Indoor rangingsysteem op FPGA gebaseerd op Time Difference of Arrival en Code Division Multiple Access met ultrasone transducers als basis voor een indoor lokalisatiesysteem

David Van Bavegem
Waar GPS stopt, begint indoor positiebepaling!Een GPS of Global Positioning System voorziet zijn gebruikers van positie, navigatie en tijdsynchronisatie. Bij de indoor variant wordt net zoals bij GPS getracht om de positie te bepalen van voorwerpen of mensen, maar dan in gebouwen. Indoor positiebepaling kent vele toepassingen. Denk maar aan een interactief museumbezoek waarbij positie-afhankelijke informatie gegeven wordt over de museumstukken. Een ander voorbeeld is navigatie doorheen een luchthaven of een grote parkeergarage.

Indoor rangingsysteem op FPGA gebaseerd op Time Difference of Arrival en Code Division Multiple Access met ultrasone transducers als basis voor een indoor lokalisatiesysteem

Waar GPS stopt, begint indoor positiebepaling!

Een GPS of Global Positioning System voorziet zijn gebruikers van positie, navigatie en tijdsynchronisatie. Bij de indoor variant wordt net zoals bij GPS getracht om de positie te bepalen van voorwerpen of mensen, maar dan in gebouwen. Indoor positiebepaling kent vele toepassingen. Denk maar aan een interactief museumbezoek waarbij positie-afhankelijke informatie gegeven wordt over de museumstukken. Een ander voorbeeld is navigatie doorheen een luchthaven of een grote parkeergarage. Dit soort van systemen is ook meer en meer gegeerd door supermarkten en winkelcentra.

“Het is een perfect hulpmiddel om klanten te oriënteren naar aanbiedingen of persoonlijke productinformatie aan te bieden.”

Bovendien is het mogelijk om op basis van alle informatie die verzameld wordt door dergelijke systemen, betere productanalyses en statistieken te genereren. Zo kunnen er bijvoorbeeld heatmaps worden gemaakt die de populairste posities/producten weergeven.

GPS niet bruikbaar indoor

Het staat vast dat indoor lokalisatie een booming business is. Helaas kan GPS niet gebruikt worden als indoor positiesysteem. De uitgezonden signalen zullen sterk of zelfs volledig gedempt worden door o.a. het dak en de muren van het gebouw. Het systeem eist dat de GPS-ontvangers en de satellieten elkaar kunnen ‘zien’ (line of sight). Ook de nauwkeurigheid is beperkt tot enkele meters, wat voor vele toepassingen onvoldoende is. Om deze redenen werd er tijdens mijn thesis een alternatief systeem gebouwd om indoor lokalisatie te verwezelijken.

Time Division Multiple Access

Er bestaan reeds enkele indoor lokalisatiesystemen. De meeste hiervan zijn gebaseerd op het principe Time Division Multiple Access (TDMA). Elke zender krijgt een tijdslot toegewezen waarin deze zijn signaal kan uitzenden. Bij dergelijke systemen moeten tijdschema’s worden opgesteld met welke zender wanneer mag uitzenden. Dit is complex en vereist de synchronisatie tussen elke zender en ontvanger. Er is een gebrek aan identificatie van de zenders door de ontvangers, slechts één zender kan tegelijkertijd over het medium uitzenden en tot slot zijn dergelijke systemen zeer gevoelig voor ruis.

Code Division Multiple Access

Er is reeds aangetoond dat het aantal positie-updates en de nauwkeurigheid van indoor lokalisatiesystemen toeneemt door het gebruik van Code Division Multiple Access (CDMA). Verschillende zenders zenden tegelijkertijd een unieke code uit op zodanige manier dat de ontvanger deze verschillende codes nog van elkaar kan onderscheiden. Hierdoor vallen ook de tijdschema’s (gedeeltelijk) weg.

In mijn thesis heb ik het gebruik van CDMA bij indoor lokalisatie onderzocht. Verschillende bestaande technieken en de verbeteringen die reeds voorgesteld zijn in de literatuur zijn besproken. Op basis van deze studie is een eigen systeem ontworpen en gerealiseerd.

In het nieuwe systeem wordt er gewerkt met een combinatie van ultrasone geluidsgolven en RF-signalen. De ontvanger meet de aankomsttijd van beide signalen en in combinatie met de propagatiesnelheden van beide signalen kan de afstand tussen zender en ontvanger berekend worden. De ontvanger stelt het voorwerp of de persoon in kwestie voor. Deze techniek noemt Time Difference of Arrival. De positie kan vervolgens bepaald worden d.m.v. trilateratie.

Indoor lokalisatie experimenten

Bij de experimenten is getracht om een zo realistisch mogelijk scenario te schetsen voor indoor lokalisatie toepassingen. Een ruimte waarbij er in elke hoek een zender is geplaatst. Deze zenden elk hun unieke code uit op een random tijdstip. De ontvangerslogica zal op basis van de hoogste correlatiesterkte de afstand tussen de zenders en de ontvanger meten. Uit de resultaten blijkt dat een nauwkeurigheid van enkele centimeters kan gehaald worden. Deze nauwkeurigheid biedt mogelijkheden tot vele nieuwe toepassingen in de toekomst.

Technologische revolutie

Indoor lokalisatie is momenteel een veelbesproken onderzoeksonderwerp en kent vele toepassingen. Net zoals mobiele telefoons ooit een technologische revolutie zijn geweest zal indoor positiebepaling er ook één zijn de komende jaren!

Bibliografie

[1] L. Segers, D. Van Bavegem, S. De Winne, A. Braeken, A. Touhafi, K. Steenhaut, An Ultrasonic Multiple-Access Ranging Core Based on Frequency Shift Keying Towards Indoor Localization, 2015, in Sensors Journal [submitted] [2] R. Bucher, D. Misra, A Synthesizable VHDL Model of the Exact Solution for Three-dimensional Hyperbolic Positioning System, 2002, in VLSI Design, vol. 15, no. 2, pp. 507-520, doi:10.1080/1065514021000012129 [3] C. Medina, J. C. Segura, A. De la Torre, Ultrasound Indoor Positioning System Based on a Low-Power Wireless Sensor Network Providing Sub-Centimeter Accuracy, 2013, in Sensors Journal, vol. 13, no. 3, pp. 3501-3526, doi:10.3390/s130303501 [4] C. Medina, J. C. Segura, A. De La Torre, Accurate time synchronization of ultrasonic TOF measurements in IEEE 802.15.4 based wireless sensor networks, 2013, in Ad Hoc Networks, vol. 11, no. 1, pp. 442-452, doi:10.1016/j.adhoc.2012.07.005, ISSN 1570-8705 [5] M. Barralet, X. Huang, D. Sharma, Effects of antenna polarization on RSSI based location identification, February 2009, 11th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), vol. 1, pp. 260-265 [6] N. Cinefra, An adaptive indoor positioning system based on Bluetooth Low Energy RSSI [M.S. thesis], 2013, Polytechnic University of Milan [7] L. Segers, Implementatie van een testbed voor een Indoor Localisation Systeem gebaseerd op Time Difference of Arrival (TDOA) met RF en ultrasoon transceivers [M.S. thesis], 2012, Vrije Universiteit Brussel [8] L. Segers, J. Tiete, A. Braeken, A. Touhafi, Ultrasonic Multiple-Access Ranging System Using Spread Spectrum and MEMS Technology for Indoor Localization, in Sensors Journal, vol. 14, no. 2, pp. 3172-3187, doi:10.3390/s1402031722182046 [9] S. De Winne, Realisatie van een ingebed Indoor Ranging Systeem gebaseerd op Time Difference of Arrival met ultrasone transducers [M.S. thesis], 2014, Vrije Universiteit Brussel [10] F. X. Dominguez Bonini, Embedded Position Estimation Techniques for Patient Tracking [M.S. thesis], 2009, Vrije Universiteit Brussel [11] K. Kaemarungsi, P. Krishnamurthy, Modeling of indoor positioning systems based on location fingerprinting, 2004, 23rd Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM), vol. 2, pp. 1012-1022, doi: 10.1109/INFCOM.2004.1356988 [12] S. Chan, G. Sohn, Indoor localization using Wi-Fi based fingerprinting and trilateration techniques for LBS applications, 2012, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXVIII-4/C26 [13] M. Adalja Disha, A Comparative Analysis on indoor positioning Techniques and Systems, April 2013, in International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), vol. 3, no. 2, pp. 1790-1796 [14] A. Harter, A. Hopper, P. Steggles, A. Ward, P. Webster, The anatomy of a context-aware application, 2002, in Wireless Networks, vol. 8, no. 2/3, pp. 187-197, doi: 10.1145/313451.313476 [15] I. Amundson, X. Koutsoukos, J. Sallai, A. Ledeczi, Mobile Sensor Navigation using Rapid RF-based Angle of Arrival Localization, April 2011, Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS), pp. 316-325, doi: 10.1109/RTAS.2011.37 [16] M. Malajner, P. Planinsic, D. Gleich, Angle of Arrival Estimation Using RSSI and Omnidirectional Rotatable Antennas, June 2012, in Sensors Journal, vol. 12, no. 6, pp. 1950-1957, doi: 10.1109/JSEN.2011.2182046 [17] A. Smith, H. Balakrishnan, M. Goraczko, N. Priyantha, Tracking moving devices with the cricket location system, 2004, in Proceedings of the 2nd international conference on Mobile systems, applications, and services (MobiSys 2004), pp. 190-202, doi: 10.1145/990064.990088 [18] Y. Fukuju, M. Minami, H. Morikawa, T. Aoyama, DOLPHIN: an autonomous indoor positioning system in ubiquitous computing environment, 2003, in Software Technologies for Future Embedded Systems, pp. 53-56, doi: 10.1109/WSTFES.2003.1201360 [19] M. Hazas, A. Ward, A Novel Broadband Ultrasonic Location System, 2002, in Proceedings of the 4th international conference on Ubiquitous Computing (UbiComp 2002), pp. 264-280, doi: 10.1007/3-540-45809-3\_21 [20] O. A. M. Aly, A. S. Omar, Spread Spectrum Ultrasonic Positioning System, 2005, in Proceedings of the 2nd Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC 2005), pp. 109-114 [21] Zolertia, Zolertia Z1 Datasheet, March 2010, v1.1 [22] M. George, P. Alfke, Xilinx, Linear Feedback Shift Registers in Virtex Devices, April 2007, Application Note XAPP210 (v1.3) [23] W. P. Mason, An Electromechanical Representation of a Piezoelectric Crystal Used as a Transducer, October 1935, in Proceedings of the Institute of Radio Engineers, vol. 23, no. 10, pp. 1252-1263, doi: 10.1109/JRPROC.1935.227273 [24] Pro-Wave Electronics Corp., Equivalent Circuit of Ultrasonic Transducers, August 2005, Application Note AP050913 [25] Pro-Wave Electronics Corp., Ultrasonic Transducers, March 2015 [26] J. R. Gonzalez Hernandez, C. J. Bleakley, Low-Cost, Wideband Ultrasonic Transmitter and Receiver for Array Signal Processing Applications, May 2011, In Sensors Journal, vol. 11, no. 5, pp. 1284-1292, doi: 10.1109/JSEN.2010.2084568 [27] W. Wang, S. A. Soper, Bio-MEMS: Technologies and Applications, 2007, ISBN 978-1-4200-1867-7 [28] Knowles Electronics, SPU0410LR5H-QB: Zero-Height SiSonic Microphone, March 2013, Revision H [29] Knowles Corporation, New product: Ultrasonic MEMS Microphone SPH0641LU4H-1 [Press release], 2014 [30] Knowles Corporation, New product: Digital Multimode MEMS Microphone SPH0641LM4H-1 [Press release], 2014 [31] D. Amm, H. Yang, M. E. Last, Apple Inc., Ultrasonic MEMS Transmitter, June 2014, Patent Application Publication, Pub. No. US 2014/0157904 A1 [32] Texas Instruments, ADC101S021 Single Channel, 50 to 200 ksps, 10-Bit A/D Converter, January 2014 [33] J. M. Villadangos, J. Urena, M. Mazo, A. Hernandez, C. De Marziani, A. Jimenez, F. Alvarez, Improvement of Cover Area in Ultrasonic Local Positioning System Using Cylindrical PVDF Transducer, June 2007, in IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2007), pp. 1473-1477, doi: 10.1109/ISIE.2007.4374819 [34] Measurement Specialties Incorporated, 40kHz Omni-Directional Ultrasound Transmitter US40KT-01, December 2001, Application Specification 20-03, Revision C [35] A. Kortun, Spreading codes in CDMA detection, July 2003, http://faraday.ee.emu.edu.tr/ee574/Projects/Kortun.pdf [36] Maxim Integrated, MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX3241, 2007, 19-0273, Rev 7 [37] MathWorks MATLAB, Using FDATool, 2015,http://nl.mathworks.com/help/signal/ug/opening-FDATool.html [38] Z. Milivojević, MikroElektronika, Digital Filter Design, 2015,http://www.mikroe.com/products/view/268/digital-filter-design/ [39] Xilinx, Spartan-6 FPGA Block RAM Resources: User Guide, July 2011, UG383 (v1.5) [40] Digilent, Atlys Board Reference Manual, August 2013 [41] Xilinx, Spartan-6 FPGA DSP48A1 Slice: User Guide, May 2014, UG389 (v1.2) [42] Xilinx, Spartan-6 FPGA Configurable Logic Block: User Guide, February 2010, UG384 (v1.1)

Universiteit of Hogeschool
Industriële Wetenschappen Elektronica - ICT
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: