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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.
Gestión de los usuarios
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…
Determinación de la localización
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.
Gestión de los usuarios
- 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.
Determinación de la localización
- 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
Capítulo 3: Descripción General del Sistema José Ramón Fernández Acosta
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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
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