Định vị Bluetooth với độ chính xác cao tới cm

Định vị Bluetooth với độ chính xác cao tới cm

1. Cơ hội
Cơ hội thị trường cho dịch vụ vị trí trên Bluetooth tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây, dự báo dung lượng thị trường trên 400 triệu sản phẩm trong lĩnh vực này được giao hàng trước năm 2021. Hiện nay, giải pháp thông tin theo vị trí trên nền Bluetooth (PoI) tăng cường trải nghiệm của khách tham quan bảo tàng và trải nghiệm khách hàng trong cửa hàng trên khắp thế giới. Hàng triệu người sử dụng các giải pháp trên Bluetooth từ giải pháp tìm đồ vật, tìm kiếm chìa khoá để quên và giải pháp tìm đồ vật cá nhân khác. Hệ thống định vị trong nhà trên Bluetooth (IPS) giúp hàng triệu người du lịch trên thế giới định vị trong các sân bay bận rộn nhất thế giới và giúp người mua sắm định vị trong trung tâm mua sắm.

Và trong các kho hàng và toà nhà khắp thế giới đang sử dụng hệ thống định vị thời gian thực với Bluetooth (RTLS) để quản lý tài nguyên và tối ưu luồng nguyên vật liệu. Trên những thành công này, cộng đồng Bluetooth không đứng yên tại đó, mà tiếp tục tìm kiếm khả năng nâng cao công nghệ này. Cộng đồng Bluetooth hiện tại thêm tính năng mới có khả năng tạo ra đột phá về hiệu suất của các giải pháp định vị vị trí, gọi là định hướng vị trí (direction finding – viết tắt là DF).

2. Giới thiệu
Một trong chìa khoá thành công vang dội của Bluetooth là lợi thế tiếp cận thị trường. Với Bluetooth, các nhà phát triển không chỉ là công nghệ radio, mà họ còn có giải pháp hoàn chỉnh và toàn cầu để đáp ứng yêu cầu của rất nhiều các kết nối không dây. Bluetooth không nhắm tới trở thành giải pháp tốt nhất cho các kết nối không dây cần, nhưng nếu bạn là nhà phát triển giải pháp stream audio giữa hai thiết bị, một giải pháp cần truyền giữ liệu giữa hai thiết bị, giải pháp định vị vị trí, hoặc giải pháp bạn cần hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn thiết bị giao tiếp an toàn với nhau, tin cậy trong mạng lưới mesh, thì Bluetooth là công nghệ tốt nhất hiện giờ.

Chính sự tâm trung đưa ra giải pháp hoàn chỉnh, toàn cầu cho các giải pháp cụ thể giúp Bluetooth là lựa chọn hàng đầu của các cộng đồng nhà pháp triển. Và cộng đồng Bluetooth tiếp tục làm việc để nâng cao công nghệ để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các nhà phát triển trong các giải pháp khác nhau.

Sự ra đời của Bluetooth năng lượng thấp (BLE) năm 2010 đã đưa các nhà pháp triển với khả năng nâng tầm Bluetooth để tạo ra hệ thống định vị thời gian thực, hệ thống định vị trong nhà, giải pháp tìm đồ vật với giả rẻ và hiệu quả. Trong những năm gần đây, dịch vụ định vị vị trí trở thành khu vực phát triển nhanh nhất của công nghệ Bluetooth, và nó mong đợi có khoảng trên 400 thiết bị Bluetooth hỗ trợ giải pháp định vị trong nhà được giao hàng trước năm 2022.

3. Định vị Bluetooth 
Cho tới hiện tại, tất cả các giải pháp dịch vụ định vị trên nền Bluetooth đều được phát triển trên cơ sở cơ bản. Bằng cách nâng tầm sóng Bluetooth năng lượng thấp để tìm ra nếu hai thiết bị Bluetooth có gần nhau hay không và trong nhiều trường hợp, sử dụng độ mạnh tín hiệu (RSSI) để đo lường khoảng cách giữa hai thiết bị. Đó là khả năng cơ bản để tìm xem thiết bị khác có gần hay trong tầm gần hay không, từ đó tạo ra các giải pháp dịch vụ định vị vị trí. Những giải pháp này thông thường được được xếp thành hai loại: giải pháp proximity và hệ thống định vị (IPS).

Giải pháp Bluetooth Proximity 
Giải pháp proximity thì đơn giản hơn loại hệ thống định vị (IPS) và nâng tầm Bluetooth để tìm được vị trí liên quan giữa hai thiết bị. Một thiết bị Bluetooth thông thường mà điện thoại thông minh, sử dụng để tìm nếu thiết bị Bluetooth kia trong vùng của nó hay không, trong nhiều trường hợp, nó là khoảng cách tương đối cách nhau bao xa. Các điểm thông tin (PoI) và tìm các đồ vật là một trong những giải pháp phổ biến của Bluetooth Proximity.

3.1 Giải pháp các điểm thông tin (PoI) 

Giải pháp điểm thông tin (PoI) là một trong các dịch vụ vị trí đầu tiên đưa ra thị trường. Trong giải pháp PoI, thiết bị phát Bluetooth nhỏ trang bị battery, thường gọi là Beacons, được triển khai trên các cơ sở toà nhà để nâng cao trải nghiệm khách tham quan. Beacons được triển khai trong bảo tàng có thể cung cấp cho khách tham quan với nhiều thông tin về các quầy, trong khi beacon trong bán lẻ được thiết lập có thể cung cấp cho người mua sắm với nhiều thông tin sản phẩm hơn. Những giải pháp này, các khách tham quan thường phải tải ứng dụng trên điện thoại thông minh để cho Bluetooth trên điện thoại có thể tiếp nhận được thông tin từ các Beacons gần đó, từ đó hiển thị nhiều thông tin hữu ích tới người dùng dựa trên định danh của beacons mà nó tiếp nhận được.

3.2 Giải pháp tìm đồ vật 
Giải pháp tìm đồ vật có trải nghiệm tăng trưởng tuyệt vời trong những năm gần đây. Các giải pháp với thiết bị Bluetooth nhỏ có trang bị battery, thường gọi là thẻ tag, gắn vô tài sản, để biết được khoảng cách gần hay không, thường thẻ tag được gắn vào đồ vật hay di chuyển như chìa khoá, ví tiền. Các thiết bị có ứng dụng để sóng bluetooth trên điện thoại thông minh có thể tiếp nhận tín hiệu và tính toán khoảng cách tới đồ vật cụ thể.

3.3 Hệ thống định vị Bluetooth 
Hệ thống định vị sử dụng Bluetooth để tìm vị trí vật lý của các thiết bị và bao gồm hạ tầng phức tạp để triển khai nó. Hệ thống định vị thời gian thực (RTLS) và hệ thống định vị trong nhà (IPS) là hai trong các loại hệ thống định vị phổ biến trên nền Bluetooth.

3.3.1 Hệ thống định vị thời gian thực (RTLS) 
Giải pháp Bluetooth RTLS thường sử dụng cho theo dõi tài sản cũng như theo dõi con người. Ví dụ, các giải pháp có thể xác định vị trí và theo dõi vị trí của các tấm nâng hàng (pallets), xe nâng (forklifts) và công nhân trong kho hàng (warehouse), hoặc là các máy móc siêu âm và bệnh nhân trong bệnh viện, giúp đảm bảo an toàn và tối ưu thời gian phản hồi trong các trường hợp khẩn cấp. Giải pháp Bluetooth RTLS thường được triển khai với các thiết bị phát Bluetooth được gọi la trạm phát, gẵn cố định ở vị trí qua các cơ sở hạ tầng.

Các trạm kết nối vào máy tính trung tâm, thường gọi là bộ xử lý vị trí - location engine. Các thiết bị phát Bluetooth năng lượng thấp với battery gọi là thẻ tag, chúng được gắn vào các tài sản (hay cong người) để hệ thống có thể theo dõi vị trí. Thẻ tag được lập trình để truyền tín hiệu theo thời gian biểu, và tần xuất truyền được quyết định tuỳ thuộc vào độ quan trọng tài sản cần theo dõi, hay thay đổi vị trí mong đợi như thế nào, cũng như vị trí theo thời gian thực cần. Mỗi trạm phát liên tục gởi về máy tính trung tâm để xử lý vị trí của tất các cái thẻ tag nhận được, cùng với độ mạnh tín hiệu (RSSI).

Bộ xử lý vị trí - location engine sử dụng các thông tin đó, cũng như vị trí của các trạm phát, để ước lượng vị trí của thẻ tag dựa trên cơ sở định vị ba cạnh - trilateration. Nó suy ra vị trí của một vật bằng cách nội suy từ vị trí của nó với 3 điểm tham khảo. Trong trường hợp của Bluetooth, trạm ước lượng khoảng cách tới các thẻ tag qua độ mạch tín hiệu từ thẻ tag (RSSI). Độ chính xác của xác định vị trí bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, bao gồm bản đồ trong nhà của hạ tầng và số lượng trạm triển khai. Hiện tại với giải pháp Bluetooth RTLS tiêu chuẩn có thể cung cấp độ chính xác khoảng từ 1 tới 10 mét.

3.3.2 Hệ thống định vị trong nhà (IPS) 
Hệ thống định vị trong nhà với Bluetooth tích hợp với giải pháp tìm đường trong nhà giúp khách tham quan như là người mua sắm trong các trung tâm shopping, giúp hành khách trong các sân bay, hay giúp người làm việc trong các toà nhà văn phòng lớn, hay giúp họ định hướng đi qua các cơ sở hạ tầng.

Giải pháp Bluetooth IPS hoạt động ngược lại với giải pháp RTLS. thay vì các bộ nhận tín hiệu Bluettoh, các thiết bị phát Bluettoh, thông thường gọi là các trạm beacons, thường được triển khai cố định qua các cơ sở hạ tầng trong nhà. Khi khách viếng thăng sử dụng ứng dụng trên điện thoại thông minh của họ.

điều này giúp Bluetooth trên điện thoại có thể tiếp nhận tín hiệu từ các trạm beacons. Dựa trên định danh thiết bị beacons nào ứng dụng app nhận được, cùng với độ mạnh tín hiệu RSSI các trạm và nó biết được vị trí, ứng dụng sử dụng trilateration, giống như quy trình sử dụng giải pháp RTLS, để tính toán vị trí hiện tại.

Giống như giải pháp RTLS, độ chính xác của giải pháp Bluetooth IPS thì ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bao gồm mặt bằng của hạ tầng, cũng như số lượng trạm phát beacons được triển khai, nhưng hiện tại hệ thống có thể cung cấp độ chính xác từ 1 mét tới 10 mét.


4. Định vị tìm hướng Bluetooth (Direction Finding – Viết tắt DF) 

Trong khi dịch vụ định vị trên nền Bluetooth có được các thành công lớn với các khả năng hiện tại, thì có một nhu cầu lớn trên thị trường cho giải pháp mà có thể cung cấp với hiệu suất tốt hơn nữa. Ví dụ, một số triển khai hệ thống RTLS, quan trọng cho hệ thống có thể cung cấp độ chính xác lên tới cm thay vì hàng mét như hiện tại.

Tìm hướng bằng sóng DF thường nói về cách tìm hướng từ các tín hiệu nhận được. Nó hiện thực từ sớm thế kỷ 20 và sử dụng trong hệ thống hỗ trợ từ hàng không, tới hàng hải và theo dõi động vật hoang dã. Trong bảng mô tả mới nhất 5.1 của Bluetooth, Bluetooth thêm khả năng tìm hướng - direction finding. Bằng cách sử dụng tính năng mới này, thiết bị Bluetooth có thể tìm được hướng từ tín hiệu nhận được từ các thiết bị Bluetooth khác. Đây là tính năng cơ bản có khả năng tạo ra giải pháp đột phá cho các dịch vụ định vị trong nhà.

Như đã thảo luận ở trên, dịch vụ vị trí trên Bluetooth hiện tại sử dụng độ mạng tín hiệu (RSSI) để ước lượng khoảng cách giữa hai thiết bị, trong trường hợp giải pháp RTLS và IPS, sử dụng ước lượng khoảng cách và ba điểm tham khảo để tìm vị trí của thiết bị. Bây giờ, với tính năng mới tìm hướng, những thiết bị này còn có thể sử dụng thông tin về hướng với các thiết bị khác cho giải pháp RTLS và IPS, sử dụng ba điểm tham khảo để tăng cường độ chính xác. Bluetooth DF tính năng hỗ trợ của hai phương pháp để xác định hướng từ tín hiệu Bluetooth, cả hai phương pháp đều sử dụng anten array, gọi là góc tín hiệu tới (AoA) và góc tín hiệu đi (AoD).

Tìm hướng với phương pháp góc tín hiệu tới (AoA)
Trong phương pháp AoA, thiết bị cần tìm hướng, vị dụ như thẻ tag của giải pháp RTLS, truyền tín hiệu tìm hướng đặt biệt bằng antena đơn lẻ. Thiết bị nhận như các trạm trong giải pháp RTLS, có trang bị mảng antena. Khi tín hiệu truyền khỏi mảng antena, thiết bị nhận thấy độ lệch pha tín hiệu do khoảng cách từ mỗi antena trong mảng antena truyền đi. Thiết bị nhận có mẫu IQ của tín hiệu trong khi chuyển đổi qua lại giữa các antenna trong mảng antena. Dựa trên dữ liệu mẫu IQ, thiết bị nhận tính toán được mối liên quan của hướng tín hiệu. Phương pháp AoA thì hướng tới sử dụng trong các giải pháp RTLS, tìm vật, hay thông tin dịch vụ PoI.

Tìm hướng với phương pháp góc tín hiệu đi (AoD) 
Trong phương pháp AoD, thiết bị tìm hướng đóng vai trò như các trạm beacons trong giải pháp IPS, truyền các tín hiệu đặc biệt sử dụng mảng antena. Thiết bị nhận, như là điện thoại thông minh như trong giải pháp IPS, sử dụng antena đơn lẻ. Khi nhiều tín hiệu truyền qua mảng antena tới thiết bị nhận, thiết bị nhận có mẫu IQ. Dựa vào dữ liệu mẫu IQ, thiết bị nhận tính toán mối liên quan tới hướng tín hiệu. Phương pháp AoD thì hướng tới sử dụng trong các giải pháp IPS, ví dụ định hướng vị trí trong nhà.

5. Nâng cao giải pháp dịch vụ định vị với tính năng Tìm Hướng - Direction Finding 
Cộng đồng Bluetooth thêm khả năng tìm hướng để đáp ứng nhu cầu thị trường cho các giải pháp định vị vị trí dựa trên Bluetooth mang lại hiệu quả tốt hơn. Bằng thêm tính năng tìm hướng, giải pháp proximity Bluetooth có thể thêm khả năng định hướng trong khi hệ thống định vị trong nhà tăng độ chính xác lên cao hơn.

Giải pháp tìm đồ vật - Các nhà phát triển, các hãng sản xuất smartphone nên chọn Bluetooth direction finding với hỗ trợ AoA cho sản phẩm của họ, giải pháp tìm đồ vật có thể nâng cao để cung cấp thông tin hướng. Với hỗ trợ tìm hướng, bên cạnh chỉ ra khoảng cách gần tới vật cần tìm, ứng dụng tìm vật trên điện thoại di động còn tìm được hướng của đồ vật, từ đó tăng trải nghiệm người dùng.

Giải pháp điểm thông tin PoI - Giải pháp điểm thông tin có lợi thế từ tính năng tìm hướng với AoA được thêm vào smartphone. Thử tưởng tượng trong một phòng ở bảo tàng có nhiều quầy thông tin với các thiết bị beacons. Với hỗ trợ của tìm hướng, ứng dụng điểm thông tin trên smartphone không chỉ thông báo người dùng về tất cả các quầy trong phòng và cho phép họ chọn một trong những cái đó thể nhận thêm thông tin, nhưng người dùng đơn giản chỉ chỏ điện thoại tới hướng mà họ muốn thông tin của các vật trong phòng đó.

Giải pháp RTLS - Bằng cách hiện thực tìm hướng, giải pháp RTLS tăng cường độ chính xác lên tới đơn vị cm, phụ thuộc vào khả năng triển khai. Với giải pháp RTLS hỗ trợ tìm hướng, nhà máy có thể theo dõi vị trí của nguyên vật liệu chính xác hơn, cũng như theo dõi và cảnh báo công nhân trước khi họ vào khu vực không an toàn.

Giải pháp IPS - Giải pháp IPS với tính năng tìm hướng hỗ trợ triển khai trong bệnh viện, trung tâm mua sắm, cung cấp tốt hơn độ chính xác của vị trị dẫn tới tăng trải nghiệm định vị và yêu cầu triển khai ít hơn số lượng trạm beacons.

Với sự ra đời của Direction Finding - Tìm hướng của Bluetooth, các giải pháp định vị có thể đặt tới độ chính xác tới cm với chi phí chấp nhận được.

Liên hệ: info@congngheibeacons.com để biết thêm chi tiết các thiết bị hỗ trợ.

@CongNgheiBeacons.com

Tham khảo bluetooth.com

Share on Google Plus

About Henry Tran

Henry Tran is iBeacon expert in Vietnam with over 10 years experience in technology applications.