Gps wi fi para ambientes fechados (indoor)

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  • 1. UNIVERSIDADE CRUZEIRO DO SUL BACHARELADO EM CINCIA DA COMPUTAO GPS Wi-Fi para Ambientes Fechados (indoor) - Redes de Sensores sem Fio como infraestrutura Ricardo Francoti So Paulo (SP), Novembro de 2013.

2. UNIVERSIDADE CRUZEIRO DO SUL BACHARELADO EM CINCIA DA COMPUTAO GPS Wi-Fi para Ambientes Fechados (indoor) - Redes de Sensores sem Fio como infraestrutura Ricardo Francoti Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Cincia da Computao da Universidade Cruzeiro do Sul, como parte dos requisitos parciais para obteno do ttulo de Bacharel em Cincia da Computao. Orientador: Prof. Vagner Silva So Paulo, Novembro de 2013. 3. Agradecimentos Ao Prof. Vagner Silva pela disposio, orientao do trabalho com pacincia, compreenso e dedicao. Aos demais professores que contriburam para meu aprendizado e crescimento acadmico. A minha esposa, meus pais e familiares, amigos pelo apoio e compreenso durante a realizao deste trabalho para a concluso deste curso. 4. i RESUMO O objetivo principal deste trabalho propor a utilizao de uma infraestrutura de rede wireless (WLAN WiFi) como suporte para um GPS para ambientes fechados que estime dinamicamente a localizao de dispositivos mveis. Conhecendo a localizao dos access points da rede wireless j existente no ambiente e utilizando o sinal de rdio frequncia emitido por estes possvel convert-los em distncia e ento atravs do processo de trilaterao determinar a localizao do dispositivo mvel. A aplicao deve ser capaz de realizar este processo sem interferir ou interagir com a infraestrutura de rede wireless (WLAN WiFi) a exemplo do que faz um GPS em relao aos satlites do sistema. Esta aplicao pode ser integrada a uma aplicao do tipo context-aware para fornecer informaes de localizao que so fundamentais para este tipo de sistema. Palavras chave: Redes de Sensores Sem Fio, RSSF, RSSI, Trilaterao, WLAN, WiFi, Localizao baseada em RSSI, Heurstica. 5. ii ABSTRACT The main objective of this work is to propose to use a wireless network infrastructure (WLAN WiFi) as a support for an indoor GPS running on a mobile device to estimate its location. Knowing the location of the access points that are part of an infrastructure of the existing wireless network environment and using the radiofrequency signal emitted by these it is possible to convert them into distance and then through the process of trilateration to determine the location of the mobile device. This application must be able to perform this process without interfering or interacting with the infrastructure of a wireless network (WLAN WiFi) like a GPS does with satellites that support the system. This application can be integrated into a context-aware application to provide localization information which is essential for this kind of system. Keywords: Wireless Sensor Network, WSN, RSSI, Trilateration, WLAN, WiFi, RSSI based localization, Heuristic. 6. iii Tabela de Figuras Figura 1 Tipos de rede de comunicao de dados sem fio (Loureiro, et al., 2011)................................................................................................................................ 4 Figura 2 Componentes de um sensor (Gonalves, et al., 2011) ....................... 5 Figura 3 Exemplo de um sensor de energia eltrica (General Electric Company, 2011), (Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L., 2011)................ 6 Figura 4 Elementos de uma RSSF (General Electric Company, 2011) .......... 7 Figura 5 Comparao entre o RM-OSI e IEEE 802 (IEEE 802, 2001).......... 10 Figura 6 Componentes de uma rede Wi-Fi ......................................................... 13 Figura 7 Personal Area Network PAN (Kammer, et al., 2002) .................... 14 Figura 8 Piconet Simples (Kammer, et al., 2002)............................................... 15 Figura 9 Piconet Multi-escravo (Kammer, et al., 2002)..................................... 15 Figura 10 Scatternet (Kammer, et al., 2002)....................................................... 16 Figura 11 Topologia Estrela (IEEE 802.15.4, 2006) .......................................... 17 Figura 12 Topologia Estrela (IEEE 802.15.4, 2006)......................................... 18 Figura 13 Topologia Estrela (Farahani, 2008) .................................................... 19 Figura 14 Comparao de caractersticas das tecnologias apresentadas (Farahani, 2008)........................................................................................................... 20 Figura 15 Arquitetura do BlueEyes em alto nvel (FaberNovel, LLC, 2011) 21 Figura 16 Nucleus da GE Gerenciamento de energia eltrica atravs de RSSF (General Electric Company, 2011)................................................................ 22 Figura 17 Console de Gerenciamento do Nucleos (General Electric Company, 2011)........................................................................................................... 22 Figura 18 Processo de Monitorao (Federal Express - FedEX, 2011)........ 23 Figura 19 Console de Rastreamento e sensor Senseaware (Federal Express - FedEX, 2011) ............................................................................................. 24 Figura 20 ngulo estimado com base em dois sensores ncora (Holger, et al., 2005) ....................................................................................................................... 27 Figura 21 Trilaterao com base em trs sensores ncora (Holger, et al., 2005).............................................................................................................................. 28 Figura 22 Comparao das tcnicas ToA one-way e two-way (Dargie, et al., 2010).............................................................................................................................. 29 Figura 23 Tcnicas TDoA (Dargie, et al., 2010)................................................ 30 Figura 24 Estimativa de localizao com base na interseco de tringulos dos sensores ncoras (Dargie, et al., 2010) ........................................................... 32 Figura 25 Exemplos de cenrios do teste APIT (Dargie, et al., 2010)............ 34 Figura 26 Diagrama de Caso de Uso................................................................... 39 Figura 27 Diagrama de Classes............................................................................ 41 7. iv Figura 28 Diagrama de Sequncia....................................................................... 41 Figura 29 Tela do coletor.exe................................................................................ 43 Figura 30 Fenmenos que afetam a RF.............................................................. 44 Figura 31 Valor mdio de RSSI por metro .......................................................... 45 Figura 32 Valor mais frequente de RSSI por metro........................................... 46 Figura 33 Valor de n calculado com base no valor mdio de RSSI/metro..... 47 Figura 34 Valor de n calculado com base no valor mais frequente de RSSI/metro ................................................................................................................... 48 Figura 35 Comparao da posio real e calculada para o sensor mvel .... 50 Figura 36 Situaes que a heurstica evita ......................................................... 54 Figura 37 RSSI a 1 metro....................................................................................... 61 Figura 38 RSSI a 2 metros..................................................................................... 61 Figura 39 RSSI a 3 metros..................................................................................... 62 Figura 40 RSSI a 4 metros..................................................................................... 62 Figura 41 RSSI a 5 metros..................................................................................... 62 Figura 42 RSSI a 6 metros..................................................................................... 62 Figura 43 RSSI a 7 metros..................................................................................... 62 Figura 44 RSSI a 8 metros..................................................................................... 62 Figura 45 RSSI a 9 metros..................................................................................... 62 Figura 46 RSSI a 10 metros .................................................................................. 62 Figura 47 RSSI a 11 metros .................................................................................. 63 Figura 48 Tela inicial do coletor ............................................................................ 64 Figura 49 Drop box para selecionar o SSID para coleta................................... 65 Figura 50 Tela inicial do MyPlace......................................................................... 66 Figura 51 Opo para selecionar mapa............................................................... 67 Figura 52 Mapa do local de teste de campo carregado.................................... 67 Figura 53 Tela do menu Sobre.............................................................................. 68 Figura 54 Locais selecionados para o teste de campo..................................... 69 Figura 55 Notebook HP G42 i5 ............................................................................. 90 Figura 56 Roteador sem fio (AP) TP-LINK TL-WR941ND................................ 90 Figura 57 Local dos testes (a)............................................................................... 91 Figura 58 Local dos testes (b)............................................................................... 91 Figura 59 Local dos testes (c) ............................................................................... 92 Figura 60 Local dos testes (d)..............................................................................