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Técnicas de seguimiento mediante redes inalámbricas de sensores
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4. Seguimiento mediante sensores de rango
4.1 Introducción
En este capítulo se describe una técnica de seguimiento que utiliza sensores de rango. Si se
tiene una red de sensores y cada uno de ellos puede medir (de modo directo o indirecto) en
cada instante la distancia al objeto seguido se podrá estimar la posición del objeto a partir de
esa información. En principio, como no se conoce la dirección y puesto que los sensores
siempre tienen un cierto grado de error, no es sencillo calcular una solución por ejemplo por
triangulación e incluso a veces se obtienen múltiples soluciones. En este trabajo se describe un
algoritmo para estimar la posición a partir de la lista ordenada de menor a mayor distancia al
objeto en un instante.
El método concreto de seguimiento de nodos móviles que se detalla en este capítulo se
engloba dentro del proyecto ProtecSens [32], realizado como transferencia tecnológica al
Grupo Industrial Iturri [33]. El objetivo de este proyecto es el desarrollo y validación de un
sistema de protección de bomberos mediante redes inalámbricas de sensores con nodos
estáticos y con nodos móviles integrados en el vestuario de los bomberos.
En concreto, en la parte que atañe a este proyecto de fin de Máster, se ha desarrollado un
sistema de localización y seguimiento de nodos móviles en un entorno en el que está instalada
una red de nodos estáticos. Para la localización se utilizan las medidas de la potencia de la
señal de radio recibida (RSSI) [34] en los nodos estáticos a partir de las señales emitidas por los
nodos móviles.
Como ya se explicó en el capítulo 2, la potencia de la señal de radio recibida se mide en un
circuito indicador a partir del voltaje detectado en la potencia de señal, y ésta medida no
requiere ningún gasto adicional de ancho de banda o energía. Aunque se sabe que la potencia
de la señal disminuye teóricamente en proporción a la distancia al cuadrado entre emisor y
receptor, es afectada por muchos factores por lo que es impredecible y difícil de modelar. Este
método no tiene por tanto una gran precisión, pero es fácil de implementar. En un caso como
el que nos ocupa no se necesita conocer con una precisión de centímetros dónde se encuentra
un bombero, sino que bastaría una precisión de pocos metros, lo que permitiría situar al
bombero en una habitación pequeña o en alguna sección de una sala grande.
Si se dispone de una red de nodos fijos ya desplegada y se enciende un nodo móvil, éste
lanzará periódicamente mensajes de baliza. Los nodos estáticos, cuyas posiciones son
conocidas, reciben estos mensajes y envían como respuesta un mensaje con el valor de la
potencia de la señal a un nodo base que forma parte de la red fija de nodos inalámbricos. En
este nodo base se ejecuta un algoritmo que a partir de las medidas de RSSI recibidas en un
intervalo y teniendo en cuenta las medidas de intervalos anteriores calcula la posición del
nodo.
La red de nodos posee capacidad multisalto, es decir que los mensajes lanzados por los nodos
pueden llegar a su destino propagándose de nodo a nodo a través de la red. Esta característica
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es importante, porque permite construir una red tan grande como se desee eliminando la
limitación impuesta por el rango de comunicación de la radio.
En este capítulo se describe primero el hardware utilizado para esta aplicación, principalmente
los nodos inalámbricos Mica2, para continuar explicando el funcionamiento del algoritmo de
localización y terminar exponiendo los resultados de los experimentos de localización
realizados tanto en entornos interiores como en exteriores.
4.2 Hardware
El principal componente de la aplicación son los nodos inalámbricos Mica2 que compondrán la
red de nodos fijos, la base y los nodos móviles.
Los nodos inalámbricos Mica2 se utilizan para establecer redes inalámbricas de bajo consumo
(ver Fig. 4. 1).
Figura 4.1: Nodo Mica2.
El nodo está compuesto básicamente por la placa de procesamiento y radio MPR400 y el
sistema de alimentación. En la placa MPR400 el elemento principal es el microcontrolador de
bajo consumo basado en el ATmega128L que ejecuta las aplicaciones instaladas en una
memoria flash externa de 4Kb y regula las comunicaciones entre nodos. La placa está provista
de un transmisor de canal variable de 868/916Mhz y de una antena. Posee además un
conector de 51 pines de expansión que soporta entradas analógicas, entradas y salidas
digitales y permite la comunicación mediante el puerto serie (UART) y los protocolos de buses
I2C y SPI. Esto nos permite conectar al Mica2 una gran variedad de periféricos externos.
Además de estos componentes la placa también posee un interruptor de apagado y encendido
y tres leds, rojo, verde y amarillo cuyo encendido y apagado se programa en las aplicaciones.
En la Figura 4.2 puede verse un diagrama que explica las relaciones entre las distintas partes
de la placa MPR400.
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Figura 4.2: Comunicaciones entre las distintas partes de la placa MPR400.
Los nodos Mica2 se alimentan a 3V mediante dos pilas de tipo AA.
Algunos de los nodos de la red estática pueden estar conectados a sensores de distinto tipo.
Por ejemplo la placa de sensores MTS420 de la que se pueden extraer medidas de intensidad
lumínica, temperatura y humedad. Otros nodos están conectados a sensores de humo. Los
nodos que tienen sensores conectados envían periódicamente mensajes a la base con los
valores de los sensores, o en el caso de los nodos con sensores de humo mensajes de alarma
cuando se detecta humo.
Además existe un nodo móvil especial con sensores de gases que se denomina unidad de
medida ProtecSens. Esta unidad de medida (ver Figura 4.3) está compuesta por varios
sensores de gases y un nodo Mica2 que funciona como un nodo móvil normal y además
captura periódicamente datos de los sensores a través de una placa de adquisición de datos y
los envía a la estación base. Está alimentado por cuatro pilas de tipo AA.
Figura 4.3: Unidad de medida PROTECSENS abierta.
En concreto posee un sensor de monóxido de carbono, otro de dióxido de carbono y otro
que detecta gases combustibles (hidrógeno, metano y gases licuados del petróleo). Los
sensores elegidos detectan gases que son de gran interés en el trabajo de los bomberos. En
concreto el monóxido de carbono es un gas tóxico para el ser humano y que puede
provocar la muerte si es inhalado en concentraciones elevadas, además su presencia es un
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síntoma de que se está produciendo una combustión por lo que un sensor de puede
utilizarse para detectar incendios. El dióxido de carbono aunque no es nocivo proporciona
una medida de la calidad del aire y además la detección de grandes concentraciones puede
indicar una falta de ventilación en áreas cerradas que podría llegar a producir asfixia.
Adicionalmente, los cambios muy bruscos en su concentración pueden ser una amenaza
para la salud. Los gases combustibles son importantes también para los bomberos debido
a los riesgos de explosión que implica su presencia en el aire.
4.3 Algoritmo de localización
El algoritmo de localización utilizado en el sistema ProtecSens está basado en la RSSI (Radio
Signal Strength Indicator) de las señales que se intercambian los nodos móviles con los nodos
fijos. Así, los diferentes nodos fijos calcularán la potencia con que reciben las señales desde un
nodo móvil y éstas se procesarán para estimar la posición del nodo móvil.
La medida que se obtiene a través del parámetro RSSI puede presentar ciertos problemas
como por ejemplo que la potencia de las señales no es lineal frente a la distancia y además
ésta relación es diferente dependiendo si se mide en entornos interiores o exteriores. Además
el componente de ruido del RSSI es muy dependiente del entorno, lo cual hace muy difícil
obtener una fórmula que relacione el RSSI con la distancia. Es necesario, por tanto, que el
algoritmo de localización tenga en cuenta éstos factores para conseguir una cierta robustez en
la estimación.
Para realizar una estimación de la posición el nodo móvil emite periódicamente una señal de
baliza o “beacon”, la cual será recibida por una serie de nodos fijos, cuya posición es conocida.
Dichos nodos miden la potencia con la que han recibido la señal y envían dicho valor a la
estación base, la cual procesa la información.
La estación base, que ha recibido las señales correspondientes a un intervalo, ejecutará el
algoritmo de localización obteniendo una estimación de la posición del individuo. Esta
estimación será filtrada junto con la estimación anterior, de manera que se limiten los saltos
entre estimaciones consecutivas y obteniendo así una mejor estimación de la localización.
La figura 4.4 muestra el esquema descrito.
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Figura 4.4: Esquema de funcionamiento general de la aplicación.
Debido a los problemas que presenta la medida de potencia para representar una distancia, el
algoritmo de localización desarrollado utiliza medidas relativas en vez de medidas absolutas,
suponiendo un comportamiento cuasi-lineal en la caída de potencia.
El algoritmo está compuesto por los siguientes pasos:
1. Se ordenan los mensajes recibidos en el intervalo de localización de mayor a menor
potencia (menor a mayor RSSI).
2. Se parte de la posición del nodo que ha recibido una mayor potencia .
3. Se toma la posición del siguiente nodo con mayor potencia .
4. Se estima la corrección de distancia . Para ello se supondrá un comportamiento
lineal en la caída de la potencia, por lo que se calculará de manera inversamente
proporcional a las potencias medidas en y .
√
5. Se calcula la nueva estimación , como el punto dentro de la recta que une y
que se encuentra a distancia de .
Figura 4.6: Estimación de la posición del punto p2.
6. Se estima la RSSI que debería medirse en un nodo que se encontrase en la posición
en función de la RSSI en las posiciones 0 y 1 y la distancia .
.
7. Actualización: y .
8. Mientras queden mensajes de RSSI de menor potencia se vuelve al paso 2.
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En el diagrama de flujo que se muestra a continuación se describe el algoritmo de localización:
INICIO
Se ordena la lista de
mayor a menor potencia
(menor a mayor RSS)
Se introducen en una lista
los mensajes de RSSI
recibidos en el último
intervalo de localización
¿Fin de lista?
P1=(x1,y1)
Localización del siguiente
nodo de la lista
P0=(x0,y0) Localización
del primer nodo de la
lista (menor RSSI)
No
Estimar distancia
d1=f(P0,P1,RSSI0,RSSI1)
Calcular P2 como el punto
en la recta P0-P1 a
distancia d1 de P0
Estimar RSSI en P2
RSSI2=f(RSSI0,RSSI1,d1)
Actualización
P0=P2, RSSI0=RSSI2
Filtro: Media ponderada
entre el valor actual y el
anterior
Si
FIN
Figura 4.7: Algoritmo de localización.
En la estación base el programa de monitorización del sistema ProtecSens, desarrollado por
Gabriel Núñez Guerrero, ejecutará el algoritmo y mostrará en tiempo real la red de nodos
estática y las estimaciones de las posiciones de los nodos móviles.
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Figura 4.8 Estación de monitorización mostrando la estimación de la posición de un nodo móvil
4.4 Experimentos
En este apartado se describen los experimentos que se han realizado para comprobar el
comportamiento del sistema de localización. Se han realizado dos experimentos en
condiciones completamente distintas. El primero de ellos se ha realizado al aire libre, en una
zona despejada, el segundo se ha realizado en un entorno de interior, con mobiliario e incluso
personas. El procedimiento en ambos casos es el mismo, se despliega una red de nodos en la
zona, tomando nota de las posiciones de los nodos, una persona que porta el nodo móvil se
sitúa en un punto de inicio, enciende el nodo y recorre un itinerario cronometrado. Durante
todo ese itinerario se recogen datos de RSSI que posteriormente procesarán mediante el
algoritmo de localización y la trayectoria estimada resultante se comparará para medir los
errores que se han cometido.
4.4.1 En Exteriores
El escenario elegido para el primer experimento es una explanada sin obstáculos, es decir, en
un entorno en las condiciones ideales en las que no hay en principio ningún objeto que pueda
influenciar en las medidas de RSSI, que recordemos que ya de por sí están influidas por las
condiciones ambientales y por tanto incluso en estas condiciones ideales no se obtendrán
resultados perfectos.
En el experimento se posicionan 8 nodos y se sigue una trayectoria cronometrada (ver Figura
4.9).
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Figura 4.9: Trayectoria y disposición de nodos.
Al tomar los datos de los mensajes de RSSI que se obtienen durante el experimento y ejecutar
sobre ellos el algoritmo de localización se obtienen las trayectorias estimadas en X y en Y que
se pueden comparar con las trayectorias reales (ver Figuras 4.10 y 4.11).
Figura 4.10: Posición estimada frente a real eje X.
0 50 100 150 200 250 3000
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo (s)
Eje
X (
m)
Posición real frente a posición estimada eje X
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Figura 4.11: Posición estimada frente a real eje Y.
Los errores cometidos en los dos ejes son (Figuras 4.12 y 4.13):
Figura 4.12: Error Eje X.
0 50 100 150 200 250 3000
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo (s)
Eje
Y (
m)
Posición estimada frente a real eje Y
0 50 100 150 200 250 300-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Tiempo (s)
Err
or
(m)
Error eje X
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Figura 4.13: Error Eje Y.
Si ahora se toma el error total en cada punto de la trayectoria en valor absoluto y se realiza un
histograma se ve cómo está distribuido el error (ver Figura 4.14).
Figura 4.14: Histograma del error.
La media del error es 2.83 metros y su desviación típica es 2.12 metros. Por lo que se puede
decir que los errores medios son aceptables y entran dentro de lo previsto para errores de
localización utilizando RSSI.
4.3.2 En Interiores
El escenario elegido para el experimento uno es una sala de laboratorios, tiene mucho
mobiliario y equipos de distintos tipos, además mientras se realizaron los experimentos varias
0 50 100 150 200 250 300-15
-10
-5
0
5
10
Tiempo (s)
Err
or
(m)
Error Eje Y
0 2 4 6 8 10 120
5
10
15
Error (m)
Nº
Muestr
as
Histograma del Error
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personas estaban trabajando en el laboratorio. Éste es por tanto un entorno que presenta
muchos elementos que pueden perturbar las medidas de RSSI y las comunicaciones entre
nodos. Un entorno tan complejo como éste se parece más a un posible entorno de trabajo
para los bomberos que el del experimento de exteriores.
En el experimento se posicionan 8 nodos y se sigue una trayectoria cronometrada (ver Figura
4.15) que se repite tres veces.
Figura 4.15: Trayectoria.
Al tomar los datos de los mensajes de RSSI que se obtienen durante el experimento y ejecutar
sobre ellos el algoritmo de localización se obtienen las trayectorias estimadas en X y en Y que
se pueden comparar con las trayectorias reales (ver Figuras 4.16 y 4.17).
Figura 4.16: Posición estimada frente a real eje X.
0 50 100 150 200 2500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo(seg)
x(m
)
Posición estimada frente a real en el experimento 1 en el eje x
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Figura 4.17: Posición estimada frente a real eje Y.
Los errores cometidos en los dos ejes son (Figuras 4.18 y 4.19):
Figura 4.18: Error eje X.
Figura 4.19: Error Eje Y.
0 50 100 150 200 2500
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tiempo(seg)
y(m
)
Posición estimada frente a real en el experimento 1 en el eje y
0 50 100 150 200 250-6
-4
-2
0
2
4
6
Tiempo (s)
Err
or
(m)
Error eje X
0 50 100 150 200 250-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Tiempo (s)
Err
or
(m)
Error Eje Y
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Si ahora se toma el error total en cada punto de la trayectoria en valor absoluto y se realiza un
histograma se ve cómo está distribuido el error (ver Figura 4.20).
Figura 4.20: Histograma del error.
La media del error es 3.59 metros y su desviación típica es 1.62 metros. En este experimento
los errores son algo mayores que en el de exteriores. Esto se debe principalmente a las
perturbaciones de las medidas del RSSI provocadas por el mobiliario o las personas presentes
en el laboratorio durante la prueba.
4.5 Conclusiones
En este trabajo se ha conseguido realizar el seguimiento de nodos móviles con unos valores de
error realmente aceptables para ser obtenidos a partir de la potencia de señal (RSSI). Este
método se comporta mejor cuando se realiza en exteriores (error medio < 3m) que en
interiores, puesto que la potencia de las señales se ve afectada por el mobiliario, sin embargo
puede ser válido para interiores si está desplegado en un área grande y no se necesita una
información muy precisa.
La transferencia tecnológica del sistema ProtecSens al Grupo Industrial Iturri ya ha sido
realizada con éxito y actualmente la empresa tiene una red desplegada y funcionando en sus
instalaciones.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
1
2
3
4
5
6
7
8
Error (m)
Histograma del error
Nº
Muestr
as