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Sistema de Localización en Interiores Basado en Redes WiFi Universidad de Sevilla

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3 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA

El sistema de localización propuesto hasta ahora, no puede ser validado debido a que

la propagación de señales no sigue un comportamiento predecible. Por este mismo

motivo se pretende diseñar e implementar un sistema real a partir del estudio

anterior. El objetivo principal de esta implementación es validar el sistema propuesto.

Para dicha implementación se puede aprovechar al máximo la potencia computacional

que los ordenadores poseen hoy en día. Por un lado la integración de dicho sistema en

los dispositivos portátiles habituales permite un ahorro en costes económicos (el coste

que supondría comprar dispositivos específicos no cotidianos). Del mismo modo se

consigue integrar este sistema en la medida de lo posible con las personas, de forma

que éstas no lo vean como un sistema ajeno y difícil de utilizar. Esto lo hace un sistema

atractivo, con respecto a otros sistemas similares en caso de una posible

comercialización como producto en el futuro.

Por otro lado, con el desarrollo de sistemas de localización integrados en terminales

portátiles, además de trabajar con un sistema de localización totalmente transparente

al usuario, se ofrece un servicio único en interiores que también puede ser de gran

utilidad para algunas de las aplicaciones utilizadas en el dispositivo portátil.

Además de estas propiedades, el sistema que se va a implementar posee unas características propias que lo diferencian del resto de sistemas parecidos y por ello merece un apartado independiente para familiarizarse mejor con el sistema que se quiere implementar en este proyecto. En esta sección se realiza una descripción a grandes rasgos de las características generales del sistema. Para comentar posteriormente la arquitectura general que seguirá el sistema planteado, así como las funciones principales de los elementos que lo conforman.

3.1 Características del sistema

El sistema a desarrollar deberá incluir las siguientes características, propias para un

sistema como el que se va a confeccionar:

Gestión de la planta

Gestión de los usuarios

Determinación de la localización

Presentación de la localización

Gestión de la información

Capítulo 3: Descripción General del Sistema José Ramón Fernández Acosta

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Gestión de la planta

Es necesario el uso de un mapa de la planta para la localización de un usuario y que

éste pueda saber en todo momento en el lugar concreto en el que se encuentra. El

mapa podría indicar su escala, aunque este dato no es imprescindible para el usuario.

Sobre el mismo se podrá indicar la situación de cada uno de los puntos de acceso

existentes en el sistema e incluso algún nombre pequeño que distinga a cada una de

las salas que componen el mapa.

El mapa será bidimensional, no siendo posible representar en él las alturas. Por tanto

será necesario implantar un sistema de localización en cada altura si fuera necesario

calcular la posición de los usuarios en las distintas plantas de un mismo edificio.


En el sistema planteado habrá tres tipos de usuarios, que harán un uso distinto del

mismo sistema. El primer tipo de usuarios utilizará el sistema de forma pasiva para que

otros usuarios puedan localizarlos, otro tipo de usuarios serán los encargados de dar el

soporte necesario para que esta localización sea posible y el tercer tipo de usuarios del

sistema es el que tendrá la oportunidad de localizar al resto de usuarios sin que estos

últimos lo sepan. Las dos últimas funciones podrán ser realizadas por el mismo

usuario, existiendo así solo dos tipos de usuarios en el sistema. De la misma manera, el

primer tipo de usuarios puede no disponer de la función de auto localización siendo un

usuario totalmente pasivo dentro del sistema.

Los usuarios técnicos del sistema, son los que se dedicarían a la labor de

mantenimiento del mismo y no tienen por qué conocer las características técnicas de

la localización (propagación de la señal, número de localizaciones óptimo y situación

de las mismas, etc.) pero sin embargo se encargarán de que ésta sea lo más fiable

posible, pudiendo hacer los cambios oportunos en los mapas del sistema, etc…


Para permitir la localización de usuarios es necesario que los usuarios que van a ser

localizados estén debidamente equipados con un terminal móvil que tenga la

capacidad de enviar al servidor la señal de potencia recibida por todos los puntos de

acceso (huella de una determinada posición) y que éste pueda ejecutar el algoritmo de

localización para encontrarlo. Asimismo el lado cliente tendrá que recibir un aviso del

servidor para generar la huella y enviársela, ya que estar constantemente enviando la

misma podría suponer problemas serios de consumo de batería.

El dispositivo móvil a utilizar podría ser un portátil, un Smartphone, una PDA o una

tablet, aunque en un principio este proyecto solo desarrollará la aplicación para

ordenadores portátiles con sistemas operativos Windows, pudiendo ser portado en un

futuro al resto de terminales móviles.


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Presentación de la localización

Para la representación de la localización de un determinado usuario se utilizará un

mapa sobre el cual se dibujará un punto verde indicando la posición del usuario

localizado. El servidor deberá tener un mapa reciente del recinto donde se va a aplicar

el sistema de localización y hará uso del mismo en el momento necesario. Deberá de

encontrarse correctamente escalado y tener una medida precisa para que su salida sea

representada en una ventana de forma adecuada. Además el mapa deberá colocarse

en una carpeta determinada para que sea reconocida por la aplicación.

Gestión de la información

Para el cálculo de la localización de cualquier usuario con el algoritmo implementado

en el lado servidor, será necesario acceder a una base de datos de la cual se extraerán

los vectores de potencias calculados previamente. Esta base de datos también

contendrá las localizaciones de cada uno de los puntos de acceso que intervienen en el

sistema y la localización de cada uno de los puntos de interés del recinto (puntos en los

cuales se va a tomar la muestra de los vectores de potencia). Algunos datos adicionales

relacionados con los puntos de interés podrán ser añadidos a esta base de datos, por

ejemplo el nombre de la sala donde se encuentra un punto de interés y una

descripción breve del punto de interés. Estos datos podrán ser representados

posteriormente en el mapa.

3.1.1. Características de los usuarios

Como se ha mencionado varios párrafos atrás el sistema de localización incluirá varios

tipos de usuarios, pero solo un tipo de ellos podrá interactuar de forma activa con la

aplicación. Aunque el número de usuarios que podrán utilizar esta aplicación sea

limitado, ésta deberá ser una aplicación de rápido aprendizaje e intuitiva. El usuario de

la aplicación dispondrá de una interfaz gráfica sencilla, que le permitirá adaptarse al

programa en un periodo de tiempo corto. Se llamará a partir de ahora usuario a quien

ejecuta el programa servidor con la finalidad de localizarse y/o localizar a otros

usuarios. Se llamará objeto o usuario pasivo al otro tipo de usuario que va a ser

localizado por un usuario.

3.1.2. Restricciones

Con respecto a las restricciones Hardware/Software, el sistema funcionará bajo el

paradigma cliente/servidor, estimándose la localización en el programa servidor

porque está orientada a la localización de múltiples usuarios por parte de un usuario

de mayor jerarquía. Asimismo, no se requerirá un ordenador potente para ejecutar

ninguno de los programas de que consta el sistema de localización, pero será necesario


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que ejecute un sistema operativo Windows Vista, XP, 2000 o inferiores por motivos de

compatibilidad con la mayor cantidad de tarjetas de red inalámbricas existentes en el

mercado.

3.1.3. Suposiciones y dependencias

Se asume que los requisitos descritos en este documento son estables una vez sean

definidos aquí. Al ser estos requisitos el objeto de un Proyecto de Fin de Carrera y no

de un software comercial, no se modificarán y por tanto el documento de

especificación de requisitos se considera terminado, tanto para los requisitos que se

implementen como para los que no.

3.2 Requisitos específicos

3.2.1. Requisitos funcionales

Planos de localización

- Será necesario disponer de un mapa para mostrar la localización de forma gráfica en

el servidor.

- El plano será una imagen en dos dimensiones de tipo GIF de dimensión 1024 x 1024,

en el que se detalla cuál es la distancia de un metro, y en el que las paredes se

indicarán con un color gris oscuro o negro y las superficies vacías de color blanco.

- No es necesario que en el mapa se encuentren dibujados algunos elementos del

mobiliario como sillas, mesas, armarios, etc… pero si se quisieran incluir, sería

conveniente dibujarlos con un tono gris claro para hacer más atractivo el resultado

visual del mapa.

- El sistema de localización sólo aceptará un plano de una sola altura; esto implica que

si se quiere usar el sistema en más de una altura del mismo edificio la única posibilidad

será usar varios servidores de localización, cada uno con el plano de una altura.

- El plano tendrá una ubicación determinada dentro de la carpeta raíz del proyecto,

para que pueda ser reconocido por la aplicación.

Presentación de la localización a los usuarios

- Cuando el usuario esté utilizando la aplicación podrá localizar en todo momento al

objeto deseado a través de su IP. La localización de éste se mostrará con un círculo de

color verde sobre el mapa.


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Infraestructura necesaria

- Para el correcto funcionamiento del sistema, deberá haber un número suficiente de

puntos de acceso cubriendo la planta. El usuario encargado de la gestión de la

aplicación podría incluirlos en el mapa, indicando algún detalle técnico como su

dirección MAC.

- También puede indicar cuáles son los puntos de interés del sistema donde es posible

que se encuentren los objetos. Aunque la localización de objetos puede ser cualquier

lugar del mapa debido a que la aplicación utiliza un algoritmo que ponderará la

localización de los tres lugares más cercanos según el mapa de vectores. Lo normal

sería que hubiese un al menos una localización por cada habitación física.

- Todos los usuarios podrán estar en cualquier localización de las indicadas. Para

reducir errores, no se deberán incluir localizaciones que no sean de interés o en las

cuales los usuarios no vayan a estar mucho tiempo, o que no necesiten ser localizados

allí o de otro modo establecer un mayor peso de ponderación en aquellos lugares que

los usuarios visiten con mayor frecuencia.


- El administrador de la aplicación tendrá a su disposición la herramienta de

configuración del servicio de localización, donde puede indicar cuál es el plano de la

planta, la situación de los puntos de acceso y las localizaciones.

- Un usuario se conectará al servidor de localización, y éste le facilitará todos los datos

necesarios. No habrá diferencias entre los distintos usuarios de la aplicación.

- El servidor no llevará la cuenta de los usuarios que están conectados en cada

momento, para poder comunicarles la localización de otros.


- Una vez cargado el plano y detallados los puntos de acceso, el usuario administrador

del sistema podría ver un mapa de coberturas de cada red inalámbrica, para tener una

mejor visión del mapa y poder decidir una determinada ubicación en caso de duda.

- El administrador podrá ver la potencia de señal estimada de un punto de acceso, para

asegurarse de que el error cometido respecto de la potencia real recibida no difiere

mucho (se podrían aceptar como buenas variaciones de 5dBm en valor absoluto).

- El administrador podrá ver cuál es la localización estimada en un punto cualquiera de

la planta para poder asegurarse de que los puntos de acceso están colocados de

manera correcta sobre la planta.


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- Debería haber un estudio en el que se detallará la probabilidad de que cada usuario

frecuente cualquiera de las posiciones determinadas en el mapa.

- Será necesario hacer una calibración del sistema cada cierto tiempo, ya que las

huellas podrían cambiar ante cualquier variación del mobiliario existente en el

entorno.

- La localización obtenida para cualquier objeto no tiene que ser uno de los puntos de

interés escogidos para obtener las huellas, ya que la localización estará determinada

por una ponderación entre los tres puntos que contengan la huella más parecida a la

del objeto.

Cálculo de la localización

- Un usuario podrá determinar su propia localización una vez iniciada la aplicación y de

ésta forma podrá comprobar si el sistema se encuentra correctamente calibrado.

- Si el usuario dispone de más de una interfaz de red, podrá seleccionar con cuál de

ellas quiere localizarse, sin que esto suponga un perjuicio en su conectividad con la red

de área local o Internet ni un bloqueo en el ordenador.

- Para el cálculo de la localización de cada uno de los objetos, el usuario deberá estar

en posesión de una lista que contenga la IP correspondiente a cada uno de ellos.

- Podía ser posible que el usuario tuviese una lista de nombres con los que localizar a

cada uno de los objetos, de forma que la aplicación tradujese este nombre a una

dirección IP válida para localizarlo correctamente. Esto podría ser un servidor de DNS

(Domain Name System).

Determinación de la potencia de puntos de acceso

- El cliente conocerá la potencia recibida de las redes inalámbricas mediante la

medición de la potencia de la señal de las tramas que envían periódicamente los

puntos de acceso (beacons).

- La aplicación no deberá asumir como no presente la señal de un punto de acceso del

que no recibe noticias en un corto período de tiempo.

- Tras un período de 10 segundos sin recibir señales de un punto de acceso, el cliente

asumirá que el punto de acceso no está cercano o está apagado. Se supone que un

punto de acceso apagado es lejano; esto quiere decir que, para evitar errores en la

medida de lo posible, siempre que alguien pueda usar el sistema de localización sus

puntos de acceso han de estar encendidos.


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3.2.2. Requisitos de interfaces externos

Interfaces de Usuario

En el programa servidor y en el programa de administración, la interfaz de usuario

debe ser orientada a ventanas y el manejo de estos programas se realiza a través del

teclado y el ratón. El programa cliente no incluirá interfaz de usuario, ya que se dedica

únicamente a proveer al servidor de las huellas obtenidas por el objeto para la

localización del mismo.

Interfaces Hardware

Puesto que se van a utilizar los drivers del sistema placelab para la aplicación de

localización habrá que tener en cuenta las interfaces hardware válidas para este

sistema. Mirar tabla de compatibilidades de Placelab.

Interfaces Software

No hay ninguna comunicación con otros sistemas externos, por tanto no se ha definido

ninguna interfaz software.

Interfaces de Comunicación

La conexión a la red se puede establecer indistintamente a través de una red de área

local de forma cableada o inalámbrica, pero por motivos lógicos de movilidad, es

deseable que la comunicación se realice vía WiFi. Las comunicaciones se realizarán de

forma transparente a la aplicación.

3.2.3. Requisitos de rendimiento

El número de clientes conectados al servidor es arbitrario. El servidor debe responder

lo antes posible a cada cliente, y éstos no pueden quedarse esperando porque el

servidor esté conectado a otro cliente. En cuanto a la aplicación de administración, el

tiempo de espera máximo de las operaciones no debe exceder el minuto, y en el caso

de que se exceda este tiempo, no se debe dejar colgada ni a la aplicación de

administración ni al sistema operativo en general.

3.2.4. Requisitos de desarrollo

El ciclo de vida elegido para desarrollar el producto será lineal, por simplicidad y por no

conllevar el presente proyecto una aceptación por parte de un cliente externo.


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3.2.5. Requisitos tecnológicos

Los requisitos tecnológicos están vagamente especificados, pero para la aplicación

cliente, preferiblemente se debería disponer de un ordenador portátil con las

siguientes características mínimas:

- Procesador: Pentium M 1.6GHz

- Memoria: 256Mb

- Espacio en disco: 10Mb

- Tarjeta WiFi 802.11b ó g, con soporte para Windows. Preferiblemente será una

tarjeta WiFi con chipset Atheros o cualquiera que soporte modo monitor usando los

drivers Wildpackets [27].

Para la aplicación de administración los requisitos mínimos son:

- Procesador: Pentium M 1.6GHz

- Memoria: 512Mb

- Espacio en disco: 1Gb

3.2.6. Atributos

Seguridad

No ha sido definido ningún protocolo de seguridad al no considerarse necesario tal y como está confeccionada la aplicación actualmente. Se supone que la aplicación solo será accesible para un número de usuarios limitados no teniendo que establecer sesiones para su utilización.

Un protocolo de comunicación que se verá posteriormente será el único modo de

distinguir a los usuarios que tienen acceso a la aplicación de los que no.


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3.3 Esquema General de funcionamiento

Entre las técnicas de localización descritas en el estado del arte, se ha decidido que la

opción óptima para el sistema que se quiere implementar es el método descrito en

2.2.2 Reconocimiento de patrones o método de huellas (fingerprinting). Para

implementar esta técnica es necesario el uso de una base de datos donde almacenar

las muestras tomadas en cada punto de localización. Además es necesario un

algoritmo que permita comparar la huella del objeto o persona que se quiere localizar

con las muestras anteriores de la base de datos.

Para la implementación completa del sistema se ha planteado la división de la tarea en

dos fases. Una fase OFF-LINE, donde se crea la base de datos con las muestras de

calibración, y una fase ON-LINE donde se reproduce el algoritmo de localización

establecido.

La creación de la base de datos es la primera tarea que hay que realizar. Para ello será

necesario trazar puntos sobre el mapa de la planta donde se instalará el sistema y

tomar huellas en cada uno de estos puntos (Figura 16). Es imprescindible utilizar un

dispositivo portátil con tarjeta WiFi para capturar las huellas que posteriormente se

van a almacenar en la base de datos. El número de puntos tomados definirá la

precisión del sistema. A mayor número de puntos mayor será la precisión.

Figura 16: Medida de huellas en los puntos de interés


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Una vez generada la base de datos, se puede avanzar a la siguiente fase donde se

implementa el algoritmo de localización. En esta fase el algoritmo se sirve de las

huellas guardadas en base de datos para compararlas con el vector de huellas del

usuario a localizar. Las instrucciones correspondientes serán alojadas en un servidor

que será el encargado de emular el algoritmo de localización.

La figura siguiente muestra un esquema del funcionamiento del sistema, dónde se

pueden observar los elementos más importantes que lo conforman. El marco cuadrado

representa el entorno dónde se implanta el sistema de localización. El usuario

encerrado en el marco señala al usuario del sistema que puede ser localizado (usuario

pasivo u objeto). En la parte derecha de la imagen se muestra el servidor que obtiene

la localización del sujeto anterior a través de las muestras recibidas y la base de datos

que contiene las muestras obtenidas en la fase OFF-LINE.

Figura 17: Esquema de funcionamiento del sistema (fase ON-LINE)

La numeración contenida en la Figura 17 indica el comportamiento completo del

sistema paso a paso en la fase ON-LINE:

1. Un usuario quiere localizar un objeto y envía una petición a la aplicación

servidora para que lo localice.

2. La aplicación del servidor envía una petición de búsqueda al objeto (usuario

pasivo del sistema) que se quiere localizar.

3. El servidor debe extraer el vector de huellas (RSSI) correspondiente al cliente.

4. El servidor compara el vector extraído del cliente con las distintas huellas

almacenadas en la base de datos.


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5. Selecciona la localización correspondiente a los vectores más parecidos al

vector de referencia y realiza un cálculo ponderado sobre la estimación de la

posición a partir de estos vectores. La ponderación implica que el vector más

parecido tendrá un peso mayor.

6. Una vez obtenida la posición, ofrece una interfaz gráfica al usuario en la cual

muestra una ventana que contiene el mapa del lugar sobre el que se dibuja el

punto de localización obtenido.

En la arquitectura expuesta anteriormente se puede observar que el servidor necesita

recibir el vector de potencias del usuario, al que quiere localizar, para completar la

labor de localización. Para obtener este vector de potencias existen dos posibles

soluciones. Una opción es obtenerlo a través del controlador de puntos de acceso del

sistema. La segunda opción consiste en crear una aplicación cliente para capturar el

vector de potencias y enviarlo al servidor.

La primera opción supone mayor rentabilidad en trabajo y tiempo ya que no necesita

añadir ningún elemento nuevo en la arquitectura del sistema. Mediante peticiones

SNMP al controlador de los puntos de acceso, se toma la señal que un usuario pasivo

del sistema recibe de cada uno de los puntos de acceso cercanos a su posición.

Figura 18: Obtención de huella del objeto a través de SNMP


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Es posible construir este mecanismo para la obtención de la huella del cliente. Sin

embargo, se ha podido comprobar (a través de una investigación previa sobre este

tema) que el controlador de algunas marcas comerciales no provee esta información a

los usuario del sistema, aunque la posea. Esto es un mecanismo de protección creado

por los mismos fabricantes para vender sus propios productos de localización.

La segunda opción es la única válida, solo con ella se asegura el funcionamiento del

sistema independientemente del fabricante con que se haya instalado la red WiFi. Esta

opción añade un nuevo elemento al sistema que tendrá que ser transportado por cada

uno de los usuarios a localizar. Se trata de un dispositivo portátil con tarjeta WiFi.

El dispositivo móvil implementa un software que realiza la tarea de obtener las

medidas de intensidad de señal de los puntos de acceso más cercanos (obtener una

huella del lugar donde se encuentra situado) y enviar éstas medidas al servidor (Figura

19).

La arquitectura del sistema queda definida finalmente como una aplicación Cliente-

Servidor. El dispositivo móvil hace la función de cliente y mantiene una comunicación

con el servidor cuando este la requiere. La comunicación mantenida entre ambas

entidades estará definida por un protocolo de comunicación Cliente – Servidor. Éste

protocolo establece un lenguaje de comunicación que solo entienden los elementos

del sistema y que servirá de preámbulo para el intercambio de huellas del cliente.

Figura 19: Arquitectura Cliente-Servidor

3 descripciÓn general del sistemabibing.us.es/proyectos/abreproy/12026/fichero/capitulo+3.pdf ·...

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