0903734162

Thứ Ba , 26 Tháng Năm 2020
Trang Chủ / Tin Tức Tổng Hợp / Tin Công Nghệ / XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ THẺ RFID BẰNG PHƯƠNG PHÁP DoA

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ THẺ RFID BẰNG PHƯƠNG PHÁP DoA

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ THẺ RFID BẰNG PHƯƠNG PHÁP DoA

Trong bài viết này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu, mô phỏng và đánh giá thực nghiệm giải pháp xác định vị trí thẻ RFID (Radio Frequency Identification) bằng phương pháp búp sóng tới DOA (Direction Of Arrival) nhờ sử dụng dàn anten thông minh và thuật toán xác định hướng sóng tới MUSIC (Multiple Signal Classification).

Việc sử dụng các thuật toán mạnh kết hợp với tín hiệu thu được từ anten thông minh, cùng với việc xác định vị trí đơn giản bằng hướng sóng tới là ưu điểm vượt trội của giải pháp được đề xuất.

1. MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ RFID phát triển mạnh mẽ, với rất nhiều ứng dụng trong việc quản lý thiết bị, phương tiện áp dụng công nghệ này : kiểm soát cửa ra vào , kiểm soát thang máy,quản lý vật tư xuất nhập,thu gom chất thải,…

Việc nghiên cứu và áp dụng các thuật toán định vị trong môi trường RFID được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Tùy thuộc vào ứng dụng và công nghệ cụ thể mà các thuật toán này cần chú trọng giải quyết như kích thước phần cứng, năng lượng, độ chính xác, chi phí.

Nhiệm vụ của một hệ thống định vị là xác định vị trí của nguồn phát xạ bằng cách sử dụng thiết bị điện đo đạc và tính toán các tham số của trường điện từ thông qua góc phương vị, góc ngẩng và các trường hợp đặc biệt đối với hệ thống tìm phương sóng ngắn.

Một trong số những phương pháp xác định phổ biến là sử dụng cường độ tín hiệu RSS (Received Signed Strength).

Tuy nhiên phương pháp này có sai số lớn do bị ảnh hưởng bởi nhiễu.Một phương pháp cơ bản và dễ thực hiện cũng thường được sử dụng là phương pháp lân cận.

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào kích thước các ô định vị. Để có độ chính xác cao hơn, ta sử dụng phương pháp phân tích ngoại cảnh (Scenes Analysis).

Rất nhiều các điểm tham chiếu được sử dụng khiến cho tốc độ xử lý chậm và đòi hỏi số lượng lớn thiết bị cũng như chi phí cao làm cho phương pháp phân tích ngoại cảnh ít được sử dụng.

Một số phương pháp xác định vị trí khác được sử dụng như SpotON, SAW ID,Landmarc. Phương pháp SpotOn cần tới ít nhất 3 đầu đọc thẻ mới có khả năng xác định vị trí của một thẻ.

Tương tự như vậy, SAW ID cũng cần 1 đầu đọc phát và 2 đầu đọc nhận để tính toán vị trí thẻ RFID. Trong khi đó phương pháp Landmarc sử dụng một số tham chiếu là các vị trí thẻ đã biết trước làm mốc để ước lượng vị trí các thẻ còn lại [8].Việc này đôi khi không thực hiện được ở thực tế.

Để khắc phục các nhược điểm trên, phương pháp xác định vị trí thẻ RFID sử dụng thuật toán xác định hướng sóng đến DOA kết hợp với hệ anten thông minh.

Một số thuật toán ước lượng DOA có thể kể đến như thuật toán MUSIC, thuật toán ESPRIT và thuật toán WSF. Trong đó, thuật toán MUSIC ước lượng dựa trên không gian con nên có độ chính xác cao và không bị giới hạn bởi kích thước anten và thuật toán tốt để áp dụng vào hệ anten thông minh.

Ở trong nước, Trường đại học Công nghệ thông tin – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và xác định vị trí thẻ RFID bằng cách thu nhận tín hiệu RSS qua 8 anten được bố trí xung quanh các thẻ.

Trong thử nghiệm thực tế, phạm vi thử nghiệm có diện tích nhỏ 2x3m, sai số khá lớn 0,2-1m.Bài viết này trình bày phương pháp xác định vị trí thẻ RFID bằng hướng sóng tới sử dụng hệ anten thông minh.

Các phần của bài viết được trình bày như sau: anten thông minh và các thông số của anten thông minh được trình bày trong phần 2.

Phần 3 phân tích phương pháp sử dụng thuật toán MUSIC để xác định hướng sóng tới và định vị thẻ RFID bằng hướng sóng tới đã được xác định. Quá trình thử nghiệm và kết quả được trình bày trong phần 4. Cuối cùng, kết luận về giải pháp đề xuất được thể hiện trong phần 5.

2. ANTEN THÔNG MINH

Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với các thuật toán xử lý tín hiệu để tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với môi trường tín hiệu.

Tín hiệu đến các phần tử anten được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu đến. Công việc tính toán này đòi hỏi thời gian thực.

Sơ đồ khối anten thông minh

Hình 1. Sơ đồ khối anten thông minh.

Tín hiệu đến các phần tử anten, được biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Tín hiệu sau khi chuyển đổi được nhân với một bộ trọng số và tổng hợp lại thành tín hiệu đầu ra.

Các bộ trọng số giúp cho anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn, bằng cách sử dụng các thuật toán thích nghi để cập nhật bộ trọng số giúp anten thông minh có thể bám đối tượng khi di chuyển.

Biên độ của trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ. Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính.

Mô hình dãy và toán học anten thông minh tuyến tính cách đều

Hình 2. Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều.  Hình 3. Mô hình toán học anten thông minh.

Phân chia theo hình học có 2 loại anten thông minh được sử dụng phổ biến: hệ anten thẳng ULA (Uniform Linear Array) và hệ anten vòng UCA (Uniform Circular Array). Các phần tử kế tiếp nhau của ULA và UCA cách đều nhau và có tâm pha nằm trên cùng một mặt phẳng.

Tâm pha của hệ anten thẳng nằm trên một đường thẳng. Tâm pha hệ anten tròn nằm trên một vòng tròn. Kết cấu hình học có khác nhau, nhưng các hệ anten có nguyên lý xử lý tín hiệu chung.

Hình 2 và 3 thể hiện mô hình dãy anten tuyến tính cách đều nhau với M phần tử. Trong đó, f là góc phương vị, q là góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten.

Để đơn giản hóa việc phân tích dãy anten, giả thiết:

– Khoảng cách giữa các phần tử anten là đủ nhỏ để không có sự thay đổi nào về

biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử của anten.

– Không có sự kết nối tương hỗ giữa các anten.

– Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc, nên số tín hiệu đến anten là hữu hạn.

Tín hiệu đầu ra thu được tại máy thu là:

công thức tín hiệu đầu ra

3. XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG HƯỚNG SÓNG TỚI

3.1. Phương pháp xác định hướng sóng tới

Thông số DOA là một thông tin rất quan trọng đối với các hệ anten thông minh. Khi biết chính xác thông tin này, việc xử lý tín hiệu để nhận được tín hiệu mong muốn một cách tốt nhất và loại trừ các tín hiệu không mong muốn có thể thực hiện được một cách thuận lợi và đạt hiệu quả cao.

Hệ thống anten cho phép xác định đồng thời hướng sóng đến từ P nguồn phát sóng độc lập là một hệ anten có xử lý tín hiệu, cho phép xác định được sóng đến một cách chính xác trong điều kiện có nhiễu. Phương pháp phân tích hệ anten này dựa trên mô hình của hệ anten có xử lý tín hiệu.

Hình 4 xét một hệ anten tuyến tính có M phần tử dùng để phân biệt và xác định P sóng tới có hướng đến khác nhau, với P < M. Giả thiết các hướng sóng đến nằm trong mặt phẳng với các góc phương vị khác nhau.

Xác định hướng sóng đến

Hình 4. Xác định hướng sóng đến.

công thức sóng đến
3.2. Thuật toán MUSIC trong xác định hướng sóng tới

Thuật toán MUSIC dựa trên việc khai thác cấu trúc riêng của ma trận hiệp phương sai Ruu của vectơ tín hiệu thu u(t).

thuật toán music

Sử dụng ma trận hiệp phương sai để xác định các giá trị riêng đã phân tách được tín hiệu và nhiễu thành 2 không gian con:

– Không gian con “tín hiệu” có kích thước P, tương ứng với P tín hiệu nhận được, sắp xếp theo thứ tự biên độ giảm dần.

– Không gian con “nhiễu” có kích thước M – P với cùng mức biên độ s 2 . Cách tiếp cận của thuật toán MUSIC là tìm các vector hướng gần trực giao nhất với các vector riêng có liên quan đến các giá trị riêng xấp xỉ bằng s 2 của ma trận hiệp phương sai Ruu.

Vector hướng ứng với các tín hiệu đến luôn trực giao với các vector riêng của không gian nhiễu, nên e V V e H H ( ) ( ) 0 j j n n = khi j trùng với một hướng sóng đến. Các hướng sóng đến sẽ có thể xác định tại các đỉnh của phổ MUSIC sau:

thuật toán music 2
3.3. Xác định vị trí bằng hướng sóng tới

Các dàn anten thông minh khi sử dụng thuật toán MUSIC sẽ xác định được hướng sóng tới φ. Do đó với 2 đầu đọc thẻ tại các vị trí khác nhau sẽ giúp định vị thẻ một cách chính xác như trong hình 5.

Định vị thẻ RFID bằng giao điểm DOA

Hình 5. Định vị thẻ RFID bằng giao điểm DOA.

Thẻ RFID có tọa độ (x,y) chưa biết, có hướng sóng tới φ1 với đầu đọc thẻ READER1 và φ2 với đầu đọc thẻ READER2. Hai đầu đọc thẻ có tọa độ đã biết (x1,y1) và (x2,y2). Để đơn giản, đặt 2 phần tử đầu tiên của anten mỗi trạm thu trùng nhau và cùng quay về một bên (trong hình 5 cùng quay sang bên phải).

Đặt ai = tgφi với i =1,2. Trong đó hai hướng sóng tới luôn khác nhau và khác 90°. Tọa độ thẻ RFID là nghiệm của hệ phương trình:

phương trình doa

Phương pháp luôn xác định được vị trí của thẻ RFID không nằm trên đường thẳng nối 2 phần tử đầu tiên trên 2 anten của đầu đọc.

4. MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM

4.1. Mô phỏng

Chương trình mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm Matlab, cho phép giả lập vị trí thẻ RFID với 2 anten đặt tại 2 góc A và B. Phần mềm áp trục tọa độ Oxy với O trùng điểm A và Oy trùng đoạn AB. Thông tin cần nhập để mô phỏng là vị trí thẻ RFID giả lập.

Phần mềm tính toán ra tọa độ điểm thẻ RFID (X, Y) và góc sóng tới giả lập Anpha1,Anpha2. Các thông tin này là dữ liệu đầu vào để chạy thuật toán MUSIC. Giao diện mô phỏng được thiết kế như hình 6.

Giao diện phần mềm mô phỏng

Hình 6. Giao diện phần mềm mô phỏng.

Trong giao diện trên với vị trí được lựa chọn, các thông số góc sóng tới Anpha1 = 55.8087o và Anpha2 = 52.1o được đưa vào để chạy thuật toán MUSIC. Hình 7 thể hiện chi tiết các bước của thuật toán.

Sơ đồ thực hiện mô phỏng xác định vị trí thẻ RFID

Hình 7. Sơ đồ thực hiện mô phỏng xác định vị trí thẻ RFID

Hệ thống sẽ tự động giả định biên độ đường bao tín hiệu S(t) và giá trị vector nhiễu cũng như thêm các vector chỉ phương. Sau đó, thuật toán Music được chạy để xác định hướng sóng đến A và B với kết quả như hình 8 và hình 9.

Hướng sóng tới anten A và B bằng thuật toán MUSIC

     Hình 8. Hướng sóng tới anten A thuật toán MUSIC.     Hình 9. Hướng sóng tới anten B thuật toán MUSIC.

Từ các góc tới dàn anten A và B chương trình mô phỏng xác định tọa độ của thẻ RFID trong sơ đồ như hình 10:

Vị trí thẻ RFID được xác định bằng phương pháp DOA

Hình 10. Vị trí thẻ RFID được xác định bằng phương pháp DOA.

Kết quả mô phỏng cho thấy hướng sóng tới anten A và anten B lần lượt là 55.8º và 52.1º, cường độ tín hiệu nhận được lần lượt -101.6dB và -100.7dB. Tọa độ của thẻ RFID mô phỏng chính xác so với tọa độ được giả lập (139.80, 205.78). Từ kết quả này, thấy rằng độ chính xác của phương pháp là tốt với sai số nhỏ hơn 0.01º.

4.2. Thử nghiệm

Mô hình ứng dụng bài báo muốn hướng đến nhằm hỗ trợ công tác tìm kiếm vị trí tài sản, con người trong các khu vực tương đối rộng như cứu nạn khi khách du lịch mất tích,quản lý con người trong các hoạt động tập thể ngoài trời.

Mô hình thử nghiệm thực tế gồm đầu đọc kết nối 2 anten được bố trí cách xa nhau để thu tín hiệu từ các thẻ RFID.

Các thẻ này sử dụng IC CC2538 sẽ chủ động phát tín hiệu ở tần số 2.4GHz sau những khoảng thời gian xác định. Đầu đọc tính toán đưa ra góc sóng tới. Các góc sóng tới được truyền về máy tính trung tâm để xác định vị trí của thẻ RFID.

Mô hình thử nghiệm thực tế được thực hiện tại ASE Lab – Viện Điện tử – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong đó anten UCA thu thập tín hiệu từ các thẻ RFID chủ động được đo bằng oscilloscope và được đưa tới đầu đọc.

Tín hiệu thu được từ anten UCA đưa vào đầu đọc và hiển thị trên oscilloscope

Hình 11. Tín hiệu thu được từ anten UCA đưa vào đầu đọc và hiển thị trên oscilloscope.

Đầu đọc phân tích tín hiệu nhận từ anten và đưa ra thông số hướng sóng tới. Hình 12 thể hiện kết quả tính toán hướng sóng tới với hướng sóng tới thực tế 45º.

hướng sóng tới 45 độ

Hình 12. Hướng sóng tới ứng với góc 45º.

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy sai số nhỏ (0.65º) giữa hướng sóng tới thực tế và hướng sóng tới dự đoán.Từ kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế, giải pháp xác định vị trí thẻ RFID bằng phương pháp DOA đáp ứng tốt việc xác định vị trí của các vật có kích thước tương đối lớn (cỡ 1m) tại không gian rộng (hàng trăm m). Kết quả trong bảng 1 có được khi đối chiếu với một số phương pháp và giải thuật khác hiện có trên thế giới.

Bảng 1. So sánh kết quả của giải pháp với một số phương pháp thông dụng

Bảng 1. So sánh kết quả của giải pháp với một số phương pháp thông dụng.

Giải pháp đề xuất cho độ chính xác từ 0.3 đến 1m, cao hơn phương pháp Landmarc và Spot- on, gần đạt tới sai số ở phương pháp SAW ID tuy nhiên chi phí chỉ ở mức trung bình so với chi phí đắt đỏ của phương pháp SAW ID.

5. KẾT LUẬN

Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng, thử nghiệm thực tế của việc xác định vị trí thẻ RFID theo phương pháp xác định hướng sóng tới DOA kết hợp với hệ anten thông minh.

Giải pháp này định vị tương đối chính xác với chi phí hợp lý so với các phương pháp có độ chính xác tương tự.

Giải pháp đề xuất có tính khả thi trong môi trường thí nghiệm và có ứng dụng đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự, hàng hải, cứu nạn cứu hộ… khi mà các anten chỉ lắp đặt được về một phía so với các vật thể phát sóng.

Vũ Trung Dũng, Lương Tuấn Hải, Nguyễn Thu Hiền

=============================

DaiHanCorp Viet Nam
Nhà Cung Cấp Giải Pháp Chuyên Nghiệp

Có Thể Bạn Quan Tâm

Ứng dụng hệ thống công nghệ RFID trong chuổi cung ứng của Wal-Mart

HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ RFiD TRONG CUNG ỨNG

Hệ thống công nghệ RFID là công nghệ nhận dạng hàng hoá bằng tần số radio. Các con chip nhỏ được gắn vào các sản phẩm hoặc ...