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Università di Pisa

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELLA INFORMAZIONE
ELETTRONICA, INFORMATICA, TELECOMUNICAZIONI









Algoritmi diper lLocalizzazione ocalizzazione DfP Mmediante RRSI in Rreti di Ssensori ZigBee


Indice


1.1 Ambient Assisted Living 10

1.2 Raccolta e distribuzione di informazioni 11

1.3 Interventi in situazioni di emergenza 12

1.4 Sicurezza e monitoraggio 12

1.5 Protocolli di trasferimento 15

1.1 IrDa 16

1.2 Wi-Fi 16

1.3 WUSB 17

1.4 Bluetooth 17

1.5 ZigBee e Standard IEEE 802.15.4 17

1.6 Localizzazione cooperativa o non cooperativa 22

1.7 Localizzazione centralizzata o distribuita 22

1.8 Anchor Based e Anchor Free 23

1.9 Range Based e Range Free 23

1.10 Fasi della localizzazione 23

1.6 Ranging 24

1.7 Positioning 25

1.8 Refinement 26

1.11 VRTI 27

1.9 Formulazione matematica 28

1.10 Validazione sperimentale 30

1.12 Radio Imaging 33

1.11 Formulazione matematica 33

1.12 Validazione sperimentale 36

1.13 Electromagnetic Tracking 38

1.13 Formulazione matematica 39

1.14 Validazione sperimentale 44

1.14 Piattaforma hardware 46

1.15 Piattaforma software 48

1.15 TinyOS 49

1.16 NesC 53

1.16 Il codice 54

1.17 La campagna misure 59

1.18Conclusioni 66

1.19Sviluppi futuri 67

spin.h 68

spinAppC.nc 68

spinC.nc 69

UserC.h 72

UsrAppC.nc 73

UserC.nc 73



Ringraziamenti




Lista degli acronimi


AAL: Ambient Assisted Living

AoA: Angle of Arrival

CDMA: Code Division Multiple Access

CNR: Consiglio Nazionale delle Ricerche

CSMA-CA: Carrier Sense Multiple Access

DfP: Device-free Passive

DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum

EKF: Extended Kalman Filter

FDMA: Frequency Division Multiple

FIFO: First In First Out

HMM: Hidden Markov Model

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

IO: Input Output

IrDa: Infrared Data Association

ISM: Industrial Scentific Medical

ISO: International Organization for Standardization

ISP: In System Processor

ISTI: Istituto di Scienza e Tecnologie dell’Informazione

LBE: Learning‐by‐Examples

LBS: Location Based Services

LLC: Logical Link Control

MAC: Medium Access Control

MAP: Maximum A Posteriori

MLE: Maximum Likelihood Estimation

MMSE: Min Mean Squared Error)

NESC: Network Embedded System C

OSI:Open Systems Interconnection

PHY: Physical

RSSI: Recived Signal Strength Indicator

RTI: Radio Tomographic Imaging

SO: Sistema Operativo

SVM: Support Vector Machines (SVM).

TDMA: Time Division Multiple Access

TDoA: Time Difference of Arrival

ToA: Time of arrival

TinyOS: Tiny Operating System

TSCH: Time Slotted Channel Hopping

UKF: Unscented Kalman Filter

UWB: Ultra Wide Band

VRTI: Variance-based Radio Tomographic Imaging

Wi-Fi: Wireless Fidelity

WPAN: Wireless Personal Area Network



WUSB: Wireless Universal Serial Bus

Introduzione


Lo scopo di questo elaborato è di presentare una panoramica dettagliata sugli algoritmi per di la localizzazione e il e tracking di un target privo di dispositivi coinvolti nella localizzazione, e i cui dati per la localizzazione vengono acquisiti attraverso in reti di sensori wireless ZigBeedisposti nell’intorno dell’area che coinvolge il movimento del target, cosi da fornire uno strumento completo per il confronto che potrà essere utilizzato in fase di realizzazione di nuovi algoritmi. In particolare si considerano Questa metodologia di sistemi di tipo localizzazione viene identificata in letteratura con il nome di Device-free Passive (DfP) [1], ed appunto è caratterizzata dal fatto che caratterizzati dal fatto che per la localizzazione non richiedono dell’ausilio di il traget dispositivi sul target che viene così a identificarsi come elemento passivo del sistemanon dispone di nessun elemento coinvolto nella localizzazione, e per questa ragione è detto passivo . Per quanto riguarda la tipologia di dati da acquisire per mezzo dei sensori wireless,Tra tutte le grandezze utilizzabili per la localizzazione nelle WSN [2] si è scelto posta l’attenzione sui valori di Radio Signal Strenghtdi considerare i sistemi che utilizzano il (RSS) [2], è un indicatore diche esprime la potenza del segnale ricevutoa durante una comunicazione dati che è rilevato nelle reti di sensori in modo autonomo ogni volta che si riceve un pacchetto. Le metodologie di localizzazione I sistemi che sfruttano tale grandezza presentano errori sulle misure superiori ad altri sistemi, ma sono comunque preferiti visto che hanno il pregio di non richiedere alcun hardware elaborati e costosi aggiuntivo. Gli errori di localizzazione dei sistemi basati sulle misure del RSS,I e di conseguenza sulle stime della posizione, sono dovuti in maniera preponderate al fenomeno del multipath delle reti wireless. Letteralmente percorsi multipli,Come è noto il multipath è un fenomeno elettromagnetico che fa degradare le prestazioni del sistema introducendo incertezza sulla misura della potenzail segnale ricevuto, a causa della ricezione dello stesso segnale proveniente da percorsi multipli dovuti alla riflessione del segnale trasmessoricevuta, e quindi sul RSSI, che ne è un indicatore. Tale fenomeno diventa più rilevante nei casi di localizzazione per ambienti interni (indoor localization) Infatti, mentre nel caso ideale la potenza ricevuta dipende solo dalla potenza associata all’onda elettromagnetica trasmessa, nel caso reale questa dipende da tutte le repliche dell’onda, formatesi in seguito a fenomeni di rifrazione e riflessione (multipath). dato che il Nel caso di studio il sistema di localizzazione è installato in ambienti indoor, dove il multipath ha un’incidenzapuò assumere livelli notevolie. Infatti, il numero di potenziali ostacoli unito alla limitatezza dello spazio, determinano un aumento delle sorgenti di rumore e un conseguente aumento della probabilità che al ricevitore giungano delle repliche dell’onda elettromagnetica trasmessa, con ritardi e attenuazioni non costanti, che dipendono dai diversi percorsi fatti. [3].




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