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  • Departamento de Engenharia Electrotécnica

    DDeesseennvvoollvviimmeennttoo ddee uumm ssiisstteemmaa ddee rrááddiioo llooccaalliizzaaççããoo

    nnaa bbaannddaa ddooss 443333 MMHHzz ppaarraa aammbbiieenntteess eexxtteerriioorreess Relatório de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre

    em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

    Autor

    Bernardino Pinto Neves

    Orientador

    Doutor Victor Daniel Neto dos Santos Professor Adjunto ISEC

    Coimbra, Dezembro, 2013

  • AGRADECIMENTOS

    Bernardino Pinto Neves i

    AGRADECIMENTOS

    Gostaria de agradecer a todos aqueles que me apoiaram e contribuíram para a conclusão deste

    Mestrado, e em particular:

    Ao professor Victor Daniel Neto Santos pela orientação, acompanhamento, incentivo e

    permanente disponibilidade demonstrada durante este projecto;

    Aos diversos professores das unidades da componente curricular do Mestrado em Automação

    e Comunicações em Sistemas de Energia (MACSE) pelo apoio dado durante as aulas;

    À minha família, em particular à minha mulher e filhos, pelo estímulo e natural apoio

    demonstrado ao longo da realização deste trabalho.

    Aos meus colegas de trabalho, pelo apoio e contribuições que deram durante o

    desenvolvimento do presente projecto.

    À empresa onde trabalho ENEIDA Wireless & Sensors SA, pelo incentivo e apoio dado

    durante a frequência do mestrado.

    Por último, mas não menos importantes, a todos os que directa e indirectamente deram o seu

    apoio e contribuição.

    O meu muito obrigado a todos.

  • ii

  • RESUMO

    Bernardino Pinto Neves iii

    RESUMO

    O presente trabalho, pretende analisar, estudar e implementar um sistema localização outdoor,

    recorrendo a técnicas de rádio localização.

    É objectivo deste trabalho, implementar um sistema de rádio localização outdoor, capaz de

    determinar a posição de um alvo dentro de uma área aproximadamente de 2 hectares, com

    uma precisão aceitável. Durante este trabalho foram realizados diversos estudos de sistemas

    de rádio localização possíveis e existentes de modo a ser possível implementar um sistema de

    rádio localização capaz de responder as necessidades pretendidas.

    Após uma análise inicial das várias técnicas de rádio localização existentes, chegou-se a

    conclusão que para o projecto em questão as melhores técnicas seriam, as técnicas baseadas

    na força do sinal recebido RSSI e o tempo de propagação do sinal no espaço. Nesta análise

    inicial também foram abordados aspectos relacionados com os sistemas de comunicação via

    rádio e eficiência energética.

    Palavras-chave: Sistemas de rádio localização; Rádio frequência; Localização Outdoor.

  • iv

  • ABSTRACT

    Bernardino Pinto Neves v

    ABSTRACT

    The present works want to analyze, study and implement a system location outdoors, using

    techniques of radio location.

    It's aim of this work, implement a radio outdoor location system, capable of determining the

    position of a target within an area of about 2 acres with acceptable accuracy. During this work

    were performed several studies of radio location systems possibles and existing, in order to be

    possible to implement a radio location system capable of meeting the intended needs.

    After an initial analysis of the various radio location techniques existing, we reached the

    conclusion that for the project in question would be the best techniques, are the techniques

    based on Received Signal Strength Indication RSSI and the signal propagation time in space.

    In this initial analysis were also discussed aspects related to radio communication systems and

    energy efficiency.

    Keywords: Systems of radio location; Radio frequency; Outdoor Location.

  • vi

  • ÍNDICE

    Bernardino Pinto Neves vii

    ÍNDICE

    AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................ i

    RESUMO ......................................................................................................................................... iii

    ABSTRACT ...................................................................................................................................... v

    ÍNDICE ........................................................................................................................................... vii

    ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................... ix

    ABREVIATURAS............................................................................................................................xv

    1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1

    1.1 Objectivos e Metodologia .................................................................................................. 2

    1.1.1 Objectivos do projecto ............................................................................................................... 2

    1.2 Estrutura do relatório do projecto ...................................................................................... 3

    2 Propagação de sinais rádio ......................................................................................................... 5

    2.1 Ondas de rádio. ................................................................................................................. 5

    2.2 Antenas. ............................................................................................................................ 7

    2.2.1 Antena dipolo de meio comprimento de onda. ............................................................................ 8 2.2.2 Antena monopolo de um quarto comprimento de onda...............................................................10

    2.2.3 Ganho e directividade. ..............................................................................................................11

    2.2.3.1 Antena Cardioide. ............................................................................................................16 2.3 Modelos de propagação de sinais rádio. ............................................................................17

    2.3.1 Modelos de propagação ............................................................................................................19

    2.3.2 Propagação de ondas de rádio – Modelo de 2 raios. ...................................................................19 2.3.3 Modelos de desvanecimento......................................................................................................22

    2.4 Conclusão ........................................................................................................................24

    3 Técnicas de rádio localização ....................................................................................................25

    3.1 Sistemas de localização baseados na distância ..................................................................25

    3.1.1 Radio Signal Strenght Indicator - RSSI .....................................................................................25

    3.1.2 Time of Arrival (TOA) .............................................................................................................28 3.1.3 Time Difference of Arrival (TDOA)..........................................................................................29

    3.1.4 Angle of Arrival (AOA) ............................................................................................................31 3.1.5 RF Fingerprinting .....................................................................................................................32

    3.2 Sistemas de localização baseados na conexão ...................................................................33

    3.3 Filtragem..........................................................................................................................33

    3.3.1 Método de estimação de Monte Carlo........................................................................................33

    3.3.2 Filtro de partículas ....................................................................................................................37

    3.4 Conclusão ........................................................................................................................47

    4 Sistema de rádio localização proposto .......................................................................................49

    4.1 Introdução ........................................................................................................................49

    4.1.1 Topologias e protocolos de rádio localização .............................................................................50

    4.2 Plataforma de hardware desenvolvida ...............................................................................52

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