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PROPOSTA DE SISTEMA DE LOCALIZAÇÃO PARA CADEIRA DE RODAS AUTOMATIZADA EM AMBIENTE

INTELIGENTE

PATRIC J. MARQUES

Departamento de Engenharia Eletrônica, Universidade de Caxias do Sul (UCS), Bento Gonçalves, Rio Grande

do Sul, Brasil

E-mails: [email protected]

CARLOS EDUARDO PEREIRA

Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Porto Alegre,

Rio Grande do Sul, Brasil

E-mails: [email protected]

Abstract In Brazil there are millions of people with some kind of limited mobility, and that most of these disabled people

need a wheelchair to get around. The development of assistive technologies, ie technologies to assist these people in their activi-

ties, has received increasing attention both from the standpoint of business, as academic research. Among these lines of research,

the integration of automated wheelchairs with home automation systems is among the research areas of greatest importance. The

home automation needs information so it can offer your services to the wheelchair user, and important information would be the

location of automated wheelchair. Within this context, this paper proposes an indoor positioning system for wheelchairs in intel-

ligent environments. The proposal combines Wireless Sensor Networks (WSN) and RFID technology, where RFID tags are used

as landmark for automatic calibration of the parameters of WSN. The proposed indoor positioning system was evaluated exper-

imentally and compared with a traditional system using only WSN, in room automated using an wheelchair adapted to com-

municate with the WSN.

Keywords Automation systems, Indoor Positioning System, WSN, RFID, Wheelchair, Intelligent Environment, Assistive

technologies.

Resumo No Brasil existem milhões de brasileiros com algum tipo de dificuldade de locomoção, sendo que grande parte des-

ses deficientes necessita de cadeira de rodas para se locomover. Com isso, o desenvolvimento de tecnologias ditas ¨assistivas¨,

ou seja, tecnologias que visam assistir estas pessoas em suas atividades, tem recebido uma crescente atenção, tanto do ponto de

vista de negócios, como de pesquisas acadêmicas. Dentre estas linhas de pesquisa, a integração entre cadeiras de rodas automa-

tizadas com sistemas de automação predial e residencial está entre as linhas de pesquisa de maior destaque. O ambiente automa-

tizado necessita de informações para que possa oferecer seus serviços ao cadeirante, e uma informação importante seria a locali-

zação da cadeira de rodas. Neste contexto, este trabalho propõe um sistema de localização em interiores para cadeiras de rodas

automatizadas em ambientes inteligentes. A proposta combina Redes de sensores sem fio (RSSF) e a tecnologia RFID, onde as

etiquetas RFID são utilizadas como marcos de referências para a calibração automática dos parâmetros da RSSF. O sistema de

localização proposto foi avaliado experimentalmente, e comparado com um sistema de localização tradicional utilizando somen-

te RSSF, em uma sala automatizada utilizando uma cadeira de rodas adaptada para se comunicar com a RSSF.

Palavras-chave Automação de Sistemas, Sistema de localização, RSSF, RFID, Cadeira de rodas, Ambiente inteligente, Tec-

nologia assistiva.

1 Introdução

Segundo dados do Censo demográfico 2010

(IBGE, 2010), divulgado pelo IBGE, mais de 8 mi-

lhões de brasileiros tem algum tipo de dificuldade de

locomoção. Não se tem um dado exato do número de

cadeirantes, mas sabe-se que grande parte desses

deficientes necessita de cadeira de rodas para se lo-

comover.

No âmbito das Tecnologias Assistivas, a integração

entre cadeiras de rodas automatizadas com sistemas

de automação predial e residencial está entre as li-

nhas de pesquisa de maior destaque, pois tem como

objetivo tornar a vida do usuário de cadeira de rodas

mais produtiva e cômoda, contribuindo para sua in-

dependência.

O ambiente automatizado ou inteligente necessita de

informações para que possa oferecer seus serviços ao

cadeirante, e uma informação importante seria a loca-

lização da cadeira de rodas. Os sistemas de localiza-

ção têm como propósito fornecer essa informação de

localização de pessoas ou objetos, e são utilizados

em diversas aplicações, como rastreamento de ativos,

gestão de estoque, navegação, monitoramento e na

localização e orientação de pessoas (Al Nuaimi,

2011).

Os sistemas de localização atuais são baseados em

diversas tecnologias, por exemplo: UWB (Ultra Wi-

de band), WLAN (Wireless Local Area Network),

RFID (Radio-Frequency IDentification), Bluetooth,

ZigBee, Telefone sem fio (portátil) e Rede de senso-

res sem fio, além de tecnologias que não se baseiam

em radiofrequência (RF), por exemplo, ultrassom,

infravermelho, navegação inercial, visão, som audível

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

4179

e sinais magnéticos (Liu, 2007; Al Nuaimi, 2011;

Deak, 2012).

Com a evolução dos dispositivos móveis e redes sem

fios de curto alcance, a aplicação dos sistemas de

localização em ambientes internos tornou-se muito

popular nos últimos anos (Liu, 2007), sendo a utili-

zação de Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) um dos

principais temas da atualidade em pesquisas de nível

acadêmico como solução para sistemas de localiza-

ção em interiores (Menegatti, 2009; Cherntano-

mwong, 2011; Rodrigues, 2011; Motter, 2011).

Além das funções tradicionais de sensoriamento,

processamento e comunicação de dados (Stojmeno-

vić, 2005), a RSSF apresenta-se como uma alternati-

va no desenvolvimento de sistemas de localização em

ambientes inteligentes, uma vez que sua infraestrutu-

ra é flexível, não depende de fios na interligação dos

dispositivos, e a rede pode ser composta por disposi-

tivos sensores multifuncionais, de baixo custo e de

baixa potência (Hussain, 2009).

Assim como a RSSF contribui para o desenvolvimen-

to de ambientes inteligentes, a tecnologia RFID tam-

bém se apresenta como uma solução interessante para

identificação automática de pessoas e objetos neste

tipo de aplicação. Em suma, a tecnologia RFID é um

método de identificação automática através de sinais

de rádio, semelhante ao tradicional código de barras,

mas utiliza ondas de rádios ao invés da radiação in-

fravermelha para a identificação da etiqueta pelo

leitor (Li, 2011; Fallah, 2013).

A capacidade de armazenar informações (ID da eti-

queta), o fato de não necessitar de linha visada para a

leitura e o curto alcance de leitura de algumas etique-

tas (poucos centímetros) proporcionam uma caracte-

rística particular aos sistemas RFID que vem sendo

explorada em pesquisas da área de sistemas de loca-

lização, a utilização de etiquetas RFID como marcos

de referência, popularmente chamado de landmark

(Park, 2009; Cruz, 2010; Li, 2011).

Diferente dos trabalhos que utilizam uma grande

quantidade de etiquetas RFID no desenvolvimento de

sistemas de localização por proximidade da fonte

(Park, 2009; Choi, 2011), este trabalho explora a

característica de marcos de referência como uma no-

va solução para a calibração automática dos parâme-

tros empíricos necessários para a estimação de posi-

ção utilizando RSSF, que tradicionalmente é realiza-

da através de uma tarefa demorada e exaustiva de

coleta de dados em vários pontos do ambiente (Ro-

drigues, 2011; Motter, 2011).

O propósito da combinação dessas tecnologias, RSSF

e RFID, é explorar a infraestrutura do ambiente inte-

ligente para o processo de localização da cadeira de

rodas, onde esta infraestrutura é composta por uma

RSSF, e algumas etiquetas RFID são instaladas para

servirem como marcos de referências.

Dessa forma, a contribuição deste trabalho é a avalia-

ção da combinação de Redes de Sensores Sem Fio

(RSSF), comumente utilizadas em sistemas de auto-

mação predial e residencial, e da tecnologia RFID

para sistemas de localização em interiores, e, princi-

palmente, a utilização de etiquetas RFID como mar-

cos de referências para a calibração dos parâmetros

empíricos da RSSF.

Este artigo está organizado da seguinte forma: na

Seção 2 são apresentados trabalhos relacionados aos

sistemas de localização utilizando RSSF e RFID. Na

seção 3 realiza-se uma revisão teórica sobre a estima-

ção de distância e localização utilizando RSSF. A

Seção 4 descreve como a característica de identifica-

ção automática das etiquetas RFID pode ser aprovei-

tada como marco de referência geométrica. Na seção

5 é descrita a metodologia proposta para o sistema de

localização. A avaliação experimental do sistema

proposto é apresentada na Seção 6. Por fim, a Seção

7 apresenta as conclusões.

2 Trabalhos relacionados

Em função da diversidade de técnicas e tecnolo-

gias empregadas no desenvolvimento de sistemas de

localização em interiores, é dada uma atenção espe-

cial aos trabalhos relacionados à localização em inte-

riores baseada em Rede de Sensores sem fio e na

tecnologia RFID, pois o sistema proposto neste traba-

lho faz uso dessas tecnologias. Dessa forma, a abor-

dagem de outras tecnologias para o desenvolvimento

de sistemas de localização está fora do escopo deste

trabalho.

Em sua grande maioria, sistemas de localização base-

ados em RSSF utilizam o Received Signal Strength

Indicator (RSSI), ou Indicador de Intensidade de

Sinal Recebido, como base no processo de localiza-

ção. O RSSI é uma forma de representar a atenuação

durante o percurso de uma mensagem entre o trans-

missor e o receptor de um sistema RF.

Na literatura são utilizados dois tipos de técnicas para

estimar a posição do alvo utilizando o RSSI. A pri-

meira abordagem é baseada na utilização de modelos

matemáticos de propagação do sinal, onde esses mo-

delos tentam relacionar a distância entre o transmis-

sor e receptor à potência do sinal recebido (RSSI), e

na utilização da técnica de lateração (Farahani,

2008). A segunda técnica, conhecida como análise de

cenário, consiste na utilização de um mapa de inten-

sidade de sinal recebido para estimar a posição do

alvo (Dawes, 2011).

A técnica de análise de cenário é uma solução inte-

ressante para sistemas de localização baseados em

RSSI, quando o objetivo é elevar a exatidão do sis-

tema, pois, em geral, essa técnica resulta em um sis-

tema mais exato em comparação aos sistemas basea-

dos em lateração. Entretanto, essa técnica necessita

de muito tempo para a fase de calibração e mudanças

no cenário exigem novas calibrações.

O sistema apresentado em (Cherntanomwong, 2011),

utilizando a técnica de análise de cenário, obteve

bons resultados comparando com outros trabalhos

encontrados na literatura que utilizam essa mesma


4180

técnica. Entretanto, o ambiente de teste deste trabalho

permite uma linha visada entre os dispositivos da

rede e não tem nenhum objeto ou parede próximos à

rede que possa alterar o comportamento do sinal RF,

fazendo com que o resultado esperado seja superior

aos resultados obtidos em um ambiente real com obs-

táculos e paredes.

O trabalho apresentado em (Rodrigues, 2011) avalia

a utilização de várias tecnologias RF no processo de

localização. Neste trabalho, o autor estuda as diferen-

tes tecnologias sem fio, Wi-Fi, ZigBee e Bluetooth,

aplicadas em sistemas de localização em interiores.

As técnicas utilizadas para estimar a posição do robô

são: análise de cenário e lateração.

Segundo (Rodrigues, 2011), a técnica de lateração é

de simples implementação, mas obteve uma menor

exatidão em comparação a técnica de análise de ce-

nário. A desvantagem da análise de cenário se dá

pelo fato de necessitar de muito tempo para a fase de

calibração e mudanças no cenário exigem novas cali-

brações. No trabalho, o autor não apresentou quanti-

tativamente o erro de localização utilizando as técni-

cas de lateração e análise de cenário.

A tecnologia RFID normalmente é utilizada com a

técnica de proximidade da fonte. Esta técnica depen-

de de uma grande quantidade de etiquetas RFID, com

suas posições conhecidas (dispositivos de referência).

Quando um alvo é detectado por uma única etiqueta,

é considerado que o alvo encontra-se na zona de co-

bertura da respectiva etiqueta que o detectou.

Trabalhos como de (Park, 2009) e (Choi, 2011) utili-

zam a tecnologia RFID e a técnica de proximidade da

fonte para a localização de um robô. Em ambos os

casos, os ambientes de testes são densamente povoa-

dos de etiquetas RFID e não possuem nenhum obstá-

culo que possa dificultar a localização do alvo, dife-

rente das características de um ambiente real.

Como relatados pelos autores, (Park, 2009) e (Choi,

2011), com essa técnica é possível obter uma exati-

dão de alguns centímetros. Entretanto, essa técnica

exige um elevado custo de implementação e tempo

de instalação, e, além disso, o sistema não é flexível,

uma vez que após as etiquetas RFID serem fixadas, a

tarefa de realoca-las e reconfigurar o sistema é ex-

tremamente trabalhosa e demorada.

Neste trabalho são exploradas lacunas encontradas na

literatura, que motivaram o desenvolvimento do sis-

tema de localização proposto. Os sistemas de locali-

zação baseados em RSSF, RSSI e lateração depen-

dem de uma fase de calibração dos parâmetros empí-

ricos necessários para a correta estimação da posição

do alvo. Essa tarefa não é tão exaustiva e demorada

quanto à fase de calibração da técnica de análise de

cenário, mas mesmo assim é necessário realizar cole-

tas manualmente.

Já os sistemas baseados em RFID dependem de uma

grande quantidade de pontos de referência para obter

um resultado satisfatório, o que eleva o custo da im-

plementação. O diferencial da proposta deste traba-

lho consiste em combinar essas duas tecnologias,

RSSF e RFID, desempenhando um papel diferente

dos encontrados na literatura.

O sistema de localização proposto neste trabalho

obtém os parâmetros empíricos da RSSF de uma

forma automática, dispensando a calibração necessá-

ria nos trabalhos anteriores. E para efetuar essa tare-

fa, a tecnologia RFID é utilizada como marcos de

referência. Sendo assim, o sistema de localização

proposto apresenta três vantagens importantes em

relação aos sistemas baseados em lateração tradicio-

nais: primeiramente, eleva o nível de exatidão, se-

gundo, dispensa a tarefa de calibração dos parâme-

tros empíricos de forma manual, e, por fim, torna o

sistema flexível, uma vez que o sistema calibra os

parâmetros sempre que a cadeira de rodas passa pelas

etiquetas RFID, adequando-se as possíveis mudanças

nas características do ambiente, por exemplo, na mo-

vimentação de objetos e mobília. Na próxima seção é

relatado como cada tecnologia é empregada no sis-

tema proposto.

3 Estimação de distância e localização utilizando

RSSF

Um sinal transmitido sofre atenuação durante o

percurso entre o transmissor e o receptor, respeitando

o modelo de propagação de ondas eletromagnéticas

no espaço livre. O RSSI é a forma que os rádios têm

para representar essa atenuação (perda de força ou

dissipação de energia) do sinal de uma mensagem

quando chega ao receptor. Os modelos de propaga-

ção do sinal de RF tentam representar a relação entre

a potência do sinal recebido e a distância entre o

transmissor e o receptor.

Neste trabalho são utilizados dois modelos de propa-

gação de sinal. O primeiro modelo é descrito pela

equação 1 (RAPPAPORT, 2002).

0

1010 dd n

RSSIA

(1)

O termo da equação 1, A, representada o valor do

RSSI obtido à distância de referência (d0) do emissor,

n é o expoente de atenuação e d é a distância calcula-

da. Na literatura é comum encontrar o termo A repre-

sentando o valor do RSSI obtido a 1 m de distância

(Chen, 2009; Hu, 2011).

O segundo modelo, apresentado em (Farahani, 2008),

é baseado em vários experimentos que consideram

ambientes internos reais, onde parte do sinal transmi-

tido pode ser absorvido por diferentes materiais, ou

refletido em vários objetos ou pode sofrer atrasos e

ser adicionado atrasado no sinal original devido aos

multicaminhos. Todos estes fenômenos podem alterar

a potência do sinal recebido. A equação 2 descreve o

modelo apresentado em (Farahani, 2008).

3811,0

10

63,29

10n

RSSI

d (2)

Os termos da equação 2, d, RSSI e n, são os mesmos

da equação 1. Vale observar que a equação original


4181

apresentada em (Farahani, 2008) foi adaptada para

atender as necessidades do projeto, onde a frequência

dos rádios é de 2405 MHz e potência de saída do

sinal é de 2,81 dBm.

A vantagem da segunda equação se dá pelo fato de

possui apenas um parâmetro empírico, o n, diferente

dos três parâmetros da primeira equação, n, A e d0.

Adicionalmente, como não necessita de nenhuma

amostra de RSSI do ambiente (na primeira equação,

A é o RSSI a uma distância de referência), com um

único ponto é possível calibrar-se o parâmetro n.

Na técnica de lateração, a posição do alvo é estimada

através da sua distância em relação aos pontos de

referência previamente conhecidos. Para coordenadas

bidimensionais é necessário conhecer a distância do

alvo em relação a pelo menos três pontos de referên-

cias não colineares para determinar a localização

(Motter, 2011).

Na prática, as estimativas de distância têm uma incer-

teza associada e o conjunto de equações para deter-

minar as coordenadas do alvo deve ser adaptado para

considerar o erro ei, e a formulação do sistema é re-

presentada pelo o conjunto de equações do sistema 3.

3

2

3

2

03

2

03

2

2

2

2

02

2

02

1

2

1

2

01

2

01

edyyxx

edyyxx

edyyxx

(3)

Onde x0 e y0 representam o par de coordenadas do

alvo, e xi e yi representam o par de coordenadas dos i

nós fixos da rede (neste exemplo, são 3). As distân-

cias estimadas dos nós fixos em relação ao alvo são

representadas por di.

A solução para esse problema de otimização consiste

em encontrar x0 e y0 que minimiza a soma dos erros.

Neste caso foi aplicado o método de otimização por

Mínimos Quadrados, onde o número de equações do

sistema 3 é o mesmo que o número de nós fixos da

RSSF (Farahani, 2008). Maiores detalhes sobre a

modelagem do método mínimos quadrados e a apli-

cação no sistema de localização utilizando RSSF

pode ser encontrado em (Sugano, 2006) e (Pri-

wgharm, 2010).

4 Etiquetas RFID como marco de referência

O papel de marco de referência desempenhado

pelas etiquetas RFID exige algumas características

das mesmas. Neste trabalho, as etiquetas utilizadas

são passivas (não possui fonte própria de energia) e

de baixa frequência, do inglês Low Frequency (LF).

Essas etiquetas possuem um curto alcance de leitura,

em torno de 15 cm, tornando-as próprias para o uso

como referência geométrica.

A cadeira de rodas precisa passar e parar sobre a eti-

queta RFID, que se encontra fixada ao chão, próximo

o suficiente para o leitor lê-la. O leitor RFID está

instalado na cadeira a uma altura de 7,5 cm do chão,

e, devido ao seu formato retangular, a zona de leitura

formada abrange aproximadamente 6 cm no plano

longitudinal e 5 cm no plano transversal, do centro

do leitor ao centro da etiqueta lida.

Um dos problemas de utilizar as etiquetas RFID LF

como marco de referência é o fato de não ser possível

determinar a posição absoluta da etiqueta dentro da

zona de leitura do leitor. Como discutido em (Park,

2009), se a etiqueta RFID encontra-se na origem de

um plano cartesiano, existem inúmeras possibilidades

para o leitor ler a etiqueta, desde que a etiqueta esteja

dentro da zona de leitura, conforme visto na Figura 1.

Figura 1. Incerteza da posição da etiqueta RFID – Adaptado de

(Park, 2009)

Como pode ser visto na Figura 1, se a etiqueta encon-

tra-se na origem do plano cartesiano, o leitor pode

estar na posição O, P, Q, R ou S que a leitura será

realizada, e não será possível determinar a posição

absoluta da etiqueta.

O problema em questão é mais crítico em sistema de

localização com granularidade fina (sistemas com

elevado nível de exatidão). Neste projeto, o problema

não produz grande impacto, pois em um sistema de

localização baseado em RSSI, a incerteza da posição

associada à leitura da etiqueta é muito inferior à in-

certeza do sistema em questão. Dessa forma, a esti-

mativa de posição da etiqueta pode ser considerada

absoluta, ou pelo menos a mais próxima da real, de-

vido à baixa granularidade do sistema proposto.

5 Metodologia proposta para o sistema de locali-

zação

A RSSF possui um nó móvel instalado junto à

cadeira de rodas, três nós fixos em posições conheci-

das e um nó gateway, também com posição conheci-

da, para realizar a interface entre a RSSF e o compu-

tador responsável pelo cálculo de estimação da posi-

ção da cadeira de rodas.

A rede troca informações somente a pedido do nó

gateway, que continuamente solicita que o nó móvel

lhe responda. A resposta do nó móvel é tipo broad-

cast, ou seja, todos os nós da rede recebem essa men-

sagem. A mensagem pode conter a informação de

leitura de uma etiqueta RFID ou pode estar vazia. O

importante neste processo é que todos os nós fixos


4182

possam obter o RSSI da mensagem transmitida pelo

nó móvel, inclusive o gateway.

Assim que cada nó fixo receber a mensagem do nó

móvel e obtém o RSSI desta mensagem, o nó gate-

way solicita a cada nó fixo o RSSI que obteve. Após

reunir todos os RSSI obtidos pelos nós fixos, o gate-

way adiciona ao pacote o RSSI que ele obteve e en-

via essas informações para o computador, para poste-

riormente estimar a posição da cadeira de rodas. O

comportamento (ciclo) da RSSF foi baseado no tra-

balho de (Motter, 2011) e é resumido na Figura 2.

Figura 2. Comportamento da RSSF

A parte lógica e de desenvolvimento de algoritmos

pode ser dividida em duas partes: estimação da posi-

ção e calibração automática dos parâmetros. A esti-

mação da posição é executada continuamente na me-

dida em que a RSSF obtém pelo menos 3 valores de

RSSI dos nós fixos, incluindo o do nó gateway. Já a

calibração dos parâmetros ocorre sempre que uma

etiqueta RFID responde à requisição do leitor RFID,

ou seja, sempre que a cadeira tenha uma etiqueta

RFID dentro do campo de leitura do leitor RFID. Os

algoritmos são executados em função da capacidade

da rede de trocar informações, ou seja, depende do

tempo de processamento do hardware e do tempo de

comunicação sem fio, pois o sistema não é periódico,

muito menos determinístico.

Primeiramente, a RSSF obtém os valores de RSSI,

conforme exemplificado na Figura 2. Após o nó ga-

teway reunir todos os valores de RSSI, ele transfere

essa informação para o computador através de uma

conexão Universal Serial Bus (USB). A entrada de

dados pela USB gera uma chamada no algoritmo de

estimação da posição para a leitura e organização

desses dados. O pacote recebido contém os valores

de RSSI obtido por cada nó fixo da rede e, no caso, a

informação de que algum nó não conseguiu obter o

RSSI. Também, é informado se foi lida alguma eti-

queta.

Após a organização dos dados, o valor de RSSI de

cada nó é tratado. O tratamento consiste em realizar a

média das últimas 5 amostras de RSSI coletadas.

Quando se obtém a amostra de RSSI atual, ela é inse-

rida no vetor das últimas 5 amostras e a última amos-

tra do vetor é excluída do cálculo da média desses

valores. No caso do nó não obter o RSSI naquele

ciclo, a última amostra de RSSI recebida é repetida

no vetor das últimas 5 amostras. Sendo assim, o algo-

ritmo só considera que um nó fixo esteja fora de ope-

ração (não obtém mais o RSSI ou não responde)

quando 5 ciclos sucessivos ocorram sem obter um

RSSI válido. O objetivo dessa fase é diminuir a vari-

ação que o RSSI sofre em função das interferências e

reflexos do sinal RF no ambiente interno.

A próxima etapa consiste em estimar as distâncias

formadas entre o nó móvel (cadeira de rodas) e os

nós fixos. Nesta etapa são aplicados os modelos de

propagação de sinal RF descritos na seção 3. As po-

sições dos nós fixos são conhecidas pelo sistema,

pois são informadas no início da execução do pro-

grama através da interface com o usuário.

O algoritmo necessita de pelo menos 3 distâncias

conhecidas da cadeira de rodas em relação aos nós

fixos da rede para prosseguir para a próxima etapa,

na qual a posição da cadeira de rodas é obtida por

lateração, como descritos na seção 3.

A Figura 3 resume o processo de estimação da posi-

ção do sistema proposto.

Figura 3. Fluxograma do algoritmo de estimação da posição

O algoritmo de calibração automática dos parâmetros

é executado sempre que a cadeira de rodas passa e

para sobre uma etiqueta RFID próxima o suficiente

para o leitor realizar a leitura. A posição da etiqueta

lida pelo leitor é de conhecimento do sistema, pois no

início da execução do programa os IDs das etiquetas

e as suas respectivas coordenadas no ambiente são

informados através da interface com o usuário.

Quando o ID da etiqueta é obtido e chega até o com-

putador, o sistema verifica se o ID corresponde ao

um ID registrado. Se o ID está registrado no sistema,

com a coordenada no ambiente que este ID represen-

ta é possível determinar a distância entre a cadeira de

rodas e os nós fixos da rede. A equação 4 é utilizada

para calcular a distância entre a cadeira de rodas e

um nó fixo da rede.

222

itagitagi dyyxx (4)

Onde xi e yi é o par de coordenadas de um dos i

nós fixos da rede, e xtag e ytag é o par de coordenadas


4183

da etiqueta RFID lida. Conhecendo a distância e apli-

cando o inverso das equações 1 e 2 dos modelos de

propagação do sinal RF é possível determinar o pa-

râmetro empírico n.

Vale lembrar que a primeira equação (1) necessi-

ta de três parâmetros empíricos, n, A e d0, e a segun-

da equação (2) somente de um parâmetro, n. Sendo

assim, a primeira equação não pode ser aplicada na

primeira etiqueta lida, pois neste momento não se tem

conhecimento dos valores de A e d0, visto que somen-

te na primeira leitura é que esses parâmetros são ar-

mazenados no sistema. Por isso, no sistema proposto,

sempre na primeira etiqueta lida é aplicada a segunda

equação para calcular o n. Neste momento também

são armazenados os valores de A e d0. Vale salientar

que a cada etiqueta lida é ajustado o parâmetro n e

armazenados os valores de A e d0.

A Figura 4 resume o processo de calibração dos pa-

râmetros da RSSF.

Figura 4. Fluxograma do algoritmo de calibração dos parâmetros

6 Avaliação experimental

O sistema de localização proposto foi avaliado

experimentalmente, e comparado com um sistema de

localização tradicional utilizando somente RSSF, em

uma sala de aula universitária automatizada utilizan-

do uma cadeira de rodas adaptada para se comunicar

com a RSSF, como apresentado na Figura 5. Esta

sala possui um sistema de automação predial da em-

presa Homesystems (Homesystems, 2013) e foi pro-

jetada para automatizar alguns cenários de situações

cotidianas de aula em uma universidade.

Os experimentos consistem em andar com cadeira de

rodas de um ponto inicial a um ponto final, coletando

os valores de RSSI em pontos pré-definidos, onde

pode ter ou não etiquetas RFID fixadas no chão. O

experimento não é realizado em movimento, a cadei-

ra encontra-se parada no instante da coleta dos RSSI.

A distribuição das etiquetas RFID e dos pontos de

coleta é mostrada na Figura 6. A escolha das posi-

ções das etiquetas leva em consideração o caminho

usualmente percorrido pelos estudantes ao acessar a

sala e os assentos.

Figura 5. Cadeira de rodas automatizada utilizada neste trabalho

Na Figura 6, adota-se a seguinte representação gráfi-

ca: o gateway e os nós fixos 1, 2 e 3, são representa-

dos respectivamente por um triângulo vermelho, um

quadrado verde, um círculo amarelo e um triângulo

preto. Um losango azul claro é utilizado para repre-

sentar um ponto de coleta pré-definido com etiqueta

RFID e um losango laranja representa um ponto de

coleta pré-definido sem etiqueta RFID.

Figura 6. Distribuição das etiquetas e dos pontos de coleta na sala

O leiaute dos experimentos possui 20 pontos de cole-

ta, sendo 8 com etiquetas RFID. Os pontos de coletas

e a distribuição das etiquetas não seguem nenhum

padrão de intervalo (distância) entre eles. O experi-

mento inicia na coordenada x=5,8 e y=1 (ponto mais

a direita e inferior do gráfico da Figura 6), e termina

na coordenada x=4 e y=3,5 (ponto no centro do grá-

fico). Os 20 pontos e suas respectivas posições são

apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Tabela com os 20 pontos e suas respectivas posições.

Pontos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Eixo X 5,8 5,3 4,7 4,3 3,9 2,8 2,4 1,8 1,4 0,8

Eixo Y 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Pontos 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Eixo X 0,8 0,8 0,8 0,8 1,5 2,5 3,0 4,0 4,0 4,0

Eixo Y 2,0 3,1 4,0 5,0 5,0 5,0 5,0 4,5 4,1 3,5


4184

Para avaliar o desempenho do sistema de localização

proposto foi realizada uma comparação entre os seus

resultados alcançados e os resultados do sistema tra-

dicional utilizando somente a RSSF. Os resultados do

sistema proposto são apresentados no gráfico da Fi-

gura 7.

Figura 7. Resultados alcançados com o sistema proposto

A Tabela 2 apresenta o erro médio, em metros, obti-

do nos 20 pontos de medição do sistema proposto

para a avaliação experimental. Vale lembrar que as

células da Tabela 2 que estão sombreadas represen-

tam os pontos sem etiqueta.

Tabela 2. Tabela com o resumo do sistema proposto.

Pontos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1,32 0,05 0,66 0,93 1,52 0,88 2,14 0,18 1,00 1,28 0,09 2,24

Pontos 13 14 15 16 17 18 19 20 Med. Var. Ms/e

1,28 1,73 1,55 1,40 0,90 0,39 0,68 2,80 1,15 0,53 1,45

A abreviatura “Med” significa a média dos resultados

dos 20 pontos, sendo que o resultado de cada ponto é

o erro médio (obtido pela equação 5) das 150 estima-

tivas de posição da cadeira de rodas em relação à

posição real. A abreviatura “Var” significa a variân-

cia dos resultados dos 20 pontos. A abreviatura “M

s/e” significa a média dos resultados dos pontos que

não possuem etiquetas.

n

i

iiiim yyxxn

e1

22ˆˆ

1 (5)

Onde xi e yi representam a posição real, ix e iy

repre-

sentam a posição estimada e n representa o número

de iterações do cálculo, ou seja, o número de amos-

tras (neste caso, 150 amostras para cada ponto).

Os resultados do sistema tradicional são apresentados

no gráfico da Figura 8. Vale salientar que na fase de

offline de calibração dos parâmetros do sistema tradi-

cional foram utilizados os mesmos 8 pontos onde se

encontram as etiquetas RFID do sistema proposto.

Figura 8. Resultados alcançados com o sistema tradicional

A Tabela 3 apresenta o erro médio, em metros, obti-

do nos 20 pontos de medição do sistema tradicional

para a avaliação experimental.

Tabela 3. Tabela com o resumo do sistema tradicional.

Pontos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

5,24 1,34 6,54 3,34 4,02 4,01 2,60 8,23 5,45 1,29 3,58 5,91

Pontos 13 14 15 16 17 18 19 20 Med. Var.

4,07 4,08 6,67 5,45 5,59 0,63 1,91 1,55 4,08 4,31

Os resultados do sistema proposto e do sistema tradi-

cional são apresentados lado a lado no gráfico da

Figura 9 para facilitar a comparação.

Figura 9. Resultados dos sistemas proposto e tradicional

7 Conclusão

Este trabalho propõe a combinação de Redes de

Sensores Sem Fio (RSSF), comumente utilizadas em

sistemas de automação predial e residencial, e da

tecnologia RFID para sistemas de localização em

interiores. O sistema de localização proposto utiliza o

modelo de propagação do sinal de RF e o RSSI para

estimar a distância da cadeira de rodas em relação

aos nós fixos da RSSF e a técnica de lateração para

calcular a posição estimada. As etiquetas RFID são

utilizadas como marcos de referências para a calibra-

ção automática dos parâmetros empíricos necessários

no processo de localização a partir de uma RSSF, que

em sistemas tradicionais são obtidos de forma expe-

rimental em uma fase offline.

A partir da análise de avaliação experimental, é evi-

dente o desempenho superior do sistema de localiza-

ção proposto em relação ao sistema tradicional. Em

todos os pontos de coleta o sistema proposto foi mais

exato. Em média, o erro do sistema proposto foi de

1,15 m, superior a média de 4,08 m do sistema tradi-

cional.

A exatidão alcançada pelo sistema proposto limita

seu emprego para algumas aplicações, como, por

exemplo, para a navegação autônoma, mas isso é

normal e uma questão muito discutida na literatura.

Diferentes aplicações exigem diferentes sistemas de

localização. Neste caso, as aplicações se restringem a

controlar o acionamento de lâmpadas, temperatura e

direção do ar condicionado e outras aplicações que

demandam uma baixa granularidade do sistema de

localização.


4185

As restrições de aplicação não diminuem a contribui-

ção deste trabalho, uma vez que em sistema de loca-

lização baseado em RSSI o erro da posição, no me-

lhor dos casos, é superior a 1 m e em aplicações in-

door a incerteza fica em torno de 2 a 3 m. Por isso,

esses sistemas são caracterizados como de baixa gra-

nularidade.

Mesmo assim, a combinação da RSSF e da tecnolo-

gia RFID proporcionou um sistema mais exato que o

sistema tradicional utilizando somente a RSSF. Além

disso, o tempo necessário para montar a infraestrutu-

ra do sistema e iniciar o processo de localização é

reduzido, uma vez que a fixação e identificação da

posição das etiquetas são realizadas uma única vez,

não havendo a necessidade de calibrar o sistema de

forma manual, e mudanças no ambiente não afetam o

sistema de localização.

Por fim, conclui-se que o sistema de localização pro-

posto pode atender as necessidades de uma aplicação

de “Tecnologias Assistivas”, onde serviços são ofe-

recidos ao cadeirante de forma pervasiva a partir da

informação de sua posição, contribuindo para a inde-

pendência do usuário de cadeira de rodas.

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departamento de engenharia eletrônica, universidade de ... · proposta de sistema de localizaÇÃo...

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