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UbicaT: Tecnología incluyente para invidentes
Irsa Yuliana Valencia Valencia Universidad de Colima – Av.
Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México
Juan Antonio Guerrero Ibáñez Universidad de Colima – Av.
Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México
Erika Margarita Ramos Michel Universidad de Colima – Av.
Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México
RESUMEN
En este artículo se presenta UbicaT, un sistema híbrido que
utiliza tecnologías inalámbricas Wi-Fi y GPS con el fin de
ayudar a los invidentes a conocer su posición. UbicaT se
adapta a las personas invidentes y al entorno para ser
funcional, ya que está sustentado en el uso de la
infraestructura de red inalámbrica existente dentro de un
área delimitada para facilitarles a los invidentes un medio
para conocer su posición dentro de un área establecida.
Los resultados obtenidos hasta el momento muestran una
precisión en la posición lo suficientemente aceptable, al
haberse presentado tan sólo variaciones de 1 a 5 metros al
momento de localizar al invidente, y que son menores en
comparación con el tamaño de los edificios y a las que se
obtendrían si se usara la tecnología de GPS, con la cual, el
rango de variación característico es entre 8 y 20 metros. A
partir de pruebas comparativas de posicionamiento
realizadas entre UbicaT y GPS, se comprueba que el
primero tiene una exactitud mejor en promedio a un 70%
que utilizando GPS.
Palabras Clave
Invidentes, Wi-Fi, GPS, Posicionamiento.
I.- INTRODUCCIÓN
La movilidad es un factor importante para la sociedad ya
que le permite desenvolverse y desarrollar sus actividades .
Esta movilidad es parte de toda la estructura social, y debe
de incluirse a toda persona desee realizar sus actividades
independientemente. Dentro de este paradigma, las
personas con capacidades diferentes deben de ser incluidas
ya que ellos tienes los mismos derechos que cualquier
individuo que integra la sociedad.
Por lo anterior, la tecnología tiene que adaptarse para
satisfacer las necesidades de movilidad a las personas, en el
caso específico de las personas invidentes , darles la
oportunidad de desarrollar cualquier actividad sin depender
de alguna persona auxiliar.
La Universidad de Colima, en un esfuerzo por integrar a las
personas con discapacidades a la comunidad universitaria,
se preocupa por contar con instalaciones que cubran sus
necesidades implementando rampas, etiquetas braille y
puertas automáticas, entre otras facilidades. Sin embargo,
esto no es aún suficiente para evitar que estudiantes
invidentes se confundan y pierdan en las instalaciones del
campus ya que no siempre cuentan con un guía.
Como complemento al esfuerzo realizado hasta la fecha, se
propone UbicaT, un sistema de posicionamiento basado en
tecnologías inalámbricas, con el objeto de brindar
autonomía a los invidentes para desplazarse dentro del
campus universitario.
UbicaT utiliza la tecnología Wi-Fi (Wireless Fidelity) para
posicionar a los usuarios dentro del campus. Esta tecnología
se encuentra implementada dentro de las instalaciones con
puntos de acceso ubicados estratégicamente para
proporcionar cobertura en la mayoría de zonas del campus
central universitario.
La figura 1 muestra una representación de las áreas de
cobertura de los diferentes puntos de acceso implementados
dentro del campus universitario.
Figura 1: Mapa de los puntos de acceso Wi-Fi del campus central de la UdC [1].
UbicaT explota esta tecnología mediante el uso de la
intensidad de señal para posicionar a un objeto que se
encuentra dentro del área de cobertura y cuenta con una
interfaz de comunicación adecuada. Además, para tener
mayor exactitud en el proceso de posicionamiento, se
incorpora la tecnología GPS (Global Position System) como
complemento al sistema de posicionamiento de UbicaT.
El sistema UbicaT se desarrolló para el sistema operativo
Android y hace uso de dispositivos móviles (PDA o
teléfonos celulares) para presentar una interfaz simple que
permite a las personas invidentes orientarse mediante
mensajes de audio de acuerdo a su ubicación en el campus.
El resto del artículo se estructura de la siguiente forma. En
la sección II se presenta una descripción general de algunos
sistemas de posicionamiento de objetos basados en
tecnologías inalámbricas. Una descripción detallada del
sistema UbicaT se presenta en la sección III. En la sección
IV se presentan algunos resultados preliminares de
desempeño del sistema UbicaT. El cierre del artículo con
las conclusiones y trabajo futuro se presenta en la sección
V.
II. - TRABAJO RELACIONADO
En los últimos años se han realizado investigaciones sobre
sistemas y mecanismos de posicionamiento de objetos o
personas cuyos resultados se tienen documentados en la
literatura. A continuación se tratan algunos sistemas que
utilizan las tecnologías de Wi-Fi y GPS para el
posicionamiento en ambientes urbanos y exteriores,
utilizando infraestructura de red existente.
En [2] Zirari et al. Presentan un sistema híbrido para
posicionamiento en exteriores. Utilizando tecnologías Wi-Fi
y GPS para ofrecer disminuir errores en el
posicionamiento. El algoritmo propuesto simula y emula un
escenario real de la posición. Los datos de la simulación
mostraron que la precisión es menor a 100 metros en el
caso de tener dos satélites GPS y dos puntos de acceso Wi-
Fi, y se comparó con la tecnología GPS en solitario con una
precisión de 253 metros. Por lo anterior, los autores
concluyen que en la simulación este sistema híbrido mejora
la posición.
Por otro lado Tan et al. Trabajaron en un método para hacer
determinar con el posicionamiento Wi-Fi en ciudades
usando como apoyo dos satélites GPS TDOA (Time
Difference of Arrival). Este método no afecta el
posicionamiento Wi-Fi ya que primero se basa en el
resultado de esta tecnología y después se utiliza GPS para
determinar el mapa a utilizar y refinar con ello la posición.
Los resultados de su investigación muestran que la
integración de ambas tecnologías puede mejorar la
precisión hasta en un 56%. Por lo tanto, los autores
concluyen que este método puede utilizarse como un
sistema de posicionamiento preciso para ciudades o
exteriores utilizando Wi-Fi [3].
En [4] el autor propone que para mejorar la exactitud del
GPS exteriores, se puede agregar el Wi-Fi, que actualmente
no se utiliza para el posicionamiento en exteriores. El autor
hace énfasis en utilizar los puntos de acceso públicos
existentes para precisar la posición en tiempo real cuando
el GPS no tenga suficiente exactitud. El autor concluye que
efectivamente se puede mejorar la posición utilizando Wi-
Fi cuando el GPS falla.
Tomando como base las consideraciones y demostraciones
realizadas por los autores en los trabajos presentados
anteriormente, se desarrolló UbicaT como una herramienta
complementaria a los esfuerzos que en la Universidad de
Colima se han estado haciendo con el objetivo de integrar a
las personas con capacidades diferentes a la comunidad
universitaria.
III. - DESARROLLO
En esta sección explicaremos a detalle al sistema UbicaT.
La figura 2 muestra la arquitectura lógica que conforma
UbicaT. Como se puede apreciar en la figura, la
arquitectura se basa en la definición de tres planos: de
aplicación, de control y de recolección. A continuación se
explican en forma general las funciones de cada uno de los
planos definidos dentro de la arquitectura de UbicaT.
Figura 2: Arquitectura de UbicaT.
Plano de aplicación
UbicaT es un sistema basado en tecnología asistiva, por lo
cual se debe adaptar la tecnología existente para que sea
usable por invidentes. Se implementa en un dispositivo
Motorola Defy con sistema operativo Android, el cual se
adapta con un lector de pantalla que describe el texto que
aparece en pantalla y el botón que se presiona.
Ya que el dispositivo está configurado y adaptado para
interactuar con invidentes, éste cuenta con la configuración
de que presionando alguno de los botones laterales , se
ejecuta UbicaT. La aplicación se activa presionando
cualquier parte de la pantalla, de esta forma el invidente
puede encenderla y apagarla fácilmente cuando así lo
requiera.
Al ser un sistema diseñado para invidentes , la interfaz
gráfica queda de lado, ya que la interacción del invidente es
por audio, una vez que el sistema identifica la ubicación, se
le informa al usuario mediante un mensaje de audio, que se
genera a través de la API de Android llamada
TextToSpeach que convierte el texto de la posición
almacenado en el repositorio de información en un audio.
Plano de recolección
En cuanto UbicaT se activa en el dispositivo móvil, el plano
de recolección comienza a obtener la información
relacionada a las diferentes señales Wi-Fi que se encuentran
dentro del entorno del usuario y activa el GPS.
El plano de recolección contiene un módulo cuyas
funciones son sensar la zona y analizar las señales que
recibe cada 5 segundos y decidir si una señal se encuentra
en el rango de intensidad. Para que el sistema considere una
señal debe de estar al menos en -95dB, nivel con el que la
señal puede leerse por el sensor aunque no necesariamente
para conectarse [5]. Una consideración para el desarrollo de
UbicaT fue considerar que el escenario donde se plantea su
uso, contiene puntos de acceso dispersos y todos llamados
“WUCOL”. Por lo tanto, uno de los problemas a los que
nos enfrentamos era que no podíamos utilizar el nombre de
los puntos de acceso para identificarlos y tenerlos como
referencia en nuestro sistema. Por lo anterior, para
identificarlos, se consideró utilizar la información de su
dirección MAC (Media Access Control) como el
identificador único.
Cada que el módulo de sensado detecta una señal Wi-Fi
mayor o igual a -95dB, envía la información de MAC y
coordenadas GPS al plano de control para verificarse y
validarse.
Plano de control
El plano de control es responsable de hacer los cálculos
pertinentes para validar los datos recibidos por parte del
plano de recolección y calcular la posición. El plano de
control está compuesto por tres elementos esenciales: el
módulo de validación, el repositorio de información y un
módulo de selección. Estos elementos se explican en forma
general a continuación.
Módulo de validación
Cada vez que el módulo de sensado envía la información al
plano de control, ésta se recibí por el módulo de validación.
Este módulo toma la información, y comprueba dentro del
repositorio de información que el paquete de datos (MAC,
la intensidad de señal obtenida en dB y las coordenadas
GPS latitud y longitud) esté registrado dentro de la base de
datos. Si esta información se encuentra en la base datos , se
envía dicho paquete incluyéndose el radio de la Geo-Cerca
al módulo de selección en donde se aplica el algoritmo de
posicionamiento definido. En caso de que algún valor, ya
sea MAC o GPS no coincidan con lo que se tiene
almacenado, se rechaza la información.
Repositorio de información
El repositorio de información es el lugar donde se
almacenan los registros de los datos de los diferentes puntos
de acceso que conforman la red inalámbrica universitaria,
así como las Geo-Cercas y las coordenadas GPS.
Para elaborar la base datos se tuvieron que hacer
mediciones de intensidad de señal. Se consideraron las
partes periféricas de los edificios, y durante diferentes días,
se hicieron pruebas en horas pico, es decir, en las que se
concentraba la mayoría de los estudiantes, de 8:00 am a
2:00 pm, teniéndose así las intensidades de señal más bajas
o incluso nulas, que podrían poner en riesgo la veracidad de
posicionamiento de nuestro sistema híbrido y probándose
así su robustez en exteriores. Los niveles de señal
fluctuaron, siendo inferiores a 20db de diferencia entre la
medida mayor y la menor, y los resultados obtenidos fueron
positivos, la mayor diferencia recolectada fue de 14db.
De igual manera, de los datos GPS obtenidos se crearon las
geo-cercas. La Geo-Cerca es una forma de posicionamiento
utilizando GPS la cual define un perímetro virtual de un
área geográfica en el mundo real [6]. El tamaño de las Geo-
Cercas se estableció dependiendo del tamaño del frente del
edificio, variando entre 5-11 metros de radio y se almacenó
en la base de datos.
La base de datos está en formato XML (siglas en inglés de
eXtensible Markup Language), eligiéndose éste debido a
que es extensible, pues permite agregar nuevas etiquetas
después de diseñado sin ningún problema. La base de datos
se carga dentro de la aplicación, e incluye los datos
esenciales para posicionar, así como las indicaciones que
tiene que informar al usuario. A continuación se muestra un
fragmento de la base de datos:
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<accessPoints>
<ap>
<locationName>ptelematicai</locationName>
<macAddress>00:23:6c:88:d3:08</macAddress>
<promSignalLevel>-90</promSignalLevel>
<lat>19.248851</lat>
<lon>-103.698159</lon>
<radio>10</radio>
<textToSpeechSpa>Posgrado Telemática
lado izquierdo</textToSpeechSpa>
</ap>
</accessPoints>
A continuación se describen las etiquetas utilizadas en el
programa:
locationName: identificador único del lugar donde se va a
posicionar.
macAddress: almacena la dirección MAC de los puntos de
acceso.
promSignalLevel: contiene la intensidad de señal
promedio obtenido de las medidas mínimas y máximas
recolectadas durante la validación de datos.
lat: latitud obtenida.
lon: longitud obtenida.
radio: incluye un radio en metros de la Geo-Cerca a partir
del punto central. Con esta circunferencia se cubre cubre la
zona del edifico a posicionar.
textToSpeachSpa: incluye la indicación en forma de audio
que informará a los invidentes sobre su posición.
Módulo de selección
Dentro del módulo de selección se desarrolló un algoritmo
que permite calcular la ubicación del usuario, la figura 3
muestra el diagrama de flujo del funcionamiento del algoritmo.
Figura 3: Diagrama de flujo del algoritmo de posicionamiento.
El algoritmo de posicionamiento se basa en el método
conocido como Fingerprinting, que consiste en la
elaboración de sistemas de mapas de coordenadas
desarrollados a partir de los datos de la intensidad de señal
que se recolecta de cada uno de los puntos de acceso que
conforman la red inalámbrica disponible en el entorno de
movilidad del usuario. Este método tiene mayor nivel de
exactitud cuando se tienen más de 4 lecturas de puntos de
acceso, además, este método solamente se ha utilizado en
interiores [5]. Debido a que en exteriores la ubicación de
los diferentes puntos de acceso es muy distante, es
verdaderamente difícil tener coberturas de cuatro o más
puntos de acceso con niveles de señales mayores a -85dB.
Por lo anterior, UbicaT utiliza lo mejor del método
fingerprinting (manejo de bases de datos, mediciones de
intensidad de señal) y lo complementa con la tecnología
GPS como un coadyuvante para incrementar la precisión
de nuestra posición en exteriores.
El funcionamiento del algoritmo está cimentado en el
repositorio de información, ya que todos los puntos de
acceso que se encuentren en la base de datos serán
evaluados y utilizados, aquellos puntos de acceso que no se
encuentren en el repositorio de información serán
ignorados. Por lo anterior, UbicaT puede usarse en
diferentes zonas, siempre y cuando se elabore el repositorio
pertinente, dándole así la característica de flexibilidad y
portabilidad. Es importante mencionar que el repositorio de
información debe actualizarse en caso de que algún punto
de acceso sea reemplazado, el cambio de nombre del punto
de acceso, no afectará el funcionamiento de UbicaT.
IV. - EVALUACIÓN Y RESULTADOS
En esta sección describimos las pruebas de evaluación entre
UbicaT y el posicionamiento por GPS, así mismo,
presentamos los resultados obtenidos.
Escenario de evaluación
Las pruebas de evaluación de UbicaT se realizaron dentro
de algunas zonas del campus central de la Universidad de
Colima. La figura 4 muestra un mapa con la ubicación de
las zonas de prueba, así como ilustra el perímetro de las
geo-cercas y los puntos centrales de donde se realizaron las
mediciones de posicionamiento.
Figura 4: Imagen de 2 edificios con Geo-Cercas de la
Universidad de Colima, Delegación #3
F. Telemática
Posgrado FT
BD Monitorear Wi-Fi
Iniciar Wi-Fi
y GPS
Buscar MAC
y RSSI
¿Se detectó
Wi-Fi?
¿En la BD
se encontraron
MAC y RSSI?
Obtener
Coordenadas GPS
No
Sí
No
Inicio
Fin
Sí
¿Coordenadas
dentro de la
Geo-Cerca?
Dar ubicación
No
Sí
Buscar
Coordenadas GPS
La evaluación se llevó a cabo durante cinco días, se
definieron 3 horarios para recolección de datos de recepción
de señales por parte de las diferentes tecnologías utilizadas .
Los horarios definidos fueron las 8:00, 14:00 y 20:00
horas. La selección de dichos horarios fue con el propósito
de considerar diferentes niveles de demanda de uso de
servicio inalámbrico dentro del campus , y cómo esto afecta
el desempeño de UbicaT.
Para las pruebas se hicieron recorridos por las zonas
identificadas con el objetivo de validar el funcionamiento
del cálculo del posicionamiento y establecer su precisión.
Además se evaluó la exactitud de uso exclusivo de GPS
como herramienta de posicionamiento. Con estos datos se
realizó un comparativo entre la tecnología GPS y UbicaT
con respecto a la exactitud de posicionamiento de las dos
tecnologías.
Resultados preliminares obtenidos
Para comparar los resultados de UbicaT se evaluaron las
coordenadas GPS obtenidas con el celular para analizar su
exactitud. Cabe mencionar que la calidad de la señal GPS
varía de acuerdo a las condiciones climáticas y
atmosféricas, los edificios existentes y la precisión que
tenga el GPS incluido en el dispositivo. Además, la
precisión del sistema GPS está condicionada a la cantidad
de satélites a los que se conecte el dispositivo para obtener
su posición [7]. La figura 5 muestra los resultados de la
evaluación de la exactitud de la precisión promedio de
posicionamiento obtenidos mediante la tecnología GPS.
Figura 5: Exactitud en metros de la posición utilizando GPS.
Los resultados obtenidos de las mediciones de uso de GPS
para posicionamiento mostraron que esta tecnología tiene
un rango de error de 8 a 22 metros de precisión a partir del
punto central de medición, por lo cual un invidente no
puede saber su posición exacta en las regiones donde se
probó el sistema con un margen de error de ±22 metros en
promedio de los resultados de los cinco días de prueba.
La figura 6 muestra los resultados de rangos de precisión
media obtenidos por UbicaT de las zonas de prueba y la
distancia en metros del punto central de la geo-cerca.
Figura 6: Exactitud en metros de la posición utilizando UbicaT.
Los resultados de las pruebas mostraron que el algoritmo
utilizado en UbicaT puede posicionar en un rango de 1 a 5
metros de precisión a partir del punto central de la geo-
cerca, por lo cual un invidente puede saber su posición en
las regiones donde se probó el sistema con un margen de
error de ±5 metros en promedio de los resultados de los
cinco días de prueba.
La tabla 1 nos muestra una comparativa en porcentajes, de
acuerdo a la exactitud en metros que mostraron UbicaT y
GPS, de esta forma podemos observar una mejora de hasta
un 88% en algunos edificios de nuestro sistema.
Edificios Método 08:00 14:00 20:00
% de exactitud
con
UbicaT
Frente de la
FT
GPS 10 13 9 66%
mejor UbicaT 3 5 4
Tras de la
FT
GPS 12 11 8 60%
mejor UbicaT 4 5 3
Lado
izquierdo
posgrado
FT
GPS 17 15 15 78%
Mejor UbicaT 2 3 2
Lado derecho
posgrado
FT
GPS 19 22 21 88%
Mejor UbicaT 1 2 2
Tabla 1: tabla comparativa de las evaluaciones de UbicaT y GPS.
CONCLUSIONES
UbicaT, es un sistema incluyente, híbrido que utiliza
tecnologías Wi-Fi y GPS y que tiene como propósito
ayudar a que los invidentes se ubiquen dentro del campus
universitario, es decir, facilitarles a tener autonomía de
desplazamiento y posicionamiento.
Los resultados obtenidos muestran que este sistema es
capaz de posicionar a un invidente en un rango no mayor a
5 metros a la redonda de una Geo-Cerca. Por lo anterior,
mostramos que nuestro sistema es una herramienta de
apoyo importante para la orientación de las personas con
discapacidad visual, que muestra con respecto a la
tecnología GPS mejores resultados de posicionamiento, ya
que ésta última presenta rangos de variación en la posición,
que van de los 8 a los 20 metros.
Además, otra de las ventajas de UbicaT es que hace uso de
la infraestructura existente en el campus, por lo que se
considera una solución factible al no requerir
implementación de equipos adicionales.
Como trabajo futuro se pretende mejorar la exactitud de
UbicaT y agregar más funcionalidades como avisos
indicando que hay caminos cerrados por construcción, por
ejemplo. De igual manera se realizará una evaluación de
usabilidad, ya que por ahora sólo se ha probado la
funcionalidad del algoritmo y no se han realizado pruebas
con los usuarios finales.
REFERENCIAS
1. Guzmán, K., Red Inalámbrica de la Universidad de
Colima. Dirección General de Servicios Telematícos,
2012.
2. Zirari, S., P. Canalda, and F. Spies, WiFi GPS based Combined positioning Algorithm. Wireless
Communications, Networking and Information Security
(WCNIS), 2010.
3. Tan, Y.K. and A.G. Dempster, Using two global
positioning system satellites to improve wireless fidelity positioning accuracy in urban canyons. IET
Communications, 2011.
4. Mok, E., Using outdoor public WiFi and GPS integrated
method for position updating of knowledge-based
logistics system in dense high rise urban environments. Supply Chain Management and Information Systems
(SCMIS), 2010.
5. Barend, K., Wiereless campus LBS: A Test Bed for WiFi
Positioning and Location Based Services. Cartography
and Geographic Information Science, 2007: p. 285-292. 6. LaMarca, A. and E. de Lara, Location Systems: An
Introduction to the Technology Behind Location
Awareness2008, Synthesis Lectures on Mobile and
Pervasive Computing: Morgan & Claypool.
7. Yeh, S.-C., et al., A Study on Outdoor Positioning Technology Using GPS and WiFi Networks, in IEEE
International Conference on Networking, Sensing and
Control2009, IEEE: Japon.