Un sistema di geolocalizzazione basato su geomagnetismo

La geolocalizzazione è l’insieme di metodi e tecniche che permette di mettere in relazione una certa informazione con un punto specifico della superficie terrestre. Il punto è generalmente indicato in maniera assoluta tramite coordinate latitudinali e longitudinali, oppure in maniera relativa ad altri punti noti. Nello specifico il concetto di geolocalizzazione enfatizza l’aspetto dinamico, riferendosi ad informazioni in tempo reale relative alla posizione, direzione e velocità del soggetto analizzato, e la conseguente analisi di percorso e comportamento. Tutto questo rende possibile la realizzazione di un sistema di localizzazione efficiente. La geolocalizzazione è considerata tra i più rivoluzionari campi di sviluppo in ambito sociale ed economico, pur avendo potenziali problemi legati alla privacy e libertà individuale di non semplice soluzione. In particolare è di interesse di ricerca e in ambito di commercio trovare un sistema di localizzazione adeguato non solo per l’esterno ma anche per situazioni indoor. In questa tesi verranno analizzati i vari metodi di posizionamento fino ad oggi studiati, sia indoor che outdoor per arrivare a proporre un sistema di localizzazione indoor basato su geomagnetismo dell’ambiente. Nel primo capitolo il documento presenta una riflessione storica sull’evoluzione del concetto di localizzazione, partendo dai primi tentativi di navigazione, fino ad arrivare ai più moderni sistemi tecnologici. Vedremo quindi nello specifico quali sono gli ultimi studi e tecnologie per un sistema di localizzazione indoor, concentrandosi sull’analisi dei vantaggi offerti da nuovi dispositivi con gli smartphones. Infine verrà descritto nel dettaglio il lavoro effettuato per la realizzazione di un prototipo di sistema di localizzazione indoor basato su geomagnetismo in sede aziendale GetConnected, dove si è svolta l’attività di tesi, e presso un grosso centro commerciale come caso d’uso pratico.

Indoor position, localizzazione e tracciamento in ambienti chiusi

Le grandi catene di distribuzione, per sviluppare strategie commerciali sempre più efficaci, sono interessate a comprendere il percorso che ogni cliente effettua all’interno del punto vendita, che reparti visita, il tempo di permanenza in un’area specifica ecc… Quindi è stato necessario trovare un sistema per localizzare e tracciare un cliente all’interno di un ambiente chiuso (indoor position). Prima di tutto ci si è concentrati sulla ricerca e sviluppo di una nuova idea che potesse superare gli ostacoli delle soluzioni attualmente in commercio. Si è pensato di sostituire le tessere punti del punto vendita con delle tessere bluetoothLE e di creare un sistema di posizionamento al chiuso utilizzando la stessa logica di funzionamento del GPS per gli ambienti aperti. Il ricevitore è la tessera BLE posseduta dal cliente e i satelliti sono tre device Android dotati di un’app specifica per rilevare il segnale radio (RSSI) emesso dalla tessera ogni secondo. Le rilevazioni dei tre device Android sono successivamente trasferite all’interno di una web application che si occupa di elaborare i dati tramite il processo di trilaterazione. L’output sono le coordinate x,y di ciascuna tessera in ogni secondo di visita all’interno del punto vendita. Questi dati sono infine utilizzati per mostrare graficamente il percorso effettuato dal cliente, l’orario di ingresso e di uscita e il tempo di permanenza. Riepilogando, il progetto comprende una fase di ricerca e intuizione di una nuova idea, una fase di progettazione per traslare i meccanismi del funzionamento GPS all’utilizzo in un ambiente chiuso, una fase di implementazione dell’app e della web application e infine una fase di sperimentazioni sul campo che si concluderà dopo la laurea con test reali in un supermercato della zona.

Prototipo di schermo adattativo basato su Android e Bluetooth Low Energy

La tesi nasce da un'attività di ricerca approfondita su alcune tecnologie innovative e all'avanguardia nell'ambito del mobile computing e dell'Internet of Things. Tra queste il focus principale è orientato allo studio del Bluetooth Low Energy, nuova specifica di Bluetooth caratterizzata principalmente da un consumo di energia assai ridotto. In particolare, si è approfondito il suo funzionamento nel caso dei beacon, piccoli dispositivi che permettono una localizzazione mediante l'invio di un segnale BLE. Inoltre è stata analizzata la possibilità di interazione con Android, poiché oggigiorno non si può evitare di pensare a come queste tecnologie possano interfacciarsi con il mondo degli smartphone e dei tablet. Come conseguenza di tale attività di ricerca è stato analizzato un caso di studio che permettesse di applicare le tecnologie studiate e la loro interazione. Si è pensato quindi a un piccolo sistema distribuito per schermi adattativi (capaci di modificare i contenuti visualizzati in relazione ad eventi esterni) affinché ogni schermo mostrasse dinamicamente l'orario delle lezioni di ciascuno studente all'avvicinarsi di quest'ultimo, e solo per il tempo di permanenza nei pressi dello schermo. Si è quindi progettato e sviluppato un prototipo, e infine durante il testing si sono potute verificare le attuali potenzialità di queste tecnologie e trarre conclusioni sulla possibilità della loro futura diffusione e di impiego in contesti differenti.

CheepSync: A Time Synchronization Service for Resource Constrained Bluetooth LE Advertisers

Clock synchronization is highly desirable in distributed systems, including many applications in the Internet of Things and Humans. It improves the efficiency, modularity, and scalability of the system, and optimizes use of event triggers. For IoTH, BLE - a subset of the recent Bluetooth v4.0 stack - provides a low-power and loosely coupled mechanism for sensor data collection with ubiquitous units (e.g., smartphones and tablets) carried by humans. This fundamental design paradigm of BLE is enabled by a range of broadcast advertising modes. While its operational benefits are numerous, the lack of a common time reference in the broadcast mode of BLE has been a fundamental limitation. This article presents and describes CheepSync, a time synchronization service for BLE advertisers, especially tailored for applications requiring high time precision on resource constrained BLE platforms. Designed on top of the existing Bluetooth v4.0 standard, the CheepSync framework utilizes low-level time-stamping and comprehensive error compensation mechanisms for overcoming uncertainties in message transmission, clock drift, and other system-specific constraints. CheepSync was implemented on custom designed nRF24Cheep beacon platforms (as broadcasters) and commercial off-the-shelf Android ported smartphones (as passive listeners). We demonstrate the efficacy of CheepSync by numerous empirical evaluations in a variety of experimental setups, and show that its average (single-hop) time synchronization accuracy is in the 10 mu s range.

Simple Low-cost Planar Antenna for Indoor Communication under the Bluetooth Protocol

A single-feed rectangular-ring microstrip antenna is proposed for indoor communication under the Bluetooth protocol. The dimensions of the antenna together with the location of the feed point are optimized through field simulations in order to cover the Bluetooth bandwidth and to avoid linear polarization. The performance and the efficiency of the antenna are illustrated in a real indoor environment

An Encoded Infrared Sheet Of Light Navigational Beacon System For Precise Localization Of Indoor Mobile Robot Vehicles

A new localization approach to increase the navigational capabilities and object manipulation of autonomous mobile robots, based on an encoded infrared sheet of light beacon system, which provides position errors smaller than 0.02m is presented in this paper. To achieve this minimal position error, a resolution enhancement technique has been developed by utilising an inbuilt odometric/optical flow sensor information. This system respects strong low cost constraints by using an innovative assembly for the digitally encoded infrared transmitter. For better guidance of mobile robot vehicles, an online traffic signalling capability is also incorporated. Other added features are its less computational complexity and online localization capability all these without any estimation uncertainty. The constructional details, experimental results and computational methodologies of the system are also described

Impiego combinato di GPS, BLE e riconoscimento di immagini per individuare entità nella realtà aumentata

Combinare le tre tecnologie citate nel titolo, GPS, BLE e riconoscimento di immagini per fornire un’informazione continua sulla posizione e sufficientemente precisa da permettere l’impiego della realtà aumentata, con particolare attenzione alla seconda, il BLE, nella fattispecie i bluetooth beacon, tecnologia emergente le cui potenzialità non sono ancora state approfondite fino in fondo.

Experimental Comparison of Bluetooth and WiFi Signal Propagation for Indoor Localisation

Systems for indoor positioning using radio technologies are largely studied due to their convenience and the market opportunities they offer. The positioning algorithms typically derive geographic coordinates from observed radio signals and hence good understanding of the indoor radio channel is required. In this paper we investigate several factors that affect signal propagation indoors for both Bluetooth and WiFi. Our goal is to investigate which factors can be disregarded and which should be considered in the development of a positioning algorithm. Our results show that technical factors such as device characteristics have smaller impact on the signal than multipath propagation. Moreover, we show that propagation conditions differ in each direction. We also noticed that WiFi and Bluetooth, despite operating in the same radio band, do not at all times exhibit the same behaviour.

Bluetooth and Wi-Fi MAC address based crowd data collection and monitoring : benefits, challenges and enhancement

This paper firstly presents the benefits and critical challenges on the use of Bluetooth and Wi-Fi for crowd data collection and monitoring. The major challenges include antenna characteristics, environment’s complexity and scanning features. Wi-Fi and Bluetooth are compared in this paper in terms of architecture, discovery time, popularity of use and signal strength. Type of antennas used and the environment’s complexity such as trees for outdoor and partitions for indoor spaces highly affect the scanning range. The aforementioned challenges are empirically evaluated by “real” experiments using Bluetooth and Wi-Fi Scanners. The issues related to the antenna characteristics are also highlighted by experimenting with different antenna types. Novel scanning approaches including Overlapped Zones and Single Point Multi-Range detection methods will be then presented and verified by real-world tests. These novel techniques will be applied for location identification of the MAC IDs captured that can extract more information about people movement dynamics.

ZIL: An Energy-Efficient Indoor Localization System Using ZigBee Radio to Detect WiFi Fingerprints

In existing WiFi-based localization methods, smart mobile devices consume quite a lot of power as WiFi interfaces need to be used for frequent AP scanning during the localization process. In this work, we design an energy-efficient indoor localization system called ZigBee assisted indoor localization (ZIL) based on WiFi fingerprints via ZigBee interference signatures. ZIL uses ZigBee interfaces to collect mixed WiFi signals, which include non-periodic WiFi data and periodic beacon signals. However, WiFi APs cannot be identified from these WiFi signals by ZigBee interfaces directly. To address this issue, we propose a method for detecting WiFi APs to form WiFi fingerprints from the signals collected by ZigBee interfaces. We propose a novel fingerprint matching algorithm to align a pair of fingerprints effectively. To improve the localization accuracy, we design the K-nearest neighbor (KNN) method with three different weighted distances and find that the KNN algorithm with the Manhattan distance performs best. Experiments show that ZIL can achieve the localization accuracy of 87%, which is competitive compared to state-of-the-art WiFi fingerprint-based approaches, and save energy by 68% on average compared to the approach based on WiFi interface.

In search of reliable centimeter-level indoor positioning: a smartphone-based approach

This thesis describes the design and implementation of a reliable centimeter-level indoor positioning system fully compatible with a conventional smartphone. The proposed system takes advantage of the smartphone audio I/O and processing capabilities to perform acoustic ranging in the audio band using non-invasive audio signals and it has been developed having in mind applications that require high accuracy, such as augmented reality, virtual reality, gaming and audio guides. The system works in a distributed operation mode, i.e. each smartphone is able to obtain its own position using only acoustic signals. To support the positioning system, a Wireless Sensor Network (WSN) of synchronized acoustic beacons is used. To keep the infrastructure in sync we have developed an Automatic Time Synchronization and Syntonization (ATSS) protocol with a standard deviation of the sync offset error below 1.25 μs. Using an improved Time Difference of Arrival (TDoA) estimation approach (which takes advantage of the beacon signals’ periodicity) and by performing Non-Line-of-Sight (NLoS) mitigation, we were able to obtain very stable and accurate position estimates with an absolute mean error of less than 10 cm in 95% of the cases and a mean standard deviation of 2.2 cm for a position refresh period of 350 ms.

A Beacon based Localization System for Autonomous Mobile Robots and its Applications in Traffic and Transport Control

ACCURATE sensing of vehicle position and attitude is still a very challenging problem in many mobile robot applications. The mobile robot vehicle applications must have some means of estimating where they are and in which direction they are heading. Many existing indoor positioning systems are limited in workspace and robustness because they require clear lines-of-sight or do not provide absolute, driftfree measurements.The research work presented in this dissertation provides a new approach to position and attitude sensing system designed specifically to meet the challenges of operation in a realistic, cluttered indoor environment, such as that of an office building, hospital, industrial or warehouse. This is accomplished by an innovative assembly of infrared LED source that restricts the spreading of the light intensity distribution confined to a sheet of light and is encoded with localization and traffic information. This Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) developed for mobile robot is a high resolution absolute localization system which is simple, fast, accurate and robust, without much of computational burden or significant processing. Most of the available beacon's performance in corridors and narrow passages are not satisfactory, whereas the performance of DISLiB is very encouraging in such situations. This research overcomes most of the inherent limitations of existing systems.The work further examines the odometric localization errors caused by over count readings of an optical encoder based odometric system in a mobile robot due to wheel-slippage and terrain irregularities. A simple and efficient method is investigated and realized using an FPGA for reducing the errors. The detection and correction is based on redundant encoder measurements. The method suggested relies on the fact that the wheel slippage or terrain irregularities cause more count readings from the encoder than what corresponds to the actual distance travelled by the vehicle.The application of encoded Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) system can be extended to intelligent control of the public transportation system. The system is capable of receiving traffic status input through a GSM (Global System Mobile) modem. The vehicles have infrared receivers and processors capable of decoding the information, and generating the audio and video messages to assist the driver. The thesis further examines the usefulness of the technique to assist the movement of differently-able (blind) persons in indoor or outdoor premises of his residence.The work addressed in this thesis suggests a new way forward in the development of autonomous robotics and guidance systems. However, this work can be easily extended to many other challenging domains, as well.

Ibeacon una nuova tecnologia per la localizzazione in ambienti chiusi.

Tesi di rassegna sugli iBeacon, tecnologia di brand Apple basata su Bluetooth Low Energy