Định vị trong môi trường hẹp dựa trên mạng cảm biến không dây theo chuẩn IEEE 802.15.4

Bài báo trình bày giải pháp định vị trong môi trường hẹp dựa trên mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 tích hợp anten omni và anten điều hướng điện tử 4 vị trí: -36°, -12°, +12° và +36° với độ rộng búp sóng hẹp từ 21° đến 28°, hoạt động tại dải tần dùng chung 2.4 GHz.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Định vị trong môi trường hẹp dựa trên mạng cảm biến không dây theo chuẩn IEEE 802.15.4 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ĐỊNH VỊ TRONG MÔI TRƯỜNG HẸP DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THEO CHUẨN IEEE 802.15.4 Bùi Thị Duyên12*, Nguyễn Trì3, Lê Minh Thùy1, Nguyễn Quốc Cường1 Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp định vị trong môi trường hẹp dựa trên mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 tích hợp anten omni và anten điều hướng điện tử 4 vị trí: -36°, -12°, +12° và +36° với độ rộng búp sóng hẹp từ 21° đến 28°, hoạt động tại dải tần dùng chung 2.4 GHz. Hệ thống định vị đề xuất sử dụng phương pháp định vị ước lượng khoảng cách và hướng sóng tới từ đó có những so sánh đánh giá giữa 2 phương pháp. Hệ thống định vị đạt tới mức sai số trung bình 1,1m trong vùng không gian định vị 32m2. Từ khóa: Định vị trong nhà; Mạng cảm biến không dây; Anten điều hướng. 1. MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network-WSN) là một trong những công nghệ nhiều hứa hẹn cho tương lai bởi những ưu điểm về: giá thành, dễ triển khai và khả thi cho các ứng dụng trong quân đội, công nghiệp, gia đình, y tế, nông nghiệp... đặc biệt trong giám sát môi trường để đưa ra những cảnh báo sớm, cứu hộ trong những tình huống khẩn cấp. WSN thực hiện nhiều chức năng khác nhau như: thu thập thông tin đo, xử lý dữ liệu, truyền thông không dây, xác định vị trí...[1] Các nút cảm biến thường được chôn dưới đất để giám sát địa chấn; treo tại các khu vực giám sát môi trường như: rừng, biển, sông hồ, nhà xưởng, bệnh viện, khu công nghiệp, trang trại...; gắn vào động vật hoang dã, vật nuôi... để giám sát hành vi, thói quen, sự di chuyển [2-3]; gắn vào người hoặc robot nhằm định hướng dẫn đường và giao tiếp với người khiếm thị, người khuyết tật, người già hay trẻ em [4-5] [6]; gắn vào xe trong điều khiển giao thông thông minh [7]. Như vậy, các thông tin đo được của nút cảm biến (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, độ ô nhiễm....) không có ý nghĩa khi không biết vị trí của nút. Việc xác định vị trí của nút cảm biến là yếu tố quan trọng, liên quan đến tính hiệu quả của hệ thống. Thách thức chủ yếu của hệ định vị dựa trên mạng cảm biến không dây là độ chính xác, độ ổn định, thời gian đáp ứng và độ phức tạp khi triển khai [8]. Các phương pháp định vị thường dựa vào khoảng cách, hướng sóng tới hoặc sử dụng phương pháp dấu vân tay (fingerpriting). Tín hiệu dùng để ước lượng vị trí như cường độ tín hiệu (RSS-Received Signal Strength), thời gian tới (ToA-Time of Arrival), độ lệch thời gian tới (TDoA-Time Difference of Arrival), hướng sóng tới (AoA-Angle of Arrival) hoặc kết hợp các tín hiệu này [9]. Trong đó, ToA và TDoA không phù hợp với các nút cảm biến, vì yêu cầu phần cứng phức tạp. RSS được sử dụng phổ biến nhất bởi tính đơn giản và giá thành thấp tuy nhiên độ chính xác không cao, khó khăn khi xây dựng mô hình hóa đường truyền trong môi trường động. Việc kết hợp RSS và AoA giúp nâng cao độ chính xác cho hệ định vị [10-13]. Theo [14], dựa trên RSS đo được, xác định khoảng cách từ đó ước lượng vị trí nút. Độ chính xác đạt được 1,2m trong vùng 25m2 với 4 nút phát tích hợp anten đa hướng. Với nhiều thuật toán được đề xuất như tìm trọng tâm, tìm trọng tâm có trọng số [6] dựa trên RSS, sử dụng phương pháp dấu vân tay và đạt độ chính xác trung bình 2m trong vùng định vị 63m2. Tuy nhiên, phương pháp dấu vân tay cần giai đoạn thu thập dữ liệu từ trước với cơ sở dữ liệu lớn. Mặt khác, cơ sở dữ liệu phải đo lại khi môi trường định vị thay đổi gây tốn kém và mất thời gian, đây là nhược điểm của phương pháp dấu vân tay. Công bố [10] đề xuất tích hợp anten điều hướng cho nút cảm biến nhằm giảm số nút, giảm tắc nghẽn truyền thông trong mạng từ đó giảm năng lượng cấp cho mạng, tăng thời gian sống cho các nút cảm biến. Tuy nhiên, bài báo này không đánh giá về ước 126 B. T. Duyên, …, N. Q. Cường, “Định vị trong môi trường hẹp … chuẩn IEEE 802.15.4.” Nghiên cứu khoa học công nghệ lượng vị trí các nút cảm biến trong mạng. Trong [11] đã sử dụng AoA và RSS để ước lượng vị trí nút cảm biến với độ chính xác 0,49m trong diện tích định vị 20m2, ở đây mới chỉ xác định được khoảng cách giữa nút chủ với các nút khác, chưa xác định được vị trí của nút di động trong vùng định vị theo tọa độ. Bài báo [12] ước lượng vị trí nút cảm biến dựa trên thông tin đo RSS và ước lượng AoA đạt độ chính xác cao 1,24m trong vùng định vị rộng 100m2. Bài báo đã đề xuất thuật toán ước lượng khoảng cách và hướng góc tới dựa vào mẫu đã đo sẵn, như vậy đề xuất này có nhược điểm giống phương pháp dấu vân tay. [13] sử dụng anten điều hướng 8 búp tích hợp trong nút cảm biến. Bài báo đề xuất 4 nút cảm biến đặt trên trần cho việc định vị đối tượng đạt sai số trung bình 1,1m trong vùng 42m2. Với độ chính xác đạt được nổi trội, nếu mở rộng hệ thống việc tăng số lượng các nút là điều không tránh khỏi, làm phức tạp hệ thống và nâng cao giá thành hệ thống. Trong bài báo này, chúng tôi đã triển khai mạng cảm biến gồm 3 nút cố định tích hợp anten điều hướng 4 búp đề xuất giúp xác định vị trí nút di động trong vùng rộng, cải thiện độ phức tạp về truyền thông trong mạng, nâng cao độ chính xác cho hệ định vị, giảm giá thành hệ thống. Bài toán sử dụng phương pháp giao khoảng cách, giao hướng sóng tới để ước lượng vị trí đối tượng mà không cần thu thập cơ sở dữ liệu từ trước. Trình tự của bài báo gồm: Mục 2 trình bày cơ sở lý thuyết, cấu trúc, thành phần của hệ thống và thuật toán định vị. Kết quả định vị đạt được của hệ thống và so sánh với các nghiên cứu khác được trình bày trong mục này. Mục 3 là kết luận và phương hướng phát triển cho hệ thống. 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN WSN 2.1. Cơ sở thiết kế hệ thống 2.1.1. Kịch bản thử nghiệm Hệ thống định vị đề xuất được thử nghiệm dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4, mô đun truyền thông không dây MRF24J40MA hoặc MRF24J40MC kết hợp ...