Fine-Grained localization system for indoor environments

Abstract

The increasing demand for tracking solutions in indoor environments has led to the development of many indoor location systems based in the most diverse technologies. They are trying to fill a market niche left by the current available location systems such as the well-known Global Positioning System (GPS). These systems are limited to an outdoor usage due to the drastic attenuation of the GPS signals in closed areas and they cannot provide enough resolution to meet the requirements of certain applications. Therefore, it’s here proposed the conception of a system capable of locating a mobile module in indoor environments with an accuracy of a few centimeters. The system’s concept is based in measuring the time difference of arrival (TDOA) between a radio frequency signal and an ultrasonic burst in order to measure distances. The huge difference between the propagation velocities of RF waves comparatively to sound waves allows the system to accurately measure the time difference between the two arrivals and use that value to estimate the distance that separates the source from the destination. This document describes the development of all the necessary hardware for the conception of a final prototype and all the aspects regarding the software implementation. This system is composed by two types of devices that can be divided in Ultrasonic (US) transmitters and receivers. Each device is equipped with a RF module that allows them to communicate through a wireless network based in the IEEE802.15.4 protocol. In the end, a functional prototype was achieved that was subsequently submitted to several tests in order to evaluate its performance. These tests corroborated the viability of this localization method with the prototype achieving a remarkable precision level.

A crescente demanda por soluções de rastreamento em ambientes interiores levou ao desenvolvimento de vários sistemas de localização baseados nas mais diversas tecnologias. Eles vêm tentar colmatar um nicho de mercado deixado pelos sistemas de localização actualmente disponíveis como o caso do bem conhecido Sistema de Posicionamento Global (GPS). Estes sistemas estão limitados ao uso exterior devido à drástica atenuação dos sinais GPS em áreas fechadas e eles não oferecem resolução suficiente para cumprir os requisitos de certas aplicações. Por conseguinte, é aqui proposta a concepção de um sistema capaz de localizar um módulo móvel em ambientes interiores com uma resolução de alguns centímetros. O conceito do sistema é baseado na medição da diferença dos tempos de chegada entre um sinal de radiofrequência e um sinal de ultra-sons de forma a calcular distâncias. A enorme diferença entre as velocidades de propagação das ondas RF comparativamente às ondas sonoras permitem ao sistema medir com precisão a diferença entre o tempo de chegada dos dois sinais e usar esse valor para estimar a distância que separa a fonte do destino. Este documento descreve o desenvolvimento de todo o hardware necessário para a concepção de um protótipo bem como todos os aspectos relativos à implementação de software. Este sistema é composto por dois tipos de dispositivos que podem ser divididos em transmissores e receptores de sinais ultrassónicos. Cada dispositivo está equipado com um módulo de radiofrequência que lhes permite comunicar através de uma rede sem fios baseada no protocolo IEEE802.15.4. No final, foi alcançado um protótipo funcional que posteriormente foi submetido a vários testes de forma a avaliar o seu desempenho. Estes testes vieram corroborar a viabilidade deste método de localização com o protótipo a atingir um notável nível de precisão.