domingo, 14 de abril de 2013

[Lab CU] Actividad 7: Métodos de localización en interiores


La actividad de esta semana consistió en realizar un pequeño reporte sobre algún documento buscado a través de Google Scholar donde se hable sobre métodos de localización en interiores.
El documento seleccionado fue:

...

RFID-ASSISTED INDOOR LOCALIZATION AND COMMUNICATION FOR
FIRST RESPONDERS* 

J. R. Guerrieri(1), M. H. Francis(1), P. F. Wilson(1), T. Kos(1), L. E. Miller(2), N. P. Bryner(2), D. W. Stroup(2), L. Klein-Berndt

National Institute of Standards and Technology
guerieri@boulder.nist.gov

...

Introducción

El proyecto trata sobre un método de localización y comunicación para interiores que utiliza tags RFID (Radio frecuency identification) colocados de manera estratégica en los edificios, los tags funcionan como puntos de navegación.
Cuando los tags son colocados en personas u objetos, éstos pueden ser fácilmente rastreados utilizando lectores especiales en lugares fijos.
El proyecto explora éstas características, donde el usuario lleva consigo un lector especial para proveer una localización precisa rastreando a la persona u objeto. La información recolectada puede ser usada para comparar y corregir errores en cualquier sistema de rastreo inercial.

El proyecto también sirve para evaluar el concepto de un sistema de rastreo y localización de bajo costo que permita a diferentes instituciones de primeros auxilios tales como bomberos o paramédicos, ubicarse en un edificio donde los sistemas GPS no son fiables y donde incluso la señal del GPS puede verse afectada o bloqueada por algún otro siniestro.

También se considera la posibilidad de utilizar la información del edificio, que es almacenada en los tags. Esta información puede ayudar a los rescatistas en sus misiones, por ejemplo, describiendo el layout de un cuarto o lo que sea dependiendo del contexto en el que se encuentre. Esto ayuda a minimizar la necesidad de accesar a bases de datos mediante cualquier otro método de comunicación.

Motivación del estudio


Las tecnologías actuales no son fiables para la localización de objetivos dentro de los edificios.


Los sistemas de localización, rastreo y navegación en interiores no pueden depender de los sistemas GPS, es difícil utilizar éste sistema debido a que la señal de los mismos puede verse debilitada en espacios cerrados. Se considera entonces que los sistemas GPS no son fiables para éstos objetivos.

Sensores inerciales pueden rastrear la ubicación y el movimiento de objetivos, tales como acelerómetros, giroscopios, barómetros, etcétera.
Son un gran complemento al utilizarse con otros métodos de localización.

Los sitemas RFID pueden aumentar la precisión de los sistemas inerciales, agregando correcciónes  a los mismos, como ya se menciono, aprovechando la capacidad de almacenamiento de los tags para proveer información adicional sobre la ubicación y posicionamiento dentro del edificio



Enfoque del estudio



El enfoque principal refiere a la propagación de las radiofrecuencias en el ambiente del edificio en situaciones de emergencia, así mismo se consideran otros enfoques tales como:


  • La estrategia de desarrollo
  • Métodos de rastreo
  • Las opciones de presentación de la información de la ubicación al usuario, y la manera de comunicarla a una estación de monitoreo.
El desarrollo de los RFID y los aspectos de localización en los escenarios estudiados incluyen:
  • Los beneficios obtenidos al elegir cierto tipo de dispositivos RFID, incluyendo costos, facilidad de programación, adecuación a los ambientes de emergencia, capacidad de datos.
  • Utilizar la mínima cantidad de puntos RFID de referencia para calibrar correctamente los demás sistemas de localización inercial y otros sistemas para mantener un buen nivel de precisión para las instituciones de primeros auxilios.
  • Utilizar múltiples puntos RFID de localización para facilitar la localización sin necesidad de otros sensores inerciales de localización.
  • Informar solamente al usuario su posición, asumiendo que los sistemas de comunicación interpersonales serán provistos por otro sistema.
  • Proporcionar a otros miembros del equipo de rescatistas y comandantes, las ubicaciones de los demás por medio de una red ad-hoc que combinen la lectura de los dispositivos RFID y radio comunicación.
  • Proveer instrucciones sobre las direcciones a los usuarios para ubicar salidas de emergencia.
Figura 1. Edificio con un layout simple de RFID


2. Parámetros de localización para bomberos.

Mientras que el número de tags RFID es flexible y se adapta a las necesidades, la información y requerimientos están identificados y se agrupan en términos de:
  • Tipo de edificio
  • Temperatura ambiental
  • Factores de atenuación de señales.
El tipo de edificio se refiere a los métodos y características en la construcción de un edificio para resistencia al fuego, se dividen en 5 tipos diferentes.
  1. Resistentes al fuego, construídos de concreto reforzado y acero estructural.
  2. No combustibles, construídos de metales recubiertos, exteriores metálicos.
  3. Ordinarios, construídos con materiales mixtos, combustibles y no combustibles.
  4. Madera pesada, construídos de materiales combustibes pero de manera limitada.
  5. Estructura de madera, construídos de madera y son muy combustibles.
La temperatura ambiental durante los eventos de primeros auxilios es descrita en términos de las zonas y los grados de exposición al flujo de calor y el riesgo de sufrir daño.

Los factores de atenuación de señales que pueden afectar las señales de radio frecuencia incluyen:
  • Presencia de humedad en el aire debido a la combustión y encendido de alarmas, se espera un porcentaje del 100%
  • Partículas de humo en el aire.
  • Partículas cargadas en el aire.
  • Distribución de calor que pueden afectar el flujo de aire y las ondas de radio.
  • Materiales de construcción en los edificios tales como aislantes, metales, tratamiento de ventanas.
Estos factores pueden variar dependiendo del escenario de auxilio.


3. Técnicas de navegación y dispositivos

Se analizó principalmente una técnica llamada Dead Reckoning (navegación por estima). Si bien el sistema de navegación mas utilizado es el GPS, y se han mencionado las desventajas de utilizarlo en interiores y zonas muy urbanizadas. Una desventaja adicional es que cuando el dispositivo GPS pierde la señal, éste pierde una gran cantidad de tiempo adicional intentando reconectarse a los satélites.

El método de Navegación por estima (Dead Reckoning) es una técnica muy antigua que se basa en la estimación de la ubicación mediante la velocidad, tiempo y distancias recorridas y por recorrer durante un viaje. En buen método cuando las velocidades y el curso del viaje se mantienen constantes, sin embargo, la incertidumbre del método crece con el tiempo y es necesario introducir correcciones al sistema con regularidad. En este caso, los RFID proporcionan dichas correcciones.

Combinando el método con otros dispositivos como brújulas y giroscopios, su desempeño se puede llegar a comparar con el de un GPS.

Figura 2. Comparación del rastro de un GPS y un sistema DR

Aún existen ciertos problemas que solucionar, como la existencia de campos electromagnéticos y otro tipo de interferencias debido a corrientes de alta tensión, por ejemplo.


4. Ubicación y cantidad de tags

Determinar el número de tags y dispositivos RFID es hablar de la precisión requerida para el sistema. Los rangos de precisión deben ser formulados en términos de la cantidad de correcciones que deba hacerse al sistema y la densidad espacial de los puntos de acceso y rutas.

Sin embargo, el cálculo de la precisión final del sistema para interiores asistido por RFID puede resultar prematuro. Por ejemplo, un factor importante en la precisión del sistema de navegación por estima a ser probado en condiciones desconocidas a las esperadas en los escenarios de primeros auxilios es el caminar irregular de los rescatistas durante su labor, lo que puede afectar el algoritmo de conteo de pasos.

Además de que no existe un punto de referencia para los sistemas de localización en interiores, o por lo menos un método que proporcione un grado de precisión fiable.

La cantidad y ubicación de los tags depende principalmene de la tecnología RFID a utilizar, más que nada, los requerimientos y las distancias mínimas y máximas de operación.
Utilizar solo tags RFID puede ser una buena aproximación, sin embargo, solo se proporcionarias eventos de tipo "tu estas en ...", indicando solo una posición genérica, por ejemplo, de algún piso o cuarto.
Sería necesario tener un conocimiento previo de las instalaciones para correlacionar dicha información y la información proporcionada por los tags. Así se tendría una aproximación del área de trabajo.
Sin embargo, los resultados pueden ser ambiguos cuando se detecten dos o mas tags.


5. Opciones de tecnología RFID

Se intentan cubrir de forma exitosa los puntos de beneficios obtenidos, precio, disponibilidad, portabilidad y consumo energético, adicionalmente, los rangos de lectura y la capacidad de almacenamiento.

Los tags pasivos comerciales tienen rangos de lectura entre 10 y 15 cm, trabajando a 13.56MHz.
Para frecuencias mayores como 400MHz y 900MHz, las longitudes de onda crecen aproximadamente entre 300 y 800 cm.
Se ha comprobado que frecuencias de 600MHz a 2GHz son las más indicadas para la propagación en edificios.


6. Simulaciones

Utilizando un kit de desarrollo RFID que opera a una frecuencia de 900MHz, con lector, tags y software incluído.
La demostración consistió en un concepto de localización para primeros auxilios en un pasillo recto.
El programa incorpora una base de datos que contiene los números de identificación de los tags. El lector esta anclado a un carro para facilitar el viaje a través del pasillo.
Cuando el lector detecta un tag, su número de identificación es recolectado y se busca en la base de datos para obtener las coordenadas del tag.
La precisión y el desempeño se ven mejorados al permitir que solo se detecten los tags del tipo especificado. Asi mismo, los tags fueron modificados, colocando reflectores conductivos en frente de los mismos para mejorar la distancia de lectura, la cual se incremento de 2 a 3.3 m.

Fig 4. Ubicación gráfica del lector y los tags


7. Conclusiones

La sugerencia del paper sobre utilizar la tecnología RFID, junto con otros dispositivos de localización inerciales como giroscopios, brújulas y métodos como la navegación por estima se me hacen una buena aproximación a los métodos de localización en interiores, parece que el proyecto cumple en cuanto a los aspectos de precio y disponibilidad, sin embargo, pienso que aún existe un área muy grande para mejorar.

Así mismo, es interesante el enfoque del proyecto hacía crear un sistema para rescatistas, bomberos, policias; con el proyecto de busca mejorar su labor a la hora de prestar primeros auxilios además de contar con un sistema que les permita ubicar personas o miembros del equipo perdidos y asi salvar más vidas.


Referencias.
  • http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4584714
  • NOTA: Todas las imágenes fueron tomadas del paper.

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