Hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng anten thông minh

Bài viết Hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng anten thông minh trình bày giải pháp định vị vô tuyến dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4. Các nút cảm biến tích hợp anten thông minh có khả năng chuyển búp sóng ở bốn vị trí và có búp sóng hẹp tới 21°.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng anten thông minh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG ANTEN THÔNG MINH LOCALIZATION SYSTEMS BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORK USING SMART ANTENNA Bùi Thị Duyên, Đoàn Thị Hương Giang Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 18/05/2021, Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2021, Phản biện: PGS TS. Nguyễn Quang Hoan Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp định vị vô tuyến dựa trên mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4. Các nút cảm biến tích hợp anten thông minh có khả năng chuyển búp sóng ở bốn vị trí và có búp sóng hẹp tới 21°. Đề xuất hệ thống định vị sử dụng anten thông minh có khả năng phủ được không gian rộng. Hệ thống sử dụng phương pháp dấu vân tay và đạt được sai số định vị nhỏ là 0,75 m trong vùng định vị 32 m2. Từ khóa: Anten thông minh, mạng cảm biến không dây, dấu vân tay (DVT). Abstract: This paper presents the solution for a radio frequency localization system based on a wireless sensor network (WSN) using the IEEE 802.15.4 standard. The nodes are integrated in a smart antenna (SA) which four positions could be scanned with narrow beam-width as small as 21°. Our system utilizes a smart antenna that is able to cover wide space. Furthermore, this system uses fingerprinting methods that obtains an average localization error down to 0,75 m in the coverage area of 32 m2. Keywords: Smart antenna, Wireless sensor network, Fingerprinting. 1. MỞ ĐẦU cứu hộ trong những tình huống khẩn cấp. Mạng cảm biến không dây là một trong WSN thực hiện nhiều chức năng khác những giải pháp truyền thông không dây nhau như: thu thập thông tin đo, xử lý dữ có nhiều ưu điểm như: giá thành thấp, liệu, truyền thông không dây, xác định vị nặng lượng tiêu thụ không cao, dễ triển trí... [1]. Các nút cảm biến thường được khai và khả thi cho các ứng dụng trong chôn dưới đất để giám sát địa chấn; treo quân đội, công nghiệp, gia đình, y tế, tại các khu vực giám sát môi trường như: nông nghiệp. Đặc biệt, trong giám sát môi rừng, biển, sông hồ, nhà xưởng, bệnh trường để đưa ra những cảnh báo sớm, viện, khu công nghiệp, trang trại...; gắn Số 27 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) vào động vật hoang dã, vật nuôi... để giám dựa trên RSS, sử dụng phương pháp dấu sát hành vi, thói quen, sự di chuyển [2]; vân tay và đạt độ chính xác trung bình gắn vào người hoặc robot nhằm định 2 m trong vùng định vị 63 m2; công bố [7] hướng dẫn đường và giao tiếp với người đề xuất tích hợp anten thông minh cho nút khiếm thị, người khuyết tật, người già hay cảm biến nhằm giảm số nút, giảm tắc trẻ em [3]; gắn vào xe trong điều khiển nghẽn truyền thông trong mạng, từ đó giao thông thông minh [4]. Như vậy, các giảm năng lượng cấp cho mạng, tăng thời thông tin đo được của nút cảm biến (nhiệt gian sống cho các nút cảm biến; bài báo độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, độ ô [8] ước lượng vị trí nút cảm biến dựa trên nhiễm...) không có ý nghĩa khi không biết thông tin đo RSS và ước lượng AoA đạt vị trí của nút. Việc xác định vị trí của nút độ chính xác cao 1,24 m trong vùng định cảm biến là yếu tố quan trọng, liên quan đến tính hiệu quả của hệ thống. Thách vị rộng 100 m2; [9] sử dụng anten thông thức chủ yếu của hệ định vị dựa trên minh sai số trung bình 1,1 m trong vùng mạng cảm biến không dây là độ chính 42 m2. xác, độ ổn định, thời gian đáp ứng và độ Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu phức tạp khi triển khai [5]. và triển khai hệ thống mạng cảm biến Các phương pháp định vị thường dựa vào gồm ba nút cố định được tích hợp anten khoảng cách, hướng sóng tới hoặc sử thông minh (SA-Smart Antenna) đề xuất. Hệ thống định vị nút di động trong vùng dụng phương pháp dấu vân tay. Tín hiệu rộng, giảm thiểu độ phức tạp về truyền dùng để ước lượng vị trí như cường độ tín thông trong mạng, nâng cao độ chính xác hiệu (RSS-Received Signal Strength), thời cho hệ định vị và giảm giá thành hệ gian tới (ToA-Time of Arival), độ lệch thống. Bài toán sử dụng phương pháp dấu thời gian tới (TDoA-Time Difference of vân tay để ước lượng vị trí đối tượng dựa Arrival), hướng sóng tới (AoA-Angle of trên thuật toán K láng giềng gần nhất có Arrival) hoặc kết hợp các tín hiệu này [6]. trọng số. Trong đó, ToA và TDoA không phù hợp với các nút cảm biến, vì yêu cầu phần 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ cứng phức tạp. RSS được sử dụng phổ biến nhất bởi tính đơn giản và giá thành Anten thông minh đề xuất thấp, tuy nhiên độ chính xác không cao, Trong bài báo [12] tác giả đã đề xuất khó khăn khi xây dựng mô hình hóa anten thông minh chuyển mạch búp sóng. đường truyền trong môi trường động. Ưu điểm nổi bật của anten thông minh Việc kết hợp RSS và AoA giúp nâng cao này có độ rộng búp sóng hẹp, hiệu suất độ chính xác cho hệ định vị [ ...