Localização baseada em medidas de distância para sistemas interiores de larga escala ...

87 Pages·2015·4.17 MB·English

Localização baseada em medidas de distância para
sistemas interiores de larga escala

Fábio Miguel Ramos Soares

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. Doutor João Pedro Castilho Pereira Santos Gomes

Júri
Presidente: Prof. Doutor João Fernando Cardoso Silva Sequeira
Orientador: Prof. Doutor João Pedro Castilho Pereira Santos Gomes
Vogal: Prof. Doutor Rodrigo Martins de Matos Ventura

Maio 2015

Agradecimentos

Começo os agradecimentos por aqueles que me são mais próximos, à minha família e amigos, que
lidaram com as minhas dificuldades, decisões e vitórias ao longo deste percurso académico e agradecer
o suporte incondicional em todos os aspetos.
Quero agradecer também à M. Beatriz, por toda a ajuda oferecida ao longo da dissertação,
especialmente com os algoritmos de localização, sempre com total prontidão e disponibilidade.
Um agradecimento especial ao Prof. João Pedro Gomes, coordenador da minha dissertação pelo seu
apoio e orientação ao longo desta tese.

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Abstract

The information coming from positioning systems like GPS (Global Positioning System) enables diverse
applications such as vehicle location, people location, resource discovery and games. While these applications of
outdoor location are common nowadays, and widely used, applications in enclosed spaces may benefit also from
the information regarding the location. We know that GPS cannot be used indoors, since the spread of its signal
is blocked by buildings. To find other options, alternative systems based on distances, angles, and signal strengths
for localization in indoor environments are proposed.
The objective of this thesis was to create a positioning system based only in the information from range for indoor
environment with three elements, specifically acoustic signals, Bluetooth and Ultra-Wide Band (UWB). As for
acoustic signals, the method for obtaining range information was the Time of Arrival (TOA) with triggering by a
radio frequency signal from an Xbee module (with Zigbee protocol). In Bluetooth technology, these ranges were
obtained from the power of received signal strength indicator (RSSI). And finally, using the method of Time of
Flight (ToF) information relating to range was obtained from UWB signals.
This document presents the state of the art related to the methods, concepts and technology that have a direct
relationship with the development of this positioning system. Implemented solutions are described in order to
meet the objective of this thesis and the behavior and performance of the positioning system were also evaluated.

Keywords: localization, wireless sensor network, range, ultrasound, Bluetooth, Ultra-Wide Band.

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Resumo

A informação proveniente de sistemas de localização como o GPS (Global Positioning System) possibilita a
criação de aplicações diversas, como localização de veículos, localização de pessoas, descoberta de recursos e

jogos. Enquanto estas aplicações de localização em espaços livres são comuns hoje em dia, e amplamente usadas,
as aplicações em espaços fechados podem sair bastante beneficiadas ao existir informação referente à localização.
Como se sabe o GPS não pode ser usado em ambientes interiores, uma vez que a propagação do seu sinal é
bloqueada pelos edifícios. Para encontrar uma alternativa, são propostos sistemas alternativos baseados em

distâncias, ângulos e potências de sinal para localização em ambientes interiores.
O objetivo desta tese passou pela criação um sistema de localização baseado apenas em informação relativa a
distâncias para espaços fechados com vários elementos, mais especificamente sinais acústicos, Bluetooth e Ultra-
Wide Band (UWB). Quanto aos sinais acústicos, o método para obter informação relativa a distâncias é o Time of
Arrival (TOA) com sinalização através de um sinal de radiofrequência proveniente de um módulo Xbee (com
protocolo Zigbee). Na tecnologia Bluetooth, essas distâncias são obtidas a partir do indicador de potência de sinal
recebido (RSSI). Por fim, através do método do Time of Flight (ToF), são obtidas informações relativas às
distâncias por sinais UWB.
Neste documento é apresentado o estado de arte referente aos métodos, conceitos e tecnologias que estão
diretamente relacionados com o desenvolvimento deste sistema de localização. São descritas as soluções
implementadas, de forma a cumprir o objetivo desta tese, e ultimamente é avaliado o funcionamento e o
desempenho do sistema de localização criado.

Palavras-chave: localização, rede de sensores sem fios, distância, sinais acústicos, Bluetooth, Ultra-Wide Band.

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Índice

1. Introdução ......................................................................................................................................... 1
1.1. Motivação e Objetivos ............................................................................................................. 1
1.2. Estrutura do Documento ......................................................................................................... 2
2. Estado de arte .................................................................................................................................... 3
2.1. Redes de Sensores sem Fios .................................................................................................. 3
2.2. Localização em Redes de Sensores sem Fios.......................................................................... 4
2.2.1. Localização Single-source e em cenário cooperativo ......................................................... 4
2.2.2. Tempos de voo de sinais acústicos ................................................................................... 5
2.2.2.1. XBee ................................................................................................................................ 8
2.2.4. Tecnologia Bluetooth ........................................................................................................ 8
2.2.4.1. Adaptative Frequency Hopping (AFH) .................................................................... 9
2.2.4.2. Camadas do Protocolo Bluetooth ............................................................................. 9
2.2.4.3. Host Controller Interface (HCI) .............................................................................. 10
2.2.4.4. RSSI com conexão .................................................................................................... 11
2.2.4.5. RSSI por Inquiry ...................................................................................................... 11
2.2.5. Ultra-Wide Band ............................................................................................................. 12
3. Sistema desenvolvido ...................................................................................................................... 13
3.1. Hardware .................................................................................................................................. 13
3.1.1. UDOO Quad .................................................................................................................... 14
3.1.2. XL-Maxsonar .................................................................................................................. 15
3.1.3. Módulo e Shield Xbee ..................................................................................................... 16
3.1.4. Plugable USB Bluetooth 4.0 ........................................................................................... 16
3.1.5. Ultra-Wide Band Kio ranging system ........................................................................... 17
3.2. Elementos da rede .................................................................................................................. 18
3.2.1. Mudança na tensão de operação do Xbee Shield ......................................................... 18
3.2.2. Alterações no Kernel do UDOO .................................................................................... 18
3.2.3. Ligação serial através de USB ........................................................................................ 21
3.2.4. Acerto nos tempos do XL-Maxsonar ............................................................................. 21
3.3. Software .................................................................................................................................. 25
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3.4. Estrutura da rede de sensores sem fios ................................................................................ 26
4. Testes Efetuados e Resultados ....................................................................................................... 29
4.1. Considerações para os testes ................................................................................................. 29
4.1.1. Aquisição de distâncias e testes preliminares ............................................................... 29
4.1.1.1. Testes preliminares com Tecnologia Bluetooth ....................................................... 30
4.1.1.2. Testes preliminares com XL-Maxsonar ................................................................... 33
4.1.1.3. Testes preliminares com Tecnologia Ultra-Wide Band .......................................... 34
4.1.1.4. Comparação entre os três métodos ........................................................................... 35
4.1.2. Algoritmos de localização ............................................................................................... 36
4.1.3. RMSE e Desvio Padrão ................................................................................................... 37
4.2. Testes ....................................................................................................................................... 37
4.2.1. Teste 2D com Bluetooth, XL-Maxsonar e UWB .......................................................... 37
4.2.2. Teste 3D com suporte de Crickets ................................................................................. 41
5. Conclusão …………… .................................................................................................................... 51
5.1. Trabalho realizado ................................................................................................................. 51
5.2. Trabalho futuro ..................................................................................................................... 52
Bibliografia ………….... ..................................................................................................................... 53
ANEXO A - Lista de Componentes ................................................................................................... 55
ANEXO B - Resultados de Testes ...................................................................................................... 57
ANEXO C - Fluxogramas ................................................................................................................. 63
ANEXO D - Criar elementos de rede ................................................................................................ 65

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