Baixe sISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO INDOOR e outras Teses (TCC) em PDF para Sistemas Operacionais, somente na Docsity!
SISTEMA DE POSICIONAMENTO PARA AMBIENTES INTERNOS
UTILIZANDO BLUETOOTH
Camilo Lelis Valinhas Jr(1); Rodrigo Hiroshi Murofushi (2); Resumo O presente artigo traz uma discussão sistemas de posicionamento indoor, voltados para sua aplicabilidade com base em tecnologia de sinais Bluetooth, verificando sua precisão e viabilidade para usos voltados à esse fim. Como tese, propôs a verificação em ambiente aberto de um sistema de localização interno em pequena escala, quanto a sua precisão e aplicabilidade, implementando beacons emissores de sinal Bluetooth, smartphones, técnicas já conhecidas de triangulação e plataformas de cálculo para descobrir a posição dos aparelhos smartphones em relação aos beacons espalhados pelo espaço. Para tal teste, foram implementadas técnicas de cálculo pela técnica de Ângulo de chegada (AOA) e pelo algoritmo de Trilateração. PALAVRA-CHAVE: Sistemas de posicionamento indoor
Abtract
The present article brings a discussion of indoor positioning systems, focused on their applicability based on Bluetooth signal technology, verifying their accuracy and feasibility for uses aimed to that end. As a thesis, it proposed an open environment verification of a small-scale internal localization system for its accuracy and applicability, implementing Bluetooth signal beacons, smartphones, known triangulation techniques and computing platforms to discover the smartphones devices’ position in relation to beacons scattered throughout space. For this test, calculation techniques were implemented by the Angle of Arrival (AOA) technique and by the trilateration algorithm.
KEYWORD: Internal positioning systems.
Introdução
A busca do ser humano para se orientar no espaço físico onde habita sempre foi intensa e incessante, levando a humanidade a desenvolver métodos cada vez mais elaborados para isso. A evolução das formas como o homem se localiza no espaço evoluíram drasticamente até os dias modernos. Pode-se ver que a cartografia de mapas deu espaço ao Google Maps, e as estrelas que orientavam as grandes navegações, hoje são uma rede de
(1) (^) Discente do curso de Engenharia Mecânica e Engenharia Civil do Centro Universitário de Patos de Minas – UNIPAM. camilovalinhas@ unipam.edu.br (2) (^) Mestre em Engenharia Mecânica; Docente do curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário de
satélites interligados disponível para todos que possuam uma tecnologia GPS (Global Positioning System). O GPS é uma ferramenta muito útil para se localizar em cidades, realizar medições topográficas, orientar um avião quanto a sua posição no espaço, estabelecer distâncias de uma rodovia. No entanto, a exatidão de sua medição, não é satisfatória para ambientes indoor, como no interior de residências, empresas, shoppings, hospitais e escolas por exemplo. Isso cria um nicho, para a necessidade de se ter um dispositivo para se orientar nesses ambientes. Dessa forma, pretende-se fazer, a partir de um emissor de sinal Bluetooth, uma forma de calcular sua posição em ambientes fechados, dado sua versatilidade e grande gama de dispositivos que fazem leitura desse sinal. Além do mais, o surgimento e a utilização de Becons Bluetooth tendem a facilitar e viabilizar essa tecnologia. Meios de cálculo de posição similares aos utilizados por dispositivos GPS, podem ser amplamente aplicados à esse fim. O Bluetooth é um padrão de rede sem fio e opera na frequência de 2,4 GHz. Em comparação com WLAN, o alcance é mais curto (tipicamente 10 a 15 m). Por outro lado, Bluetooth é um padrão mais “leve”, onipresente porque ele é incorporado na maioria dos dispositivos, como smartphones, assistentes digitais pessoais (PDAs), laptop, desktop, e outros dispositivos eletrônicos. (LIU et al., 2007). Em comparação com Bluetooth Clássico, o Bluetooth Smart ou Bluetooth Low Energy (BLE) destina-se a fornecer consumo de energia e custos consideravelmente reduzidos, procurando manter um alcance de comunicação similar, assim, o produto é eficiente para se projetar sistemas de localização voltada para ambientes internos Com essa tecnologia, uma loja pode detectar em qual departamento uma pessoa está e enviar uma oferta relevante, guiar passageiros em um aeroporto ou em um terminal rodoviário até o local de embarque, guiar pessoas dentro de um shopping ou em hipermercado até determinado local ou produto, descobrir a localização de determinado equipamento ou pessoa dentro de uma indústria, localizar um banheiro em um centro de convenções, ou até mesmo guiar visitantes dentro de uma universidade, dentre outras possibilidades. Algumas empresas estão utilizando beacons para fazer sistemas de localização indoor em eventos ou shoppings. A gigante, Apple, já usa seus “iBeacon” em suas lojas de varejo, para o envio de mensagens sobre atualizações de telefone ou o status do seu computador levado para reparo.
1. Metodologia
- Consolidar um software para avaliação da distância unidimensional Programação, ou utilização de um dispositivo para fazer a leitura da potência do sinal de resposta emitido por um beacon Bluetooth e prover como saída a distância entre o beacon e o dispositivo de leitura do sinal.
- Avaliar a precisão do sistema de posicionamento unidimensional Esta etapa consiste na validação da calibração efetuada na fase anterior para avaliar a precisão do sistema. A análise é feita através da análise de variância (ANOVA).
- Projetar um sistema de posicionamento interno bidimensional Nesta fase será necessário projetar um sistema de posicionamento interno bidimensional. As principais tarefas desenvolvidas aqui serão a programação de um dispositivo que irá fazer a leitura da potência do sinal de resposta emitido por um beacon Bluetooth e armazenar os dados. E ainda será realizada a calibração do sistema para localização unidimensional.
- Avaliar a precisão do sistema de posicionamento bidimensional Essa parte consistirá na validação da calibração feita na fase anterior para avaliar a precisão do sistema. A análise será feita através da análise de variância (ANOVA).
1.2. Software e hardware empregados:
Optou-se por fazer um sistema integrado onde serão aplicados beacons Bluetooth juntamente com alguns modelos de smartphones que farão a leitura dos sinais emitidos através de um aplicativo já desenvolvido para aparelhos celulares. Para a escolha do modelo de beacon mais adequado para o desenvolvimento do projeto, foi considerada uma série de fatores relevantes que geraram resultados significativos. Dentre esses fatores foi considerado que: O beacon deve possuir uma plataforma de desenvolvimento e utilidade para uma grande gama de aplicações, onde fosse possível tratar, trabalhar e ler diversas informações a partir da conectividade estabelecida.
- Deve ser compacto e ter capacidade de longevidade (recarga ou troca de baterias)
- Deve ser capaz de se comunicar com aparelhos de todas ou pelo menos da maioria das marcas disponíveis no mercado
- De preferência possuir interface simples, amigável e de fácil manuseio
- Possuir o menor custo possível
- Ter disponibilidade e fácil acessibilidade no mercado nacional Dadas às características que eram necessárias, escolheu-se perante os modelos disponíveis no mercado, um modelo de beacon Eddystone URL, capaz de se conectar com uma ampla gama de aplicativos disponíveis para todos os sistemas operacionais. Seu sinal possui menor eficiência se comparado a de outros modelos, no entanto, fatores como logística e simplicidade operacional foram relevantes para a escolha deste.
Figura 1: Beacon Eddystone URL Fonte: Acessado em 03 de setembro de 2018 (http://appsisecommerces3.s3.amazonaws.com/ clientes/cliente10979/produtos/40281/P6566.jpg )
Tabela 1: Autonomia e distância de sinal Frequência Potênci a
Autonomia (bateria CR2016) Distância em ambiente fechado Distância em campo aberto 1 segundo Mínima 6 meses 8 metros 25 metros 2 segundos Média 10 meses 10 metros 30 metros 3 segundos Máxima 12 meses 15 metros 40 metros Fonte: Acessado em 03 de setembro de 2018 (http://rfidinovacode.com.br/produto/beacon-nacional-unitario/
A distância de leitura em ambiente fechado ou aberto, segundo o site do fabricante, varia de acordo com os seguintes fatores:
- Sensibilidade do receptor (smartphone ou dispositivo BLE);
- Potência de saída selecionada;
- Ruídos eletromagnéticos, paredes, móveis ou pessoas existentes no ambiente;
- Colisão com outros sinais de radiofrequência como WiFi, micro-ondas ou outros dispositivos Bluetooth;
- Umidade do ambiente (dias chuvosos, proximidade com água);
- Carga da bateria Para a determinação das distâncias obtidas entre o smartphone e os beacons , será utilizado um aplicativo disponível para download tanto em sistemas operacionais Android, chamado de Beacon Monitor o qual nos possibilitará gerar de forma mais intuitiva e ágil a distância entre o beacon e o aparelho, assim como aferir a intensidade e interferência do sinal recebido.
- Os beacons serão posicionados a uma altura de 65cm do chão a fim de melhorar a propagação do sinal emitido pelos beacons. Onde todos os dispositivos e o smartphone estarão à mesma altura na hora da leitura das distâncias.
- A distância entre os dois beacons será medida com fita métrica e armazenada, dado que a mesma será uma componente chave para os cálculos de determinação de posição.
- O local onde for realizado os testes deve estar isento de dispositivos eletrônicos conectados à tomada, e de lâmpadas.
- Será feita a leitura individual da distância de cada beacon do dispositivo, o qual deverá ficar parado no ambiente por um tempo suficiente para se obter melhor constância de sinal.
- Após perceber menor variação de sinal, anota-se o valor da distância obtida.
- Repete-se o processo para ambos os beacons , onde objetiva-se a coleta de 11 leituras por ponto mensurado.
- Os dados coletados serão dispostos em planilha onde serão calculados as medições válidas segundo o critério de Chovanet.
- Com a coleta dos dados válidos segundo o critério estatístico empregado, será calculada a média dos valores restantes a fim de se obter um único ponto médio de coordenadas x e y
- Realizado o cálculo da média será feita a submissão dos pontos no programa de cálculo de posição desenvolvido em MATLAB.
- Anota-se os valores gerados pelo programa, assim como o gráfico representativo da posição.
- Realiza-se a comparação com a posição obtida e a posição real e calcula-se o erro.
- Verifica-se de forma comparativa o erro obtido pelos dois métodos de cálculo com o erro analisado entre o comparativo de resultado.
Estimativa de posição segundo o método de Ângulo de Chegada (AoA)
O cálculo de posição será feito a partir da determinação do ângulo gerado entre os vetores lidos com as distâncias entre o beacon e o smartphone e a linha do eixo “X” que representa o alinhamento dos dispositivos beacons.
Para a obtenção do valor dos ângulos que foram chamados de “ângulo A” e “ângulo B”, foi utilizado um teorema matemático chamado de “regra do cosseno”, onde se considera os valores de leitura da distância entre os beacons e o smartphone à distância mensurada antes entre os dois beacons posicionados, como sendo um triângulo qualquer. Os ângulos do triângulo são calculados de acordo com a ilustração do teorema, conforme exemplifica a seguinte imagem:
Figura 3: Representação da regra dos cossenos Fonte: Acessado em 03 de setembro de 2018 (https://www.todamateria.com.br/lei-dos- cossenos/)
Desse modo, isolando o termo trigonométrico da equação e fazendo a função inversa cosseno do resultado chegamos a um ângulo representativo segundo a equação 1.1:
(1.1) Após o cálculo dos ângulo formado entre os emissores de sinal Bluetooth, que compõe o triângulo, é calculado o ângulo com relação ao eixo x de um dos pontos utilizando a regra dos senos segundo a equação 1.2: (1.2) Com o valor do seno do ângulo formado em relação ao eixo X, o mesmo é tratado como um triângulo retângulo, onde o valor de seu cosseno e do seu seno, multiplicados pela distância lida dos seus emissores, vistos nas equações 3.3 e 3.4, nos darão as coordenadas “X” e “Y” do ponto respectivamente, em relação ao ponto de origem (0,0), que será, por sua vez, notado em um dos beacons que serão utilizados. O esquema a seguir representa como um croqui para esta forma de cálculo em que será desenvolvido o teste.
Figura 4: Representação das componentes a serem calculadas Fonte: Autor (2019)
• POSIÇÃO X:
X1:
X2:
Segundo VICENTE (2000, p.8), o método de Trilateração é semelhante à técnica de triangulação utilizada em Topografia e Navegação. As quais se diferenciam uma da outra devido à técnica de triangulação utilizar informações de ângulos e distâncias, enquanto a Trilateração utiliza apenas as informações das distâncias para gerar as coordenadas do ponto pretendido. Apesar da versatilidade e praticidade dessa técnica, ela exige no mínimo três medidas de distâncias do ponto a ser mensurado e suas fontes emissoras (de sinal no caso aplicado ao projeto em questão), além de métodos de cálculos mais complexos. No entanto, a complexidade para a resolução dos vetores de solução para o sistema que contem a solução é tamanha devido a não linearidade do mesmo, remetendo a métodos de cálculos mais complexos e abordados por diversos autores. Segundo KARALAR (2004, p.2), os métodos para calcular a solução de mínimos quadrados de um sistema linear tem sido extensivamente estudados e bem publicados. Em geral, a decomposição é aplicada para obter uma matriz onde substituição de volta com esta matriz triangular produz a solução. Para a decomposição em mínimos quadrados, há dois algoritmos padrão: reflexões de Householder e Rotações de Givens. Algoritmo usando reflexões Householder zera a parte inferior de um coluna da matriz em cada iteração. No entanto, isso contagem de operação não leva em conta o hardware complexidade da implementação de cada fracasso. Durante cada iteração, as reflexões do Householder requerem o cálculo norma quadrada de um vetor m-dimensional e uma divisão por esta norma quadrada. Essas operações são geralmente considerado caro para implementação de hardware. A partir da disposição de três beacons geradores de sinal Bluetooth, e leitura das distâncias entre os beacons e o receptor, será possível gerar um ponto de coordenadas cartesianas em relação a um dos geradores de sinal. Para nodar o ponto em questão define-se arbitrariamente um dos beacons como o ponto de coordenadas (0,0) e com relação a este posiciona-se os demais beacons e anota as coordenadas de seus pontos. Com a notação das coordenadas e das distâncias mensuradas espera-se obter um sistema em que possamos traçar círculos cujos quais terão a intercessão de suas circunferências como o ponto em que se encontra o receptor, como na imagem.
Figura 5: Nó de intercessão para cálculo de Trilateração. Fonte: [TREVISAN, 2008, p.29]
Com a obtenção dos dados, gera-se um sistema não linear de equações o qual sua solução dará o ponto de coordenadas cartesianas do receptor. O modelo matemático, para cálculo, apesar de inspirado em metodologias expostas por PEREIRA(2014), KARALAR (2014), MULLER (2014), SAVIDES (2001), utilizou uma metodologia em que se simplificou termos da equação para se restringir o cálculo para um espaço 2D, ou seja, dois pontos por coordenada. O sistema gerado será composto pelas soma do quadrado da diferença das abcissas e ordenadas igual ao quadrado do raio gerado entre o ponto e seu emissor como visto na equação 1.7. (1.7) O resultado dessas equações pode ser obtido por diversos métodos de cálculo para que possamos chegar à uma dada coordenada, no entanto, optou-se por fazer a linearização da equação a partir de um método matricial de mínimos quadrados semelhante ao que fora explanado por MULLER (2014, p.27), e empregado por KARALAR (2004, p.2). Para se obter a solução foram elaboradas duas matrizes com os termos da equação baseado no método dos mínimos quadrados, nos dando então:
(1.8) (1.9) Onde a matriz  que contém o vetor com as coordenadas do ponto em que o receptor se encontra será dada pela equação 1.10.
(1.10) Onde  contém a solução:
(1.11)
RESULTADOS E DISCUSSÃo
O experimento realizado permitiu a coleta e análise de dados de interação de dispositivos através da tecnologia de sinais Bluetooth enviada dado emissor, beacons , e recebida pelo receptor smartphone. Onde foram medidas, as distâncias entre tais correlacionando a perda de potência de sinal pelo espaço até o receptor.
- Teste 3: Para o teste 3, foram posicionados os emissores de sinais Bluetooth em: (0,0), (0,10), (10,0), e o smartphone posicionado em (5,5). 6 de 11 pontos coletados, foram aprovados e utilizados para cálculo dá média das distâncias obtidas. Como resultado o ponto situado em (5,9682 , 7,0714), foi encontrado pelo método AOA, gerando um erro com relação à posição esperada de 2,28m. O teste implementado com o algoritmo de Trilateração nos deu como resultado o ponto de coordenadas (7,5633 , 5,9682) de erro se comparado à posição desejada de 2,74m.
Tabela 4: Dados coletados Fonte: Autor (2019)
Figura 8: Posição esperada, posição por AoA, posição por Trilateração Fonte: Autor (2019)
- Teste 4: Os beacons emissores de sinais Bluetooth, na quarta configuração, posicionados nos pontos: (0,0), (0,10), (10,0), e smartphone na posição (5,10). Teve somente 4 pontos utilizados para cálculo dá média das distâncias medidas, dando, segundo o método AOA, o ponto (7,25 , 10,40), com o erro em relação à posição esperada de 2,28m. Já o cálculo com o algoritmo de Trilateração nos deu como resultado o ponto de coordenadas (7,25 , 10,79) o erro com relação à posição desejada foi de 2,39m.
Tabela 5: Dados coletados Fonte: Autor (2019)
Figura 9: Posição esperada, posição por AoA, posição por Trilateração Fonte: Autor (2018)
- Teste 5: Os Beacons emissores de sinais Bluetooth na quinta configuração foram colocados nos pontos: (0,0), (0,10), (10,0). O smartphone na posição (5,10). 9 pontos foram aprovados e utilizados na média das distâncias, a posição dada segundo o método AOA foi o
ponto (3,8933 , 5,6765), e erro medido com relação à posição esperada de 1,29m. Já com o algoritmo de Trilateração o cálculo resultou no ponto de coordenadas (3,0347 , 3,8933) de erro com relação à posição desejada de 5,29m.
Tabela 5: Dados coletados Fonte: Autor (2018) Figura 9: Posição esperada, posição por AoA, posição por Trilateração Fonte: Autor (2019)
CONCLUSÃO
Do referido artigo conclui-se que: Sistemas com o implemento de tecnologia Bluetooth tem uma ótima aplicabilidade para troca de informações e de dados de forma direta. No entanto, suas formas de propagações de ondas são muito sujeitas a interferências de inumaras e indiscutíveis formas que o ambiente pode proporcionar. Além do mais, é um sinal com uma baixa capacidade de potência, que cobre curtas distâncias e tem um erro maior proporcionalmente à distância da fonte emissora.
A aplicação de sistemas de posicionamentos internos tem sido palco de inúmeras discussões no mercado internacional, principalmente quando se diz respeito à construções inteligentes, casas interativas assim como soluções de mercado que atendem setores hospitalares e de logísticas comerciais. Portanto, estudos dessa natureza, tem como provar a eficácia ou não de diferentes plataformas para suprir essa demanda existente.
Como já discutido anteriormente, a tecnologia Bluetooth, se torna viável pelo custo baixo de implantação, integração em uma ampla gama de dispositivos existentes, existência de softwares e plataformas já desenvolvidas para trabalhar com esse tipo de sinal e ainda estar sofrendo um processo de constante melhoria e evolução tecnológica.
No entanto, o fato de ter seu sinal com grande susceptibilidade de interferência do meio e ter baixa capacidade de alcançar grandes distâncias (apresenta erros mais graves acima de 10m), fazem com que a implementação de sistemas de localização indoor com tecnologia Bluetooth seja um desafio complexo e com algumas possíveis limitações.
MENDONÇA, F. J. B. et al. Análise do ajustamento por mínimos quadrados de uma trilateração topográfica com injunções nos planos UTM e Topocêntrico. III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação, 2010. MOURA, André Iasi; RIBEIRO, Carlos Henrique Costa; COSTA, Anna Helena Reali. WBLS: A signal presence-based Wi-Fi localisation system for mobile devices in smart environments. International Journal of Knowledge-based and Intelligent Engineering Systems, v. 13, n. 1, 2009. MÜLLER, Crístian et al. Método de multilateração para algoritmos de localização em redes de sensores sem fio. 2014. PEREIRA, Ana Rita Baía da Costa_. Multilateração para localização indoor_. 2014. Dissertação de Mestrado. TREVISAN, L. M. Um Algoritmo de Localizaçao de nós em Redes Sem-Fio Usando Nível de Potência do Sina. Curitiba, PR, Brasil, 2009. 76p. VICENTE, M. A. T. Sistema de aquisição de coordenadas. 2000.
LIU, Hui; ZHOU, Zijing; HE, Chunhui; HUANG, Xiao. Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems. Ieee Trans. Syst., Man, Cybern. C, [s.l.], v. 37, n. 6, p. 1067-1080, nov. 2007. Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE).
