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Università di Pisa

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELLA INFORMAZIONE
ELETTRONICA, INFORMATICA, TELECOMUNICAZIONI









Algoritmi per localizzazione DfP mediante RRSI in reti di sensori ZigBee


Indice


1.1 Ambient Assisted Living 9

1.2 Raccolta e distribuzione di informazioni 10

1.3 Interventi in situazioni di emergenza 10

1.4 Sicurezza e monitoraggio 11

1.5 Protocolli di trasferimento 14

1.1 IrDa 15

1.2 Wi-Fi 15

1.3 WUSB 16

1.4 Bluetooth 16

1.5 ZigBee e Standard IEEE 802.15.4 16

1.6 Localizzazione cooperativa o non cooperativa 21

1.7 Localizzazione centralizzata o distribuita 21

1.8 Anchor Based e Anchor Free 22

1.9 Range Based e Range Free 22

1.10 Fasi della localizzazione 22

1.6 Ranging 23

1.7 Positioning 24

1.8 Refinement 25

1.11 VRTI 26

1.9 Formulazione matematica 27

1.10 Validazione sperimentale 29

1.12 Radio Imaging 32

1.11 Formulazione matematica 32

1.12 Validazione sperimentale 35

1.13 Electromagnetic Tracking 37

1.13 Formulazione matematica 38

1.14 Validazione sperimentale 43

1.14 Piattaforma hardware 45

1.15 Piattaforma software 47

1.15 TinyOS 48

1.16 NesC 52

1.16 Il codice 53

1.17 La campagna misure 58

1.18Conclusioni 65

1.19Sviluppi futuri 66

spin.h 67

spinAppC.nc 67

spinC.nc 68

UserC.h 71

UsrAppC.nc 72

UserC.nc 72



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 la localizzazione e il tracking di un target in reti di sensori ZigBee, cosi da fornire uno strumento completo per il confronto che potrà essere utilizzato in fase di realizzazione di nuovi algoritmi. In particolare si considerano sistemi di tipo DfP [1], caratterizzati dal fatto che per la localizzazione non richiedono dell’ausilio di dispositivi sul target che viene così a identificarsi come elemento passivo del sistema. Tra tutte le grandezze utilizzabili per la localizzazione nelle WSN [2] si è scelto di considerare i sistemi che utilizzano il RSSI; è un indicatore di potenza ricevuta che è rilevato nelle reti di sensori in modo autonomo ogni volta che si riceve un pacchetto. 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 aggiuntivo. Gli errori sulle misure del RSSI e di conseguenza sulle stime della posizione, sono dovuti al multipath. Letteralmente percorsi multipli, è un fenomeno elettromagnetico che fa degradare le prestazioni del sistema introducendo incertezza sulla misura della potenza ricevuta, e quindi sul RSSI, che ne è un indicatore. 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). Nel caso di studio il sistema di localizzazione è installato in ambienti indoor, dove il multipath ha un’incidenza notevole. 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].

Struttura dell’elaborato


Nel primo capitolo è approfondito il concetto di localizzazione e i diversi campi applicativi con particolare attenzione ai sistemi DfP.

Nel secondo capitolo sono presentate le caratteristiche delle WSN, ponendo l’accento sul concetto di sensore e facendo una panoramica dei protocolli di comunicazione. In particolare è descritto lo standard ZigBee, standard utilizzato nel sistema che si è deciso di realizzare. Sono inoltre mostrati i parametri che discriminano i diversi sistemi di localizzazione e le fasi della localizzazione stessa, con accenni ad alcuni degli algoritmi più diffusi.

Nel terzo capitolo sono descritti in modo dettagliato gli algoritmi presenti in letteratura a riguardo della localizzazione indoor DfP. Di ogni algoritmo si riportano la formulazione matematica e la validazione sperimentale presente negli articoli di riferimento.

Nel quarto capitolo sono forniti i dettagli che si riferiscono al sistema di localizzazione realizzato. Sono specificati sia le componenti che i dettagli relativi alla raccolta dei dati :



    • Il componente hardware, ovvero il sensore;

    • Il componente software, che comprende il sistema operativo, il linguaggio di programmazione e il codice;

    • Istallazione del sistema;

    • Caratteristiche e definizioni degli scenari applicativi;

Nel quinto capitolo sono presentati i risultati dell’implementazione, con le relative analisi e conclusioni. E inoltre si fanno delle proposte su quelli che potrebbero essere gli sviluppi futuri.





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