Opciones de conectividad inalámbrica para aplicaciones de IoT: navegación interior

¿Cuáles son las ventajas de la navegación interior?

En general, la navegación interior se utiliza para proporcionar los siguientes beneficios:

• Mejor experiencia de usuario para usuarios que navegan en interiores donde el GPS no es práctico
• Mejorar la eficiencia de los trabajadores en edificios comerciales
• Mejora del flujo de tráfico en áreas congestionadas.
• Permitir que los usuarios se encuentren en una instalación
• Habilite operaciones y mejoras de edificios inteligentes
• Usar los datos de ubicación recopilados para optimizar el flujo de trabajo y mejorar la usabilidad del espacio

Los beneficios proporcionados por una implementación dependen de los objetivos de la aplicación específica en cuestión. Ejemplos de aplicaciones que utilizan navegación interior incluyen:

• Aeropuertos
• Museos
• Centros comerciales y supermercados
• Parques tematicos
• Instituciones de salud
• Centros de convenciones
• Almuerzos y restaurantes

Los atributos más críticos para las tecnologías inalámbricas utilizadas en la navegación en interiores

Hay algunos atributos clave que deben tenerse en cuenta en las tecnologías inalámbricas utilizadas para la navegación en interiores. Estos son:

• Escalabilidad
• Privacidad y seguridad
• Resolución de posicionamiento (precisión y latencia)
• Ubicuidad y adopción

Comparación de las tecnologías inalámbricas más adecuadas para la navegación interior

Las tecnologías inalámbricas más adecuadas para aplicaciones de navegación en interiores son:

• Bluetooth^® Energía baja
• Banda ultra ancha (UWB)
• Wifi
• Ultrasónico

Hablemos un poco sobre cómo encaja cada uno de ellos en la aplicación de navegación interior.

Bluetooth de bajo consumo de energía

Bluetooth^® Low Energy es la tecnología inalámbrica más común utilizada en los sistemas de navegación de interior, y por algunas buenas razones. Algunos de los beneficios más importantes de usar Bluetooth Low Energy para la navegación en interiores incluyen:

• Implementación segura y privada
• Amplia adopción y singularidad en todos los teléfonos inteligentes a nivel mundial
• Soporte para implementaciones a gran escala

Después de que Apple lanzara su formato estándar para iBeacon en 2013, las balizas Bluetooth despegaron y se han adoptado ampliamente en muchos casos de uso, particularmente en aplicaciones de navegación interior y marketing minorista.

Tradicionalmente, Bluetooth de baja energía faros se han utilizado como una solución popular para los sistemas de navegación en interiores. El principio básico detrás de estos sistemas es instalar las balizas Bluetooth en posiciones fijas dentro de una estructura donde transmiten paquetes publicitarios que son recolectados por el teléfono inteligente del usuario. Por lo tanto, el teléfono inteligente puede calcular su posición basándose en el RSSI de los paquetes recibidos por las balizas y posiblemente colocar la posición calculada en un mapa presentado al usuario.

En 2019, una nueva y emocionante función llamada Bluetooth^® La búsqueda de dirección se introdujo en la versión 5.1 de la especificación estándar de Bluetooth. Esta nueva función permite que los dispositivos Bluetooth Low Energy aumenten la precisión de la ubicación de los dispositivos Bluetooth en función del ángulo de salida (AoD), el ángulo de llegada (AoA) o ambos. Como se mencionó anteriormente, la mayor precisión generalmente tiene un costo más alto.

Para el caso de la navegación interior, AoD es el método más adecuado que se implementa normalmente. En este método, el dispositivo en el que se determina la dirección, como un localizador de baliza en una solución IPS, transmite una señal especial utilizando múltiples antenas dispuestas en una matriz. El dispositivo receptor, como un teléfono celular en la misma solución IPS, tiene una sola antena. Cuando varias señales del dispositivo de transmisión pasan a través de la antena en el dispositivo de recepción, el dispositivo de recepción toma muestras de IQ. Basándose en los datos de muestra de IQ, el dispositivo receptor puede calcular la dirección relativa de la señal.

Banda ultra ancha (UWB)

Ultra Wideband es una tecnología de radio de corto alcance popular en los sistemas de navegación para interiores. UWB opera en el rango de frecuencia de 3,1 y 10,6 GHz y tiene un ancho de banda de al menos 500 MHz.

Los sistemas de posicionamiento en interiores basados ​​en UWB se diferencian de las soluciones de balizas Bluetooth® Low Energy en que utilizan Tiempo de vuelo en lugar de mediciones RSSI para estimar distancias que luego se utilizan en los cálculos de trilateración para determinar la ubicación del dispositivo.

El principio básico detrás del método de tiempo de vuelo es la capacidad de calcular la distancia de un dispositivo a otro conociendo tanto (1) el tiempo que tarda la señal en viajar desde el transmisor al receptor como (2) la señal de velocidad. Finalmente, estos valores se utilizan en un cálculo de trilateración para calcular la ubicación del dispositivo objetivo.

A continuación, presentamos algunas de las ventajas de los sistemas de posicionamiento en interiores UWB:

• Mayor precisión que las técnicas basadas en RSSI utilizadas en otras tecnologías, ya que operan en una banda de frecuencia muy amplia. la medida del tiempo de vuelo de cualquier señal de radio está relacionada con su ancho de banda
• Interferencia reducida con otras señales debido a la baja potencia de transmisión y al corto tiempo de transmisión de la señal UWB

Algunos de los inconvenientes incluyen:

• Alto costo, a veces incluso prohibitivo
• La falta de una amplia adopción en los teléfonos inteligentes y dispositivos tradicionales, que tiene el potencial de afectar la usabilidad y la experiencia del usuario del sistema, ya que la solución requerirá que los usuarios usen etiquetas UWB (o brazaletes) especializadas. usuarios
• La falta de estandarización global: las regulaciones difieren en diferentes regiones del mundo

Wifi

Otra tecnología inalámbrica utilizada para los sistemas de navegación en interiores es Wi-Fi. La principal ventaja de Wi-Fi es que su infraestructura existe casi en todos lados. Esto parecería convertirlo en una elección fácil en muchos casos; sin embargo, carece de algunos inconvenientes importantes. Algunos de estos son:

• Menor precisión
• Soporte limitado (o inexistente) en dispositivos iOS en comparación con Android (en implementaciones centradas en dispositivos)
• Requisito de hardware especializado que podría generar altos costos de implementación (en implementaciones basadas en red)

Las soluciones que utilizan Wi-Fi no requieren necesariamente una conexión a los nodos de seguimiento / puntos de acceso, sin embargo, no conexión–establecido las soluciones afectan la precisión del sistema y los tiempos de latencia. Los dos parámetros principales utilizados en estos sistemas son:

• El RSSI: se utiliza para calcular la distancia aproximada
• La dirección MAC, utilizada para la identificación del dispositivo.

Las mediciones RSSI se utilizan junto con la trilateración para determinar la ubicación aproximada de un dispositivo dentro de un espacio. Huellas dactilares es otro método utilizado para determinar la ubicación a través de Wi-Fi. Utilice información histórica de RSSI junto con ubicaciones conocidas para determinar con mayor precisión la ubicación del dispositivo.

El tiempo de vuelo (ToF) es otra técnica que a veces se utiliza en implementaciones de navegación en interiores basadas en WiFi. El concepto básico usa las marcas de tiempo proporcionadas por las interfaces inalámbricas para calcular el ToF de las señales y luego usa esta información para estimar la distancia y la posición relativa de un dispositivo cliente a los puntos de acceso. ToF requiere una conexión entre los dispositivos y la red Wi-Fi local que puede comprometer la privacidad y la seguridad, así como presentar problemas de escalabilidad.

Ultrasónico

Las tecnologías de ultrasonido utilizan ondas sonoras para transmitir datos digitales en el rango de frecuencia por encima de 20 kHz. En el caso de los sistemas de navegación interior, las tecnologías de ultrasonido se utilizan para detectar la posición de un objeto mediante cálculos de tiempo de vuelo (ToF). ToF, junto con la trilateración, se utiliza para lograr una precisión de detección de la posición del objeto en unos pocos centímetros.

A diferencia de las señales de RF, las señales ultrasónicas generalmente están obstruidas por paredes y objetos dentro de un espacio. Esto puede servir como una ventaja en el caso de la navegación interior, ya que puede detectar la presencia de un dispositivo dentro de una habitación específica.

Los sistemas ultrasónicos de navegación interior requieren la implementación de dispositivos de rastreo dentro de una instalación además de las etiquetas que se adjuntan a los usuarios que necesitan navegar por el espacio.

Ahora, comparemos las tecnologías más comunes en términos de los atributos clave que hemos enumerado:

Más discusión

Es importante señalar que para algunas aplicaciones de navegación en interiores puede ser más adecuado utilizar una combinación de una o más de estas tecnologías en lugar de utilizar una única tecnología inalámbrica.

Además de usar RSSI, ToF y otras metodologías para determinar la ubicación, un sistema de navegación interior también podría usar algoritmos de software avanzados y fusión de sensores (usando mediciones de múltiples sensores) para mejorar la precisión de los cálculos de posicionamiento.