WWW.ABSTRACT.XLIBX.INFO
FREE ELECTRONIC LIBRARY - Abstract, dissertation, book
 
<< HOME
CONTACTS



Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«Studienarbeit von Michael Menz (menz vorgelegt an der Humboldt Universität zu Berlin Institut für Informatik Lehrstuhl ...»

-- [ Page 1 ] --

RFID-basierte Positionsbestimmung

Studienarbeit

von

Michael Menz (menz@informatik.hu-berlin.de)

vorgelegt an der Humboldt Universität zu Berlin

Institut für Informatik

Lehrstuhl für Rechnerorganisation und Kommunikation

am 10. August 2005

betreut von Peter Ibach (ibach@informatik.hu-berlin.de)

Abstract

Die nachfolgende Arbeit untersucht, wie RFID-Hardware zur Ortung eingesetzt werden kann. Dazu

wird eine Übersicht über verschiedene Ortungsverfahren gegeben. Aus den Verfahren wurde Signalstärke-basierte Ortung vor allem aufgrund der günstigen Kosten ausgewählt und weiter untersucht. In einer umfassenden Marktanalyse wird geklärt, welche Hardware für die Signalstärkebasierte Ortung in Frage kommt. Aufgrund der Analyse wurde das semiaktive RFID-Equipment der Firma Identec ausgewählt, das für Praxismessungen herangezogen wurde. Aus den Messungen wurde ermittelt, wie sich die Signalstärke zum Abstand zwischen Sender und Empfänger in verschiedenen Szenarien (Outdoor, Indoor) verhält. Vergleichende Messungen wurden ebenfalls mit WLANHardware durchgeführt, wobei die verwendete RFID-Hardware Vorteile gegenüber WLAN zeigte.

Unter anderem fielen sowohl Dämpfung durch Wände und Personen als auch Varianzen der Signalstärken bei RFID geringer aus, was gegenüber der Ortung mittels WLAN eine verbesserte Ortungsgenauigkeiten ermöglicht. Die untersuchte RFID-Hardware erlaubt in typischen IndoorSzenarien eine flächendeckende Ortung mit unter 5m mittlerem Fehler, wobei an kritischen Stellen eine verbesserte Genauigkeit mit bis zu 1m mittlerer Abweichung durch Anpassung der Sendefeldstärke möglich ist.

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG

2. POSITIONSBESTIMMUNGS-VERFAHREN

2.1. CELL OF ORIGIN (COO)

2.2. SIGNALSTÄRKE-BASIERTES VERFAHREN

2.3. TIME OF ARRIVAL (TOA)

2.4. TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL (TDOA)

2.5. ANGLE OF ARRIVAL (AOA)

2.6. ZUSAMMENFASSUNG

3. TECHNISCHE GRUNDLAGEN ZU RFID

3.1. TRANSPONDER

3.2. LESEGERÄTE

3.3. FREQUENZEN

3.4. REICHWEITE

3.5. GRUNDLEGENDE FUNKTIONSWEISE

3.6. DATENÜBERTRAGUNG

4. MARKTÜBERSICHT

4.1. FIRMENÜBERSICHT

4.2. PRODUKTE

4.2.1. Passive RFID-Hardware im LF- und HF-Bereich

4.2.2. Passive und aktive RFID-Hardware im UHF-Bereich

4.2.3. Passive und aktive RFID-Hardware im 2,4 Ghz-Bereich

5. TESTAUFBAU UND MESSUNGEN

5.1. TESTAUFBAU UND VERWENDETE HARDWARE

5.2. AUSWERTUNG DER MESSUNGEN

5.2.1. Outdoor

5.2.2. Indoor

5.2.3. Einfluß von Personen, Wänden und Antennenwinkel

6. FAZIT

1. Einleitung

Die dynamische Ermittlung der Position – sei es die eigene, die von anderen Personen, oder die von Objekten – hat in den letzten Jahren durch die Mobilität von Computern zunehmend an Bedeutung gewonnen. Allen voran hat sich die Navigation per GPS-System bereits etabliert und Geoinformationsdienste und Location Based Services eröffnen neue Geschäftsmöglichkeiten.

Dabei wird in Zukunft nicht nur die Outdoor-, sondern auch die Indoor-Positionsbestimmung eine wichtige Rolle spielen. Insbesondere in großen, öffentlichen Gebäuden wie z.B. in Park- oder Kaufhäusern, aber auch in industriellen Logistik-Gebäuden bietet die genaue Ortung neue Möglichkeiten. GPS ist dafür zu ungenau, und der Empfang in Gebäuden ist nicht garantiert. Andere Technologien sind für diese Aufgabe besser geeignet.

Das zunehmende Interesse an Internetverfügbarkeit an jedem Ort führt zunehmend zum Aufbau von Wireless Local Area Networks (WLAN) an öffentlichen Plätzen und in Geschäftsgebäuden. Es gibt bereits einige Anbieter, die in solchen Infrastrukturen durch reine Softwarelösungen Positionierung mit beliebigen Wireless-Fidelity-Geräten (kurz: Wi-Fi – eingängiger Name für drahtlose Netzwerkgeräte nach Standard 802.11b) ermöglichen. Anfangs werden dazu einmalig Signalstärke-Messungen an verschiedenen Positionen durchgeführt, um eine so genannte Radio-Map zu erstellen, mit deren Hilfe die Positionierung später genauer sein wird. Diese Systeme erreichen eine Genauigkeit von bis zu 1 m, wobei diese üblicherweise als mittlerer Positionierungsfehler angegeben wird.

Eine bedeutende Alternative zu WLAN-Positionierung im Indoor-Bereich ist die Verwendung von Radio-Frequency-Identification (RFID). RFID wurde ursprünglich als Barcode-Ersatz eingesetzt, um Daten per Funk von Objekten zu erhalten, die mit kostengünstigen RFID-Transpondern (auch Tags genannt) beklebt sind. Mittlerweile gibt es aber bereits vielfältige Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie und auch hier gibt es bereits Anbieter, die RFID zur Positionsbestimmung einsetzen. Als wichtigste Anbieter seien hier Ekahau [8], WhereNet [9] und Aeroscout [10] genannt.

In Industrie und Forschung hat sich gegenüber der RFID-Technik eine hohe Erwartungshaltung entwickelt, die die zur Zeit verfügbare Hardware kaum erfüllen kann. Die größten Probleme sind die geringen Reichweiten und die umgebungsabhängige Zuverlässigkeit. Das von der Verkehrsautomatisierung Berlin GmBH [39] verwendet RFID-System zur Ortung von Bussen auf einem Betriebshof wird beispielsweise durch schlechte Wetterbedingungen (z.B. Schnee) gestört. Es muss also getestet werden, wie sich umgebungsbedingte Veränderungen auf das Verhalten der RFIDHardware auswirken und wie genau die Positionierung dann werden kann.





Bei Positionierungssystemen die auf RFID-Technologie basieren, werden fast immer die Lesegeräte als Bezugspunkte eingesetzt, während die zu ortenden Objekte mit Tags beklebt werden.

Die Positionen der Objekte werden zentral berechnet. In dieser Studienarbeit werden auch Möglichkeiten untersucht, in denen die Tags als feste Bezugspunkte verwendet werden. Die Vorteile liegen auf der Hand. Zum einen sind Tags wesentlich kostengünstiger als Lesegeräte, zum anderen hat der Benutzer die volle Gewalt darüber, ob und wem seine Position bekannt gegeben wird, da diese auf seinem eigenen Gerät berechnet wird. Somit bleiben Datenschutz-Ansprüche gewahrt.

Im Folgenden werden die wichtigsten Positionsbestimmungs-Verfahren beschrieben und auf ihre Tauglichkeit für die Anwendung untersucht. Außerdem werden wichtige technische Grundlagen der RFID-Technologie zusammengefasst und erläutert. Um die passende Hardware für die Anwendung auszuwählen, werden in einer Marktübersicht RFID-Anbieter und -produkte vorgestellt und deren Vor- und Nachteile erläutert.

2. Positionsbestimmungs-Verfahren

Die nachfolgenden Verfahren werden unabhängig von der verwendeten Technik beschrieben. Die Prinzipien bleiben gleich, egal ob man WLAN, GSM, RFID oder andere Techniken zu Grunde legt, solange die entsprechenden Vorraussetzungen der Verfahren erfüllt sind.

2.1. Cell of Origin (COO) Abb.2.1: Cell of Origin, mobile Station (grüner Punkt) liegt im Sendebereich von genau einer Basisstation, also irgendwo in Zelle 2 Bei dem COO-Verfahren wird vorausgesetzt, dass die Sendestationen eine Zellstruktur aufweisen, d.h.

jede Station hat einen bestimmten Sendebereich und ein Empfangsgerät stellt immer eine Verbindung zu der Station her, die am Nächsten ist. Die Positionen der Sendestationen sind bekannt. Hat ein Empfangsgerät Verbindung zu einer Station, weiß man also, dass es sich im Sendebereich befindet.

Diese Positionsbestimmung ist natürlich recht ungenau; die Positionsungenauigkeit entspricht in ungünstigen Fällen dem Radius des Sendebereichs.

Das COO-Verfahren findet heutzutage Anwendung in einigen Location Based Services von Betreibern der Handynetzwerke (z.B. Information über nahe gelegene Restaurants oder O2 Homezone). Da in ländlichen Gegenden die Sendemasten viel mehr Fläche abdecken müssen als in Städten, gibt es Ortungsungenauigkeiten von mehreren Kilometern (abhängig von der Zellgröße).

2.2. Signalstärke-basiertes Verfahren

–  –  –

Das Verhältnis aus Sende- und Empfangsleistung wird als Freiraumdämpfung (Signalstärkeverlust)

bezeichnet. In der relativen Einheit dB gilt also:

–  –  –

S ist hierbei die Signalstärke am Sender, E die am Empfänger, jeweils in Watt. Der SignalstärkeVerlust steht in Abhängigkeit zum Abstand zwischen Sender und Empfänger nach folgender Formel :

–  –  –

wobei r die Distanz in km, f die Frequenz in Mhz und GS/GE der Gewinn der SendeEmpfangsantenne bzgl. eines isotropen Kugelstahlers sind.

Dies gilt jedoch nur im freien Raum ohne Hindernisse wie Wände, Personen oder andere Objekte. Das System RADAR [56], welches Positionsbestimmung mittels WLAN ermöglicht, arbeitet daher mit

einem physikalischen Modell, in dem die Dämpfung von Wänden berücksichtigt wird:

–  –  –

In Gebäuden werden elektromagnetische Wellen von verschiedenen Materialien reflektiert oder absorbiert. Reflektierte Wellen können je nach Phasenverschiebung das Hauptsignal verstärken bzw.

abschwächen. Ebenfalls spielt die Ausrichtung der Antennen zueinander eine wichtige Rolle. Welchen Einfluss solche Effekte auf die Genauigkeit einer signalstärkebasierten Positionsbestimmung haben, wird in dieser Arbeit durch Messungen untersucht.

Ziel ist es also, bei bekannter Ausgangsleistung und ermittelter Empfangsleistung den Abstand zwischen Sender und Empfänger näherungsweise berechnen zu können. Vorraussetzung dafür ist, das die Sender über keine adaptive Signalanpassung verfügen, da sonst die gesendete Leistung nicht ermittelt werden kann.

Um Trilateration (Abb.2.2) durchzuführen benötigt man mindestens drei Sender für eine 2dimensionale Positionsbestimmung und mindestens vier Sender für eine 3-dimensionale Positionsbestimmung. Die ermittelten Abstände zu den Sendern bilden die Radien der Kreise bzw.

Kugeln, die man um die Sender legt.

–  –  –

wobei M der Mittelpunktsvektor und R der Radius ist.

Es werden immer die Schnittpunkte zweier Kreise bestimmt. Eine dritte Gleichung direkt mit einzubeziehen würde nur selten zu einer Lösung führen, da sich aufgrund der hohen Messungenauigkeiten der Signalstärke kein gemeinsamer Schnittpunkt aller drei Kreise ergibt. Es werden jeweils zwei unterschiedliche Kreiskombinationen herangezogen und für jede Kombination die Schnittpunkte berechnet. Anschließend werden die Abstände der Schnittpunkte der ersten Kombination und der Schnittpunkte der zweiten Kombination berechnet. Anhand der Abstände kann nun bestimmt werden, welche beiden Schnittpunkte der jeweiligen Kombination sich am nächsten liegen [1].

Die Ermittlung der Abstände in Abhängigkeit von den Signalstärken wird häufig dadurch verbessert, dass in einem Gebäude Radio-Maps erstellt werden. Dazu werden an verschiedenen Punkten Stichproben-Messungen durchgeführt, wobei die entsprechende Signalcharakteristik kartografiert wird. Typischerweise benötigen die Verfahren daher eine mehr oder minder aufwändige OfflineLernphase zur Kalibrierung und berücksichtigen selten dynamische Änderungen der Radio-Map. Ein bekannter Vertreter ist das RADAR System [11] von Microsoft Research, das von einem Raster vorvermessener Referenzpunkte ausgeht. Als Positionsschätzung wird die Position des Referenzpunktes mit der ähnlichsten Signalcharakteristik gewählt. RADAR erreicht einen mittleren Positionierungsfehler von rund 3 m. Verschiedene Verfahren, beispielsweise [12, 13], verbessern die Positionsschätzung, indem sie die Signalstärke zwischen den Referenzpunkten interpolieren und eine probabilistische Zuordnung zu einer dazwischen liegenden Stelle aufgrund einer MaximumLikelihood-Schätzung vornehmen. Ein solches probabilistisches Verfahren kommt z.B. beim Horus System [14, 15] der University of Maryland zum Einsatz. Falls ein dichtes Raster von Referenzpunkten vermessen wurde, erreichen diese Verfahren einen mittlere Positionierungsfehler von rund 1 m. Liegen nur vereinzelte Referenzpunkte vor, kommen Bayes’sche Verfahren zum Einsatz, die a posteriori Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Aufenthaltsposition berechnen und mit etwa 5 m mittlerem Positionierungsfehler angegeben werden [16]. Um die Vielfalt der Verfahren quantitativ vergleichbar zu machen, existieren analytische Ansätze [17, 18]. Unter angenommenen Bedingungen bezüglich Dichte und Zahl der Access Points und Referenzpunkte sowie der Signalstreuung ergeben sich Grenzwerte für die prinzipiell erreichbare Güte der Positionsbestimmung. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass obige probabilistische Verfahren bereits recht nah am möglichen Optimum rangieren. Ein weites Feld bieten Verfahren zur Kooperation der Peers, wobei Lastbalancierung auf die leistungsfähigeren Rechner, hohe Skalierbarkeit sowie Voting- und Konsens-Protokolle gefragt sind [19, 41].

2.3. Time of Arrival (TOA)

Bei diesem Verfahren kennt man den Sende- und Empfangszeitpunkt des Signals. Aus der Zeitdifferenz läßt sich die Entfernung von Sender und Empfänger bestimmen. Die weitere Positionsbestimmung erfolgt wieder durch Trilateration wie bereits oben beschrieben.

In der Regel handelt es sich dabei um eine Einwegmessung, d.h. das Signal wird nicht reflektiert.

Sender und Empfänger müssen über eine interne Uhr verfügen und die Ankunftszeit eines Signals muss exakt bestimmt werden (wie, wird unter [42] am Beispiel von GPS erklärt). Entweder muss die Uhr des Empfängers vorher sehr genau mit denen der Sender synchronisiert worden sein (ein Fehler von 1 Mikrosekunde entspricht einer Ungenauigkeit von 300m) oder man setzt einen weiteren Sender ein, um die Zeitdifferenz zwischen Sender- und Empfängeruhr herauszufinden. Ein GPS-Empfänger benötigt nur 3 Satelliten für eine dreidimensionale Ortung, da der symmetrisch gelegene Aufenthaltsort im Weltraum ausgeschlossen werden kann. Ein vierter Satellit wird aber zur Zeitkorrektur hinzugenommen (siehe analytische Lösung der Navigationsgleichung [43]).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |


Similar works:

«Würzburger UNTERSTÜTZER JungChemikerForum Chem-SyStM Chemie-Symposium der Studierenden Mainfrankens Vernetze dein Wissen! Abstractband 07. Dezember 2010 www.jcf-wuerzburg.de INHALTSVERZEICHNIS Inhalt des Abstractbandes  Grußwort  Unterstützer  Abstracts der Arbeitskreise  Vortragende Appetithäppchen  Abstracts der Teilnehmer  Teilnehmerliste nach Fachbereichen aufgeschlüsselt  Notizen  Programm (Rückseite) Organisationskomitee Matthias Beyer, Nicolas Brockmann,...»

«3. TVM-Sportlehrertag: „Turnen bewegt den Sportunterricht!“ am 27. September 2013 in Montabaur AK 11: Rope Skipping Dr. Michael Bieligk Zielgruppe: Mittelstufe (7. bis 10. Klasse) Lernziele: Erlernen von Grundsprüngen und einfachen Tricks mit dem Einzel(Single Rope), Glieder(Beaded-Rope) und Langseil (Long Rope) Material: Einzel-, Gliederund Langseile, Musikanlage 1 Rope Skippingseile Speed/Single-Rope (Einzelseil) sind Seile (von max. 3m Länge), die für den einzelnen Springer gedacht...»

«Inhaltsverzeichnis Autoren/Autorinnen Thema Seite Johanna, Elisa Olympische Spiele Spiele der Kinder im antiken Laura, Miriam, Annika 4-7 Griechenland Schule im alten Franz, Marlin 8-9 Griechenland Franziska, Lisa, Vanessa 10-11 Familienleben in Athen Patrizia, Christoph, Adrian Kleidung der Griechen Magdalena, Julia, Greta Das antike griechische Theater Architektur und Johannes, Kristin Bauwerke im antiken Griechenland Rhea, Amelie, Lina Philosophen und Wissenschaftler Griechische Helden...»

«Zeitkritischer Dokumentarfilm im Spannungsfeld zwischen Fernsehjournalismus und Autorenfilm: Roman Brodmann Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde des Fachbereichs Germanistik und Kunstwissenschaften der Philipps-Universität Marburg vorgelegt von Frauke Böhm Marburg, den 22.05.2000 Vom Fachbereich Germanistik und Kunstwissenschaften der Philipps-Universität Marburg als Dissertation angenommen am: 23.05.2000 Tag der Disputation: 13.09.2000 Erstgutachter: Prof. Dr. Heinz-Bernd...»

«Math. Proc. Camb. Phil. Soc. (1976), 79, 11 H With 4 text-figures MPCPS 79-2 Printed in Great Britain Anticritical graphs BY FRANK HARARY AND CARSTEN THOMASSEN University of Michigan and Aarhus University {Received 22 May 1974; Revised 28 February 1975) Abstract. The term 'critical graph' has been used most frequently to mean a graph such that the removal of any line decreases the chromatic number. This can be generalized to define a graph G to be ' critical (ji)' for an arbitrary invariant fi...»

«Contract MOVE/C2/SER/2012 489/SI2.646722 To develop and validate a European passenger transport information and booking system across transport modes FINAL REPORT June 17th 2014 Disclaimer This report was produced by the All Ways Travelling Consortium for DG Mobility and Transport (MOVE) and represents the Consortium's views on the matter. The conclusions and recommendations are those of a consortium and do not assume to reflect in their entirety the position of the individual member...»

«FOR PUBLICATION UNITED STATES COURT OF APPEALS FOR THE NINTH CIRCUIT AUGUSTIN VALENZUELA GALLARDO, No. 12-72326 Petitioner, Agency No. v. A056-010-094 LORETTA E. LYNCH, Attorney General, OPINION Respondent. On Petition for Review of an Order of the Board of Immigration Appeals Argued November 21, 2014 Submitted January 5, 2015 San Francisco, California Filed March 31, 2016 Before: Sidney R. Thomas, Chief Judge, Morgan Christen, Circuit Judge, and J. Michael Seabright,* District Judge Opinion by...»

«VENRO-Positionspapier Streitkräfte als humanitäre Helfer? Möglichkeiten und Grenzen der Zusammenarbeit von Hilfsorganisationen und Streitkräften in der humanitären Hilfe Mai 2003 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung S. 2 2. Normative Grundlagen und humanitäre Prinzipien S. 3 2.1 Was ist „humanitär?“ S. 3 2.2 Normative Grundlagen S. 3 2.3 Humanitäre Prinzipien S. 4 3. Zunahme des militärischen Engagements in der humanitären Hilfe S. 6 3.1 Veränderte Rahmenbedingungen S. 6 3.2 Vereinte...»

«SSM-QUARTALSBERICHT Fortschritte bei der operativen Durchführung der Verordnung über den einheitlichen Aufsichtsmechanismus 2014 / 3 © Europäische Zentralbank, 2014 Kaiserstraße 29, D-60311 Frankfurt am Main Anschrift Postfach 16 03 19, D-60066 Frankfurt am Main Postanschrift +49 69 1344 0 Telefon www.ecb.europa.eu Internet Alle Rechte vorbehalten. Die Anfertigung von Fotokopien für Ausbildungszwecke und nichtkommerzielle Zwecke ist mit Quellenangabe gestattet. 978-92-899-1210-5...»

«Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 3. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ ГРАНИЦ Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time Special issue 'Space, Time, and Boundaries’ Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb ‘Raum und Zeit‘ Spezialausgabe ‘Der Raum und die Zeit der Grenzen‘ Естественные границы Natural...»

«What is the next roaming strategy for EU Operators? New rules. New game. Deloitte Consulting/ Technology Media Telecommunications I New Rules. New Game. The value of roaming for European mobile operators (5 to 6% of their revenues) is at great risk under changing EU regulations. The latest EU parliament vote for a regulation package that ends roaming charges by December 2015, if approved by the EU council, will have enormous impact on the European mobile industry. In effect this regulation...»

«21.11.2011 http://at.e-fundresearch.com/article.php?aID=17219&pg=5#pg 21.11.2011, 04:30 Uhr Die besten Gold & Edelmetall Aktienfonds Die Fondsmanager der besten Gold & Edelmetall Aktienfonds haben exklusiv fünf Fragen zu den fundamentalen Faktoren für die Markt-Einschätzung, ihrem generellen Ausblick, den wichtigsten Elementen im Investment-Prozess sowie den Gewichtungen und Performances beantwortet. e-fundresearch.com: Welche fundamentale Faktoren sind für die Markteinschätzung von Gold,...»





 
<<  HOME   |    CONTACTS
2016 www.abstract.xlibx.info - Free e-library - Abstract, dissertation, book

Materials of this site are available for review, all rights belong to their respective owners.
If you do not agree with the fact that your material is placed on this site, please, email us, we will within 1-2 business days delete him.