E-IoT eszközökkel történő helymeghatározás (LBS és GNSS) – 1. rész
Az eszközök által gyűjtött szenzoradatok mellett néhány egyéb adatra is nagy szükség van IoT alkalmazásokban, hogy a rendszerek működése nyomon követhető legyen. Ilyen adat például a mintavételezés ideje, az eszköz azonosítója, a firmware verziószáma, és egyes alkalmazásokban nagyon fontos lehet a geolokalizáció. Mozgó eszközök esetén azok nyomon követése, kihelyezett szenzorok esetén meglétük és pozíciójuk ellenőrzése igényli a pontos helymeghatározást. Kültéren kiváló szolgálatot tehet az integrált GNSS modul, azonban a beltéri helymeghatározás esetenként sokkal összetettebb feladat. Most indított cikksorozatunkban ezt a témát szeretnénk körüljárni konkrét megvalósítási példákon keresztül az E-IoT (Proof of Concept) okosszenzorokba integrált helymeghatározási algoritmusok ismertetésével. A sorozat első részében a műholdas globális helymeghatározás és a GSM modemek által hozzáférhető egyéb helymeghatározási funkciók kerülnek áttekintésre.
Helymeghatározás-alapú szolgáltatások
Az elektronikai eszközök szolgáltatásainak témakörében helymeghatározás alatt a köznyelvben ma jórészt a műholdas globális helymeghatározást értjük, de ennél sokkal több technológia használatos. Tekintsük át a fogalmi különbségeket a GNSS (Global Navigation Satellite System) és az LBS (Location Based Services) között.
Meghatározás
A GNSS (globális navigációs műholdrendszer) egy általános kifejezés, amelyet a világméretű lefedettséget biztosító műholdas navigációs rendszerekre használnak. A GNSS példái közé tartozik a GPS (globális helymeghatározási rendszer), a GLONASS (globális navigációs műholdrendszer), a Galileo és a BeiDou. A GNSS lehetővé teszi az eszközök számára, hogy a műholdakból érkező jelek alapján meghatározzák pontos helyzetüket.
Az LBS (helymeghatározáson alapuló szolgáltatások) kifejezés azokat a szolgáltatásokat jelenti, amelyek az eszköz helyzetinformációját használják fel konkrét szolgáltatások vagy információk nyújtásához. Az LBS különböző technológiákat használ, beleértve a GNSS-t, de szélesebb körű alkalmazásokat foglal magában a műholdas pozicionáláson túl is.
Terjedelem
GNSS: A műholdkonstellációkra és az azok által használt technológiákra összpontosít, hogy pozicionálási és navigációs célokat szolgáljon.
LBS: Különféle szolgáltatásokat és alkalmazásokat foglal magában, amelyek helyinformációt használnak, például térképi szolgáltatások, GSM cellainformációkon alapuló helyi keresés, WiFi hálózatok adta helyadatok, helymeghatározás-alapú reklámok és közösségi hálózati bejelentkezések.
Technológia
GNSS: Műholdak jelzéseire támaszkodik a pontos helyzetinformáció biztosításához. Több műhold jeleit használja fel az eszköz pozíciójának háromszögeléséhez.
LBS: Különféle technológiákat használ, ideértve a GNSS-t, de más módszereket is alkalmazhat, például WiFi helymeghatározást, cellatömb-triangulációt és szenzoradatokat a készülék helyzetének meghatározásához.
Alkalmazás
GNSS: Főként navigációhoz, térképezéshez, felméréshez és más helyspecifikus alkalmazásokhoz használható, amelyek pontos pozícióinformációt igényelnek.
LBS: Széles körű alkalmazásokhoz használható, ideértve a helymeghatározáson alapuló reklámokat, közösségi hálózati bejelentkezéseket, helyi kereséseket, vészhelyzeti szolgáltatásokat, emellett eszközfelügyeleti és követési feladatokat képes ellátni.
Függőség
GNSS: Kizárólag a műholdjelekre támaszkodik a helyzetinformációért.
LBS: Több helymeghatározási technológiát is integrálhat, beleértve a GNSS-t, de alternatív módszereket is alkalmazhat olyan helyzetekben, ahol a GNSS-jelek gyengék vagy nem elérhetőek.
Összefoglalva, a GNSS pontos globális pozicionálást biztosító technológia, míg az LBS a helyinformációt felhasználó szolgáltatások és alkalmazások széles skáláját foglalja magában. A GNSS az LBS részeként is funkcionálhat, de az LBS egy szélesebb fogalom, amely többféle helymeghatározó alkalmazást ölel fel. Előbbi pontos helymeghatározást tesz lehetővé, utóbbi cellainformációk, vagy elérhető, ismert elhelyezkedésű WiFi HotSpot-ok jelerőssége alapján alkalmas – akár beltéri – helymeghatározásra.
A műholdas globális helymeghatározás (GNSS)
A globális helymeghatározás egyre megszokottabbá válik a mindennapjainkban a közlekedés területén, az autók gyári GPS vevőkkel rendelhetők, az elektronikai boltok kínálatában pedig számtalan konfigurációban elérhetők ezek az eszközök különféle feladatokra. A hajózásban és a légi közlekedésben is magától értetődő a használatuk. Vannak olyan területek is a mindennapi életben, ahol szintén fontos, bár kevéssé ismert a globális helymeghatározás szerepe. A precíziós földművelés során a kombájnok ezt használják a betakarításra kijelölt terület határainak betartására, hálózatok földrajzilag elkülönülő részeinek szinkron működése is GNSS eszközökön alapul, de fontos a szerepe például a bankkártya-tranzakciók vagy az energiaelosztás területén is. Az IoT eszközök helyadatainak ismeretében pontosan feltérképezhető egy adott terület környezeti adatainak eloszlása, egyszerűen követhető ezen eszközök földrajzi elhelyezkedése és a szenzoradatokkal együtt beküldött geolokalizációs koordináták alapján a szenzorok távfelügyelete is lehetségessé válik.
GNSS a gyűjtőneve azoknak a SAT-alapú navigációs rendszereknek, amelyek autonóm földrajzi helymeghatározásra alkalmasak a Föld teljes felszínén. Több ilyen rendszer van a megvalósítás fázisában, vagy rendelkezik már a szükséges műholdakkal és földi állomásokkal, néhány közülük globális, mások még csak lokális pozícióadatokat szolgáltatnak. Jelen írásunkban szeretnénk ezeket a rendszereket áttekinteni, és bemutatnánk néhány olyan eszközt (vevőmodulokat, „okos” antennákat és időzítő modulokat), amelyek kihasználva a fenti SAT rendszerek közti interoperabilitást, a pontosság tekintetében számos előnyös tulajdonággal rendelkeznek a hagyományos GPS-alapú vevőegységekkel szemben.
GNSS rendszerek
GPS: A GPS rendszert az Egyesült Államok kormánya hozta létre eredetileg katonai alkalmazásra 24 aktív műhold alkalmazásával. 1994-től vált teljesen működőképessé, ekkor már civil és üzleti célokra is, a Föld teljes területét lefedve ingyen használható mindazok számára, akik rendelkeznek a megfelelő GPS vevőegységgel. Mára számos földi kiszolgáló létesítmény és több mint 30 műhold tartozik hozzá.
GLONASS: A GLONASS Oroszország globális műholdas helymeghatározó rendszere, ma az egyetlen igazi alternatívája az amerikai GPS rendszernek, mind lefedettség, mind pontosság tekintetében. A fejlesztése 1976-ban indult és 2010 óta teljesen működőképes 24 műholddal, amelyből 18 szükséges Oroszország területének 100%-os lefedettségéhez. 2023-ban az 51. műholdat állították pályára.
Galileo: A Galileo projekt az Európai Unió által tervezett, még fejlesztés alatt álló saját globális műholdas helymeghatározó rendszer, amely az EU tagállamok számára nyújt az amerikai GPS, az orosz GLONASS és a kínai BeiDou rendszerektől független, autonóm helymeghatározást akár azokra az esetekre is, ha az egyes országok közt kialakuló konfliktusok a GPS szolgáltatás korlátozását eredményeznék. Mára az utolsó batchben 2023. júniusban útra indítottakkal együtt már 24 műhold biztosítja a szolgáltatásokat, amely arzenál 2024-ben fellőni szándékozott további 10 műholddal egészül ki. A méternagyságrendű pontosság és a magas földrajzi szélességen történő navigálás problémáinak kiküszöbölése mellett kutatás-mentési funkcióval is felruházzák a rendszert, amely egyedülálló módon a felhasználó számára is küld információt a segítségkérés vételének és a segítség útba indításának nyugtázásával.
BeiDou és Compass: Ezeket a rendszereket Kína fejleszti. A BeiDou-I egy már régen működő regionális rendszer, három műholddal biztosít helymeghatározást elsősorban kínai felhasználók számára Kína és a közeli területek lefedettségével. A BeiDou-II, más néven Compass azonban már globális rendszer, 35 műholddal 2020 körül állt rendszerbe. Mára a BeiDou /Compass rendszer összesen 44 műholddal üzemel, ebből 7 geostacionárius, 10 geoszinkron, 27 pedig közepes magasságú Föld körüli pályán áll.
A Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) több Japán feletti pályán mozgó műholdból áll. Fő feladata, hogy Japán hegyes völgyes területén biztosítson kiegészítő lehetőséget a GPS vétel számára, elsősorban olyan helyeken, ahonnan csak a magas röppályákon keringő műholdak látszanak. Az amerikai GPS rendszer jeleinek felhasználásával Japán lefedettségét a kezdetben három, mára 7 kvázi-zenit műhold segítségével biztosítja. A GPS jelek minősége és vétele javul, és a pozicionálás pontossága egy nagyságrenddel növekszik. Várhatóan 11 műholdból fog állni a végleges rendszer.
GNSS modulok (konkurens multi-GNSS vétel)
A műholdas navigációs rendszerek működésének minőségét négy fő kritérium határozza meg:
- Pontosság: A maximálisan megengedett eltérés a mért és valós földrajzi koordináták, sebesség és irányértékek között.
- Integritás: A rendszer azon képessége, hogy miként marad megbízható, és hogyan reagál abnormális körülmények közt.
- Folytonosság: A rendszer folytonos, megszakításoktól mentes működésre való képessége.
- Elérhetőség: Az a maximális időintervallum, ami alatt a jel megfelel a pontosság, az integritás és a folytonosság kritériumainak.
Ahhoz, hogy a GPS vevő megfelelően működjön, minimálisan négy szatellit egyszerre való láthatósága a feltétel, azonban a lehető legjobb jelminőség hat vagy nyolc műhold egyidejű vételét igényli. Nem minden helyen és időben van lehetőség erre, elsősorban zavaró tereptárgyak és objektumok (hegyek, magas épületek, fák) közelében nehezebb megfelelő számú kapcsolatot létesíteni. A különböző GNSS rendszerek egyidejű használatával sokkal több műhold áll rendelkezésre a lehető legpontosabb pozíció meghatározására. Így például kombinált GNSS vevők használatakor a 24 GPS műhold mellett a GLONASS műholdak is rendelkezésre állnak, amelyek precízebb jeleket eredményeznek, valamint kiküszöbölhető a GPS rendszerben a magas földrajzi szélességen történő navigálás problémája is, amikor a GPS holdak egy része a vevőegység horizontja alatt van.
A kombinált GNSS vevők a különböző globális műholdas helymeghatározó rendszerek jeleinek kombinációit detektálják, léteznek GPS+GLONASS és későbbi használathoz GPS+GALILEO rendszerek, amelyek jelentősen csökkentik az első pozíció meghatározásának idejét (TTFF – time to first fix).
A különféle kommunikációs modulokba integrált, vagy különálló GNSS vevők chipset-jei támogatják a konkurens multi-GNSS vételt (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo, QZSS), amelynek eredménye a nagypontosságú helymeghatározás mind városi, mind külterületi környezetben.
A pozíciómeghatározás mellett a műholdas navigációs rendszerek még egy fontos adatot szolgáltatnak, az időt. Minden egyes szatellit rendelkezik egy vagy több atomórával, és a kibocsátott GPS jelek tartalmazzák az időre vonatkozó információt is. A vevőegységek dekódolják ezt a jelet és szinkronizálják magukat. A rendkívül drága atomórák üzemeltetése helyett GNSS vevőkkel precíz időinformációhoz juthatunk, ami nagyon nagy gyakorlati jelentőséggel bír. Kommunikációs, forgalomirányító, pénzügyi és energiaelosztó rendszerek mind igénylik a precíz időzítést és szinkronizálást, a GPS-alapú időzítés pedig rendkívül olcsón teszi lehetővé ezt. Számítógépes hálózatok számára időalapot, bankkártyaműveletek vagy IoT eszközök számára időbélyeget szolgáltatnak, és például rádióállomások szinkronizálását legköltséghatékonyabban így lehet biztosítani. Földrajzilag távol elhelyezkedő elemekből felépülő elosztott hálózatok működtetéséhez is pontos időzítés szükséges, így például az energiatermelő és -elosztó cégek számára is feltétlenül szükséges a szinkronizálás a villamos hálózatban esetlegesen fellépő hibák egyes hálózati szegmensekben való lokalizálására.
LBS az Endrich E-IoT board család használatakor
Az LBS a távközlési mobilszolgáltató rádiókommunikációs hálózatán (például GSM-hálózat, CDMA-hálózat) keresztül szerzi be a mobil-okosszenzor helyinformációit (földrajzi koordinátáit vagy geodéziai koordinátáit). Az LBS egy hozzáadottérték-szolgáltatás, amely az információs rendszer (angol rövidítése: GIS, Geographic Information System) platformjának támogatása mellett megfelelő szolgáltatásokat nyújt a felhasználóknak. GIS szervereket számos cég és civil szervezet üzemeltet, ezek a szerverek alkalmasak arra, hogy adatbázissá szervezve tárolják a világon gyakorlatilag bárhol elhelyezkedő mobil távközlési tornyokhoz tartozó helykoordinátákat, címeket, amelyeket a GSM modemek parancskészletéhez tartozó GIS utasításkészlettel le lehet kérdezni. Erre részletes példát mutatunk be a cikk következő részében. Mivel a mobil eszközzel kapcsolatban lévő adótorony koordinátáit ismerjük csak, sok esetben párszáz méteres pontosság érhető el, ami nagyban függ a kapcsolódás módjától. Mivel az NB-IoT jelterjedési tulajdonságai nagyon jók, kevesebb toronyra van szükség, így itt a pontosság a nagyobb eszköz-torony távolság miatt kisebb, mint hagyományos LTE kapcsolat esetén. Helymeghatározási stratégiánkban ezt a tényt is figyelembe kell venni. Egy ilyen GIS szolgáltató az OpenCellID, ahol regisztráció után kapunk egy olyan kulcsot, amit a modem AT parancskészletében lévő GIS parancsok kiadásakor paraméterként használva jogosultságot szerzünk a cellainformáció alapján a helyadatok lekérdezésére. Az elhelyezkedés és a pontossági rádiusz is megérkezik a parancsra érkező válaszban.
Másik ilyen jellegű helymeghatározási stratégia az egyes GSM modemek által támogatott WiFi Scan technológia, ami az elérhető és ismert pozíciójú WiFi hotspot / AP lekérdezésével nyer (beltéri) helyinformációt.
WiFi-alapú beltéri lokalizáció
A WiFi az IEEE 802.1 szabványt használja a kommunikációhoz, és az ebben a specifikációban meghatározott 2,4 vagy 5 GHz-es frekvenciájú rádióhullámok útján kommunikál.
A technológia kapcsolódás és adattovábbítás nélkül is használható a csatlakoztatott eszköz helyének meghatározására. A WiFi helymeghatározás a már meglévő infrastruktúrát és WiFi hozzáférési pontokat (AP-k) használja az IoT eszköz elhelyezkedésének kiszámításához. Az eszköznek képesnek kell lennie felderíteni a hozzáférési pontokat, de nem kell csatlakoznia hozzájuk. A WiFi helymeghatározó rendszerekben a lokalizáció a legalább 3 WiFi AP-ból érkező jel erősségétől és az AP-k elhelyezkedésétől függ. A WiFi relatív rövid hatótávolságú, ezért az eszköz és a hozzáférési pont távolsága nagyjából 150 méter körül lehet. A pontosság általában az AP-k számától és a fizikai környezettől függ. A helymeghatározás és a lokalizáció pontosabb, ha egy adott területen több hozzáférési pont van. A WiFi körülbelül 20 méteres pontosságot tud nyújtani a meglévő, tömeges forrásból származó WiFi infrastruktúrával kalibrálás nélkül. A kalibráció, felmérés és finomhangolás révén azonban a WiFi helymeghatározás 5-8 méteres pontosságot érhet el beltéri környezetben. Számos módszer létezik a beltéri helymeghatározás WiFi segítségével történő megvalósítására. A két elsődleges módszer a vételi jel erősségét (RSS) és a WiFi ujjlenyomatot használó metódusok. A WiFi jel RSS-je fordítottan arányos a távolsággal. A MAC-cím minden WiFi útválasztó esetében egyedi, és az RSS-ből durva távolságmeghatározási adatokat tudunk nyerni. Az RSS erős, ha a felhasználó közel van a hozzáférési ponthoz, és gyenge, ha a felhasználó távol van. Az olyan akadályok, mint a falak, bútorok és emberek, gyengítik a jelerősséget, ami kihívást jelent a helymeghatározás pontosságának tekintetében. A gyenge RSS jelentheti, hogy vagy az AP-tól való távolság túl nagy, vagy az akadályok korlátozzák a teljesítményt. Kétféleképpen lehet használni a WiFi MAC-címeket és az RSS-t a WiFi helymeghatározáshoz.
Az első módszer a WiFi Trilateration (háromszögelés) használatához minden router helyének ismerete szükséges. Ezután az IoT eszköz az észlelt RSS alapján megbecsüli az egyes látható WiFi útválasztóktól vett távolságot, és e távolságok alapján kiszámítja a saját pozícióját.
WiFi ujjlenyomat
A WiFi „ujjlenyomatvétel” jelentősen javíthatja a pontosságot. Az ujjlenyomat-készítés a korábbi RSS-információkat, valamint az ismert helyeket használja az eszköz helyzetének meghatározásához az aktuális RSS-értékei alapján. Az ujjlenyomat-készítés nagymértékben függ a környezettől, ezért az ujjlenyomatadatok frissítése a környezet módosításával szükséges, legyen szó egy kis bútor áthelyezéséről vagy válaszfalak kialakításáról. A WiFi-ujjlenyomattérkép összeállítása időigényes lehet, és helyszíni felmérést igényel, de általában pontosabb eredményeket ad, mint a WiFi-trilateráció.
Sok esetben elegendő helymeghatározási eredményt adhat IoT eszközök számára az előre ismert, a hatókörben lévő WiFi Access pontok meglétének vizsgálata. Amennyiben ellenőrzéskor jelentős változás van a látható WiFi routerekben, feltételezhető, hogy a szenzor máshol van, mint ahová eredetileg telepítették. Ez a módszer ugyan az új helyzetről nem ad semmilyen információt, mégis alkalmas a helyzetváltoztatás tényének megállapítására, ami indíthat speciális üzeneteket, riasztást, vagy feltételezve, hogy a szenzor akár átmenetileg kültéren is lehet, bekapcsolhatja a GNSS-alapú helymeghatározást.
A cikksorozat következő részében konkrét példákat fogunk bemutatni az E-IoT eszközök GNSS és LBS képességeiről és ezek használatáról.
Szerző: Kiss Zoltán, Export Igazgató – Head of R&D, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail:
www.endrich.com
