Tiểu luận Định vị trong nhà sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy

 Võ Minh Phụng MSHV: 1670777 
 ĐẠI 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 
 i 
 Võ Minh Phụng MSHV: 1670777 
 LỜI 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. 
 Sinh viên 
 Võ Minh Phụng 
 ii 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
 TÓM 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. 
 iii 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
 MỤC 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 
 iv 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
 DANH 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 
 v 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 
 AOA Angle of Arrival 
 AP Access Point 
 ATT Attribute Protocol 
 BluetoothSIG Bluetooth Special Interest Group 
 BLE Bluetooth Low Energy 
 CID Cell ID 
 COO Cell of Origin 
 GPS Global Positioning System 
 HCI Host Controller Interface 
 IR Infrared 
 ID Identification 
 IPS Indoor Positioning System 
 L2CAP Logical Link Control and Adaption Protocol 
 LAN Local Area Network 
 PN Personal Network 
 PAN Personal Area Network 
 GAP Generic Access Profile 
 GATT Generic Attribute Profile 
 GSM Global System Mobile 
 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 
 RF Radio Frequency 
 RSS Received Signal Strength 
 RSSI Received Signal Strength Indicator 
 TOA Time of Arrival 
 SIG Special Interest Group 
 SOC System on chip 
 WLAN Wireless Local Area Network 
 vi 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
1 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. 
 1 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
1.2 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]. 
 2 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
2.1 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: 
 3 
 Báo cáo tiểu luận SVTH: Võ Minh Phụng 
 - 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 
 4