Localización y Navegación en interiores

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Aplicaziones presenta en el mercado Español una solución de localización, en interiores y exteriores, de personas y cosas.

Se basa en los desarrollos realizados por nuestra empresa durante los últimos años y por la incorporacion de alianzas con terceros para dar un solución completa.

Nuestra empresa lleva trabajando en este tipo de soluciones desde hace casi ya 10 años. 

Comenzamos como integrador de soluciones de localización basadas en tecnologías WiFi. Las soluciones funcionaban razonablemente, pero en aquella época la precisión era bastante mala (1/2 la distancia entre puntos de acceso), la posición en el eje Z no estaba bien resuelta y principalmente las aplicaciones se orientaban a la localización de activos informáticos. Además, los tiempos de respuesta no eran muy buenos y los costes eran importantes (a veces más que el propio despliegue WiFi). Todos estos inconvenientes hicieron que este tipo de soluciones tuviera un limitado éxito en el mercado.

Sin embargo, estaba claro que había una demanda.
Así, decidimos organizar una estrategia de I+D para explorar el futuro de los sistemas de localización en interiores y en su caso desarrollar una IP propia.
De esta manera comenzamos a contactar con empresas y centros de investigación pioneros en este tipo de soluciones. Fruto de este trabajo participamos en varios programas Europeos (H2020, Eurostars y Einnovest). Siendo premiados en alguno de ellos.

Localización de personas en interiores

Nuestra propuesta se basa en usar un dispositivo inteligente que vaya extrayendo la ubicación de la persona en base a sus movimientos (ejem. podómetro) y sin necesidad de utilizar infraestructura externa de referencia.
En realidad, este tipo de navegación se usa desde hace muchos años por los barcos y aviones, pero en aquella época (6 años atrás), los desafíos para que se pudiera usar para la ubicación de personas eran tremendos.
Para conseguirlo hubo que desarrollar algoritmos especializados y esperar a que la microelectrónica redujera los costes. También ayudó el que la industria militar estuviera interesada en estudiar este tipo de soluciones de cara a los programas del soldado del futuro. Aquí se puede ver una presentación de las primeras soluciones basadas en HW especializado que hicimos para el ITM (Instituto Tecnológico de la Marañosa), perteneciente al Ejército de Tierra.
Estos dispositivos utilizaban múltiples sensores (acelerómetros, barómetros, magnetómetros y giróscopos) ubicados en el zapato o cinturón para estimar la ubicación de la persona.
Eran equipos muy caros y tuvieron poco éxito pues la mayoría de los posibles clientes no estaban dispuestos a pagar por ellos.
Sin embargo, todo cambió con la aparición de los smartphones.
De repente los usuarios tenían un dispositivo con capacidad de proceso más que suficiente para ejecutar los algoritmos, por lo que el coste de este tipo de soluciones se reducía sustancialmente.
Sin embargo, había unos problemas que resolver:
1. Los sensores de los smartphones son de bajo costo y por tanto su precisión es baja.
2. La batería sufría con los cálculos para la ubicación y su duración era pequeña (1 o 2 horas)
Así que buscamos estrategias para resolver estos problemas.
a) Por un lado, se incorporaron algoritmos con sistemas de referencia que permitieran corregir la deriva en la navegación inercial de los sensores del smartphone.
b) Por otro lado, se pasó parte de los cálculos de la ubicación a la nube.
A continuación, se representa en un gráfico esta estrategia múltiple utilizada por nuestra solución:

 Fusion strategies

Vemos que usamos el GNSS (GPS o ahora Galileo). En general esto suele ser de poca utilidad en interiores, pero esperamos que cambie algo en el futuro con la aparición de los nuevos chips multifrecuencia en los smartphones.
También, ejecutamos los algoritmos de navegación inercial utilizando los sensores del smartphone.
Finalmente, y para corregir la deriva de estos sensores, realizamos un mapeo de campos magnéticos y señales radio del escenario (lo que se suele llamar señales de oportunidad). Luego comparamos esta información almacenada, con la que se obtiene en tiempo real por el dispositivo para ayudar con la determinación de la posición.

En esta entrada del blog se puede ver los primeros resultados de este I+D.

Al ser el smartphone un dispositivo muy versatil, con la información de localización, podemos también recomendar rutas a los usuarios. Por ejemplo, ante situaciones de emergencia.

 Rutas

Ejemplos de algunos proyectos realizados con esta solución se pueden encontrar en estos videos:

 Localización de cosas en interiores

El RFID es, desde hace muchos años, una solución para la gestión de activos en interiores que está muy implantada.
De esta tecnología existen dos casos de uso. Las soluciones basadas en “tag” pasivos y las basadas en “tag” activos que son detectados al pasar por unos arcos a una distancia pequeña (ejem 0,5m).
Las pasivas están ampliamente utilizadas en múltiples aplicaciones, siendo las del mercado de distribución las más conocidas.
Las activas se utilizan para el control de activos de alto valor y se basan en desplegar múltiples equipos radio (receptores) alrededor del escenario. Luego a los activos se les asocia un “tag” activo (con batería). La ubicación se realiza al detectar este “tag” desde varios equipos receptores. En general se usan algoritmos del estilo “RSSI signal strength”, "time difference of arrival" (TDOA) o "angle of arrival" (AoA), aunque otras aproximaciones también son posibles.
Como para tener una precisión de localización de 2m es necesario utilizar múltiples receptores (ejm. cada 10m) y además los “tags” activos suelen tener un coste elevado (>100€), este tipo de soluciones activas se implantan en escenarios muy controlados y para la gestión de activos de alto valor (ejem. los Data Centers).
También, durante estos años y para el caso de alta precisión (0,5m), se han desarrollado soluciones basadas en tecnologías Ultra Wide Band (UWB). Estos sistemas tienen a nuestro entender varios problemas, pues necesitan múltiples antenas (menos de 10m entre ellas), visión directa y consumen mucha energía, por lo que los “tags” activos tienen poca autonomía. Alrededor de estas soluciones existen fabricantes con nuevas aproximaciones, como aquellos que están proponiendo el uso de “tags” UWB pasivos, pero que en cualquier caso necesitan de incluso más antenas receptoras y en este caso, emisoras de energía también.
Otra tecnología prometedora para conseguir precisión de <0,5m y que estamos estudiando en este momento, es el uso de los ultrasonidos. De esta manera se consiguen “tags” activos con mayor autonomía. Su implantación y precio es similar a la de los sistemas UWB, pero tiene ventajas, como el que con estas soluciones se puede conseguir ubicar también a los smartphones mediante un pequeño programa que emite y recibe ultrasonidos por el micro y altavoz del terminal. Existen incluso escenarios en los son únicas, como la localización debajo del agua.
En este momento estamos validando las posibilidades de esta nueva tecnología. De nuestras pruebas piloto las vemos muy prometedoras para los proyectos de Industria 4.0.
De todas maneras y mientras maduran estos mercados de localización de alta precisión, nuestra empresa ha apostado, en este momento, por la localización de cosas en base a “tags” bluetooth (BLE). Con este tipo de tecnología se pueden conseguir las ventajas de la RFID activa, pero con menos antenas y con “tags” muy económicos. Además, al usar sistemas de geo-referencia basados en Bluetooth podemos utilizar también estas infraestructuras con los smartphones, consiguiendo una integración muy flexible de las soluciones de localización de personas y cosas.
Estas tecnologías bluetooth se basan en los desarrollos realizados durante los últimos años alrededor de los smartphones y que han conducido a una industria de “beacons”. Múltiples fabricantes de dispositivos se han lanzado al mercado siguiendo los protocolos propuestos por Apple (iBeacon) y Google (Eddystone).
En estos momentos el BLE 4.0 se ha convertido en una de las piezas claves para el IoT (Internet of Things), gracias a su omnipresencia (smartphones), bajo consumo y optimización del protocolo para transmisión a baja velocidad.
Así ya es posible conseguir “tags” de costes de decenas de euros (en función de las configuraciones) y con una duración de batería de varios años.
Estos dispositivos se han utilizado inicialmente para generar mensajes hacia los smartphones (ejem. publicidad para el mercado distribución), aunque también se han utilizado de manera limitada para la gestión de activos.
El principal inconveniente que había para la localización de cosas, con esta solución, era que había que desplegar múltiples “beacons” alrededor del escenario (ejem cada 5m), algo que conducía a problemas continuos con las operaciones, pues estos dispositivos podían ser quitados fácilmente por los usuarios y/o se podían quedar sin batería, teniendo entonces que volver a calibrar el escenario.
Para resolver estos problemas han aparecido, durante los últimos años, fabricantes de receptores/emisores radio BLE que evitan estos problemas mediante la instalación de estos equipos en el mismo AP WiFi. Así unos cuantos fabricantes ya disponen de equipos duales (WiFi y BLE).

Array BLENosotros nos hemos inclinado por la solución de Mist Systems que dispone de un array de 16 BLE en el punto de acceso.
Este fabricante ha implementado el concepto de “beacons virtuales”. Esto evita el tener que instalar los beacons alrededor del escenario. Además, su solución, al disponer de múltiples radios BLE, se autocalibra para responder a cambios de los escenarios.
Este diseño permite conseguir precisiones de 1m a 3m con Receptores ubicados a distancias de 25m y con “tags” BLE de bajo coste.
De manera complementaria, y como ya hemos comentado anteriormente, con este tipo de soluciones tenemos el “bonus” de que podemos interactuar con los BLE de los smartphones del escenario (ejem. vía mensajes) y que también los podemos localizar.

NB IoT Sensor

Finalmente indicar que esta solución va en línea con la industria y permitirá el uso de “tags” BLE/NB IoT para la localización de activos en interiores y exteriores de edificios. Estos nuevos “tags” disponen de un GPS integrado. Así en interiores los podremos seguir vía BLE y en exteriores vía NB (Narrow Band) 4G.

 Con la aparición y el empuje que va a tener la NB 4G, hemos descartado trabajar, inicialmente, con otros sistemas LPWAN (ejem. LoRa). Somos agnósticos en esto y si en el futuro la industria desarrolla “beacons” duales para otras LPWAN estudiaremos integrarlos.

 

Descripción de la solucion de Aplicaziones:

Como se ha indicado anteriormente nuestra propuesta comercial se basa en dos arquitecturas que son totalmente independientes, aunque pueden integrarse a nivel de sistema de explotación del cliente:

  • Solución de localización de personas de bajo coste desarrollada por Aplicaziones (proyecto I+D “Veloz”) y basada en el uso de la navegación inercial en el “smartphone”.
  • Solución de localización de cosas y personas basada en el uso de dispositivos BLE. En este caso nos basamos la solución de balizas BLE de Mist Systems y terceras compañías que desarrollan “tags” BLE sensorizados.

De nuestra experiencia, cada vez más, los clientes que tienen necesidades de localizar a personas en interiores también demandan la localización de cosas y viceversa. Además, con la evolución de las “Smart cities” y los edificios inteligentes hacia el IoT, una solución integrada de localización y sensorización se hace cada vez más necesaria.
Con las dos soluciones que describimos en este documento estamos en condiciones de atacar estos mercados de futuro.

Navegación inercial: Proyecto Veloz

Fingerprint

Es una plataforma desarrollada por Aplicaziones para la localización en interiores basada en el uso de los sensores del smartphone para la determinación de la ubicación de las personas.

No necesita de la instalación de balizas de referencia (aunque puede utilizarlas si están disponibles). Se basa en una estrategia que llamamos “fingeprint” y que consiste en capturar la información de los posibles caminos/recorridos del escenario por los sensores del smartphone. Posteriormente esta información se analiza con los datos obtenidos por los sensores del smartphone de la persona a localizar. El resultado se compara con la estimación de los algoritmos de navegación inercial y con la información del GPS (caso de que hubiera). Luego y mediante un motor de fusión se obtiene la mejor estimación de la posición.

Para conseguir una razonable autonomía del smartphone se hacen los cálculos en la nube.

Ventajas de la solución:

  • SmartphoneEs de bajo coste, solo hace falta un smartphone. Todo el cálculo y los servicios de localización se hacen en la nube.
  • Por ser un desarrollo propio es posible integrarla y adaptarla a las necesidades de los clientes.

De modo complementario, en los siguientes links se puede ver algunos de los proyectos europeos en los que hemos estado involucrados y como esta tecnología podrá aplicarse en el futuro para varios mercados verticales:

• Sector de la seguridad privada: Civil Protection Security Awareness (CPSA)

• Sector maritimo: Crew Situation Awareness (CSA)

• Sector salud: Autonomous system for Active Life (AAL) - Determinación de posición de personas mayores por 4 sistemas (GNSS, RSSI, Inercial, Media)

Localización IoT: Proyecto Locate

Es nuestra propuesta para el control y seguimiento de activos físicos / personas vía Bluetooth.
A cada activo/persona se le asocia un “tag” de bluetooth de baja energía (BLE).
La ubicación se determina en base a la identificación de los activos (tags BLE) por unas balizas (beacons) que normalmente se despliegan alrededor del área a controlar.

Locate1

En nuestro caso utilizamos la solución de balizas BLE de Mist Systems. Mediante la instalación de unos sistemas receptores de bluetooth permite la creación de “beacons virtuales”, para la configuración a la medida del escenario a controlar. De esta manera se evitan los problemas derivados de la instalación de múltiples beacons en los edificios (calibraciones, baterías, etc.).
Como ya se ha indicado anteriormente, estos receptores BLE están compuestos por un array de 16 dispositivos BLE en la antena, permitiendo una mayor precisión en la determinación de la posición. Existen equipos receptores solo BLE y otros WiFi+BLE.

Ventajas competitivas

• No es necesario desplegar “beacons” por los edificios. Los “beacons” pueden ser virtuales (patentado)
• Mediante el uso del array de 16*BLEs por antena se consigue precisiones en la localización del orde 1m a 3m sin necesidades de alta densidad de antenas
• Se puede compaginar con las instalaciones de las WiFi
• Es una solución más económica que las actuales de RFID pues los tags activos pueden ser mucho más económicos y además hacen falta menos antenas.
• Permite la localización y control simultaneo de “tags” / smartphones. Por lo tanto, es posible localizar a activos y personas.
• Facilita el envío de mensajes vía BLE a los smartphones sin tener que instalar ningún SW.
• Permite la recepción de información de sensores IoT en el escenario (temperatura, luz, movimiento, etc.) por la plataforma de control.

Los dispositivos BLE se detectan automáticamente (en función de su periodo de refresco). Los smartphones también se pueden detectar vía BLE, pudiendo entonces enviar mensajes de aviso (near by), aunque también es posible utilizar una aplicación en el terminal para mejorar el control y determinación de la ubicación.
Es importante destacar que también es posible detectar otro tipo de dispositivos BLEs (ejem. pulseras, relojes, tabletas, PCs etc). Aquí podemos ver algunos ejemplos de dispositvos IoT a gestionar:

Sensores

De esta manera es posible desarrollar aplicaciones para el control de activos/personas a la medida de las necesidades de cada proyecto.

 Veamos ahora una demostracción de nuestro sistema funcionando simultaneamente para localizar personas con smartphones y dispositivos IoT

 

Finalmente indicar que para facilitar la comercialización de nuestras tecnologías de localización en el mercado, estamos realizando alianzas con diferentes integradores o fabricantes de sistemas de:

  • Controles de acceso
  • Controles de presencia
  • Sistemas de evacuación

La integración con terceros se realiza en base a nuestra arquitectura de microservicios en la nube y a protocolos estándar (REST API).

MicroserviciosControl Accesos