Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR

Departamento Acadêmico de Eletrônica – DAELN

Departamento Acadêmico de Informática – DAINF

Engenharia de ComputaçãoOficina de Integração 3 (CSX23) – S71 – 2017/2

Relatório TécnicoRFLocus - Sistema de Localização por meio das

redes Wi-fi, direcionado a deficientes visuais

André G. A. Cassimiro – cassimiro@alunos.utfpr.edu.br

Lucas B. Tsuchiya – lucastsuchiya@alunos.utfpr.edu.br

Dezembro de 2017

Resumo

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de localiza-ção utilizando redes Wi-fi, direcionado a deficientes visuais. Este sistematem como objetivo auxiliar deficientes visuais a se localizarem em am-bientes internos, como shoppings, rodoviárias, aeroportos e universida-des. Aproveitando recursos que estão sempre presentes, como redes wi-fi e Smartphones, e utilizando ferramentas de desenvolvimento, compo-nentes eletrônicos computacionais e técnicas e algoritmos de localizaçãointerna por meio das redes Wi-fi, foi possível tornar viável a implemen-tação do sistema RFLocus. O funcionamento do sistema consiste em umusuário com seu Smartphone com o aplicativo e conectado com a rededo sistema RFLocus, realiza medidas de atenuação dos emissores de sinalwi-fi do ambiente, enviando estes dados para o servidor que utilizará suasfuncionalidades para estimar uma posição do usuário com base nos da-dos recebido e retornará sua localização. Foi possível estudar, desenvolvere implementar o sistema RFLocus. Após realizar testes, o sistema mostroueventualmente uma diferença de dois metros de distância em relação aposição real. Esta diferença é aceitável em ambientes internos. Com basenos resultados e custo, o sistema é viável para ser implantado em ambien-tes internos que tenha pessoas com dificuldade de se localizarem.

1 Introdução

Segundo o IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), no Brasil exis-tem 6,5 milhões de pessoas com algum tipo de deficiência visual, sendo que,528.624 pessoas são incapazes de enxergar (cegos) e 6.056.654 pessoas possuembaixa visão ou visão subnormal (grande e permanente dificuldade de enxer-gar) [1]. Para essas pessoas, acessibilidade ainda é um problema a ser resol-vido. A motivação do projeto foi em desenvolver um sistema de localizaçãointerna, aproveitando o uso de tecnologias e componentes sempre presentescomo smartphone e as redes Wi-fi, utilizando ferramentas de desenvolvimento,

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componentes eletrônicos e técnicas e algoritmos de localização interna por meiodas redes wi-fi.

O projeto RFLocus (Radio Frequency Locus) é um sistema de localização in-terna por meio de redes Wi-Fi, que estima a posição de um receptor móvel a par-tir da atenuação do sinal de múltiplos emissores fixos. Este sistema tem comoobjetivo auxiliar deficientes visuais a se localizarem em um ambiente contro-lado, como casas e prédios públicos, universidades, aeroportos e rodoviárias.Por meio do sistema RFLocus, um usuário é localizado em um ambiente mape-ado e informado via áudio sobre pontos de interesse ao seu redor, como qualcômodo se encontra ao seu redor, ou mesmo a presença de obstáculos comoescadas e rampas (fixas). A Figura 1 exemplifica um caso de uso do sistema.

Figura 1: Visão geral do projeto RFLocus

A localização de dispositivos em ambientes internos por meio de um sis-tema de rádio frequência é uma tarefa com diversas soluções possíveis. É pos-sível utilizar infraestruturas baseadas em RFID para localizar tags, em WLANcalculando o tempo de viajem dos pacotes, na RSS (Received Signal Strength, ouintensidade do sinal recebido) de um ponto de acesso para determinar distânciaaté este, entre outras [2].

Explorando o método pela RSS tem-se a trilateração. Essa é uma técnicapara a determinação absoluta ou relativa da localização ao medir distânciasusando geometria. O Sistema consiste de ao menos três pontos de acesso (AP)fixos e a distância destes APs até o dispositivo móvel é calculado a partir das RSSsdetectadas. Assim, tem-se a localização do dispositivo com base na intersecçãodas distâncias dos APs até ele.

Fingerprint é outra técnica de localização absoluta ou parcial que consiste

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em um banco de dados com o mapa da RSS de cada AP em cada posição deinteresse de um ambiente. A posição estimada pode ser calculada com base novalor da RSS e com as correspondências com o banco de dados ou com o pontomais próximo ao dispositivo [3].

O projeto consiste em três módulos principais: um sistema embarcado, umaaplicação mobile e um servidor web.

Um Raspberry Pi 3B e três módulos ESP8266 formam o sistema embarcado.ORaspberry tem a função de determinar a possição do usuário e gerenciar os mó-dulos ESP8266. O módulo Wi-Fi ESP8266 é usado como emissor de sinal wi-fi.A aplicação mobile consiste de um APP para Android tendo dois modos de ope-ração: Modo administrativo, para cadastro e mapeamento de locais, e modousuário, para receber a posição do usuário e informá-la via áudio. Por fim, oservidor web é responsável por armazenar as informações da localização dospontos de interesse (sala XX, banheiro, escada, etc.) do local mapeado, assimcomo permitir a gerência de tais informações (cadastros, consultas, alterações,etc.).

Como elemento complementar deste projeto, tem-se a comunicação entreo sistema embarcado e a aplicação mobile, dando-se por meio de Wi-Fi, umavez que ambos o Raspberry PI 3B e o smartphone possuem módulos Wi-Fi inte-grados.

1.1 Requisitos Funcionais e Não Funcionais

A seguir, são listados os requisitos funcionais e não funcionais utilizados para odesenvolvimento do projeto.

1.2 Requisitos Funcionais

• O sistema deve ser capaz de registrar valores de posição relacionados aleitura de RSS, no banco de dados

• O sistema deve ser capaz de realizar consultas no banco de dados

• O sistema deve ser capaz de calcular a posição do cliente

• O sistema deve ser capaz de identificar cada access point (AP).

• O sistema deve ser capaz de identificar cada área do ambiente

• Sistema deve ser capaz de gerenciar a rede Wi-Fi

• O aplicativo deve ser capaz de transformar mensagem de texto em men-sagens de áudio

• O aplicativo deve ser capaz de capturar informações sobre os emissoresde sinal wi-fi.

• O aplicativo deve ser capaz de se conectar automaticamente à rede Wi-Fi.

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1.3 Requisitos não Funcionais

• O sistema deve ser capaz de se comunicar via Wi-Fi com o aplicativo

• O sistema deve ter uma interface de API RESTful

• O sistema deve utilizar o banco de dados SQLite3

• O sistema deve utilizar a linguagem Python

• O sistema deve ter uma funcionalidade de log intuitiva

• O aplicativo deve utilizar a linguagem Java

• O aplicativo deve utilizar a API Google TTS

• O aplicativo deve ser capaz de se comunicar via Wi-Fi com o sistema em-barcado

• O aplicativo deve apresentar uma interface simples e intuitiva

Nas seções seguintes são apresentados os componentes utilizados, seçãoComponentes, o detalhamento do desenvolvimento do Hardware e do Software,seções Hardware e Software, respectivamente, uma análise sobre os dados obti-dos durante a execução do projeto, seção Análise de resultados, e as conclusõese considerações finais a respeito do projeto, seção Conclusão.

2 Componentes e Tecnologia

Nesta seção será apresentado o detalhamento dos três módulos principais: ohardware do sistema embarcado, aplicação mobile e um servidor web. Tambémserão descritas as APIs (Interface de Programação de Aplicações), ferramentas etecnologias utilizadas para o desenvovlvimento e implementação do projeto.

2.1 Hardware

Para implementar a principal estrutura do projeto, foi necessário projetar umsistema embarcado com o objetivo de processar informações, realizar cálculose centralizar os principais serviços. Foi utilizado o Raspberry Pi 3B e três móduloESP8266. Esses componentes são apresentados na Figura 2.

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(a) (b)

Figura 2: Imagens dos componentes utilizados. (a) Raspberry Pi 3B, Fonte:[4], (b) Mó-dulo ESP8266, Fonte:[5]

2.1.1 Raspberry Pi 3B

O Raspberry Pi 3B, apresentado na Figura 2.(a), é utilizado para centralizar oprocessamento de informação e executar o algoritmo do cálculo da distânciado usuário em relação aos módulos ESP8622 e interpretar a localização de umusuário com base no cruzamento entre as informações passadas do APP com ospontos de interesses cadastrados no servidor web. Isto é, ao receber uma locali-zação do usuário, retornar para ele que ponto de interesse está na sua proximi-dade, se existir algum. Este componente foi escolhido pois contém capacidadepara processamento de informação, módulo Wi-Fi integrado e tem um custoviável para o desenvolvimento do projeto.

2.1.2 Módulo Wi-Fi ESP8622

O projeto tem como principal função informar a localização do usuário em umambiente interno, e para isso foi necessário projetar uma rede de APs para queo smartphone detecte essa rede e identifique a intensidade do sinal de cada AP.Para implementar essa rede de APs, foi utilizado o módulo Wi-Fi ESP8522, apre-sentado na Figura 2.(b), com a função de gerar sinais Wi-Fi. Este módulo contacom um microcontrolador integrado e permite a reconfiguração por software deacordo com as necessidades do projeto e o seu custo é viável para o desenvolvi-mento do projeto.

2.2 Aplicação Mobile

Atualmente ter um smartphone com sistema operacional Android é comum en-tre pessoas em qualquer lugar. Com isso, o projeto conta com o desenvolvi-mento de uma aplicação mobile que tem como objetivo detectar a rede de APs,captar informações como intensidade do sinal, e a identificação de cada AP, en-viar para o sistema embarcado, receber resultados e informar o usuário por áu-dio. Para o desenvolvimento e implementação da aplicação mobile, foi utilizadoa IDE Android Studio. O Android Studio oferece as principais ferramentas paradesenvolvimento de aplicações mobile, criação do layout, codificação, compli-lação e execução. No desenvolvimento da aplicação mobile, foram utilizadas

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duas APIs: Android Wifi-Manager e Google TTS. A API Android Wifi manager,foi utilizada para implementar o gerenciamento da conectividade Wifi dentroda aplicação mobile. Já a API Google TTS (Google Text-to-Speech) tem comofuncionalidade converter texto em voz[6].

2.3 Servidor Web

Visando desenvolver uma plataforma para fornecer serviços para todo o sis-tema, foi implementado um servidor web. Este servidor fornece serviços debanco de dados, recebimento e envio de informações e execução do algoritmode cálculo de distância. Para a implementação dos serviços e funcionalidades doservidor web, foi utilizando uma API Web Rest (Transferência de Estado Repre-sentacional) que consiste em definir regras para criação de projeto com interfa-ces bem definida, permitindo que as aplicações se comuniquem[7], o métodoJson (Notação de Objetos JavaScript) que é uma formatação leve de troca dedados[8], SQLite é uma biblioteca em linguagem C que implementa um bancode dados SQL embutido[9] e a SciPy, que é uma biblioteca científica da lingua-gem de programação Python que abstrai o uso de funções de minimização parao desenvolvimento e implementação do algoritmo de cálculo de distância. Aimplementação do servidor web facilita a manutenção e atualização do sistema.

2.4 Custos

Tabela 1: Tabela de CustosItem Quantidade Valor Unitário Valor TotalRaspberry Pi 3B 1 R$ 200,00 R$ 200,00Módulo Wi-Fi ESP8266 4 R$ 50,00 R$ 200,00Fonte 5V 4 R$ 20,00 R$ 80,00

Total R$ 480,00

3 Desenvolvimento

Nesta seção será apresentado o detalhamento do desenvolvimento e implen-tação dos módulos do sistema. A montagem, reconfiguração e programaçãodo hardware, a utilização de técnicas e ferramentas tecnológicas no desenvolvi-mento de softwares e sistemas de comunicação serão detalhados em cada umadas seções. A figura 3 mostra a arquitetura geral do sistema.

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Figura 3: Arquitetura do Sistema

3.1 Hardware

O desenvolvimento do hardware consiste em duas partes, configuração do Rasp-berry Pi 3B e montagem e programação do módulo ESP8622.

No Raspberry Pi 3B foram realizadas as principais configuração e instalaçãode componentes e módulos necessário para implementar as funcionalidades.Instalação do sistema operacional, configuração do módulo de conectividadeWi-Fi e definição dos serviços de comunicação e rede.

No módulo ESP8622 foi realizado a montagem e reconfiguração por soft-ware, utilizando programação em eLua. Na montagem, foi utilizado uma pro-tobord para conectar os terminais e montar a estrutura para a utilização domódulo. Este módulo permite a reconfiguração por software utilizando progra-mação em linguagem Lua, com isso foi possível configurar o módulo como umponto de acesso em uma rede Wi-fi. Foi necessário também a aquisição de umafonte de alimentação de 5 volts para o módulo.

3.2 Aplicativo RFLocus

Utilizando os componentes descritos em 2.2, foi desenvolvida uma aplicaçãomobile denominada RFLocus. Esta aplicação consiste em dois modos: modoadministrativo e modo usuário, que serão detalhados a seguir.

O primeiro passo no desenvolvimento foi a concepção dos layout das telas,isto é, a interação homem-máquina (IHM) do sistema. Para o modo administra-tivo foi elaborado uma IHM capaz de exibir de forma simples, porém completa,as informações dos AP’s no alcance do smartphone, ou seja, o nome das redes,seus endereços MAC e a intensidade do sinal de cada um dos módulos, provercampos para a entrada de dados de distâncias aos módulos e um botão paraenvio dos dados ao servidor.

A IHM do modo usuário, por outro lado, se mostrou bem minimalista, elabo-rado apenas a exibição da localização no centro da tela e um switch para a ativa-

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ção e desativação do Text to Speak (TTS) caso o usuário deseje. Essa IHM garanteque tanto deficientes visuais como não deficientes possam utilizar o aplicativo.

Uma vez feita a IHM, foram desenvolvidas as funcionalidades do aplicativo.No modo administrativo foram implementadas as funcionalidades principaisdo sistema, ou seja, a identificação dos AP’s do ambiente, a autoconexão coma rede do sistema e o envio e recebimento de informações. Cada um dessesmétodos será detalhado nos próximos parágrafos.

A identificação de AP’s de um ambiente tem como base a utilização do re-curso de conectividade Wi-Fi do smartphone. Para isso, foi necessário desenvol-ver um método de gerenciamento deste recurso dentro do aplicativo, obtendoo nome da rede, o endereço MAC dos AP’s e o valor da intensidade do sinal. OAndroid possibilita a utilização deste recurso através da API Wifimanager.

O autoconexão do aplicativo com a rede do sistema é um importante re-quisito, pois facilita ao usuário a utilização do aplicativo. Para isso foi imple-mentado um método dentro do sistema para realizar a autoconexão com a rede,tendo como parâmetro o nome (SSID) e a senha da rede. Esse recurso tambémé disponibilizado pela API citada acima.

Após implementar a autoconexão na rede, foi implementado um métodopara que o aplicativo comunique-se com o servidor web utilizando o protocoloHTTP GET e PUT, utilizando objetos JSON para transferência de dados via URL.A APi Volley do Android possui métodos para a realização destas funcionalida-des.

O modo usuário é uma extensão do modo administrativo, assim ele se uti-liza das funcionalidades descritas anteriormente acrescentando o conversor detexto em voz, utilizando a API do Google TTS.

3.3 Servidor Web

Utilizando os componentes de tecnologia descritos no item 2.3, foi implemen-tado o servidor web com o objetivo de fornecer serviços para todo o sistema.A comunicação e troca de informações entre o sistema embarcado e aplicaçãoRFLocus, implementação e execução do algoritmo de cálculo de distância e sis-tema de gerenciamento de banco de dados serão descrito a seguir.

A comunicação e troca de informação entre o sistema embarcado e a apli-cação mobile foi implementada utilizando a API Web Rest, e o método Json,com isso foi possível estabelecer a comunicação e troca de informação entre oservidor web com a aplicação mobile com base na conexão wi-fi da rede do sis-tema, ou seja, o servidor web fornece serviço para os hosts da rede, no caso osmartphone do usuário executando a aplicação RFLocus poderá utilizar os ser-viços e se comunicar com o servidor web. Diversos usuários podem utilizar osserviços simultaneamente.

Com o objetivo de armazenar, organizar e relacionar informações e pontosde interesse do ambiente, foi necessário implementar serviço de gerenciamentode banco de dados. Para isso foi utilizado o SQLite, descrito no item 2.3.

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3.4 Algoritmo de Cálculo de distância

Com o objetivo de desenvolver um método para calcular a distância do usuárioem relação aos pontos fixos e estimar sua localização, foi implementando umalgoritmo de cálculo de distância. Com base nos conceitos e técnicas da trilate-ração, o algoritmo implementado transforma o problema de trilateração em umproblema de minimização. O problema de minimização consiste em assumirque as distâncias medidas são imprecisas, ou seja, a distância pode ser maiorou menor que a distância real, como isso é o algoritmo gera valores estimandoa posição do ponto móvel, no caso o usuário. Com base nos valores geradose na distância medida, o algoritmo realiza uma minimização de erro, que con-siste em minimizar a soma do quadrado dos erros entre a distância estimada ea distância medida, a equação abaixo mostra esta minimização [10].

M I Nh∑i

(di − r i )2 (1)

Na equação, di é a distância eucliana entre o valor gerado pelo algoritmo e aposição de um ponto fixo, ri é a distância medida, h são os Ap’s (pontos fixos) e i éo ponto móvel. A figura abaixo mostra o diagrama de blocos do funcionamentodo algoritmo.

Figura 4: Diagrama de blocos do algoritmo

O algoritmo gera vários valores de posição, e verifica o resultado. Se o re-sultado ainda não estiver satisfatório, ou seja, enquanto o resultado não estiverigual ou próximo de zero, o algoritmo gera outros valores para melhorar o resul-tado, até que os valores gerados piorem o resultado, neste momento o algoritmopara e conclui sua execução.

4 Análise de Resultados

Após a instalação dos emissores de sinal wi-fi e do Raspberry Pi 3B no ambiente,executando o aplicativo RFLocus no modo administrador, foi feita a calibração

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para o mapeamento do ambiente para realizar os testes. Na execução dos testes,o funcionamento tanto do modo administrador e usuário do aplicativo teve seufuncionamento como o esperado. A comunicação entre o aplicativo RFLocuscom o sistema embarcado também teve seu funcionamento como o esperado.Os teste realizado com todas as partes do projeto integrado, o sistema em al-guns momentos, o sistema informava a localização com uma diferença de doismetros em relação a posição real. Esta diferença foi considerada aceitável paraambientes internos. Informações e vídeos de testes do projeto podem ser en-contrados no blog RFLocus [11].

5 Conclusão

O desenvolvimento deste projeto mostrou que podemos utilizar conhecimen-tos técnicos e científico, componentes de tecnologias (Softwares e sistemas decomunicação) e componentes eletrônicos para minimizar os problemas que de-ficientes venham a ter.

Funcionalidades e melhorias como, estabelecer rotas entre dois pontos, guiaro usuário durante esta rota, estudo aprofundado das característica do ambiente,podem ser implementadas a qualquer momento, pois a base do sistema (sis-tema embarcado, aplicação mobile e comunicação) já esta estabelecida

Como descrito os componentes escolhidos tem um custo viável e com a uti-lização de recursos sempre presentes na maioria dos ambientes como redes wi-fi e smartphone como parte do sistema, torna o projeto RFLocus viável em ter-mos de custos.

A análise de resultados mostrou que podemos considerar que a diferença dadistância entre a posição real e a posição informada pelo sistema para um am-biente interno é pequena e aceitável (máximo 2 metros de erro). Com a análisede resultados e os custos, podemos concluir que o projeto RFLocus é viável paraser instalado em diversos ambientes internos que tenha pessoas que necessitemde auxílio para se localizarem.

Referências

[1] Estatísticas da deficiência visual. https://www.fundacaodorina.org.br/a-fundacao/deficiencia-visual/estatisticas-da-deficiencia-visual/.

[2] Philipp Vorst, Jürgen Sommer, Christian Hoene, Patrick Schneider, Chris-tian Weiss, Timo Schairer, Wolfgang Rosenstiel, Andreas Zell, and GeorgCarle. Indoor positioning via three different rf technologies. In RFID Sys-tems and Technologies (RFID SysTech), 2008 4th European Workshop on, pa-ges 1–10. VDE, 2008.

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[3] Maxim Shchekotov. Indoor localization method based on wi-fi trilaterationtechnique. In Proceeding of the 16th conference of fruct association, pages177–179, 2014.

[4] RASPBERRY PI 3 MODEL B. https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/.

[5] NodeMCU v2 Lua based ESP8266 development kit. https://statics3.seeedstudio.com/seeed/img/2017-03/QluwTVU7FQIvaC8dZy6x2JaM.jpg/.

[6] Google TTS. https://developer.android.com/reference/android/speech/tts/TextToSpeech.html.

[7] Learn REST: A RESTful. http://www.restapitutorial.com/.

[8] JSON Introduction. https://www.w3schools.com/js/js_json_intro.asp.

[9] SQlite Documentation. https://www.sqlite.org/.

[10] Michael Moher Simon Haykin. Sistemas modernos de comunicação wire-less. pages 205 – 210. Bookman, 2008.

[11] Blog do Projeto RFLocus. https://rflocus.wordpress.com/.