT): ATT là giao thức dùng để truyền thông giữa hai thiết
bị hoạt động trên mô hình chủ (server) và khách (client) Server lưu trữ tập hợp các thuộc tính của dữ liệu, một thuộc tính là một cấu trúc dữ liệu lưu trữ các thông tin do GATT quản lý Client có thể truy cập vào các thuộc tính của máy chủ bằng cách gửi yêu cầu truy xuất đến server
- Generic Attribute Profile (GATT): GATT là khung dữ liệu được sử dụng để ATT
trao đổi các đặc tính từ thiết bị này đến thiết bị khác Đặc tính đó là một tập hợp
dữ liệu bao gồm giá trị và thuộc tính của dữ liệu
- Security Manager Protocol (SMP): BLE cung cấp các dịch vụ bảo mật để bảo vệ
sự trao đổi thông tin giữa hai thiết bị kết nối với nhau Các thông tin được bảo mật bằng hình thức mã hóa và xác thực có độ tin cậy cao
- Generic Access Profile (GAP): GAP được sử dụng để ghép nối và kết nối thông
tin với các thiết bị khác
Ba khối chính của một thiết bị Bluetooth được tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, dưới đây là 3 kiểu cấu hình phần cứng như hình dưới:
Hình 2-2: Các kiểu cấu hình phần cứng
Trang 112.2 Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0
Hình 2-3: Các kiểu thiết bị Bluetooth 4.0
Như hình trên thì ta thấy, thiết bị BLE gồm hai loại là Bluetooth Smart và Bluetooth Ready [10]
- Bluetooth Smart (Single Mode): Chỉ có thể giao tiếp với thiết bị Bluetooth Smart
hoặc Bluetooth Smart Ready
- Bluetooth Smart Ready (Dual Mode): Có thể giao tiếp được các loại thiết bị
Bluetooth như Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready và Classic Bluetooth
3 CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HIỆN NAY
Hiện nay, có rất nhiều cá nhân, tổ chức nghiên cứu về các phương pháp định vị trong nhà, mỗi phương pháp đều có một công nghệ đi kèm với nó Trong nghiên cứu [11] liệt kê một số công nghệ dùng trong quá trình định vị trong nhà như sau:
Công nghệ định vị sử dụng tia hồng ngoại: Công nghệ này xác định khoảng cách
từ thiết bị phát tia hồng ngoại tới thiết bị thu tia hồng ngoại Với 3 nguồn phát tia hồng ngoại ở 3 vị trí khác nhau, thiết bị thu có thể xác định được vị trí của mình Điểm yếu của công nghệ này là tia hồng ngoại có sức lan tỏa yếu, dễ bị hấp thụ bởi các môi trường khác, khó có khả năng phát tia hồng ngoại ở bán kính trên 5m
Trang 12Công nghệ định vị sử dụng sóng siêu âm: công nghệ này có điểm yếu là sử dụng
sóng siêu âm, thiết bị thu phát có mức giá cao nên không thể áp dụng trong đa số các trường hợp
Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth: công nghệ này có mức phổ biến cao hơn
so với 2 công nghệ trước Bluetooth được sử dụng phổ biến trong các điện thoại thông minh nhưng lại không phổ biến ở các thiết bị cầm tay khác do vậy đó là một trong những nhược điểm của công nghệ này
Hình 3-1: Các công nghệ định vị trong nhà
4 ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLE
Một hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System – IPS) là hệ thống được xem xét ở môi trường định vị bên trong một tòa nhà Các vị trí của người sử dụng hoặc các thiết bị của họ trong mạng cá nhân (Personal Network – PN) có thể được xác định bằng cách đo vị trí của các thiết bị di động của họ trong nhà
Có nhiều loại cảm biến được được sử dụng để phát hiện các tính hiệu điện từ do tính chất của từng loại công nghệ là khác nhau Các thiết bị cảm biến sẽ chuyển đổi các tín hiệu thu được sang các giá trị về khoảng cách hoặc góc Từ đó có thể xác định được vị trí của thiết bị di động trong nhà dựa trên thuật toán được xây dựng sẵn Có một điểm khó khăn của việc định vị trong nhà là sự thay đổi ôi trường liên tục, các thiết bị trong nhà luôn thay đổi vị trí, tác động tới sự lan tỏa của tín hiệu Đó là lý do lớn ngăn cản một hệ thống định vị trong nhà áp dụng trên các môi trường khác nhau
Trang 13Việc sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy cho phép kết nối các thiết bị tạo thành các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network – PANs), giúp
hỗ trợ việc truyền nhận dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và
cố định Bluetooth có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10m – 100m, trong giải tần số 2,4 GHz [9]
4.1 Thuật toán định vị trong nhà
4.1.1 Cell of Origin (COO) / Cell ID (CID)
Đây là công nghệ đơn giản nhất để tìm vị trí của thiết bị [13], với công nghệ này chúng ta có thể dễ dàng xác định các điểm truy cập (Access Point – AP) mà hiện tại thiết bị cần tìm vị trí đang các kết nối vào Các thông tin dùng để tính toán vị trí của một thiết bị di động là những tính hiệu nhận được từ trung tâm điện thoại hoặc từ các điểm nhận tín hiệu (ví dụ Beacons BLE) Bằng việc sử dụng thông tin về vị trí của các trạm phát và mức cường độ tín hiệu thu được thì ta sẽ xác định được vị trí của thiết bị
Hình 4-1: Công nghệ định vị Cell of Origin
Độ chính xác của công nghệ này phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của các trung tâm phát tín hiệu Ví dụ, với mạng GSM một trạm phát có thể phát tín hiệu trong phạm vi có bán kính hàng trăm mét đến vài chục kilomet, do đó một máy điện thoại được xác định là đang sử dụng sóng của trạm phát đó sẽ được xác định nằm trong khu vực phát sóng của nó
Trang 144.1.2 Signal Level Triangulation
Trong công nghệ này, vị trí của thiết bị cần định vị được xác định bằng cách sử dụng mức cường độ tín hiệu giảm xuống khi khoảng cách giữa AP và thiết bị di động tăng lên [13] Trong điều kiện môi trường lý tưởng, mức cường độ tín hiệu bằng nhau phát ra từ một AP sẽ có dạng hình tròn Nếu biết được mối quan hệ giữa các mức cường độ sóng và khoảng cách giữa AP với thiết bị di động thì khoảng cách giữa AP
và thiết bị di động sẽ được xác định
Hình 4-2: Công nghệ định vị trong nhà Signal Level Triangulation
Như vậy thiết bị di động sẽ nằm trên đường tròn có bán kính là khoảng cách đã được xác định với ba AP, thiết bị sẽ được xác định bằng 3 vòng tròn như trên hình vẽ Tuy nhiên, môi trường thực tế không phải là môi trường lý tưởng, do đó sóng phát ra
từ AP sẽ không phải là hình tròn, sóng không phát đồng đều theo mọi hướng do vậy kết quả từ phương pháp này sẽ có sai số trong thực tế
