Badania dokładności lokalizacji w przestrzeniach zamkniętych z wykorzystaniem sygnału radiowego

Transkrypt

1 MGR INŻ. MICHAŁ SOCHA MGR INŻ. WOJCIECH GÓRKA MGR INŻ. ADAM PIASECKI MGR INŻ. TOMASZ STĘCLIK Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, Katowice Badania dokładności lokalizacji w przestrzeniach zamkniętych z wykorzystaniem sygnału radiowego Artykuł opisuje przeprowadzone w ramach realizacji projektu OpenArt pomiary eksperymentalne możliwości określania lokalizacji wewnątrz budynków na podstawie pomiaru mocy sygnału radiowego. Obecnie określenie lokalizacji (wyznaczenie położenia) nie nastręcza większych trudności. Powszechnie dostępne urządzenia, na podstawie danych pochodzących z sieci satelitów okrążających Ziemię, potrafią z w miarę dużą dokładnością określić pozycję odbiornika znajdującego się na otwartej przestrzeni. Jednakże określenie lokalizacji za pomocą tej samej technologii wewnątrz budynków jest trudniejsze, głównie ze względu na ich konstrukcję skutecznie ograniczającą zasięg widoczności satelitów nawigacyjnych. W związku z tym do poprawnego wyznaczania położenia odbiornika wewnątrz budynków konieczne wydaje się wykorzystanie innych technologii. W ramach projektu OpenArt przeprowadzono badania nad możliwością wykorzystania do tego celu sygnału radiowego o częstotliwości 2.4GHz. W ich trakcie skupiono się na możliwościach pomiaru mocy sygnału pochodzącego od różnych nadajników bez konieczności nawiązywania z nimi połączenia oraz na analizie zmian mocy tego sygnału. Opracowano prostą metodę służącą do analizy mocy sygnału w funkcji odległości od źródła sygnału. Przeprowadzone badania eksperymentalne objęły pomiary zmienności sygnału WiFi i Bluetooth w zależności od odległości nadajników od odbiorników oraz z uwzględnieniem różnych typów urządzeń nadawczych i odbiorczych. Artykuł prezentuje wyniki tych pomiarów oraz zauważone zjawiska występujące w trakcie badań. 1. Wstęp Lokalizacja w przestrzeniach otwartych obecnie jest realizowana za pomocą urządzeń korzystających z sygnałów wysyłanych z satelitów krążących wokół Ziemi. Wykorzystanie tej samej technologii nie jest możliwe w budynkach ze względu na znaczne ograniczenie zasięgu tego sygnału. Celem projektu OpenArt (projekt finansowany przez NCBR: IS-1/021/NCBR/2013) jest zbudowanie oprogramowania na urządzenia mobilne ułatwiającego i wspomagającego zwiedzanie muzeów. Jedną z oczekiwanych funkcjonalności jest określanie położenia użytkownika w budynku, które pozwoliłoby na prezentowanie treści w zależności od jego aktualnej pozycji. Pozwoliłoby to również na orientację użytkownika w budynku muzeum. Stąd też w ramach realizowanego projektu konieczne było opracowanie mechanizmu pozwalającego na lokalizację w budynkach (przestrzeniach zamkniętych). 1

2 ICTECH 2014 Spośród wielu możliwości realizacji takiej lokalizacji w artykule zostały przedstawione efekty pomiarów możliwości wykorzystania sygnału radiowego na podstawie którego można określić położenie użytkownika. Jako źródła sygnału wybrane zostały dwa typy urządzeń obecne dość często w codziennym życiu urządzenia WiFi i Bluetooth. Pomiary miały na celu eksperymentalne sprawdzenie w jakim stopniu można polegać na zmianie mocy sygnału by na tej podstawie określać odległość od nadajnika, a tym samym położenie w pomieszczeniu. Pomiary, które zostały przeprowadzone w trakcie eksperymentów miały potwierdzić, że w raz ze wzrostem odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, moc sygnału odbieranego w urządzeniu odbiorczym maleje. Zależność ta, jeśli okazałaby się prawdziwa, powinna umożliwić, poprzez analizę mocy sygnału na określenie przybliżonej odległości odbiornika od nadajnika sygnału. Wyznaczenie położenia urządzenia odbiorczego uzależnione byłoby od rodzaju nadajnika i wysyłanego przez niego sygnału (WiFi, Bluetooth): dla nadajników wysyłających sygnał o małej mocy (Bluetooth), położenie odbiornika byłoby obliczane na podstawie znanego położenia nadajnika, od którego odbiera sygnał i mocy tego sygnału; dla nadajników wysyłających sygnał o dużej mocy (WiFi), położenie odbiornika byłoby wyznaczane na podstawie analizy mocy sygnałów pochodzących od kilku nadajników i znanych ich pozycji. Badanie obejmowało sprawdzenie możliwości wykorzystania typowych urządzeń infrastruktury sieci WiFi i Bluetooth do wyznaczania lokalizacji urządzeń mobilnych wyposażonych w odbiorniki WiFi i Bluetooth. Celem badania było sprawdzenie czy na typowych urządzeniach (telefonach, tabletach, smartfonach) możliwe jest śledzenie zmian w mocy sygnału w sposób pozwalający na określanie położenia w przestrzeni zamkniętej (pomieszczeniu). 2. Opis badania Do badania wykorzystane zostały następujące modele telefonów (w dalszej części opracowania będą wykorzystywane nazwy typu Tablet 1, Telefon 2): Telefon 1: Nexus, LG z system operacyjnym Android 4.4.2; Telefon 2: HTC HD mini z systemem Android 2.3.7; Telefon 3: Sony Xperia Z, ST 25i, z system operacyjnym Android 2.3.7; Tablet 1: Samsung Galaxy Tab 3, GT-P5200 z systemem operacyjnym Android 4.2; Tablet 2: Nexus 7, Asus z system operacyjnym Android 4.4.2; Tablet 3: Apple ipad 7.1.1, system operacyjny ios. Sygnał WiFi nadawany był przez następujące urządzenia: Router 1: router PHICOMM M1 D1.0 (Rys. 1), Router 2: router Linksys WRTP54G v1.1 (Rys. 2). 2

3 Rys.1 Router PHICOMM [opracowanie własne] Rys. 2 Router Linksys WRTP54G [opracowanie własne] Router 1 jest wyposażony w antenę ceramiczną o znanej charakterystyce, która jednakże nie była brana pod uwagę w przeprowadzonych pomiarach. Router 2 został zmodyfikowany w taki sposób, aby zmniejszyć obszar jego oddziaływania - wymieniono antenę oraz zastosowano tłumik wtrąceniowy aby znacząco ograniczyć moc nadawanego sygnału radiowego. Schemat tłumika przedstawiono na rysunku 33. 3

4 ICTECH 2014 Rys. 3 Schemat układu tłumiącego typu T [źródło: Tłumik wtrąceniowy został zrealizowany jako tłumik typu T [3]. Wartości rezystancji zastosowanych w tłumiku to: R1=100Ω, R2=80Ω. Za pomocą zastosowanego tłumika udało się ograniczyć moc sygnału o około 10 db. Dodatkowo, dla tłumika zastosowano ekranowanie wszystkich elementów (poza samą anteną) w celu maksymalnego zminimalizowania niekontrolowanej propagacji sygnału. Nie były znane charakterystyki anten zastosowanych w urządzeniach mobilnych. Oprogramowanie wykorzystanych w badaniach routerów nie było w żaden sposób modyfikowane. W przypadku badania sygnału Bluetooth, odbiornikami były urządzenia mobilne pozwalające na komunikację poprzez standard Bluetooth Low Energy [5]: Telefon 1, Tablet 2 i Tablet 3. Nadajnikami sygnału były moduły Bluetooth Low Energy zamontowane na płytkach uruchomieniowych firmy BlueGiga typ BLE 112 i BLE 113 [4]. Rys. 4 Płytka uruchomieniowa BlueGiga BLE 112 [opracowanie własne] 4

5 Wykorzystanie w badaniach płytek uruchomieniowych pozwoliło na łatwy dostęp do nadajnika i jego konfiguracji zarówno sprzętowej jak i programowej. Dzięki temu możliwe było programowanie modułu BLE w taki sposób, aby realizował zadania wynikające z planu pomiarów. Do przeprowadzenia pomiarów w module BLE została zaimplementowana prosta funkcjonalność rozgłaszania obecności urządzenia nadawczego. Pomiary były przeprowadzane przy różnych poziomach mocy nadawanego sygnału: całkiem słaba moc (-24dB); 1/3 sygnału (-14dB); 2/3 sygnału (-5dB). Sygnał wysyłany był trzema różnymi kanałami w jednosekundowych odstępach. Mobilne urządzenia odbiorcze wyposażone były w oprogramowanie pozwalające na przeprowadzenie pomiarów mocy sygnału Bluetooth i WiFi oraz na gromadzenie wyników pomiarów w celu późniejszej analizy. 3. Pomiar WiFi Pomiary przeprowadzone zostały w dużym, pustym pomieszczeniu, w którym nie poruszali się ludzie. Pomiary były przeprowadzone za pomocą programu zainstalowanego na telefonach. Program w dziewięćdziesięciosekundowych odstępach czasu odczytywał moc sygnału wszystkich sieci WiFi, w zasięgu których się znajdował. Rejestrowana moc sygnałów była następnie przesyłana do serwera, na którym dedykowana aplikacja pozwalała na właściwą interpretację uzyskanych wyników. Rys. 5 Schemat sposobu zapisu wyników pomiaru WiFi [opracowanie własne] Telefony były stopniowo oddalane od routerów. Kolejne pomiary obejmowały odległości: 1 metr, 3 metry, 6 metrów 12 metrów, co schematycznie przedstawiono na rys. 6. 5

6 ICTECH 2014 Rys. 6 Schemat pomiarów WiFi [opracowanie własne] W każdej z odległości każdym urządzeniem wykonywano kilka pomiarów. Sumaryczna graficzna prezentacja wyników pomiarów mocy sygnału w wyznaczonych miejscach po agregacji danych i ich uśrednieniu została przedstawiona na rysunku 7. Rys.7 Wykres zależności mocy sygnału WiFi od odległości [opracowanie własne] Wyniki pomiarów zebrane i uśrednione ze wszystkich urządzeń mobilnych w rozbiciu na routery zostały zaprezentowane na rysunku 8. 6

7 Rys. 8 Wykres zależności mocy sygnału WiFi od odległości zbiorczo dla wszystkich urządzeń [opracowanie własne] Analiza uzyskanych wyników pozwala na sformułowanie następujących tez: moc odbieranego sygnału zmniejsza się wraz ze zwiększaniem odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem; zmiany mocy są bliskie zmianom liniowym jednak ich charakterystyka w znacznym stopniu zależy od typu urządzenia nadawczego (różne podzespoły, różne anteny, moc nadawanego sygnału, różne częstotliwości itp); kształt zmian mocy sygnału na urządzeniach odbiorczych jest podobny jednak wartości nominalne są różne (wykresy są przesunięte o pewną stałą wartość); na podstawie przybliżenia za pomocą regresji liniowej można oszacować, że średnio każdy metr odległości to zmniejszenie mocy sygnału o 0,6 do 1,5 db; różnice w pomiarach sygnału na tych samych urządzeniach odbiorczych i tych samych urządzeniach nadawczych wahają się od ok 0,3 db do ok 3,5 db a nawet czasami do 5 db; oznacza to, że przy identycznych warunkach pracy i pomiaru obu urządzeń, moc sygnału skacze i należy to uwzględnić przy doborze zakresów mocy dla danego punktu; różnice w pomiarach na różnych urządzeniach odbiorczych w tych samych odległościach i dla tych samych nadajników mają już znacznie większe odchylenia: moc sygnału waha się w granicach od 4 db do 6,5 db; oznacza to, że należałoby albo uwzględniać takie wahania mocy w podawaniu zakresów dla pomieszczeń albo tworzyć profile sygnałów dla różnych urządzeń odbiorczych; największa zmierzona rozbieżność (6,5 db) wskazuje, że dopiero odległości w których różnica poziomu sygnału jest większa niż 13 db można brać pod 7

8 ICTECH 2014 uwagę jako osobne pomieszczenia lub strefy; na podstawie zebranych wyników można oszacować bezpiecznie wielkości stref dla pojedynczych nadajników - co najmniej 10 metrów - ponieważ większe zagęszczenie może powodować niejednoznaczność wyników. 4. Pomiar Bluetooth LE Pomiary przeprowadzone zostały na podobnej zasadzie jak pomiary WiFi jednak na znacząco mniejszych odległościach. W założeniach projektu OpenArt, technologia Bluetooth ma być wykorzystywana do lokalizacji urządzenia mobilnego na niewielkim obszarze (na bardzo małe odległości, 1-2 metry od określonego punktu). Do pomiarów (z racji odpowiedniego wyposażenia) wykorzystane zostały urządzenia: Telefon 1, Tablet 2 i Tablet 3. Pomiary były przeprowadzone za pomocą programu zainstalowanego na telefonach. Program w dziewięćdziesięciosekundowych odstępach czasu odczytywał moc sygnału wszystkich sieci Bluetooth w zasięgu. Program nie nawiązywał połączenia z urządzeniem Bluetooth - komunikacja ograniczała się jedynie do odebrania sygnału wysyłanego przez nadajnik Bluetooth. Urządzenia wysyłały sygnał z częstotliwością jednosekundową. Pomiar był przeprowadzany dla trzech różnych mocy sygnału nadawanego. Moc ta była rejestrowana w serwerze - do celów późniejszej interpretacji wyników. Rys. 9 Schemat sposobu zapisu wyników pomiaru Bluetooth LE [opracowanie własne] Telefony były stopniowo oddalane od nadajnika. Kolejne pomiary obejmowały odległości: 0,1 metr, 0,3 metra,1 metr 2 metry. Rys. 10 Schemat pomiarów Bluetooth [opracowanie własne] Wyniki zostały opracowane na podstawie pomiarów mocy sygnałów. Zestawienie pomiarów zostało zaprezentowane na rysunku 11 i rysunku 12. 8

9 Rys. 11 Wykres zależności mocy sygnału Bluetooth od odległości dla urządzeń z systemem Android [opracowanie własne] 9

10 ICTECH 2014 Rys. 12 Wykres zależności mocy sygnału Bluetooth od odległości dla urządzeń z systemem ios [opracowanie własne] Analiza uzyskanych wyników pozwala na sformułowanie następujących tez: moc sygnału zmienia się liniowo w zależności od odległości co dobrze widać w przypadku urządzeń z systemem Android (oba urządzenia zwracały podobne wyniki); może to jednak być skutek prawdopodobnego użycia w nich podobnych podzespołów (antena, moduł BLE); wyniki odbiegały w przypadku urządzenia Tablet 3 (ipad) inny producent, inna antena i jej położenie; pomiary w dużym stopniu zależały od położenia względem anteny (antena w przypadku urządzenia BlueGiga nie posiada charakterystyki dookólnej i można w niej wyznaczyć strefy mocniejszego i słabszego nadawania i odbierania sygnału); początkowo pomiary zostały wykonane w złym położeniu anteny (strefa ze słabym sygnałem) a zmierzone moce sygnału były niemal identyczne w każdej z odległości od nadajnika (nominalnie moc sygnału była cały czas w zakresie sygnału słabego: od -70dB do -90dB); po właściwym ustawieniu urządzeń (na linii maksymalnej propagacji sygnału) uzyskano efekt liniowej zmiany mocy w zależności od odległości; moc rejestrowanego sygnału zmieniała się dość znacznie dla tych samych warunków ( pływanie mocy sygnału); po przekroczeniu pewnej granicy (przekroczeniu pewnej odległości) lub w przypadku położeniu w cieniu anteny, mierzona moc sygnału miała wartości niskie lecz nie zmieniała się już w sposób liniowy ustala się na niskim poziomie i taki pozostaje dla nawet dalszych odległości (6 metrów); z tej obserwacji wynika wniosek, że aby osiągnąć właściwy efekt pomiaru odległości należy znajdować się w strefie pełnego sygnału; wydaje się również, że ograniczanie strefy dla urządzenia musi odbywać się poprzez ograniczanie mocy nadajnika, a nie przez tłumienie (zasłanianie) anteny może powstawać wtedy zjawisko niskiego sygnału ale na stosunkowo dużym obszarze i niejednoznaczności uzyskiwanych wyników; zależność mocy sygnału od odległości od źródła jest analogiczna dla kolejnych mocy wysyłanego sygnału przez nadajnik na wykresie zależność ta przesuwa się ale pozostaje podobna w kształcie. Dodatkowo, w przypadku implementacji ważne jest by zauważyć różnice w systemach operacyjnych. W systemie Android możliwe jest nasłuchiwanie urządzeń znajdujących się w pobliżu [1]. W API otrzymujemy informację o urządzeniu łącznie z jego numerem MAC. W systemie ios [2] możliwe jest również nasłuchiwanie urządzeń znajdujących się w zasięgu, jednakże z systemu operacyjnego nie można uzyskać informacji o adresie MAC urządzenia. Otrzymujemy jedynie unikalny numer UID który jest jednak losowo wybranym przez system operacyjny numerem nie pozwala on jednoznacznie zidentyfikować urządzenia np. w zewnętrznym systemie. Konieczne jest w takim wypadku nawiązanie połączenia z urządzeniem i odczytanie jakiejś cha- 10

11 rakterystycznej danej pozwalającej zidentyfikować urządzenie. Można wykorzystać ideę promowaną przez firmę Apple ibeacon [7]. Są to urządzenia z nadajnikiem Bluetooth LE, które nadają charakterystyczny sygnał wraz z odpowiednimi danymi. W danych zaszywana jest m.in. moc sygnału nadajnika. Dzięki temu możliwe jest porównanie mocy nadawanej i odbieranej i na tej podstawie określenie odległości. Nie należy jednak zapominać, że nadal wpływ na pomiar będą miały różne zakłócenia (człowiek jest sporą barierą dla sygnału) i to wpływa na jakość pomiaru i oceny odległości. Dodatkowo, takie rozwiązanie wymaga nawiązania połączenia z urządzeniem, a nie tylko skanowania rozgłoszeń urządzenia. Wydaje się jednak, że w przypadku urządzeń z systemem ios jest to konieczne. 5. Podsumowanie Z przedstawionych rozważań wynika, że lokalizacja z wykorzystaniem oceny mocy sygnału może być wykorzystana do lokalizacji w budynkach. Bluetooth wydaje się być technologią zapewniającą dość dużą dokładność i przewidywalność przy ograniczonym zasięgu oddziaływania. Ograniczony zasięg implikuje konieczność zainstalowanie odpowiednio dużej ilości urządzeń wysyłających sygnał Bluetooth. Nie są to kosztowne urządzenia, jednak zależy to (w przypadku instalacji w muzeum) od ilości eksponatów lub innych elementów objętych wdrożeniem. WiFi jest technologią, która nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych, ale też nie daje dużej dokładności. Za pomocą tej technologii możliwe jest zorientowanie się mniej więcej, w którym pomieszczeniu się znajdujemy jednakże uzyskanie dużej dokładności jest trudne do osiągnięcia. Zaletą użycia WiFi jest możliwość włączenia funkcjonującej w pomieszczeniach infrastruktury sieciowej WiFi i wykorzystanie do lokalizacji. Takie podejście zmniejsza bezpośrednie koszty związane z budowanie infrastruktury niezbędnej do zapewnienia usługi lokalizacji wewnątrz budynku. Ogólnie rzecz ujmując, obie technologie Bluetooth oraz WiFi nie wymagają zbyt dużych inwestycji w infrastrukturę, a przez to wdrożenie nie jest zbyt kosztowne i kłopotliwe [8]. Szczególnie jest to istotne dla pomieszczeń muzealnych, w przypadku których istnieją ograniczenia finansowe oraz bariery związane z brakiem możliwości przebudowy samych pomieszczeń. Oba rozwiązania, połączone i uruchomione równolegle w jednym obiekcie dają stosunkowo dobrą precyzję w lokalizacji i są przewidywalne w instalacji. W ramach projektu OpenArt techniki te będą wzajemnie się uzupełniały i będą dobierane w zależności od potrzeb (wielkość pomieszczeń, potrzeby, możliwe do zainwestowania środki w infrastrukturę). Należy jednak zwrócić uwagę na to, że w przypadku lokalizacji za pomocą typowych urządzeń mobilnych (telefony, tablety) w grę wchodzi również dość przypadkowe działanie użytkownika. Urządzenie nadawcze można ustawić dość stabilnie i można w pewnym stopniu uwzględnić charakterystykę anteny i zgodnie z nią ustawić urządzenie w pomieszczeniu. Użytkownik wraz ze swoim telefonem zachowuje się dużo mniej przewidywalnie [6]. Może on użyć swojego telefonu w różny sposób różny sposób trzymania go, ustawienia się w stosunku do anteny (w tym zasłonięcie 11

12 ICTECH 2014 anteny swoim ciałem), różne umiejscowienie anteny w urządzeniu użytkownika. Ponadto rynek urządzeń mobilnych jest bardzo dynamiczny. Wciąż są wprowadzane nowe urządzenia, pojawiają się nowe podzespoły, a sami użytkownicy chętnie podążają za trendami wyznaczanymi przez producentów i często zmieniają swoje urządzenia. Uwzględnienie wszystkich urządzeń oraz charakterystyk anten i panowanie nad dynamiką zmian urządzeń wydaje się niemożliwe do wykonania, zarówno kosztowo jak i logistycznie. Mając to wszystko na uwadze należy jasno powiedzieć, że istotnie to wpływa na precyzję określenia położenia. O ile więc w idealnych warunkach położenie można określić w miarę dokładnie, o tyle w praktycznym użyciu należy przyjmować wariant mniej optymistyczny i określać pozycję z większą tolerancją. Literatura 1. Android API Reference, Google Inc., [dostęp ] 2. Apple ios Developer Library, Apple Inc., [dostęp ] 3. Bem D.: Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa BLE112 DATA SHEET, Thursday, 20 March 2014, Version BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.1, Bluetooth SIG, Falaki H. et al.: Diversity in Smartphone Usage, MobiSys '10 Proceedings of the 8th international conference on Mobile systems, applications, and services, Gast M.S.: Building Applications with ibeacon, O'Reilly Media, Inc., Liu, Hui, et al.: "Survey of wireless indoor positioning techniques and systems." Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Reviews, IEEE Transactions on 37.6 (2007):