Beltéri pozíció meghatározása VLC használatával

Az emberek mindig is féltek attól, hogy eltévednek. A korai felfedezők a csillagokat használták a tájékozódáshoz, mára pedig külön erre a célra kifejlesztett eszközök segítenek megmondani, pontosan hol is tartózkodunk a Föld felszínén. Napjainkra elterjedté váltak az olyan, mindennapi utazásainkhoz is használt elektronikus helymeghatározó technológiák, mint például a Globális helymeghatározó rendszer, a GPS.

Azonban, míg ezek az eszközök nagyszerűen működnek kültéri alkalmazások esetén, beltéri használatuk nem vagy csak nagyon korlátozottan lehetséges. Írásunkban végigvesszük, milyen előnyökkel jár az emberek nyomon követése az intelligens épületeken belül, és áttekintjük, mennyire alkalmasak a különböző technológiák beltéri helymeghatározó rendszerekben (indoor positioning system – IPS) történő használatra. Ezt követően elmagyarázzuk a látható fényű kommunikáció (Visible Light Communications – VLC) működési elvét és megmutatjuk, miként használható a VLC az ilyen jellegű alkalmazások által támasztott pontossági követelmények teljesítése érdekében.

Pozíciókövetés beltéren

A bevásárlóközpontokban, repülőtereken, nagy üzleti központokban és egészségügyi intézményekben rendszeresen tartózkodik egyidejűleg nagyszámú ember. Ezen épületek üzemeltetői számára jelentős előnyökkel járna, ha képesek lennének átlátni, mikor, merre és hogyan közlekednek az emberek az épületen belül. Az IPS-technológia nagy belterekben történő használatát az általa biztosított beltéri helymeghatározás előnyei hamarosan elengedhetetlenné teszik, ami ezáltal intelligensebb és jobban optimalizált környezetet biztosítva növelheti a látogatók általános elégedettségét. Egy forgalmas kereskedelmi egységben a vásárlók tartózko­dási helyének és mozgásának ismerete segítséget nyújt a jobb termékelhelyezésben, és ezzel a jövedelmezőség növelésében, de a vásárlók mozgásának és áthaladásának hatékonyabbá tételében is jelentős szerepe lehet. Irodai környezetben az IPS időt takaríthat meg a látogatók tárgyalótermekbe irányításával. Kórházakban életmentő lehet valós idejű betekintést nyújtva a sürgősségi betegfelvételekre, több hely biztosításával a betegellátás számára, emellett megnövekedett igények esetén a kórházi vezetők hamarabb képesek rendelkezésre bocsátani a meg­felelő személyzetet. A beltéri helymeghatározás növeli az emberek és eszközök kezelését és biztonságát is, például azonnali tájékoztatást nyújtva az épületben található fontos eszközök (laptopok, táblagépek és egyéb felszerelések) helyzetéről, és azonnali riasztást indítva, amennyiben egy nagy értékű eszköz felhatalmazás nélkül halad át valamelyik kijáraton. Hasonló elv alapján az emberek épületen belüli mozgását is korlátozhatja, jogosultsági szinttől függően, vagy tűz és egyéb vészhelyzet esetén az embereket maximális hatékonysággal irányíthatná a legközelebbi vészkijárat felé. Az ilyen valós idejű alkalmazások előnyei kézenfekvők és egyértelműek, az IPS-rendszerek által hosszabb távon összegyűjtött adatok legalább ennyire értékesek lehetnek. A nagy mennyiségű ember mozgását hosszú távon megfigyelve meghatározható egy épület használati hőtérképe, ezáltal jobban megérthetővé válnak a látogatottság szezonális mintái. Ezek az információk később helyalapú szolgáltatások biztosítására és hatékony reklámelhelyezés céljára is felhasználhatók.

Látható fényű kommunikáció

A GPS a világ legelterjedtebb helymeghatározó technológiája, azonban zárt téren nem használható vagy csak nagyon pontatlanul. Ennek oka a műholdak által sugárzott rádiófrekvenciás jelek árnyékolása, mivel azok csak nagyon korlátozottan képesek áthatolni az épületek falain és mennyezetein. A GPS ezen hiányossága miatt egyéb technológiák terjedtek el a beltéri helymeghatározásban. Egy IPS jellemzően két különböző elemből áll össze, a jeladókból és a tagekből (címkékből). A jeladók az épület különböző pontjaira kerülnek telepítésre, a tageket pedig a személyek hordozzák magukkal vagy a nyomon követni kívánt eszközökön kerülnek elhelyezésre. Néhány példa a helymeghatározáshoz használt technológiára:

• Inerciális mérőegységek: a tagek relatív mozgásáról szolgáltatnak információt különböző szenzorok – giroszkóp, gyorsulásmérő, magnetométer – használatával. Ennek a technológiának nagy előnye, hogy nem igényli jeladók telepítését, azonban pontosságuk alacsony (néhány méter), mivel idővel gyorsan felhalmozódnak a mérési hibák.
• Ultrahang: ezek, a hangot kommunikációs médiumként használó technológiák az úgynevezett Time of Flight elve alapján működnek, vagyis azt mérik, hogy a jeladóból származó hang mennyi idő alatt ér el a taghez (és vissza). Pontosságuk egy méteren belüli, azonban a szilárd tárgyak interferenciát okozhatnak és emiatt a mérések nem minden esetben megbízhatóak.
• Egyéb rádiófrekvenciás technológiák: széles körű elterjedtségük és könnyű elérhetőségük vonzó megoldássá teszi őket a beltéri helyzetmeghatározásban, azonban ezek a jelek a visszaverődések és a többutas terjedés miatt rendkívül eltérő módon viselkednek mozgó emberek és akadályok között. Az ultraszélessávú (Ultra-wideband – UWB) jelek képesek áthatolni a különböző anyagokon, mint a beton, az üveg vagy a fa, ami alkalmassá teszi őket épületeken belüli alkalmazásra (ahol a mozgó tagekre történő rálátás egyébként gyakran akadályozva van). Ez a technológia azonban még nem érhető el széles körben, és egyes jelfrekvenciák teljesítményszintjét korlátozzák a frekvenciahasználatra vonatkozó szabályozások.

A fenti megközelítések használatának és pontosságának korlátai nem teszik őket ideálissá az IPS-alkalmazásokhoz. A látható fényű kommunikáció (VLC) azonban ígéretes megoldásnak tűnik a pontossági problémák kiküszöbölésére. A látható fény az elektromágneses spektrum emberi szemmel érzékelhető tartománya (375–780 nm). A VLC ezt a sávszélességet használja a vezeték nélküli adatátvitelhez, miközben a belső terek megvilágításáról is gondoskodik. Egy VLC-rendszerben egy mikrokontroller adatot modulál egy LED-es jeladóra, amely jelet a tagekben lévő fotodiódák (például egy mobiltelefon előlapi kamerája) fogadják. A fényt mint adattovábbító médiumot használó rendszerek a LED-ek világításához szükségesen felül nem vagy csak minimális mértékben igényelnek energiát, ráadásul a telepítési költségek is elhanyagolhatók, mivel a világítás szinte minden beltéri helyiségben megtalálható. Habár az adatmoduláció miatt a LED-ek fényének vibrációja elkerülhetetlen, ez a használt frekvenciák miatt az ember számára nem érzékelhető, de a fogadó eszközök által könnyen észlelhető. Azáltal, hogy minden egyes LED-hez egyedi azonosítót rendelnek, amit a LED fényére modulálnak, az épületben lévő minden lámpatest (vagy világítótest) képes egy, az adott helyzethez tartozó egyedi kód továbbítására. Három lámpatestből származó (eltérő kóddal rendelkező) jel felhasználásával egy háromszögelési algoritmus 30 centiméteres pontossággal képes meghatározni a jeleket érzékelő tag helyzetét. Ez egy nagyságrenddel jobb eredmény, mint a legjobb teljesítményű rádiófrekvenciás helymeghatározó rendszereké.

A VLC alkalmazása

VLC-rendszerek tervezésekor két fő kihívással kell szembenézni, a hatékonysággal és a kompakt kialakítás igényével. Az onsemi NCL31000 fejlett fénymotorja mindkettőre megoldást kínál, a rendszerhez szükséges összes funkciót egy kompakt IC-be integrálva. LED-vezérlője 97%-os hatásfokú, támogatja az impulzusszélesség-modulációs dimmelést, valamint EMI-kompatibilis DC-DC átalakítókkal is rendelkezik a rendszer egyéb komponenseinek, például az érzékelőknek a meghajtásához. Szintén rendelkezik egy beépített analóg-digitális átalakítóval (ADC), ami pontos és részletes diagnosztikát biztosít egy helyi MCU-nak, az integrált I2C vagy SPI buszok valamelyikén. Egyik társeszköze – az NCP31001 – többcsatornás LED-alkalmazásokat támogat, amíg az IC-család egy harmadik tagja – az NCP31010 – a LED-meghajtó mellett egy power over ethernet (PoE) meghajtót is tartalmaz egyetlen csomagban. Ez lehetővé teszi az adatok közvetlenül a LED-fényre történő modulálását – anélkül, hogy külön ethernet-meghajtó IC-re lenne szükség –, illetve a világítótestek intelligens világítási rendszerek részeként történő csatlakoztatását. Ez a megoldás különösen kedvező az intelligens épületek tervezői számára, akik igyekeznek a világítás irányítását a lehető leghatékonyabb módon megoldani. A helyiségek foglaltságának folyamatos monitorozása lehetővé teszi a világítás dinamikus hozzáigazítását a napi használati szintekhez. A PoE-meghajtón keresztül biztosított egyenáramú tápellátás szükségtelenné teszi a váltakozó áramú kábelezést és az AC/DC transzformátorok telepítését a lámpatestekben, amik egyébként a hőmérséklet-, páratartalom-, levegőminőség- és egyéb intelligens érzékelők elhelyezéséhez is ideális helyen vannak. Ezek az IC-k megfelelnek a „YellowDot” lámpatest-tanúsítási program elvárásainak. Ez a program mindenki számára nyitott, és lehetővé teszi, hogy a gyártók teszteljék és tanúsítsák, hogy LED-es lámpatesteik együttműködnek a Philips beltéri helyzetmeghatározási technológiájával.

Összefoglalás

A beltéri pozíciómeghatározó rendszerek számos előnyt kínálnak az intelligens épületek tervezői számára, mivel használatukkal jelentősen növelhető a bevásárlóközpontok, rendezvénycsarnokok, repülőterek és kórházak látogatóinak védelme, biztonsága és felhasználói élménye. Mivel a GPS nem alkalmas beltéren történő használatra, számos különböző technikát próbáltak – a pontosság tekintetében változó sikerrel – meghonosítani beltéri helyzet­meghatározás céljából. A VLC képes kiküszöbölni más technológiák korlátait és hiányosságait, és az olyan LED-vezérlő IC-k használatával, mint az NCL31000, már a tervezési fázisban megvalósítható a LED-es világítási rendszer. A tervezés utáni IPS így akár 30 cm-es pontossággal is használható beltéri tárgyak és személyzeti pozíciók nyomon követésére.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEUhttps://twitter.com/MouserElecEU