Riešenia
  • Jan Najvárek / Riaditeľ spoločnosti
    Some info about the file

Indoor lokalizácia a navigácia

Aký je rozdiel medzi Bluetooth, Wi-Fi a UWB technológiou pre indoor lokalizáciu?

Mnoho moderných elektronický zariadení vyžaduje v dnešnej dobe určovanie polohy. Najtypickejším zástupom súčasnej doby sú všadeprítomné inteligentné telefóny v spojitosti s lokalizáciou za pomoci technológie GPS. V súčasnosti je brána externej lokalizácie ako samozrejmosť, ale postupne rastie potreba lokalizovať zariadenia i vnútri budov, kde GPS nie je možné využiť. Zariadenie, využívajúce vnútornú lokalizácia môžu byť od bezdrôtových elektronických „hračiek“ ako sú napríklad inteligentné hodinky, cez domáce spotrebiče, až po profesionálne prepravné drony na výrobných linkách. Keďže sú možnosti využitia tejto technológie široké, dá sa očakávať rast celého segmentu (navigačný software, marketingové aplikácia, monitorovacie systémy).

Inžinieri, ktorí v súčasnosti vyvíjajú tieto inteligentné zariadenia, stoja pred výzvou v podobe výberu správnej technológie. Je využitie Wi-Fi nebo Bluetooth správne riešenie vzhľadom k ich rozšírenosti, alebo by bolo lepšie zvoliť inú bezdrôtovú technológiu ako je napríklad UWB /Ultra-wideband)? Aké sú pre a proti? Nasledujúci článok sa pokúsi priblížiť túto problematiku.

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Bluetooth

Lokalizácia pomocou technológie Bluetooth si získala pozornosť širokej verejnosti hlavne uvedením iBeacon od spoločnosti Apple. Apple u iBeacon používa technológiu BLE (Bluetooth Low Energy). Cieľom technológie iBeacon, je odhad vzdialenosti zariadenia od vysielača, táto technológia teda nerieši presné určenie vzdialenosti ani polohy samotnej. Odhad vzdialenosti sa nezakladá na presnom meraní a práve v prípade i Beacon sa detekujú iba stavy „v dosahu“ a „blízko“ na základe sily signálu.

Niektoré spoločnosti však začali technológiu BLE využívať na meranie presnej vzdialenosti. Hlavným problémom u tejto technológie je fakt, že sa využívajú informácie o sile signálu k zmeraniu vzdialenosti. Sila signálu je však veľmi nepresný ukazovateľ vzdialenosti. Nemožno totiž garantovať, či pokles signálu musí nutne znamenať predĺženie vzdialenosti. Pre príklad možno uviesť situáciu, keď sa vo vnútri miestnosti bude nachádzať betónový stĺp. Ak sa stĺp dostane medzi vysielač a prijímač, tak dôjde k zreteľnému poklesu signálu bez predĺženia vzdialenosti a problém je na svete.

Jedným z riešení tohto problému je „mapovanie“ priestoru. Jedná sa o techniku, kedy sa jednotlivé vysielače umiestnia na presne dané pozície v objekte a potom sa vykoná meranie úrovne signálu meter po metri v celom objekte. Týmto vznikne referenčná databáza úrovní signálov. Ak chce zariadenie zistiť svojou polohu, tak porovná nameranú úroveň signálu od jednotlivých vysielačov s informáciami v databáze. Po vyhľadaní najlepšie zhody s databázou sa považuje dané miesto za súčasnú pozíciu.

Existuje mnoho variácií a algoritmov pre „mapovanie“ podľa sofistikovanosti. Je však nutné si uvedomiť, že ide len o obchádzanie problému s meraním vzdialenosti za pomoci BLE, nie jeho konečným riešením.

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Wi-Fi

Pred príchodom Apple a iBeacon sa používala na orientačné meranie vzdialenosti iba technológia Wi-Fi. V súčasnosti je najrozšírenejšou technológiou pre vnútornú lokalizáciu Android telefónov, často aj v kombinácii s BLE. Nespornou výhodou technológie Wi-Fi je jej masívne rozšírenie ako vo verejných priestoroch, tak aj v domácnostiach.

 Všeobecný prístup k určovaniu polohy pomocou Wi-Fi je obdobne ako u technológie Bluetooth – meranie úrovne signálu. Tento spôsob merania má teda rovnakú slabinu ako predchádzajúce technológie. Jedným z možných riešení tohto problému sú v prípade Wi-Fi alternatívne algoritmy, ktoré sa snažia merať vzdialenosť za pomoci zistenia času letu signálu (TOF, Time of Flight) alebo pomocou času prijatia signálu (Toa, Time of Arrival). Túto technológiu bohužiaľ nie je možné nasadiť na štandardné Wi-Fi zariadenia a preto treba počítať s týmto využitím už v čase plánovania infraštruktúry.

obr1

 

Obrázok Č. 1

Dôvodom problematického merania úrovne Wi-Fi signálu je inherentná štruktúra signálu a úzke pásmo. Na Obrázku č. 1 je znázornené, aké ťažké je namerať presnú amplitúdu u úzkopásmového Wi-Fi signálu s rušením. Z dôvodu samotného sínusového kolísania signálu a odchýlok spôsobených vonkajším rušením nie je možné presne určiť hodnotu amplitúdy v daný čas. Z tohto dôvodu nie sú úzkopásmové systémy vhodné pre meranie presnej amplitúdy.

Nepresnosť merania v reálnom prostredí stúpa z ďalšieho dôvodu, ktorým je fakt, že sa signál môže šíriť k cieľu niekoľkými cestami, pričom dochádza k oneskoreniu jednotlivých signálov. Takto odrazený signál sa môže k cieľu vrátiť napríklad ako reverzný, degradovať tak úroveň a skresliť čas príchodu meraného signálu. Samotný obsah dát, ktorý signál prenáša, nie je nepoškodený, avšak zmerať presný čas príchodu takéhoto signálu a jeho amplitúdu je takmer nemožné viď. obrázok č. 2.

 obr2

Obrázok č. 2

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Ultra-Wideband

Štandard UBW (IEEE 802.15.4-2011) bol vytvorený pre odstránenie problémov s vyššie uvedenými technológiami. Štandard využíva veľmi krátkych širokopásmových signálov viď. obrázok č. 3

obr3

 

Obrázok č. 3

Krátke širokopásmové signály s rýchlou nábežnou i zostupnou hranou umožňujú jednoduché meranie času začiatku a konca signálu. Vzdialenosť medzi dvoma UWB zariadeniami môže byť na základe týchto impulzov zmeraná presne, oproti meraniu úrovne signálu (BLE, Wi-Fi) sa jedná o rádové zlepšenie presnosti. Ďalšou výhodou týchto signálov je fakt, že veľmi efektívne odolávajú rušeniu v podobe bieleho šumu či rušenia spôsobeného šírením odrazených signálov. Na obrázku č. 4 je znázornený UWB signál v zarušenom pásme, z ktorého vyplýva vyššie uvedená odolnosť proti tomuto rušeniu.

obr4

 

Obrázok č. 4

UWB signál je odolný aj proti rušeniu, ktoré je spôsobené odrazenými signály. Keďže je doba trvania impulzu minimálna (parametre impulzu sa snaží blížiť k Diracovému impulzu), je minimalizované narušenie integrity signálu viď. obrázok č. 5.

obr5

 

Obrázok č. 5

Hlavným rozdielom medzi UWB a ostatnými technológiami je teda možnosť presne zmerať čas príchodov signálov a zároveň odolnosť týchto signálov oproti všadeprítomnému rušeniu. Z praktického hľadiska je možné pomocou UWB efektívne merať vzdialenosti medzi dvoma zariadeniami až do presnosti 5 – 10 cm. Presnosť u predchádzajúcich technológií je približne 5 m (Wi-Fi, Bluetooth) v závislosti na prostredí a počte meracích staníc.

 

Aké sú plusy a mínusy jednotlivých technológií?

Presnosť merania je jednoznačnou výhodou technológie UWB (5 – 10 cm) oproti technológiám ako je Wi-Fi alebo Bluetooth (cca 5 m).

Ďalším faktorom je spotreba energie, kedy UWB a Bluetooth spotrebujú oveľa menej energie oproti Wi-Fi. Spotreba je kľúčová, pretože určovanie polohy väčšinou využívame v mobilných zariadeniach s obmedzenou energetickou kapacitou.

Posledným veľmi dôležitým faktorom je rozšírenie jednotlivých technológií. Tu jasne prevláda Wi-Fi a Bluetooth, keďže tieto technológie možno nájsť na každom rohu oproti UWB. V súčasnej dobe majú niektoré spoločnosti motiváciu implementovať do zariadení ako Wi-Fi a Bluetooth technológiu, tak aj UWB.

Celkovo teda nemožno uprednostniť žiadnu technológiu a každá technológia má svoje pre a proti. Záleží na mnohých faktoroch, ako sú napríklad obstarávacia cena, požiadavka na presnosť a využitie súčasných technológií (existujúca Wi-Fi infraštruktúra, zapojenie súčasných mobilných zariadení) pre riešenie vnútornej lokalizácie.

Artin v súčasnosti implementuje pilotné projekty pre vnútornú lokalizáciu a sledovanie nemocničného zariadenia v nemocniciach. Ďalej spolupracujeme s vybranými dodávateľmi HW, ktorými sú Sewio, Infsoft a kontakt.io. Naši dodávatelia sú schopní dodať kompletné riešenie vrátane softwarového riešenia a integráciu s ostatnými podnikovými systémami.

 

Zdroj: http://electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-measuring-location-uwb-wi-fi-and-bluetooth

Indoor lokalizácia a navigácia

Aký je rozdiel medzi Bluetooth, Wi-Fi a UWB technológiou pre indoor lokalizáciu?

Mnoho moderných elektronický zariadení vyžaduje v dnešnej dobe určovanie polohy. Najtypickejším zástupom súčasnej doby sú všadeprítomné inteligentné telefóny v spojitosti s lokalizáciou za pomoci technológie GPS. V súčasnosti je brána externej lokalizácie ako samozrejmosť, ale postupne rastie potreba lokalizovať zariadenia i vnútri budov, kde GPS nie je možné využiť. Zariadenie, využívajúce vnútornú lokalizácia môžu byť od bezdrôtových elektronických „hračiek“ ako sú napríklad inteligentné hodinky, cez domáce spotrebiče, až po profesionálne prepravné drony na výrobných linkách. Keďže sú možnosti využitia tejto technológie široké, dá sa očakávať rast celého segmentu (navigačný software, marketingové aplikácia, monitorovacie systémy).

Inžinieri, ktorí v súčasnosti vyvíjajú tieto inteligentné zariadenia, stoja pred výzvou v podobe výberu správnej technológie. Je využitie Wi-Fi nebo Bluetooth správne riešenie vzhľadom k ich rozšírenosti, alebo by bolo lepšie zvoliť inú bezdrôtovú technológiu ako je napríklad UWB /Ultra-wideband)? Aké sú pre a proti? Nasledujúci článok sa pokúsi priblížiť túto problematiku.

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Bluetooth

Lokalizácia pomocou technológie Bluetooth si získala pozornosť širokej verejnosti hlavne uvedením iBeacon od spoločnosti Apple. Apple u iBeacon používa technológiu BLE (Bluetooth Low Energy). Cieľom technológie iBeacon, je odhad vzdialenosti zariadenia od vysielača, táto technológia teda nerieši presné určenie vzdialenosti ani polohy samotnej. Odhad vzdialenosti sa nezakladá na presnom meraní a práve v prípade i Beacon sa detekujú iba stavy „v dosahu“ a „blízko“ na základe sily signálu.

Niektoré spoločnosti však začali technológiu BLE využívať na meranie presnej vzdialenosti. Hlavným problémom u tejto technológie je fakt, že sa využívajú informácie o sile signálu k zmeraniu vzdialenosti. Sila signálu je však veľmi nepresný ukazovateľ vzdialenosti. Nemožno totiž garantovať, či pokles signálu musí nutne znamenať predĺženie vzdialenosti. Pre príklad možno uviesť situáciu, keď sa vo vnútri miestnosti bude nachádzať betónový stĺp. Ak sa stĺp dostane medzi vysielač a prijímač, tak dôjde k zreteľnému poklesu signálu bez predĺženia vzdialenosti a problém je na svete.

Jedným z riešení tohto problému je „mapovanie“ priestoru. Jedná sa o techniku, kedy sa jednotlivé vysielače umiestnia na presne dané pozície v objekte a potom sa vykoná meranie úrovne signálu meter po metri v celom objekte. Týmto vznikne referenčná databáza úrovní signálov. Ak chce zariadenie zistiť svojou polohu, tak porovná nameranú úroveň signálu od jednotlivých vysielačov s informáciami v databáze. Po vyhľadaní najlepšie zhody s databázou sa považuje dané miesto za súčasnú pozíciu.

Existuje mnoho variácií a algoritmov pre „mapovanie“ podľa sofistikovanosti. Je však nutné si uvedomiť, že ide len o obchádzanie problému s meraním vzdialenosti za pomoci BLE, nie jeho konečným riešením.

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Wi-Fi

Pred príchodom Apple a iBeacon sa používala na orientačné meranie vzdialenosti iba technológia Wi-Fi. V súčasnosti je najrozšírenejšou technológiou pre vnútornú lokalizáciu Android telefónov, často aj v kombinácii s BLE. Nespornou výhodou technológie Wi-Fi je jej masívne rozšírenie ako vo verejných priestoroch, tak aj v domácnostiach.

 Všeobecný prístup k určovaniu polohy pomocou Wi-Fi je obdobne ako u technológie Bluetooth – meranie úrovne signálu. Tento spôsob merania má teda rovnakú slabinu ako predchádzajúce technológie. Jedným z možných riešení tohto problému sú v prípade Wi-Fi alternatívne algoritmy, ktoré sa snažia merať vzdialenosť za pomoci zistenia času letu signálu (TOF, Time of Flight) alebo pomocou času prijatia signálu (Toa, Time of Arrival). Túto technológiu bohužiaľ nie je možné nasadiť na štandardné Wi-Fi zariadenia a preto treba počítať s týmto využitím už v čase plánovania infraštruktúry.

obr1

 

Obrázok Č. 1

Dôvodom problematického merania úrovne Wi-Fi signálu je inherentná štruktúra signálu a úzke pásmo. Na Obrázku č. 1 je znázornené, aké ťažké je namerať presnú amplitúdu u úzkopásmového Wi-Fi signálu s rušením. Z dôvodu samotného sínusového kolísania signálu a odchýlok spôsobených vonkajším rušením nie je možné presne určiť hodnotu amplitúdy v daný čas. Z tohto dôvodu nie sú úzkopásmové systémy vhodné pre meranie presnej amplitúdy.

Nepresnosť merania v reálnom prostredí stúpa z ďalšieho dôvodu, ktorým je fakt, že sa signál môže šíriť k cieľu niekoľkými cestami, pričom dochádza k oneskoreniu jednotlivých signálov. Takto odrazený signál sa môže k cieľu vrátiť napríklad ako reverzný, degradovať tak úroveň a skresliť čas príchodu meraného signálu. Samotný obsah dát, ktorý signál prenáša, nie je nepoškodený, avšak zmerať presný čas príchodu takéhoto signálu a jeho amplitúdu je takmer nemožné viď. obrázok č. 2.

 obr2

Obrázok č. 2

 

Indoor lokalizácia založená na technológii Ultra-Wideband

Štandard UBW (IEEE 802.15.4-2011) bol vytvorený pre odstránenie problémov s vyššie uvedenými technológiami. Štandard využíva veľmi krátkych širokopásmových signálov viď. obrázok č. 3

obr3

 

Obrázok č. 3

Krátke širokopásmové signály s rýchlou nábežnou i zostupnou hranou umožňujú jednoduché meranie času začiatku a konca signálu. Vzdialenosť medzi dvoma UWB zariadeniami môže byť na základe týchto impulzov zmeraná presne, oproti meraniu úrovne signálu (BLE, Wi-Fi) sa jedná o rádové zlepšenie presnosti. Ďalšou výhodou týchto signálov je fakt, že veľmi efektívne odolávajú rušeniu v podobe bieleho šumu či rušenia spôsobeného šírením odrazených signálov. Na obrázku č. 4 je znázornený UWB signál v zarušenom pásme, z ktorého vyplýva vyššie uvedená odolnosť proti tomuto rušeniu.

obr4

 

Obrázok č. 4

UWB signál je odolný aj proti rušeniu, ktoré je spôsobené odrazenými signály. Keďže je doba trvania impulzu minimálna (parametre impulzu sa snaží blížiť k Diracovému impulzu), je minimalizované narušenie integrity signálu viď. obrázok č. 5.

obr5

 

Obrázok č. 5

Hlavným rozdielom medzi UWB a ostatnými technológiami je teda možnosť presne zmerať čas príchodov signálov a zároveň odolnosť týchto signálov oproti všadeprítomnému rušeniu. Z praktického hľadiska je možné pomocou UWB efektívne merať vzdialenosti medzi dvoma zariadeniami až do presnosti 5 – 10 cm. Presnosť u predchádzajúcich technológií je približne 5 m (Wi-Fi, Bluetooth) v závislosti na prostredí a počte meracích staníc.

 

Aké sú plusy a mínusy jednotlivých technológií?

Presnosť merania je jednoznačnou výhodou technológie UWB (5 – 10 cm) oproti technológiám ako je Wi-Fi alebo Bluetooth (cca 5 m).

Ďalším faktorom je spotreba energie, kedy UWB a Bluetooth spotrebujú oveľa menej energie oproti Wi-Fi. Spotreba je kľúčová, pretože určovanie polohy väčšinou využívame v mobilných zariadeniach s obmedzenou energetickou kapacitou.

Posledným veľmi dôležitým faktorom je rozšírenie jednotlivých technológií. Tu jasne prevláda Wi-Fi a Bluetooth, keďže tieto technológie možno nájsť na každom rohu oproti UWB. V súčasnej dobe majú niektoré spoločnosti motiváciu implementovať do zariadení ako Wi-Fi a Bluetooth technológiu, tak aj UWB.

Celkovo teda nemožno uprednostniť žiadnu technológiu a každá technológia má svoje pre a proti. Záleží na mnohých faktoroch, ako sú napríklad obstarávacia cena, požiadavka na presnosť a využitie súčasných technológií (existujúca Wi-Fi infraštruktúra, zapojenie súčasných mobilných zariadení) pre riešenie vnútornej lokalizácie.

Artin v súčasnosti implementuje pilotné projekty pre vnútornú lokalizáciu a sledovanie nemocničného zariadenia v nemocniciach. Ďalej spolupracujeme s vybranými dodávateľmi HW, ktorými sú Sewio, Infsoft a kontakt.io. Naši dodávatelia sú schopní dodať kompletné riešenie vrátane softwarového riešenia a integráciu s ostatnými podnikovými systémami.

 

Zdroj: http://electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-measuring-location-uwb-wi-fi-and-bluetooth

NAŠA FILOZOFIA
Ponúkame našim klientom mnohoročné a medzinárodné skúsenosti v odbore vývoja software, integrácie, konzultácie, QA a supportu. Pracujeme podľa uznávaných metodík a s použitím moderných technológií. Naším cieľom je byť najlepším vo svojom odbore.
Java (J2EE, Spring, Wicket) Delphi C, C++, C#
.NET Oracle PL/SQL Python
Perl PHP Javacript (AngularJS)
Dart JSP  
Oracle, Coherence, TimesTen MS SQL Server MySQL
PostgreSQL Firebird Interbase
MongoDB    
Linux HP-UX MS Windows
MacOS Android iOS

Hodíme sa aj Vám?

Ozvite sa nám!

PRÁCA V ARTINE

Pozrite si ponuku voľných pracovných miest.

Práca v Artine

POZVITE NÁS DO TENDRA

Hľadáte dodávateľa pre Váš IT projekt? Dajte nám vedieť!

Pošlite nám dopyt

ZAVOLAJTE NÁM

Preferujete telefonický kontakt? Volajte:

+420 511 120 140

NAPÍŠTE NÁM EMAIL

Dostanete sa ku všetkým dôležitým ľuďom!

Napíšte nám