(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật xác định vị trí bằng cường độ sóng vô tuyến RSSI

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, hệ thống định vị đã có sự phát triển mạnh mẽ và đạt độ chính xác cao hơn Phạm vi xác định vị trí thiết bị di động cũng đã có những bước tiến đáng kể, từ cấp độ toàn cầu đến cấp độ địa phương, thậm chí trong các tòa nhà Hệ thống định vị được phân chia thành ba mức độ chính: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống định vị phạm vi rộng dựa trên nền tảng điện thoại di động, và hệ thống định vị trong nhà.

Hệ thống định vị đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí, tính toán khoảng cách và tìm đường đi Ví dụ điển hình là hệ thống GPS trên ô tô, giúp lái xe tìm kiếm con đường ngắn nhất tới điểm đến, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí Trong các ứng dụng hẹp, hệ thống định vị cũng hỗ trợ robot trong việc tìm đường trong mô hình bóng đá Lợi ích của hệ thống định vị ngày càng được công nhận và ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất Các thuật ngữ liên quan đến hệ thống này bao gồm hệ thống xác định vị trí và hệ thống xác định không gian, nhưng trong bài viết này, chúng tôi chủ yếu sử dụng thuật ngữ hệ thống định vị vị trí.

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Hệ thống định vị GPS, hay hệ thống định vị toàn cầu, được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ vào những năm 1970 và chính thức ra mắt vệ tinh đầu tiên vào năm 1978 Đến năm 1994, hệ thống đã hoàn thiện với 24 vệ tinh, và thế hệ thứ 3 của vệ tinh GPS được đưa vào sử dụng vào cuối năm 2005 GPS cung cấp thông tin vị trí và thời gian chính xác ở bất kỳ đâu trên thế giới, bất chấp điều kiện thời tiết Mặc dù GPS có độ chính xác cao, nhưng hiệu suất của nó bị ảnh hưởng bởi các vật cản tín hiệu, đặc biệt là trong môi trường đô thị đông đúc và trong nhà Do đó, người dùng thường phải áp dụng các kỹ thuật định vị khác để đạt được độ chính xác cao hơn trong những trường hợp này.

- Hệ thống định vị sử dụng phương pháp TOA

- Hệ thống định vị sử dụng phương pháp DOA

- Hệ thống định vị sử dụng đo lường RSSI mạng cảm biến không dây …

Tác giả lựa chọn hệ thống định vị dựa trên việc đo lường cường độ tín hiệu vô tuyến (RSSI) làm chủ đề nghiên cứu Kỹ thuật xác định vị trí này sử dụng cường độ sóng vô tuyến để xác định vị trí chính xác của các đối tượng trong không gian.

RSSI được sử dụng nhằm phát triển một phương pháp xác định vị trí không cần GPS, đặc biệt hiệu quả trong môi trường trong nhà.

Phương pháp định vị sử dụng đo cường độ sóng vô tuyến RSSI đang được nghiên cứu rộng rãi cả trên thế giới và trong nước, với nhiều công trình được công bố bởi các tác giả như [1]; [2]; [3]; [4] Các bài báo này đã trình bày những cải tiến trong thuật toán định vị, đề xuất sơ đồ định vị và giải thuật định vị vị trí trong không gian 3D cho thẻ RFID dựa vào cường độ tín hiệu (RSSI).

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Mục đích của đề tài này là xây dựng mô hình truyền/nhận sóng vô tuyến và thực nghiệm đo cường độ sóng vô tuyến (RSSI) trong môi trường Outdoor và Indoor, nhằm phục vụ cho công tác cứu hộ trong các tòa nhà và bệnh viện Để giảm độ suy hao sóng vô tuyến trong môi trường Indoor có nhiều vật cản và giảm thiểu hiện tượng fading, tác giả sử dụng sóng vô tuyến tần số VHF (169MHz) để tăng khoảng cách xác định vị trí Đây là điểm mới trong nghiên cứu của tác giả.

NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài Để đạt đƣợc mục đích nêu trên tác giả thực hiện một số công việc cụ thể sau:

- Nghiên cứu các phương pháp định vị đã được công bố

- Xây dựng hệ thống định vị dựa trên cường độ sóng vô tuyến sử dụng trong môi trường Indoor

- Thực nghiệm kiểm tra trong môi trường thực tế

1.4.2 Giới hạn của đề tài Đề tài đƣợc nghiên cứu và thực hiện xây dựng hệ thống xác định vị trí hoàn chỉnh có khả năng xác định vị trí một đối tƣợng đƣợc đặt cố định hoặc di chuyển trong môi trường cụ thể phạm vi nhỏ ( 30m x 30m ) Các kết quả được thực nghiệm và ghi nhận ở 2 môi trừơng thực tế được xác định trước: Sân khoa nông nghiệp trường Đại Học Cần Thơ ( môi trường Outdoor) và tầng trệt khoa công nghệ ( môi trường Indoor ).

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tìm và tổng hợp tài liệu tham khảo có liên quan đến kỹ thuật xác định vị trí mục tiêu trong mạng không dây

- Ứng dụng kỹ thuật truyền sóng vô tuyến và giải thuật xác định vị trí

- Thực hiện thí nghiệm trên môi trường thực tế.

CƠ SỞ L THUYẾT

CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NÚT MẠNG

Đối tượng cần xác định vị trí sẽ được trang bị một module thu phát tín hiệu không dây, và vị trí của đối tượng này chính là vị trí của nút mạng trong hệ thống mạng không dây đã được thiết lập trước đó.

Trong hệ thống mạng không dây, có nhiều phương pháp để xác định vị trí của nút mạng Bài viết này sẽ giới thiệu các phương pháp phổ biến như AOA (Angle of Arrival), TOA (Time of Arrival), TDOA (Time Difference of Arrival) và RSSI (Received Signal Strength Indicator).

Phương pháp AOA (Angle of Arrival) là kỹ thuật xác định vị trí thiết bị thu dựa vào hướng tín hiệu từ các thiết bị phát Để xác định vị trí 2D, phương pháp này yêu cầu tối thiểu 2 điểm tham khảo và 2 góc tới, trong khi để xác định vị trí 3D, cần ít nhất 3 điểm tham khảo với 3 giá trị góc tới Một ưu điểm của AOA là không cần đồng bộ thời gian chính xác giữa các thiết bị truyền và nhận tín hiệu Tuy nhiên, để xác định hướng góc tới, cần sử dụng anten định hướng cao hoặc antenna mảng pha.

Phương pháp AOA (Angle of Arrival) sử dụng nguyên tắc tam giác đơn để xác định vị trí của nút mục tiêu thông qua các vector khác nhau Nút mục tiêu được xác định tại các điểm giao nhau của các đường từ các trạm tham chiếu Hai vectơ tạo thành một góc duy nhất tại thời điểm giao nhau, và góc này cùng với thông tin cần thiết khác giúp tính toán vị trí chính xác của nút mục tiêu Để đảm bảo độ chính xác, các trạm thu phát với tọa độ đã biết phải được sử dụng làm tham chiếu Thông tin về AOA có thể được đo bằng ba phương pháp: đầu tiên là đo độ lệch pha giữa tín hiệu nhận từ các phần tử trong mảng antena; thứ hai là đo mật độ chùm tia hoặc quang phổ trên mảng antena thông qua đa chùm tia ăng-ten chia vùng; và cuối cùng là dựa vào sự khác biệt giữa biên độ tín hiệu ở chùm chính và biên độ tín hiệu ở chùm lân cận.

Giả sử có một tín hiệu được truyền từ nút mục tiêu tọa độ (x, y) đến trạm thu phát thứ i với tọa độ (x_i, y_i) Đường truyền giữa máy phát và các điểm tham chiếu giao nhau với trục X tạo ra một góc φ1, như thể hiện trong hình 2.1 Góc này được gọi là góc tới.

Hình 2.1: Nguyên tắc góc tới [5] Để xác định tọa độ của nút mục tiêu T, chúng ta có thể sử dụng các phương trình sau đây:

Khoảng cách giữa các trạm cố định N1 và N2 được ký hiệu là R, trong đó φ1 là góc tới tại nút tham chiếu N1 và φ2 là góc tới tại nút tham chiếu N2 Tọa độ của điểm T được biểu diễn bằng (x, y) Hình 2.2 minh họa kỹ thuật AOA (Angle of Arrival) trong việc xác định vị trí.

2.1.2 Phương pháp thời gian tới (TOA) và khác nhau thời gian tới (TDOA)

Phương pháp thời gian tới (TOA) và thời gian khác nhau (TDOA) là hai kỹ thuật xác định vị trí dựa vào thời gian lan truyền của tín hiệu từ máy phát đến máy thu TOA ước lượng khoảng cách giữa các nút tham chiếu và máy phát thông qua việc đồng bộ hóa thời gian chính xác giữa các nút Trong khi đó, TDOA dựa vào việc xử lý thời gian khác nhau của tín hiệu từ nhiều nút tham chiếu, cho phép thiết bị thu đo được vị trí của nó một cách chính xác.

Mỗi TDOA xác định vị trí của thiết bị nhận trên một hyperbol, với khoảng cách không đổi giữa hai nút tham chiếu truyền Để xác định vị trí thiết bị trong không gian 2D, cần hai cặp nút tham khảo, trong khi trường hợp 3D yêu cầu ba cặp nút tham khảo.

Các phương pháp đo lường phụ thuộc vào độ chính xác của thời gian Bất kỳ sai sót nào trong việc đo thời gian sẽ dẫn đến lỗi trong các kết quả tính toán.

Phương pháp TOA kết hợp các ước tính về thời gian xuất hiện của tín hiệu phát tại các nút tham chiếu khác nhau Hình (2.3) minh họa việc áp dụng nguyên tắc TOA multilateration trong không gian 2D.

2.1.3 Phương pháp nhận cường độ tín hiệu RSSI

RSSI, hay Cường độ tín hiệu nhận được, được đo bằng đơn vị dBm và phản ánh mức độ tín hiệu tại máy thu Cường độ tín hiệu này tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa máy phát và máy thu, cho phép tính toán khoảng cách tương đối giữa hai thiết bị Để ước lượng vị trí của một nút mạng, cần biết khoảng cách từ nút đó đến ít nhất ba điểm tham khảo.

Giá trị RSSI (Received Signal Strength Indicator) không chỉ bị ảnh hưởng bởi khoảng cách mà còn chịu tác động lớn từ các yếu tố môi trường Những vật cản như tòa nhà, xe cộ và cây cối gây ra hiện tượng tán xạ và khúc xạ sóng, khiến tín hiệu vô tuyến không chỉ có một đường truyền thẳng (LOS) mà còn tạo ra nhiều đường truyền không thẳng (N-LOS) đến thiết bị thu.

Hình 2.4: Mô hình truyền sóng trong không gian

Thiết bị nhận có khả năng thu nhiều tín hiệu với pha và biên độ khác nhau cùng lúc, gây ra hiện tượng Fading Hiện tượng này dẫn đến việc tổng hợp tín hiệu với cường độ không ổn định, có thể tăng hoặc giảm bất định Do đó, giá trị RSSI nhận được sẽ không ổn định và phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh.

2.1.4 Mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách

Tín hiệu truyền LOS trong không gian, theo phương trình truyền sóng Friis

[6 ], ta có mối quan hệ sau:

+ P RX : công suất hay cường độ tín hiệu tại máy thu, đơn vị dBm

+ P TX : công suất hay cường độ tín hiệu tại máy phát, đơn vị dBm

+ G RX : độ lợi anten thu

+ G TX : độ lợi anten phát

+ λ: bước sóng của tín hiệu

+ d: khoảng cách giữa máy thu và máy phát

Phương trình (4) có thể được viết lại theo dạng đơn giản như sau:

Hệ số môi trường đặc trưng n có giá trị n=2 khi tín hiệu truyền thẳng trong không gian LOS Bằng cách lấy logarit cơ số 10 và nhân cả hai vế từ phương trình (5a), chúng ta có được kết quả cần thiết.

Với công suất phát P TX biết trước, ta có thể xem 10log(P TX ) là hằng số A,

10log(P RX ) chính là giá trị RSSI(dBm) nhận đƣợc Công thức (5b) đƣợc viết lại nhƣ sau:

Từ công thức trên, giả sử 2 tham số A và n đƣợc biết, với giá trị RSSI thu đƣợc, ta có thể tìm ra khoảng cách d giữa 2 thiết bị truyền-nhận

2.1.5 Thuật toán xác định vị trí dựa vào khoảng cách

Các thuật toán xác định vị trí thường yêu cầu thông tin về khoảng cách giữa mục tiêu và các điểm tham khảo Để xác định vị trí chính xác, cần biết khoảng cách từ mục tiêu đến ít nhất ba điểm tham khảo Ba phương pháp phổ biến để xác định vị trí dựa vào khoảng cách bao gồm Trilateration, MinMax và ROCRSSI.

ĐỊNH HƯỚNG THỰC HIỆN

Bảng 2.1: So sánh các phương pháp xác định vị trí nút mạng

PHƯƠNG PHÁP ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỀM

Phương pháp đo góc tới

-Thuật toán định vị cho chính xác cao

-Không cần đồng bộ hóa giữ các nút mục tiêu và các trạm thu /phát

- Ít trạm thu phát để đo vị trí của các nút mục tiêu.

-Yêu cầu về phần cứng lớn và phức tạp -Cần đến anten mảng tại máy thu nên đắt tiền

Phương pháp thời gian tới

(TOA) và khác nhau thời gian tới

-Khoảng cách giữa các nút tham chiếu và nút mục tiêu khi tăng không ảnh hưởng đến tính chính xác của tính toán

- Cần ít nhất ba điểm tham chiếu

- Tất cả các máy phát và máy thu trong hệ thống phải đồng bộ chính xác

Phương pháp đo cường độ tín hiệu (RSSI).

-Phương pháp RSS có thể đƣợc sử dụng trong các hệ thống mà không cần phải cài đặt phần cứng mới

-Phần cứng không quá phức tạp nên chi phí thấp

-Không cần đồng bộ hóa thời gian giữa các nút trong hệ thống.

- Phương pháp này cần ít nhất ba nút tham khảo để xác định vị trí của một mục tiêu

- Điều khiển công suất đƣợc sử dụng trong các hệ thống này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

- Tín hiệu dễ bị nhiễu do đa đường, phản xạ… nên độ chính xác thấp

Phương pháp xác định vị trí nút mạng dựa vào RSSI, mặc dù có độ chính xác không cao, nhưng lại đơn giản và chi phí thực hiện thấp, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển ứng dụng định vị sử dụng sóng vô tuyến RSSI là tham số chính trong thuật toán xác định vị trí của đề tài này Để thu thập cường độ sóng vô tuyến RSSI, tác giả sử dụng module RF CC1120 ở tần số 169MHz, giao tiếp với vi xử lý MSP430G2553 qua chuẩn SPI Giá trị RSSI thu được sẽ được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa mục tiêu và các điểm tham khảo, và vị trí của đối tượng sẽ được xác định thông qua thuật toán ROCRSSI+ Kết quả vị trí sẽ được hiển thị trên máy tính thông qua phần mềm mô phỏng.

XÂY DỰNG PHẦN CỨNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN

MÔ HÌNH NÚT MẠNG KHÔNG DÂY

Tác giả xây dựng mô hình phát và thu tín hiệu RF không dây với 4 trạm tham khảo (RN) cố định tại các vị trí A, B, C và D Trạm mục tiêu di động (BN) hoạt động trong khu vực giới hạn bởi các trạm tham khảo này Một trạm gốc (GN) thu thập dữ liệu từ các RN và chuyển tiếp lên máy tính để xử lý nhằm xác định vị trí của mục tiêu.

Hình 3.1: Mô hình nút mạng

Chức năng của từng nút mạng:

 Trạm mục tiêu (BN) phát chuỗi tín hiệu liên tục cho các trạm tham khảo (RN)

Mỗi trạm RN thu nhận tín hiệu từ các trạm BN và đọc giá trị RSSI từ thanh ghi Các trạm được thiết lập để giao tiếp với nhau, và giá trị RSSI từ các trạm RN sẽ được chuyển tiếp về một trạm RN duy nhất trước khi gửi về trạm gốc (GN).

Trạm gốc GN thu nhận dữ liệu RSSI từ các trạm RN, sau đó giao tiếp và truyền dữ liệu lên máy tính Dữ liệu này được sử dụng để tính toán tọa độ của điểm mục tiêu Kết quả vị trí sẽ được mô phỏng bằng sơ đồ trên máy tính thông qua giao diện phần mềm được phát triển bằng Matlab.

Mỗi nút mạng bao gồm 1 module RF CC1120 đƣợc điều khiển bởi vi xử lý MSP430G2553 Nguồn điện cung cấp đƣợc sử dụng từ Pin Lipo 12V- 200mAh

Hình 3.2: Minh họa phần cứng tại một module thu phát RF

MODULE THU PHÁT RF CC1120

3.2.1 Giới thiệu về chip CC1120

CC1120 là chip hiệu suất cao với tiêu thụ năng lượng thấp, thuộc dòng CC11XX do Texas Instruments thiết kế cho ứng dụng truyền - nhận vô tuyến băng tần ISM dưới 1GHz Chip này tích hợp hầu hết các bộ lọc thông dụng, giúp người dùng tiết kiệm chi phí và giảm độ phức tạp phần cứng, không cần sử dụng thêm các bộ lọc đắt tiền như Saw, If, hay Gaussian Filter CC1120 có khả năng giao tiếp với nhiều loại MCU phổ biến hiện nay như MSP430, 8051, và PIC.

CC1120 là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng không dây phổ biến, bao gồm điều khiển và giám sát nhà thông minh, hệ thống kiểm soát an ninh từ xa và thanh toán di động.

Hình 3.3: Ảnh thực tế và sơ đồ chân chip CC1120 [10]

Hình 3.4: Sơ đồ khối bên trong chip CC1120 [10]

Bảng 3.1: Đặc điểm CC1120 Độ nhạy cao:

-123 dBm -110 dBm Tiêu thụ năng lƣợng thấp:

+ RX ở chế độ tiết kiệm

+ RX ở chế độ thông thường

Có thể điều chỉnh dựa vào lập 15dBm

-6dBm Tần số hoạt động 164:192MHz, 274:320 MHz, 410:480 MHz,

Kiểu điều chế 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK

RSSI, LQI Có hỗ trợ

3.2.2 Kit phát triển CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí CC1120 Evalutation Module Kit [10]

CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz là kit phát triển sử dụng chip CC1120 đƣợc chính hãng TI thiết kế và sản xuất

Hình 3.6: Sơ đồ mạch in 3D CC1120 Evalutation Module Kit

Hình 3.7: Ảnh thực tế CC1120 Evalutation Module Kit 169Mhz [11]

Module CC1120 được thiết kế bởi TI với nhiều phiên bản cho các tần số hoạt động khác nhau, trong đó phiên bản sử dụng trong đề tài này hoạt động ở tần số 169MHz, tần số thấp nhất trong dãy băng tần hỗ trợ của CC1120 Tần số 169MHz mang lại hiệu quả hoạt động cao nhờ vào bước sóng dài (λ=1.77m) và độ suy hao thấp, giúp khả năng truyền xa hơn Để hỗ trợ người dùng trong việc thiết lập cấu hình, TI đã phát triển phần mềm SmartRF Studio, cho phép người dùng tùy chỉnh các thông số kỹ thuật khác nhau cho CC1120 theo nhu cầu sử dụng.

Hình 3.8: Giao diện phần mềm SmartRF Studio [10]

Hệ thống mạng không dây sử dụng trong đề tài, module CC1120 đƣợc cấu hình để hoạt động với các thông số kĩ thuật nhƣ sau:

Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật module CC1120 Đặc tính Giá trị

Tần số sóng mang 169 MHz

THIẾT KẾ BOARD GIAO TIẾP

MCU MSP430G2553 đóng vai trò là vi xử lý chính trong việc giao tiếp và cấu hình cho CC1120 Bài viết dưới đây sẽ trình bày chi tiết về đặc điểm của MCU MSP430G2553 cũng như thiết kế của board giao tiếp.

Vi xử lý MSP430G2553 là một thành viên trong dòng vi xử lý MSP430, nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng tối ưu do Texas Instruments (TI) thiết kế và sản xuất Dòng vi xử lý này sử dụng kiến trúc RISC 16-bit mạnh mẽ, tích hợp nhiều module ngoại vi, mang lại hiệu suất tương đương với một CPU hiện đại Các đặc tính nổi bật của vi xử lý MSP430 bao gồm khả năng tiêu thụ điện năng thấp, tính linh hoạt cao và hiệu suất xử lý ấn tượng, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

 Mức tiêu thụ năng lƣợng cực thấp:

- Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V

- Chế độ tắt (RAM vẫn đƣợc duy trì): 0.1 μA

 Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μs

 Cấu trúc RISC-16 bit, Thời gian một chu kỳ lệnh là 62.5 ns

 Cấu hình các module Clock cơ bản:

- Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số ± 1%

- Tần số làm việc lên tới 16 MHz

- Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài

 Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Giao diện truyền thông nối tiếp:

- Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud

- Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)

- Chuẩn giao tiếp đồng bộ SPI

 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu và chốt Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

 Hai bộ khuếch đại thuật toán (hoạt động) có thể định cấu hình (Đối với MSP 430x22x4)

 Module mô phỏng trên chip

MSP430G2553 là một vi xử lý phổ biến, sở hữu 2 PORT với 14 chân GPIO, đáp ứng đầy đủ các tính năng của dòng MSP430 Vi xử lý này rất phù hợp để làm vi điều khiển chính trong các hệ thống phần cứng của dự án.

Hình 3.9: Sơ đồ chân họ MSP430x22x2 loại chân TSSOP[12]

Hình 3.10: Sơ đồ chân họ MSP430x22x2 loại chân dán QFP[12]

Hình 3.11: Sơ đồ khối chức năng của vi xử lý MSP430G2553[12] 3.3.2 Giới thiệu các chuẩn giao tiếp trong MSP430G2553

UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receive/Transmitter, là một phương thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ phổ biến hiện nay Để hoạt động hiệu quả, UART cần kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp, tạo ra các sản phẩm giao tiếp Chuẩn RS232 (COM) trên máy tính cá nhân là ví dụ điển hình cho sự kết hợp giữa UART và chip chuyển đổi điện áp.

UART là phương thức truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ, không yêu cầu xung clock giữa bên nhận và bên truyền Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến việc dữ liệu bị mất hoặc sai lệch Để khắc phục vấn đề này, cần phải xử lý dữ liệu trước khi truyền bằng cách đóng gói chúng thành các khung truyền theo cấu trúc.

Start [bit 0]  Data Stop [bit 1]

Hình 3.12: Cấu trúc khung truyền UART[12]

Ngoài ra, để giảm tỉ lệ bit lỗi khi truyền, 1 bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity Bit) sẽ đƣợc gởi kèm theo khung truyền (ngay sau data)

Thiết bị truyền và nhận không đồng bộ sử dụng xung clock, do đó, hai bên cần thống nhất về thời gian truyền/nhận một bit dữ liệu Điều này có nghĩa là hai thiết bị phải hoạt động với cùng một tốc độ để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Khái niệm này được gọi là tốc độ baud, định nghĩa là số bit được truyền trong một giây Ví dụ, nếu tốc độ baud được thiết lập là 19200, thì thời gian cho mỗi bit sẽ được tính toán dựa trên tốc độ này.

SPI (Serial Peripheral Bus) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do Motorola phát triển, hoạt động theo mô hình Master-Slave Trong hệ thống này, một chip Master điều phối giao tiếp với các chip Slave, cho phép truyền thông chỉ diễn ra giữa Master và Slave SPI hỗ trợ truyền dữ liệu song công (full duplex), cho phép quá trình truyền và nhận diễn ra đồng thời Chuẩn này thường được gọi là "4 dây" vì sử dụng bốn đường giao tiếp.

Hình 3.13: Sơ đồ kết nối trong giao tiếp SPI [12]

SCLK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input), and SS (Slave Select) are key components in SPI communication Figure 3.13 illustrates a SPI connection between one Master chip and three Slave chips using four lines.

SCLK là tín hiệu giữ nhịp cho giao tiếp SPI, một chuẩn truyền đồng bộ yêu cầu có đường giữ nhịp để truyền tải dữ liệu Mỗi xung trên chân SCLK đại diện cho một bit dữ liệu, khác với truyền thông không đồng bộ như chuẩn UART Sự hiện diện của chân SCLK giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền, cho phép SPI đạt tốc độ truyền rất cao Chỉ chip Master mới có khả năng tạo ra xung nhịp này.

MISO, which stands for Master Input/Slave Output, functions differently depending on the chip type; for a Master chip, it serves as an input, while for a Slave chip, it acts as an output The MISO lines of the Master and Slave chips are directly connected to each other.

MOSI (Master Output / Slave Input) là đường truyền dữ liệu trong giao tiếp SPI, trong đó nếu là chip Master, MOSI sẽ là đường Output, còn nếu là chip Slave, MOSI sẽ là Input MOSI của chip Master và các chip Slave được kết nối trực tiếp với nhau.

SS (Slave Select) là tín hiệu dùng để chọn chip Slave trong giao tiếp, với mức cao khi không hoạt động Khi chip Master kéo tín hiệu SS của một Slave xuống mức thấp, giao tiếp giữa Master và Slave sẽ được thiết lập Mỗi chip Slave chỉ cần một đường SS, nhưng có thể có nhiều đường điều khiển khác.

Hình 3.14: Quá trình truyền dữ liệu trong giao tiếp SPI[12]

3.3.3 Board giao tiếp sử dụng MSP430G2553

3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát

Sơ đồ nguyên lý tổng quát được cấu thành từ 4 khối chức năng chính, bao gồm khối chuyển áp, khối nạp dữ liệu, khối điều khiển và báo hiệu, cùng với khối kết nối pin CC1120 (Hình 3.15).

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý tổng quát[12]

Vi xử lý MSP430G2553 và chip CC1120 hoạt động với điện áp từ 2-3.6V, thường sử dụng 3.3V Để giảm thiểu sự sụt áp ảnh hưởng đến giá trị RSSI, tôi sử dụng nguồn cấp từ Pin Lipo 12V với khả năng cung cấp dòng 2200mAh Mạch chuyển đổi điện áp từ 12V sang 3.3V được tích hợp sẵn trên board giao tiếp.

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí mạch chuyển đổi điện áp[12]

Mạch chuyển áp sử dụng IC ổn áp MS1117 fixed-3.3V, có khả năng nhận điện áp đầu vào lên đến 15V và cung cấp điện áp ổn định 3.3V với dòng cấp tối đa 800mA Điều này đáp ứng tốt yêu cầu về công suất tiêu thụ trong hệ thống phần cứng của tôi.

*Khối điều khiển và báo hiệu

THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỬ DỤNG RSSI

KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120

4.1.1 Cách đọc giá trị RSSI từ module CC1120

Giá trị RSSI phản ánh cường độ tín hiệu mà module thu nhận được tại antenna, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng gói tin Cường độ tín hiệu càng cao, tỷ lệ lỗi bit (BER) càng thấp, cho thấy tín hiệu thu được rõ ràng hơn Nếu giá trị RSSI thấp hơn ngưỡng Pth (power threshold), thiết bị sẽ không thể thu tín hiệu.

CC1120 hỗ trợ đọc giá trị RSSI từ các thanh ghi trạng thái RSSI (RSSI1.RSSI_11_4 và RSSI0.RSSI_3_0) Thiết bị này cho phép đọc RSSI với hai mức phân giải: 1dBm (8bit) và 0.0625dBm (12bit), trong đó độ phân giải 1dBm thường phù hợp với hầu hết các ứng dụng Theo tài liệu kỹ thuật “DN510-CC112X RSSI and CS Response Time” của TI, để đảm bảo nhận đúng mức cường độ tín hiệu thực tế, giá trị RSSI đọc từ thanh ghi trong CC1120 cần được điều chỉnh bằng cách trừ đi một giá trị nhất định.

Giá trị RSSI_Offset cho CC1120 hoạt động ở tần số 169MHz là 102dBm Thông tin chi tiết về cách đọc RSSI và chuyển đổi giá trị này được trình bày trong tài liệu kỹ thuật [14].

4.1.2 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI

Theo công thức (6), giá trị RSSI tỉ lệ nghịch với khoảng cách: khi khoảng cách tăng, giá trị RSSI giảm và ngược lại Giá trị này còn bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh Để kiểm tra sự thay đổi của RSSI theo khoảng cách và tác động của môi trường, tác giả đã tiến hành khảo sát và đo giá trị RSSI bằng cách xây dựng mô hình truyền-nhận với 2 module CC1120 hoạt động ở tần số 169MHz, trong đó module TX được đặt cố định.

Hình 4.1: Ảnh thực tế môi trường khảo sát a) Sân trống trải (Outdor) b) Hành lang tòa nhà (Indoor)

*Điều kiện khảo sát TH1:

+ Môi trường: outdoor + Phạm vi đo đạc: 30m + Mật độ lấy mẫu: 5 mẫu/m + Công suất phát TX: 0dBm a) b)

Hình 4.2: Giá trị RSSI theo khoảng cách trong môi trường outdoor

*Điều kiện khảo sát TH2:

+ Môi trường: Indoor + Phạm vi: 40m + Mật độ lấy mẫu: 5 mẫu/m + Công suất phát TX: 0dBm Measure RSSI in Indoor Environment

Hình 4.3: Giá trị RSSI theo khoảng cách trong môi trường indoor

Trong cả hai trường hợp, RSSI càng suy giảm khi khoảng cách truyền nhận càng xa

+ Môi trường Outdoor: Giá trị này giảm đều, ổn định trong phạm vi nhỏ hơn

30m Ở khoảng cách xa hơn, giá trị ghi nhận được thiếu ổn định do ảnh hưởng bởi nhiễu

Trong môi trường indoor, giá trị RSSI suy giảm nhanh hơn so với môi trường outdoor Cụ thể, tại khoảng cách 10m, giá trị RSSI ghi nhận trong môi trường indoor là -70dBm, thấp hơn 17dBm so với giá trị -53dBm trong môi trường outdoor Giá trị RSSI tiếp tục giảm xuống mức ngưỡng -105dBm khi khoảng cách tăng lên.

34m, do ở khoảng cách xa, module thu RX không nhận đƣợc tín hiệu Giá trị RSSI theo khoảng cách được thống kê trong bảng dưới

Bảng 4.1: Giá trị RSSI tại môi trường Outdoor

Khoảng cách (m) Giá trị RSSI (dBm)

Kết quả khảo sát cho thấy cường độ tín hiệu nhận được bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các yếu tố môi trường, đặc biệt trong không gian trong nhà Để cải thiện độ chính xác của giá trị ghi nhận, bộ lọc Kalman được áp dụng nhằm loại bỏ các giá trị nhiễu.

4.1.4 Giới thiệu bộ lọc Kalman[15]

Bộ lọc Kalman, được giới thiệu bởi Rudolf E Kálmán vào năm 1960, là một thuật toán mạnh mẽ giúp ước đoán các biến số từ chuỗi giá trị đo lường bị nhiễu hoặc sai số Thuật toán này tối ưu hóa độ chính xác của các ước đoán bằng cách sử dụng thông tin từ nhiều giá trị đầu vào thay vì chỉ dựa vào một giá trị duy nhất Phương pháp truy hồi của bộ lọc Kalman giúp cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định trạng thái của hệ thống.

+ : giá trị đo đƣợc tại trạng thái thứ k

+ : giá trị ƣớc lƣợng tại trạng thái thứ k

+ : giá trị ước lượng trước đó tại trạng thái thứ k

Trong phương trình (7), hệ số k biểu thị khoảng thời gian mà tín hiệu được rời rạc Chẳng hạn, nếu k=1, thời gian của tín hiệu tại trạng thái đó sẽ là 1ms.

Hệ số lọc Kalman Kk là một yếu tố quan trọng trong thuật toán lọc Kalman, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả lọc Để đạt được hiệu quả tối ưu, giá trị Kk cần được tính toán và cập nhật tại từng trạng thái k Trong trường hợp lọc nhiễu RSSI, giá trị Kk được khởi đầu là 0.5 và sẽ được cập nhật liên tục ở các giá trị rời rạc khác nhau.

Mô tả Hoạt động của bộ Kalman có thể được miêu tả bằng sơ đồ dưới đây:

Hình 4.4: Sơ đồ mô tả hoạt động mạch lọc Kalman [15]

Dựa vào sơ đồ mô tả hoạt động, phương trình tính toán của bộ lọc Kalman đƣợc chia thành 2 quá trình nhƣ sau:

Các phương trình cập nhật theo thời gian giúp dự đoán trạng thái hiện tại và vector phương sai lỗi, từ đó ước lượng trạng thái tiền nghiệm cho bước tiếp theo.

Các phương trình cập nhật theo giá trị đo lường được sử dụng để cung cấp phản hồi, kết hợp giá trị đo lường mới với ước lượng tiền nghiệm nhằm đạt được ước lượng trạng thái hậu nghiệm.

Các phương trình cập nhật theo thời gian được gọi là các phương trình dự đoán, trong khi các phương trình cập nhật theo giá trị đo lường được xem là các phương trình sửa sai Bộ lọc Kalman là một thuật toán kết hợp giữa dự đoán và sửa sai, nhằm cải thiện độ chính xác của các giá trị mà bộ lọc áp dụng.

Kết quả sử dụng lọc Kalman để loại bỏ các giá trị nhiễu trong phép đo RSSI tại môi trường indoor

2- Project the error convariance ahead

2 - Update the estimate via measure value zk

Measure RSSI in Indoor Environment

Hình 4.5: Giá trị RSSI sử dụng lọc Kalman môi trường Indoor

TÍNH TOÁN KHOẢNG CÁCH DỰA VÀO THAM SỐ RSSI

Hầu hết các thuật toán xác định vị trí cần thông tin về khoảng cách như là biến đầu vào để ước lượng vị trí Do đó, việc tính toán khoảng cách là bước quan trọng trong quy trình định vị Phần này sẽ trình bày phương pháp xác định khoảng cách từ điểm mục tiêu đến các trạm tham khảo, dựa vào giá trị RSSI được đọc từ module CC1120.

4.2.1 Biểu thức quan hệ giữa khoảng cách và RSSI

Khoảng cách giữa hai module thu-phát và giá trị RSSI có mối quan hệ tỉ lệ nghịch Cụ thể, khi khoảng cách tăng lên, giá trị RSSI sẽ giảm xuống Dựa trên công thức (6), ta có thể tính toán khoảng cách một cách chính xác.

+ A: cường độ tín hiệu tại khoảng cách 1m

+ n: hệ số truyền sóng đặc trưng môi trường Để tính toán đƣợc khoảng cách dựa vào tham số RSSI, ta cần xác định giá trị

2 tham số: A và n trong phương trình trên

4.2.2 Xác định các tham số đặc trƣng

Hệ số A là giá trị cường độ tín hiệu đo được tại khoảng cách 1m từ thiết bị phát (TX) Để xác định hệ số A, hai mô-đun phát (TX) và thu (RX) cần được đặt cách nhau một khoảng nhất định.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ thu thập 100 mẫu RSSI để tính giá trị A, bằng cách lấy trung bình của 100 mẫu dữ liệu đã thu thập Kết quả khảo sát sẽ được ghi nhận trong cả hai môi trường indoor và outdoor.

A value Average value a) Hệ số A rong môi trường Outdoor

A value Average value b) Hệ số A trong môi trường Indoor

Hệ số A được khảo sát trong môi trường ngoài trời ổn định với giá trị trung bình ghi nhận là -31 dBm Trong khi đó, trong môi trường trong nhà, mức cường độ tín hiệu tại khoảng cách 1m có sự biến động và đạt giá trị trung bình là -29.6 dBm.

Hệ số n trong công thức (8) là tham số quan trọng, đặc trưng cho môi trường truyền sóng vô tuyến Giá trị n thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố môi trường như độ trống trải, sự hiện diện của nhà cửa, cây cối, và hoạt động của con người.

Để xác định giá trị hệ số n của môi trường, cần đo mức cường độ tín hiệu RSSI tại khoảng cách khảo sát d đã biết Trong mô hình truyền nhận được trình bày ở mục 3.1, giá trị n sẽ được tính toán theo một quy trình cụ thể.

 Bước 1: Xác định mức RSSI giữa 2 đường chéo của khu vực khảo sát ( giá trị RSSI giữa module A-C, và B-D)

 Bước 2: Tính số n theo đường chéo:

+ Hệ số A = -31dBm (đƣợc xác định ở mục 4.2.2)

+ d BD =d AC = 33.5m (chiều dài đường chéo khu vực khảo sát có kích thước 30mx30m)

 Bước 3: Giá trị n tb sẽ là giá trị trung bình của 2 giá trị trên:

Hình 4.7: Giá trị hệ số n trong môi trường Outdoor

GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI

Phương pháp ROCRSSI (Ring-Overlapping based on Comparison of Received Signal Strength Indicator) nhằm mục tiêu ước tính chính xác vị trí của các nút cảm biến và giảm chi phí thông tin liên lạc với số lượng trạm thu hạn chế Trạm thu được đặt ở vị trí cố định và nhận tín hiệu từ cảm biến S ROCRSSI xác định vị trí các nút cảm biến thông qua việc phân tích diện tích chồng chéo của các đường tròn có tâm tại vị trí trạm thu, giúp thu hẹp phạm vi xác định.

Nếu S xác định rằng khoảng cách từ nó đến A lớn hơn khoảng cách giữa A và B nhưng nhỏ hơn khoảng cách giữa A và C, S có thể kết luận rằng nó nằm trong vòng tròn có tâm tại A với bán kính trong R AB và bán kính ngoài R AC Điều này có nghĩa là S nằm trên hình vành khăn được tạo thành bởi hai đường tròn có tâm tại A với bán kính R AB và R AC Tương tự, S cũng có thể được xác định theo cách tương tự với các đường tròn có tâm tại B và C Cuối cùng, ta tính phần giao nhau giữa các đường tròn, và phần tâm của nó chính là vị trí ước lượng của cảm biến cần xác định.

Các đường tròn có thể được hình thành bằng cách so sánh cường độ tín hiệu nhận được từ các nút cảm biến đến các trạm thu Chẳng hạn, trong hình 4.6(a) với các anchor A, B, C và nút cảm biến S, nếu A phát tín hiệu cho B, C và S, với các giá trị RSSI như RSSIAB > RSSIAS > RSSIAC, thì S có khả năng nằm trong khu vực được tô đậm, khi S, B, C cùng hướng với A.

Phương pháp ROCRSSI không nhằm mục đích ánh xạ cường độ tín hiệu RSSI thành khoảng cách tuyệt đối giữa các điểm Thay vào đó, ROCRSSI chỉ tập trung vào việc so sánh mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu RSSI mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của RSSI.

Độ chính xác của ROCRSSI được xác định dựa trên giả thuyết rằng trong một khoảng cách nhất định, khi khoảng cách giữa nguồn phát và nguồn thu tăng lên, cường độ tín hiệu nhận được sẽ giảm dần một cách liên tục.

Giá trị RSSI của mỗi trạm thu được xác định dựa trên các trạm thu lân cận, cho phép mỗi nút cảm biến thu thập thông tin cần thiết để tạo ra các đường tròn chồng chéo.

Hình 4.8: Ví dụ về ROCRSSI [9]

Hình 4.9: Mô tả cách xác định vị trí nguồn phát S

Bước 1: Xác định vùng giao nhau có chứa trạm X

 Trạm thu A sẽ đo giá trị RSSI của các trạm thu còn lại và so sánh với giá trị RSSI của trạm X gửi về

Các giá trị sẽ được phân chia thành hai tập hợp N và F Tập hợp N bao gồm những giá trị RSSI lớn hơn giá trị RSSI từ X đến A, trong khi tập hợp F chứa những giá trị RSSI nhỏ hơn giá trị RSSI từ X đến A.

 Lấy giá trị lớn nhất trong tập hợp F và tính ra khoảng cách là d 1 , d 1 là bán kính của đường tròn với tâm là A

 Lấy giá trị nhỏ nhất trong tập hợp N và tính đƣợc khoảng cách d2, với d2 là bán kính của đường tròn với tâm là A

Hình 4.10: Vùng giao nhau có chứa trạm X

Thực hiện tương tự với các trạm thu còn lại để xác định được vùng giao nhau của các đường tròn có chứa trạm phát X

Bước 2: Xác định tọa độ tại các điểm giao nhau của các vòng tròn có chứa trạm X

Dựa vào bán kính của các đường tròn đã xác định, chúng ta có thể tính toán tọa độ các điểm giao nhau bằng cách đặt các phương trình của các đường tròn bằng nhau Giá trị thu được từ các phương trình này sẽ cho chúng ta tọa độ chính xác của các điểm giao nhau.

Hình 4.11: Kết quả tính toán sử dụng phương pháp ROCRSSI

B3: Xác định tọa độ của Sensor S

Cách xác định vị trí S tại các vùng chồng chéo của các đường tròn:

X và Y là tọa độ của các điểm trong phần giao nhau, được bao quanh bởi hình chữ nhật có các góc được xác định rõ ràng.

Phần góc trên bên trái: ( giá trị nhỏ nhất của X, giá trị nhỏ nhất của Y)

Phần góc trên bên phải: ( giá trị lớn nhất của X, giá trị nhỏ nhất của Y)

Phần góc dưới bên trái: ( giá trị nhỏ nhất của X, giá trị lớn nhất của Y)

Phần góc dưới bên phải: ( giá trị lớn nhất của X, giá trị lớn nhất của Y)

Phần tâm của hình chữ nhật chính là vị trí ƣớc tính của S:

X = 1/2(Giá trị lớn nhất của X – Giá trị nhỏ nhất của X) + Giá trị nhỏ nhất của X

Y = 1/2(Giá trị lớn nhất của Y – Giá trị nhỏ nhất của Y) + Giá trị nhỏ nhất của Y

GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ROCRSSI+

Phương pháp ROCRSSI gặp phải hạn chế do vùng giao nhau của các đường tròn quá lớn, dẫn đến sai số lớn khi xác định tọa độ của trạm X Để khắc phục vấn đề này, phương pháp ROCRSSI+ được đề xuất, tối ưu hóa từ ROCRSSI nhằm giảm thiểu sai số và cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí.

Sau khi xác định vùng giao nhau của các vòng tròn chứa trạm X, chúng ta tính toán khoảng cách từ trạm X đến các trạm A, B, C, D dựa trên giá trị RSSI nhận được từ X Những khoảng cách này được sử dụng làm bán kính cho các đường tròn có tâm là A, B, C, D Từ các thông tin tại B2 và B3, chúng ta có thể tính toán tọa độ của trạm X.

Hình 4.12: Kết quả tính toán bằng phương pháp ROCRSSI+

CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ VỊ TRÍ TRÊN MÁY TÍNH

Sau khi thu thập dữ liệu cần thiết, máy tính sẽ tiến hành xử lý và biên dịch mã nguồn của thuật toán, đồng thời hiển thị giao diện người dùng một cách trực quan.

Trên giao diện máy tính có các công cụ có chức năng đơn giản, dễ thao tác

Hình 4.14: Đồ hoạ 2D tầng trệt Khoa Công Nghệ

Hình 4.15: Đồ hoạ 2D sân Khoa Nông Nghiệp

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT PHẦN MỀM HỆ THỐNG

Hình 4.16:Lưu đồ giải thuật truyền

Khi cấp nguồn cho board, msp430g2553 sẽ khởi tạo giao tiếp SPI với kit CC1120 để truyền gói dữ liệu Giải thuật này được áp dụng nhằm đảm bảo quá trình truyền tải dữ liệu hiệu quả.

Khởi tạo giao tiếp SPI Khởi tạo cấu hình truyền sóng CC1120 : registerConfig();

Cho phép runTx Nháy đèn xanh (báo hiệu bắt đầu truyền) ngắt báo trả về từ CC1120 khi truyền xong gói data: txSpiCmdStrobe(CC112 X_STX)=1?

Nháy đèn trắng báo đã truyền xong Đúng

Kit CC1120 sử dụng phần mềm SmartRF Studio của Texas Instruments để thiết lập và phát tín hiệu ra môi trường Khi tín hiệu được phát, đèn LED sẽ nhấp nháy để báo hiệu thời điểm bắt đầu và kết thúc gói truyền, giúp người dùng dễ dàng kiểm soát quá trình truyền tín hiệu.

Hình 4.17:Lưu đồ giải thuật nhận Đúng Đúng

Khởi tạo giao tiếp SPI Khởi tạo cấu hình truyền sóng CC1120 : registerConfig();

Cho phép runRx khởi tạo ngắt nhận: rxEnableInt(GPIO_0); ngắt báo trả về từ CC1120 khi nhân data : rxSpiCmdStrobe(CC11 2X_SRX)=1?

Nháy đèn trắngbáo đã nhận data Lưu data vào rxBuffer[i]a[i]; Đọc giá trị RSSI: getRSSI() từ thanh ghi cc112xSpiReadReg

Nháy đèn xanh báo đã đọc xong RSSI

Giải thuật này được sử dụng để nhận gói dữ liệu thông qua giao tiếp SPI giữa board msp430g2553 và kit CC1120 Khi cấp nguồn, msp430g2553 khởi tạo giao tiếp và cấu hình kit CC1120 ở chế độ nhận tín hiệu, với các thông số cài đặt phải đồng bộ giữa chế độ nhận và phát để đảm bảo khả năng giải mã tín hiệu Khi kit CC1120 nhận tín hiệu từ môi trường, đèn LED sẽ báo hiệu quá trình mã hóa dữ liệu truyền bắt đầu và kết thúc, giúp người dùng dễ dàng kiểm soát.

Khởi tạo giao tiếp UART Gắn: UCA0TXBUF=rxBuffer[i];

Giao tiếp UART thông chƣa?

Cho phép truyền uart: IE2&=~UCA0TXIE Nháy đèn xanh báo bắt đầu truyền ngắt báo trả về từ cổng Com khi nhân đủ data :

Nháy đèn trắng báo đã truyền data xong

Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật truyền lên máy tính

Giải thuật này được áp dụng cho board ở trạm gốc, có nhiệm vụ thu thập và truyền dữ liệu tổng hợp lên máy tính Nó tạo kết nối giữa board ngoại vi và máy tính, cung cấp dữ liệu cần thiết để xác định tọa độ trên giao diện đã thiết lập Sau khi tổng hợp dữ liệu, board sẽ khởi tạo giao tiếp UART với máy tính qua cổng COM Khi kết nối thành công, board sẽ gửi một khung dữ liệu theo định dạng đã định trước để đồng bộ hóa thông tin Từ khung dữ liệu này, máy tính sẽ sử dụng các giải thuật xác định vị trí và hiển thị kết quả trên giao diện người dùng thông qua công cụ Matlab.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

TRƯỜNG HỢP I- KHU VỰC TRỐNG TRẢI CÓ ÍT VẬT CẢN

+ Địa điểm: sân Khoa Nông Nghiệp, Đại học Cần Thơ (Hình 5.1)

+ Phạm vi đo đạc: khu vực sân có kích thước 20m x 30m

+ Công suất phát tín hiệu: 0dBm

+ Chiều cao các trạm thu phát: 3m

Hình 5.1: Khu vực khảo sát I – Sân Khoa Nông Nghiệp (ĐHCT)

Các module CC1120 sẽ được lắp đặt tại các tọa độ A(20,30), B(0,30), C(0,0), D(20,0) để thu thập giá trị RSSI từ module mục tiêu Những vị trí này sẽ làm điểm tham khảo cho thuật toán định vị ROCRSSI+ Module mục tiêu X sẽ được cố định tại các điểm khảo sát ①, ②, ③, ④, ⑤, và các giá trị RSSI, khoảng cách cùng tọa độ điểm mục tiêu sẽ được ghi nhận tại từng vị trí.

Hình 5.2: Sơ đồ khảo sát sân Khoa Nông Nghiệp (ĐHCT) 5.1.3 Kết quả khảo sát

Bảng 5.1: Giá trị RSSI tại các điểm khảo sát

Module phát Modue thu RSSI (dBm) Module phát

Module phát Modue thu RSSI (dBm) Module phát

Module phát Modue thu RSSI (dBm)

Measure RSSI in Outdoor Environment

Hình 5.3: Kết quả khảo sát RSSI tại vị trí 2

Mặc dù ở cùng khoảng cách đến điểm mục tiêu, mức cường độ tín hiệu thu được tại các trạm RNs có sự khác biệt không đáng kể, chỉ khoảng 2dBm Tuy nhiên, giá trị sai lệch lớn nhất được ghi nhận là 10dBm, cụ thể giữa các trạm B và C tại vị trí 5.

+ Giá trị RSSI ổn định, ít dao động

5.1.4 Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI

Bảng 5.2: Kết quả tính toán khoảng cách tại các vị trí (đơn vị: mét)

VỊ TRÍ 1 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 2 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 3 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 4 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 5 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

Measure distance between MN and BN in Outdoor d X D d X A d X B d X C

Hình 5.4: Kết quả tính toán khoảng cách tại vị trí 1

Giá trị khoảng cách tính toán có sự chênh lệch so với giá trị thực tế do RSSI giữa các module ở cùng khoảng cách không đồng nhất Tuy nhiên, mức sai lệch tối đa ghi nhận được không vượt quá 7m giữa module B và điểm mục tiêu.

5.1.5 Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu

*TH1: Mục tiêu đặt cố định tại các điểm khảo sát

Bảng 5.3: Kết quả ƣớc lƣợng vị trí tại các điểm cố định ĐIỂM

TỌA ĐỘ ƢỚC LƢỢNG ĐỘ CHÊNH LỆCH (đv:mét)

Hình 5.5: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 1

Hình 5.6: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 2

Hình 5.7: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 3

Hình 5.8: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 4

Hình 5.9: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 5

*TH2-Mục tiêu di chuyển: Mục tiêu bắt đầu di chuyển từ điểm 1 (Hình 5.10)

Hình 5.10: Sơ đồ hướng di chuyển

Hình 5.11: Vị trí mục tiêu di chuyển đƣợc hiển thị trên phần mềm

Trong trường hợp điểm mục tiêu được đặt cố định, kết quả ước lượng tọa độ cho thấy sai số thấp nhất là 1m tại vị trí 3 và sai số cao nhất là 3.6m tại vị trí 5 Với phạm vi khảo sát 20m x 30m, sai số trung bình so với vị trí thực tế đạt 7%.

Khi di chuyển, phần mềm mô phỏng vị trí không thể vẽ chính xác đường đi thực tế của đối tượng Tuy nhiên, kết quả hiển thị vẫn giúp người dùng hình dung được lộ trình và hướng di chuyển của điểm mục tiêu, với độ trễ khoảng 5 giây so với thực tế.

TRƯỜNG HỢP II- KHU VỰC HÀNH LANG TOÀ NHÀ, CÓ NHIỀU VẬT CẢN

+ Địa điểm: hành lang tầng trệt, khoa Công Nghệ (Hình 5.12)

+ Phạm vi đo đạc: khu vực giới hạn bởi hành lang kích thước 30m x 30m + Công suất phát tín hiệu: 7dBm

+ Chiều cao các trạm thu phát: 2m

Hình 5.12: Khu vực khảo sát II - Tầng trệt khoa Công Nghệ (ĐHCT)

Các module CC1120 sẽ thu thập giá trị RSSI từ module mục tiêu, được đặt tại các tọa độ A (30,30), B (0,30), C (0,0), và D (30,0) Những vị trí này sẽ đóng vai trò làm điểm tham khảo cho thuật toán định vị ROCRSSI+ Module mục tiêu X sẽ được cố định tại các điểm khảo sát ①, ②, ③, ④, ⑤ Tại mỗi vị trí, các giá trị RSSI, khoảng cách và tọa độ của điểm mục tiêu sẽ được ghi nhận (Hình 5.13).

Hình 5.13: Sơ đồ khảo sát khu vực tầng trệt khoa Công Nghệ (ĐHCT)

Bảng 5.4: Giá trị RSSI tại các điểm khảo sát

Module phát Modue thu RSSI (dBm) Module phát Modue thu RSSI

Module phát Modue thu RSSI (dBm) Module phát Modue thu RSSI

Module phát Modue thu RSSI (dBm)

Hình 5.14: Kết quả khảo sát RSSI tại vị trí 5

Tại cùng một khoảng cách so với module mục tiêu, giá trị RSSI thu được ở các vị trí khác nhau trong khu vực hành lang tầng trệt của khoa Công Nghệ cho thấy sự khác biệt đáng kể Cụ thể, tại vị trí 2, độ chênh lệch giữa hai module A và D (cùng khoảng cách với module mục tiêu X) là 24 dBm.

Giá trị RSSI thường không ổn định và có sự dao động lớn, chủ yếu do ảnh hưởng của các vật cản trong môi trường truyền, chẳng hạn như người đi lại, cầu thang, và cửa phòng học.

5.2.4 Kết quả tính toán khoảng cách dựa tham số RSSI

Bảng 5.5: Kết quả tính toán khoảng cách tại các vị trí

VỊ TRÍ 1 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 2 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số Tỉ lệ %

VỊ TRÍ 3 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 4 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

VỊ TRÍ 5 Giá trị thực tế Giá trị đo đạc Sai số % sai số

Theo thống kê từ Bảng 5.5, giá trị tính toán khoảng cách giữa module mục tiêu và các trạm tham khảo cho thấy sai số lớn so với khoảng cách thực tế, với độ chênh lệch tối đa lên tới 20m.

Nguyên nhân gây ra sai số lớn trong việc tính toán khoảng cách trong môi trường indoor là do giá trị RSSI thu được có sự khác biệt đáng kể tại các vị trí cùng khoảng cách, và không ổn định do ảnh hưởng của fading từ các yếu tố môi trường như cây cối, cầu thang, hay cửa phòng học Cụ thể, theo công thức (8), với giá trị A3, n=2.5, độ chênh lệch 1dBm sẽ dẫn đến sai khác về khoảng cách lên tới 2m, và sai số này càng tăng khi độ lệch RSSI lớn hơn.

Để giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của môi trường làm chênh lệch cường độ tín hiệu, các module RN sẽ được điều chỉnh bằng cách bù trừ một lượng RSSI_offset phù hợp tại các vị trí khác nhau Kết quả khảo sát cho thấy giá trị RSSI_Offset được áp dụng cho các vị trí theo sơ đồ Hình 5.13 vào ngày 20-11-2014.

Bảng 5.6: Giá trị RSSI_offset cho các vị trí

VỊ TRÍ GIÁ TRỊ RSSI_offset (đơn vị: dBm)

Tác giả đã xây dựng bảng giá trị RSSI-offset nhằm giảm thiểu sai số đo lường giữa các kit do sự không đồng nhất trong quá trình sản xuất, như linh kiện và ăng-ten Việc này giúp đảm bảo tính chính xác và đồng nhất trong các giá trị đo giữa các kit khác nhau.

5.2.5 Kết quả xác định tọa độ điểm mục tiêu

*TH1: Mục tiêu đặt cố định tại các điểm khảo sát ĐIỂM KHẢO SÁT

THỰC TẾ TỌA ĐỘ ƢỚC LƢỢNG KHOẢNG CÁCH SAI

Hình 5.15: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 1

Hình 5.16: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 2

Hình 5.17: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 3

Hình 5.18: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 4

Hình 5.19: Tọa độ ƣớc lƣợng điểm mục tiêu tại vị trí 5

*TH2-Mục tiêu di chuyển: Mục tiêu bắt đầu di chuyển từ điểm1 (Hình 5.20)

Hình 5.20: Sơ đồ hướng di chuyển

Hình 5.21: Vị trí mục tiêu di chuyển đƣợc hiển thị trên phần mềm

Trong môi trường indoor, việc ước lượng tọa độ điểm mục tiêu bằng tham số RSSI gặp sai số lớn hơn so với khảo sát outdoor do ảnh hưởng mạnh mẽ của các yếu tố môi trường đối với tín hiệu vô tuyến Độ lệch tối thiểu so với vị trí thực tế là 3.6m (tại vị trí 2), trong khi sai số lớn nhất ghi nhận là 7.8m khi mục tiêu đặt tại trung tâm khu vực khảo sát (vị trí 5) Với diện tích khảo sát 30m x 30m, sai số trung bình được ghi nhận là 5.2m, tương đương 17%.