Location of Repository

Experimental invstigation of RFID technology for personal mobility applications

By Ανδρέας Δημητράτος and Andreas Dimitratos

Abstract

Η δομή και οι συνθήκες που επικρατούν σε περιβάλλον κλειστών χώρων καθιστούν ιδιαίτερα δύσκολη τη χρήση των τεχνολογιών που εφαρμόζονται σε εξωτερικούς χώρους, όπου κυρίαρχο ρόλο έχουν τα συστήματα δορυφορικού εντοπισμού. Αντίθετα, σε κλειστούς χώρους οι βασικές τεχνολογίες προσδιορισμού θέσης στηρίζονται κυρίως στην αρχή του αδρανειακού εντοπισμού, στην διάδοση ραδιοκυμάτων καθώς και σε προηγμένα οπτικά συστήματα. Ανάλογα με τις απαιτήσεις κάθε εφαρμογής, η τελική επιλογή θα πρέπει να πληρεί συγκεκριμένες απαιτήσεις, όπως είναι η ακρίβεια, ορθότητα, διαθεσιμότητα, συνέχεια, πολυπλοκότητα, ευρωστία, εξελιξιμότητα σε συνδυασμό με το κόστος. Η διαδικασία εντοπισμού σε κλειστούς χώρους υλοποιείται σε δύο βασικά βήματα. Σε πρώτη φάση απαιτείται συλλογή των πρωτογενών μετρήσεων, όπως χρονικές διαφορές, ισχύς σήματος RF, διευθύνσεις ενώ, σε δεύτερη φάση, επιλύεται το πρόβλημα του εντοπισμού με εφαρμογή εναλλακτικών τεχνικών, όπως η τεχνική του τριπλευρισμού, η τεχνική Cell of Origin (CoO) και η τεχνική χαρτογράφησης του αποτυπώματος RSS (fingerprinting). Η συγκεκριμένη εργασία επικεντρώνεται στην τεχνολογία RFID (Radio Frequency Identification) η οποία στηρίζεται στη διάδοση σημάτων RF. Ένα σύστημα RFID αποτελείται από αναγνώστες RFID, αναμεταδότες RFID και κατάλληλο λογισμικό. Οι αναμεταδότες ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους χωρίζονται σε παθητικούς και ενεργούς. Ο προσδιορισμός της θέσης ατόμου, αντικειμένου ή οχήματος, με τη χρήση της συγκεκριμένης τεχνολογίας, επιτυγχάνεται με τις προαναφερθείσες τεχνικές προσδιορισμού θέσης. Η ακρίβεια του αποτελέσματος εξαρτάται από το περιβάλλον εφαρμογής και από τον τρόπο με τον οποίο θα τοποθετηθούν οι αναγνώστες και οι αναμεταδότες RFID στο χώρο. Ιδιαίτερο αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η χρήση της τεχνολογίας RFID για τον εντοπισμό πεζών σε κινηματικές εφαρμογές. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε έλεγχος της τεχνολογίας RFID (συστήμα Freaquent HTEV 600 RFID reader / ETS RFID tag, Freaquent Froschelectronics GmbH) σε στατική και κινηματική λειτουργία σε ανοιχτό, ελεύθερο εμποδίων χώρο. Ο στατικός έλεγχος αποσκοπεί στη μελέτη / μοντελοποίηση των μεταβολών της τιμής RSS σε σχέση με την διεύθυνση της κεραίας και την απόσταση παρατήρησης. Ο κινηματικός έλεγχος είχε ως στόχο την εφαρμογή του μοντέλου αυτού και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων προσδιορισμού θέσης για τον εντοπισμό πεζών σε συνθήκες χαμηλής δυναμικής και περιοχές ελεύθερες εμποδίων. Από την ανάλυση δεδομένων που συλλέχθηκαν σε διαφορετικά σενάρια παρατήρησης προέκυψε ότι η ισχύς του σήματος RF μειώνεται σε ποσοστό 97% με αύξηση της απόστασης από το 1 m στα 3 m. Για αύξηση της απόστασης από τα 3 m στα 5 m και έπειτα στα 6 m το ποσοστό μείωσης της ισχύος του σήματος RF είναι της τάξης του 2.5%. Επίσης, ο προσανατολισμός της κεραίας του αναγνώστη RFID επηρεάζει την τιμή RSS που καταγράφεται. Οι τιμές που καταγράφηκαν όταν ο αναμεταδότης RFID βρισκόταν έμπροσθεν της κεραίας RFID είναι ελαφρώς μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες που καταγράφηκαν όπισθεν της κεραίας RFID. Τέλος, το καταλληλότερο μοντέλο συσχέτισης της τιμής RSS με την απόσταση παρατήρησης εξαρτάται κάθε φορά από τις καταγεγραμμένες τιμές RSS και από τον τρόπο με τον οποίο αυτές συλλέχθησαν. Από τα πειραματικά δεδομένα προέκυψε ως καταλληλότερο μοντέλο ένα διπλό πολυώνυμο 2ου βαθμού.Η χρήση της τεχνολογίας RFID, για εντοπισμό πεζών σε περιοχές ελεύθερες εμποδίων και χαμηλής δυναμικής, μπορεί να δώσει ακρίβεια της τάξης του 1 m ή καλύτερη.The layout and the conditions within indoor environments make very difficult the usage of satellite positioning technologies that mainly used outdoors. Contrarily, despite their many limitations inertial, optical and radio based technologies are used indoors. A number of specific application requirements (e.g. precision, accuracy, availability, robustness) and cost define the choice of a particular technology or a combination of them. The process of indoor positioning executed in two stages. The first stage required collection of raw measurements, such as time differences, RF signal strength, orientations and in the second stage, the problem of localization is solved by applying alternative techniques such as trilateration, Cell of Origin (CoO) and fingerprinting. This diploma thesis focuses on RFID technology (Radio Frequency Identification), which is based on the propagation of RF signal (band width 125 kHz, 13.56 MHz, 433 MHz, 868 – 915 MHz). A RFID system consists of RFID readers, RFID transponders and appropriate software. According to their mode of operation, the transponders are divided into passive and active. Positioning a person, an object or a vehicle by using this technology, is achieved with the mentioned positioning techniques. The accuracy of the result depends on the application's environment and the manner in which the RFID readers and the RFID transponders will be placed in the field. Specifically a through analysis of indoor positioning techniques and technologies, and RFID in particular is undertaken. Moreover, this work aims at a performance characterization of RFID sytems (Freaquent HTEV 600 RFID reader / ETS RFID tag, Freaquent Froschelectronics GmbH) for low dynamic, kinematic applications. In static mode, the study aims to reveal the system capabilities in terms of maximum range operation, availability and to establish a mathematical representation to relate measured signal strength to observation distance. Also, the influence of RFID reader antenna orientation is tested. At a kinematic mode, we generate simple scenarios of pedestrian trajectories to evaluate the localization performance of the system using lateration algorithms. In both cases, the experimental validation is undertaken in line-of-sight conditions and low dynamics. Analysis of the static investigation reveals that the RF signal strength is reduced to 97% when the distance is increased from 1 m to 3 m. When the distance is increased from 3 m to 5 m and then to 6 m, the RF signal strength is reduced to the order of 2.5%. Also the orientation of the antenna of the RFID reader affects the recorded RSS value. The RSS values, which they were recorded when the RFID transponder is located in front of the RFID antenna, is slightly greater than the recorded RSS values when the RFID transponder is located behind the RFID antenna. Finally, the most appropriate model of the correlation RSS value with the distance depends on the recorded RSS values and the manner in which they were collected. From the experimental data, the most appropriate model is a double 2nd degree polynomial. Analysis of the kinematic investigation reveals that using RFID technology for personal mobility applications in line-of-sight conditions and low dynamics can give accuracy of around 1 m or better

Topics: Εντοπισμός, Ραδιοσυχνότητα, Κλειστός χώρος, Πεζός, Κινηματικές εφαρμογές, Positioning, RFID, Indoor, Pedestrian, Kinematic applications
Year: 2016
OAI identifier: oai:dspace.lib.ntua.gr:123456789/43181
Provided by: DSpace at NTUA
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://dspace.lib.ntua.gr/hand... (external link)
  • Suggested articles

    Preview


    To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.