Formularz referatu na KKRRiT 2011

Janusz Cichowski
Andrzej Czyżewski
Politechnika Gdańska
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
Katedra Systemów Multimedialnych
Narutowicza 11/12, 80-233, Gdańsk
[email protected]
AKTYWNY SYSTEM RFID DO LOKALIZACJI I IDENTYFIKACJI OBIEKTÓW W WIELOMODALNEJ
INFRASTRUKTURZE BEZPIECZEŃSTWA
Streszczenie: Przedstawiono prace koncepcyjne, badawcze
oraz implementacyjne skoncentrowane na praktycznej
realizacji systemu detekcji obiektów z wykorzystaniem
kamer wizyjnych i identyfikacji radiowej. Zaproponowano
rozbudowę wielomodalnego teleinformatycznego systemu
bezpieczeństwa o warstwę identyfikacji radiowej obiektów.
Omówiono założenia zaprojektowanego systemu oraz opracowaną warstwę sprzętową. Zaproponowano i przedyskutowano praktyczne zastosowania opisanego systemu.
1. WPROWADZENIE
Aktualny coraz szybszy rozwój techniki, elektroniki, teleinformatyki, radiokomunikacji oraz innych dziedzin nauki zorientowany jest na tworzenie przestrzeni
tzw. inteligentnych miast (ang. Smart Cities). Jednym z
kluczowych paradygmatów rozwoju inteligentnych miast
jest interoperacyjność wielu z pozoru niezależnych dziedzin nauki i techniki. Istotnym obszarem związanym z
koncepcją inteligentnych miast jest bezpieczeństwo
publiczne. Obserwowane na przełomie ostatnich lat
zagrożenia bezpieczeństwa i spowodowany nimi wzrost
zaniepokojenia społecznego skłoniły Komisję Europejską do ufundowania w ramach Siódmego Programu
Ramowego oddzielnej puli grantów, przeznaczonej wyłącznie na badania i rozwój z dziedzinie bezpieczeństwa.
Rozwój nauki i technologii skoncentrowany w obszarze bezpieczeństwa przyczynił się do zdefiniowania
pojęcia inteligentnego monitoringu (ang. smart surveillance). Termin ten określa grupę systemów teleinformatycznych, potrafiących automatycznie analizować
otrzymywane dane w celu wykrywania zdarzeń i zachowań potencjalnie niebezpiecznych. Inteligentne systemy
bezpieczeństwa w znacznej większości opierają się na
analizie strumieni wizyjnych [1], działanie takich systemów polega na przetwarzaniu danych wizyjnych w celu
detekcji[2] i klasyfikacji obiektów[3], śledzenia obiektów [4], wykrywania twarzy [5], zliczania obiektów oraz
analizy zachowań tłumu. Odpowiednia konfiguracja
procesu analizy pozwala na automatyczną detekcje zdefiniowanych zdarzeń złożonych, np. takich, jak: przekroczenie wirtualnej bariery, poruszanie się obiektu niezgodnie z obowiązującym kierunkiem ruchu, przebywanie w zastrzeżonym obszarze czy pozostawienie bagażu
bez nadzoru. Stosowanie inteligentnych systemów bezpieczeństwa ma na celu automatyzację procesu analizy
danych oraz bezobsługowe informowanie personelu o
wykrytych zagrożeniach i zdarzeniach niebezpiecznych.
Decyzja o ewentualnej interwencji jest podejmowana
przez pracowników ochrony na podstawie obserwacji i
analizy wskazanego przez system źródła danych.
Systemy bezpieczeństwa bazujące wyłącznie na
analizie strumieni wizyjnych są coraz częściej wypierane
przez nowoczesne wielomodalne mechanizmy analizy
zagrożeń. Najnowsze systemy bezpieczeństwa wykorzystują analizę danych pozyskiwanych z różnego rodzaju
sensorów. Zastosowanie kamer termowizyjnych [6]
umożliwia detekcję osób niezależnie od warunków
oświetleniowych, kamuflażu, zamglenia czy zadymienia.
Zastosowanie czujników akustycznych [7] umożliwia
wykrywanie zdarzeń, które nie mogłyby zostać wykryte
z wykorzystaniem tradycyjnej analizy wizyjnej, prowadzonej z użyciem kamer. Najczęstsze zdarzenia dźwiękowe związane z bezpieczeństwem, to: krzyk, wołanie o
pomoc, wystrzał, wybuch, czy odgłos tłuczonej szyby.
Coraz częstszym elementem inteligentnych systemów bezpieczeństwa jest elektroniczna kontrola dostępu. Ochrona obiektów i miejsc realizowana jest w szerokim zakresie z wykorzystaniem technologii bazującej na
znacznikach (ang. tag) radiowych RFID (ang Radio
Frequency Identification). Wyróżniane są dwa rodzaje
systemów RFID: systemy pasywne i aktywne. W systemach pasywnych [8, 9] stacja bazowa wysyła regularnie
radiowy sygnał energetyczny, energia fali elektromagnetycznej jest kumulowana przez znacznik, po zebraniu
odpowiedniego ładunku wysyłany jest sygnał do stacji
bazowej identyfikujący obecność znacznika. Systemy
pasywne w zależności od częstotliwości emitowanych
fal radiowych pozwalają na komunikację w zasięgu od
kilku do kilkudziesięciu centymetrów. Zaletami tego
typu systemów jest brak konieczności zasilania znaczników radiowych oraz ich miniaturowe rozmiary, wady to
mały zasięg oraz ograniczony protokół komunikacji.
Drugi rodzaj systemów RFID, to systemy aktywne [10,
11] wykorzystujące znaczniki, które wymagają zewnętrznego źródła zasilania co implikuje ich zwiększone
wymiary, ale znacząco zwiększa zasięg systemu.
Głównym celem pracy opisanej w dalszej części
niniejszego artykułu jest rozszerzenie opracowanego
wielomodalnego systemu inteligentnego monitoringu o
warstwę RFID. Duży nacisk położono na kierunkową
lokalizację i identyfikację osób i obiektów. W ramach
prowadzonych prac wykorzystano platformę sprzętową,
opisaną w rozdziale 2. Założenia projektowe, schemat
blokowy systemu, wprowadzone modyfikacje, rozwój
warstwy sprzętowej oraz zrealizowane układy elektroniczne zaprezentowane zostały w rozdziale 3. Opis opracowanego algorytmu oraz wyniki eksperymentów przedstawiono w rozdziale 4. Proponowane aplikacje systemu,
krytyczna ocena uzyskanych rezultatów oraz zakres
zaplanowanych prac przedstawiono w rozdziale 5.
2. AKTYWNY SYSTEM RFID
Punktem wyjścia opisanych badań był opracowany
w Katedrze Systemów Multimedialnych (KSM) Politechniki Gdańskiej aktywny system RFID oparty o projekt OpenBeacon [12], oparty na licencji typu OpenHardware. W opracowanym systemie kontroli dostępu
wykorzystano radiowe znaczniki aktywne (klasa 4), oraz
stacje bazowe (klasa 5). Stacje bazowe zostały zrealizowane w dwóch wersjach: z wbudowaną anteną oraz ze
złączem SMA, zastosowanym w celu podłączenia anteny
zewnętrznej. Oba moduły realizują komunikację radiową
w oparciu o układ przekaźnika radiowego nRF24L01
firmy Nordic Semiconductor, pracującego na częstotliwości 2.4 GHz.
Centralnym układem stacji bazowej jest mikroprocesor AT91SAM7S firmy Atmel. Komunikacja pomiędzy mikroprocesorem, a przekaźnikiem radiowym realizowana jest w oparciu o protokół transmisji szeregowej
SPI (ang. Serial Peripherial Interface). Mikroprocesor
odpowiedzialny jest za analizę danych odbieranych drogą radiową przez przekaźnik. Jeżeli dane są zgodne z
założonym formatem ramki, to możliwa jest identyfikacja znacznika RFID w zasięgu anteny. Każdy znacznik
posiada unikatowy numer identyfikacyjny, który jest
przesyłany drogą radiową do stacji bazowej. Odebranie
pakietu danych zawierającego identyfikator RFID skutkuje przesłaniem przez stację bazową informacji do
komputera. Komunikacja pomiędzy komputerem a stacją
bazową realizowana jest z wykorzystaniem interfejsu
USB 2.0 i emulowanego przez mikroprocesor protokołu
RS-232. Odbiór danych przez komputer realizowany jest
z wykorzystaniem aplikacji nadzorującej transmisję
szeregową od stacji bazowej, aplikacja rejestruje obecność znacznika i zapisuje odpowiednie informacje do
bazy danych. Zapisywane są dane identyfikacyjne przypisane do znacznika, identyfikator RFID, czas rejestracji
oraz uprawnienia dostępu.
Zrealizowany system umożliwia obsługę do 20
znaczników RFID, każdy znacznik może być przypisany
do innego użytkownika/obiektu systemu. Zastosowanie
aktywnych znaczników radiowych umożliwia bezobsługową rejestrację znacznika w stacji bazowej z odległości
nawet 20 m. Znaczniki wyposażone są w mikrokontroler
PIC16F684 firmy Microchip oraz układ przekaźnika
radiowego. Komunikacja pomiędzy układami realizowana jest w oparciu o protokół szeregowy SPI. Ze względu
na specyfikę układu i konieczność ograniczenia zużywanej energii układ pracuje w trybie niskiego poboru prądu. Niemaskowane przerwanie generowane przez układ
zegara powodują powrót do standardowego trybu pracy
mikrokontrolera, w którym wysyłany jest pakiet danych
do przekaźnika radiowego, a następnie drogą radiową do
stacji bazowej. Po udanej transmisji pakietów danych
układ przechodzi ponownie w stan niskiego poboru
prądu.
Znaczniki RFID zostały wyposażone w baterię guzikową, co znacząco zmniejszyło ich rozmiar. Znaczniki
i stacje bazowe zostały zrealizowane w dwóch wersjach
z zachowaniem analogii połączeń obwodów drukowanych. Różnica w poszczególnych wariantach związana
jest z zastosowaniem innych rodzajów anten. Wersja
zminiaturyzowana wyposażona jest w anteny SMD. Ze
względu na konieczność dostrajania charakterystyki
kierunkowej promieniowania układów, uwzględniono
zastosowanie anten zewnętrznych przez zastosowanie
gniazd SMA umożliwiającymi podłączenie anteny o
dowolnej charakterystyce kierunkowej. Opracowany
system RFID został zaprezentowany na fotografii z rys.
1.
Rys. 1. Aktywny system RFID zrealizowany w KSM PG
3. KIERUNKOWY RADAR RFID
Opisany system wykorzystuje sygnał z anteny
wbudowanej SMD lub anteny zewnętrznej podłączonej
przez gniazdo SMA. Pierwszym etapem modyfikacji
bazowej wersji systemu było zastosowanie anteny kierunkowej w celu weryfikacji możliwości filtracji przestrzennej danych dochodzących do stacji bazowej. Satysfakcjonujące rezultaty kierunkowej detekcji znaczników
RFID były motywacją do zaprojektowania dookólnego
radaru RFID.
Wyróżniane są dwa typy radarów dookólnych,
pierwszy zawierający pojedynczą ruchomą antenę przemiatającą cały obszar w zakresie od 0° do 360°. Zaletą
tego rodzaju układów jest możliwość wykorzystania
pojedynczej anteny, jego wadą jest stosunkowo skomplikowana konstrukcja elektromechaniczna. Drugim
podejściem jest zastosowanie grupy statycznych anten
kierunkowych rozmieszczonych tak, aby ich charakterystyka kierunkowa pokrywała pełen zakres 360°.
Proponowany system bazuje na podejściu drugim,
którego podstawowym założeniem jest praca w trybie
antenowego beamformera. W celu zwiększenia funkcjonalności systemu zastosowano anteny sektorowe. Anteny
sektorowe w odróżnieniu do kierunkowych wykazują
dużą selektywność w płaszczyźnie poziomej i praktyczny brak selektywności w płaszczyźnie pionowej. Pełen
zakres przeszukiwania osiągnięto przez zastosowanie
dużej liczby anten sektorowych o wąskiej charakterystyce promieniowania. Jako elementy składowe radaru
RFID zostały wykorzystane anteny sektorowe JUNO
firmy YAGI, których charakterystyka przedstawiona
została poniżej:












częstotliwość pracy: 2.4 GHz
zysk energetyczny: 17 dBi
polaryzacja: pozioma
kąt promieniowania w płaszczyźnie pionowej: 160°
kąt promieniowania w płaszczyźnie poziomej: 30°
rodzaj złącza: TNC
VSWR: 1.5
impedancja: 50 Ω.
wysokość: 470 mm
szerokość: 85 mm
grubość: 40 mm
waga: 0.54 kg
Ze względu na konieczność pokrycia zasięgiem radiowym całego obszaru wkoło radaru zaprojektowano statyw pozwalający na zamocowanie 12 anten, których kąt
promieniowania wynosi 30°. Układ sektorowej anteny
dookólnej przedstawiono na Rys. 2. Ponieważ wcześniej
nie natrafiono na konstrukcje radarowe, związane ze
standardem RFID, rozwiązanie to zgłoszono do ochrony
patentowej [13].
rowej. W następnej iteracji stacja bazowa otrzymuje
dane pochodzące z kolejnego sektora. Kompletny cykl
skanowania składa się z dwunastu iteracji.
Komutacja poszczególnych sygnałów antenowych
została zrealizowana sprzętowo z wykorzystaniem wyspecjalizowanego układu elektronicznego, będącego 5portowym przełącznikiem sygnałów radiowych. Ze
względu na częstotliwość pracy układu równą 2.4 GHz,
nie było możliwe zastosowanie typowych w elektronice
niskich częstotliwości mechanizmów komutacji sygnałów. Głównym elementem wykonawczym zbudowanego
komutatora jest układ scalony AS204-80LF firmy
SKYWORKS. Układ pełni rolę multipleksera, posiadającego 4 wejścia sygnałów radiowych (o częstotliwości
do 3 GHz), jedno wyjście oraz dwa wejścia sterujące.
Podstawowe parametry układu wymieniono poniżej:







tłumienie nieaktywnych złącz: 45 dB
tłumienie aktywnego złącza: 0.5 dB
brak odbić i przesłuchów pomiędzy kanałami
napięcie zasilania: 5V
zakres pracy: 0÷3 GHz
zakres temperatur: -40°C ÷ +80°C
maksymalna moc sygnałów radiowych: 0.8 W
Podłączenie opisanego układu scalonego do opracowanego aktywnego systemu RFID wymagało zaprojektowania i wykonania mikrofalowego obwodu drukowanego o impedancji 50 Ω. Ze względu na charakterystykę
projektowanego układu oraz jego budowę konieczne
było zrealizowanie obwodu drukowanego w technologii
linii koplanarnej. Schemat PCB oraz zrealizowany układ
elektroniczny zaprezentowano na Rys. 3.
Rys. 3. Mikrofalowy układ przełącznika antenowego
Rys. 2. Skonstruowana sektorowa antena dookólna radaru RFID
Podłączenie każdej anteny do autonomicznej stacji bazowej wymusza obsługę wielu stacji bazowych za pośrednictwem interfejsu USB, co znacząco komplikuje
podłączenie radaru do komputera sterującego oraz programową obsługę systemu. Konieczność minimalizacji
połączeń oraz optymalizacji procesu skanowania przestrzeni dookoła radaru z poziomu oprogramowania wymusiła podejście, w którym wszystkie anteny podłączone są do jednej stacji bazowej. Zaproponowane przez
autorów rozwiązanie jest analogiem techniki wielodostępu z podziałem czasowym TDMA (ang. Time Division Multiple Access). W pojedynczym interwale czasowym, którego czas trwania jest ustalany programowo,
aktywna jest tylko jedna antena. Stacja bazowa otrzymuje dane wyłącznie z określonego kierunku wyznaczonego przez główną wiązkę promieniowania anteny sekto-
Zrealizowany układ umożliwia komutację jednego z 4
wejść (J2, J3, J4, J5) w kierunku wyjścia (J1) zgodnie z
zaprezentowaną tabelą prawdy układu Tab.1.
Tab. 1. Tabela prawdy przełącznika AS204-80LF
Połączenie z J1
CTL1
CTL2
J2
0
0
J3
1
0
J4
0
1
J5
1
1
Poziomy logiczne układu multipleksera są zgodne z
poziomami logicznymi układów klasy TTL. Wejścia i
wyjście sygnałowe zakończono gniazdami SMA pozwalającymi na łatwe przyłączenie anten i stacji bazowej.
W celu uzyskania programowej komutacji sygnałów radiowych zaprojektowano i zrealizowano prototypowy kontroler przełączników antenowych. Układ stacji
bazowej RFID teoretycznie umożliwia logiczne sterowanie pojedynczym przełącznikiem, jednak w trakcie
projektowania obwodów drukowanych zrezygnowano z
tej funkcjonalności ze względu na ograniczenie liczby
anten wykorzystanych w takiej konfiguracji. W celu
automatyzacji procesu przełączania aktywnych sektorów
anteny dookólnej zaprojektowano dodatkowy układ
cyfrowy oparty na mikrokontrolerze ATmega8 firmy
Atmel oraz na konwerterze USB-RS232 FT232RL firmy
FTDI. Konstrukcja dodatkowego urządzenia skomplikowała schemat połączenia całego systemu, ale przyczyniła się do poszerzenia funkcjonalności. Istotnym ulepszeniem jest możliwość sterowania 6 przełącznikami
jednocześnie, dodatkowo warstwa sterowania przełączników jest niezależna od warstwy komunikacji RFID.
Stacja bazowa oraz kontroler przełączników antenowych
łączą się z komputerem wykorzystując interfejs USB
2.0, oba układy emulują protokół transmisji szeregowej
RS-232. Zastosowanie przedstawionego podejścia umożliwia sterowanie i odczyt danych za pomocą komputera
w sposób niezależny.
Radar RFID został skonstruowany z anten sektorowych, co umożliwia dookólne skanowanie przestrzeni
poprzez użycie 12 anten o szerokości wiązki głównej
wynoszącej 30°. Przedstawiony moduł komutatora sygnałów radiowych umożliwia transmisje sygnału z wybranego nadajnika (jednego z czterech) do jednego odbiornika. W podstawowej konfiguracji odbiornikiem jest
stacja bazowa, konfiguracja ta umożliwia podłączenie
jedynie 4 sektorów, co wiąże się z pokryciem 1/3 docelowego zakresu skanowania. Aby możliwe było pokrycie
zasięgiem całego zakresu kątowego, konieczne jest zastosowanie dwustopniowej kaskady komutatorów.
Pierwszy stopień kaskady składa się z pojedynczego
komutatora, którego wyjście jest podłączone do stacji
bazowej, natomiast wejścia stanowią 3 komutatory tworzące drugi stopień kaskady. Każdy komutator stopnia
drugiego jest podłączony portami wejściowymi do 4
anten sektorowych, co umożliwia obsługę 12 anten.
Opisana konfiguracja umożliwia konstrukcję sektorowej
anteny dookólnej złożonej z 16 sektorów, niemniej jednak ze względu na charakterystykę kierunkową zastosowanych anten układ wyposażony w 12 anten pokrywa
cały zakres kątowy. Schemat ideowy opracowanego
systemu został przedstawiony na Rys. 4.
A
Stacja bazowa
RFID
Komutator
RFID
(2 stopień)
A
A
A
A
Komputer
sterujący
Komutator
RFID
(1 stopień)
A
Komutator
RFID
(2 stopień)
A
A
Kontroler
komutatorów
RFID
Sygnał RF
A
A
Komutator
RFID
(2 stopień)
A
A
Sygnał TTL
Sygnał USB
A
Antena
Rys. 4. Ideowy schemat blokowy skonstruowanego dookólnego radaru RFID
4. PRZESTRZENNA LOKALIZACJA
OBIEKTÓW
Realizacja eksperymentów i układów elektronicznych była motywowana potrzebą opracowania mechanizmu identyfikacji i lokalizacji obiektów z wykorzystaniem technologii niezależnej od powszechnie stosowanych w systemach bezpieczeństwa modalności wizyjnej i
(rzadziej) akustycznej. Przedstawione komponenty połączone w zaproponowany sposób umożliwiają realizację
sprzętowej warstwy radaru RFID. Ze względu na wielomodułową strukturę zaproponowanego systemu konieczne jest określenie metodologii pozyskiwania i analizy danych w celu realizacji przestrzennej lokalizacji
obiektów. Algorytm lokalizacji obiektów ma na celu
określenie identyfikatora radiowego obiektu oraz jego
położenia kątowego względem sektorowej anteny dookólnej, dodatkowo istotne jest określenie odległości
obiektu od radaru.
Komunikacja radiowa wykorzystana w celu identyfikacji i lokalizacji obiektów obsługuje uproszczoną,
jednokierunkową bezprzewodową transmisję danych
pomiędzy znacznikiem RFID i stacją bazową. Komunikacja bezprzewodowa wiąże się z wieloma parametrami
transmisji, wśród których istotny jest wskaźnik mocy
sygnału odbieranego RSSI (ang. Received Signal
Strength Indication). Analiza tego parametru pozwala
oszacować z dużym przybliżeniem odległość obiektu
nadającego sygnał od stacji bazowej. Projekt OpenBeacon [12], w wersji podstawowej nie posiada jednak
zaimplementowanego mechanizmu analizy parametru
RSSI.
Ze względu na ograniczenia podstawowej wersji
systemu wykorzystanego do budowy radaru RFID konieczne było opracowanie autorskiej metody analizy
pakietów odbieranych drogą radiową w celu aproksymacji odległości pomiędzy wybranym znacznikiem RFID, a
stacją bazową. Istotne było, aby opracowany algorytm
umożliwiał obsługę od kilku do kilkunastu znaczników
radiowych.
Aktywne znaczniki RFID będące stroną nadawczą
w opracowanym systemie zostały zaprogramowane tak,
aby wysyłały w regularnych odstępach czasowych (ok.
100 ms) pakiet danych. Transmitowany pakiet danych
składa się z 10 powtórzeń wiadomości pozwalających po
stronie odbiorczej (stacja bazowa) na odczytanie identyfikatora wybranego znacznika. Proces poprawnego odczytania identyfikatora znacznika RFID przez stację
bazową nazywany jest logowaniem znacznika. Zauważono, że liczba zalogowań pojedynczego znacznika
maleje wraz ze wzrostem odległości tzn. im znacznik
RFID bliżej stacji bazowej tym większa liczba zalogowań w zadanym przedziale czasowym (ok. 1 s). Zjawisko to związane jest z warunkami propagacji fal radiowych w powietrzu, energia sygnału maleje wraz ze
wzrostem odległości. Zaobserwowane zjawisko pozwoliło w sposób pośredni na oszacowanie parametru RSSI.
Analiza utraty pakietów z uwzględnieniem zależności czasowo-przestrzennych umożliwiła skuteczną
kierunkową identyfikację i lokalizację obiektów. Proces
akwizycji i analizy danych jest kluczowy z punktu widzenia poprawności lokalizacji obiektów wyposażonych
w znaczniki RFID. Aktywne znaczniki RFID, posiadające własne źródło zasilania, emitują okresowy sygnał
radiowy, który transmituje informacje o unikalnym numerze identyfikacyjnym danego znacznika. Sygnał radiowy jest odbierany przez sektorową antenę dookólną,
przy czym w danym przedziale czasu aktywny jest tylko
jeden sektor, tzn. jedna antena sektorowa posiada elektroniczne połączenie ze stacją bazową. Liczba zalogowań znaczników z wybranego kierunku pozwala na
określenie, który ze znaczników poprawnie transmituje
największą liczbę pakietów co oznacza, że jest najbliżej
osi promieniowania wybranej anteny sektorowej. W
kolejnym kroku analizy z wykorzystaniem kontrolera
komutatorów dobierane są takie nastawy komutacji
pierwszego i drugiego stopnia, aby zestawione zostało
elektroniczne połączenie kolejnej anteny sektorowej ze
stacją bazową. Cykl akwizycji danych jest powtarzany
dla wszystkich sektorów, poglądowy proces skanowania
z wykorzystaniem czterech pierwszych sektorów anteny
dookólnej przedstawiono na rys. 5.
Buforowane dane określające liczbę zalogowań wybranych znaczników RFID dla poszczególnych sektorów
anteny dookólnej, w poglądowej konfiguracji zostały
przedstawione w Tab. 2.
Tab. 2. Wyniki buforowania danych pochodzących od
znaczników RFID
tag ID01
tag ID02
2
0
Sektor 1 (0⁰)
t0
10
2
Sektor 2 (30⁰) t1
3
6
Sektor 3 (60⁰) t2
0
7
Sektor 4 (90⁰) t3
Przedstawione wyniki prezentują liczbę zalogowań
znaczników tag ID01 oraz tag ID02 dla czterech kolejnych sektorów skanowania. Analizując dane pod kątem
ilościowym (detekcja największej liczby zalogowań)
możliwe jest określenie lokalizacji poszczególnych
znaczników z zachowaniem rozdzielczości kątowej
równej szerokości wiązki głównej pojedynczej anteny
sektorowej. Analiza ilościowa pozwala ustalić, że tag
ID01 znajduje się w sektorze 2 i jest bliżej anteny dookólnej niż tag ID02 znajdujący się w sektorze 4. Szczegółowa analiza danych w przypadku tag ID02 wykazuje
nieznaczne różnice liczby zalogowań znacznika w sektorach 3 i 4, nasuwając wątpliwości co do słuszności podejścia ilościowego.
Ze względu na warunki propagacji fali radiowej
oraz jej interferencje znacznik radiowy loguje się najczęściej w sektorze, którego wiązka główna jest najmniej
odchylona od osi propagacji, obserwowane są również
logowania znacznika w sektorach sąsiednich. Obserwacja ta przyczyniła się do ewolucji pierwotnego podejścia,
w celu zwiększenia rozdzielczości kątowej algorytmu
lokalizacji obiektów analizowane są wyniki otrzymane w
trakcie skanowania z czterech sąsiednich sektorów. Na
podstawie uzyskanych wyników obliczana jest funkcja
interpolująca przechodząca przez zadane punkty. Następnym krokiem jest detekcja maksimum lokalnego
funkcji interpolującej, które określa kątową lokalizację
obiektu względem anteny. Funkcje interpolujące obliczone dla poglądowej konfiguracji wraz z zaznaczonymi
maksimami lokalnymi przedstawiono na rys. 6.
25
tag ID01
tag ID01
tag ID02
10
tag ID01
8
tag ID02
tag ID02
6
4
2
0
T = t0
T = t1
tag ID01
T = t2
20
40
60
80
81
0
20
40
60
80
Rys. 6. Funkcje interpolujące lokalizację znaczników
radiowych
tag ID01
tag ID02
0
8
7
6
5
4
3
2
1
0
tag ID02
T = t3
Rys. 5. Proces skanowania radaru RFID
Zastosowanie interpolacji wielomianowej w celu zwiększenia rozdzielczości kątowej opracowanego systemu
umożliwia określenie położenia obiektu z rozdzielczością kątową równą 1°, rozdzielczość kątowa radaru bez
wykorzystania interpolacji wynosi 30°. Dodatkowym
zyskiem wynikającym z zastosowania interpolacji jest
możliwość zmniejszenia liczby anten oraz radaru bez
negatywnego wpływu na jakość lokalizacji obiektów.
5. DYSKUSJA I PODSUMOWANIE
Opracowane rozwiązanie pozwala na kierunkową
lokalizację i identyfikację obiektów z wykorzystaniem
technologii RFID. Opracowany układ może stanowić
praktyczne rozszerzenie istniejących systemów bezpieczeństwa o warstwę funkcjonującą w zakresie fal radiowych. Dotychczas stosowane metody monitoringu wizyjnego i akustycznego mogą być rozbudowywane przez
zastosowanie kierunkowego radaru RFID.
Przykładowe scenariusze użycia opisanego układu
są zorientowane na zwiększenie poziomu bezpieczeństwa w przestrzeni publicznej. Opracowany układ umożliwia bezobsługową kontrolę dostępu np. parkingu, biura
itp. osoby lub pojazdów wyposażonych w znacznik radiowy, które w sposób automatyczny są identyfikowane.
Jeżeli użytkownik posiada uprawnienia do przebywania
w danej strefie to bariery mechaniczne np. drzwi i szlabany otwierają się automatycznie. Obecność nieuprawnionej osoby w danej strefie może powodować włączenie alarmu. Zastosowanie algorytmu lokalizacji umożliwia określanie kierunku przemieszczania się obiektu,
pozwala to np. na otwarcie szlabanu tylko dla pojazdów
wyjeżdżających z parkingu. Kolejnym proponowanym
zastosowaniem opisanego rozwiązania jest monitorowanie towarów w punktach handlowych. Zastosowanie
hybrydowego systemu, w którym radar RFID lokalizuje
obiekty (np. towary, które nie zostały opłacone w kasie)
w sytuacji gdy towar znajdzie się poza terenem sklepu
radar RFID przesyła informacje o kierunku przemieszczania wyniesionego obiektu do systemu wizyjnego, co
pozwala na wykrycie sprawcy ewentualnej kradzieży,
znajdującego się np. w zatłoczonym przejściu. Zastosowanie większej ilości urządzeń umożliwia tworzenie
bardziej złożonych scenariuszy np. monitorowania przesyłek w firmie spedycyjnej lub monitorowania procesu
produkcyjnego.
Opracowane rozwiązanie jest w fazie dalszych badań i rozwoju. Rozmiary przedstawionego urządzenia
skłaniają do pracy nad miniaturyzacją, dlatego planowane jest zastosowanie sektorowych anten mikropaskowych. Istotną wadą systemu jest konieczność zewnętrznego zasilania znaczników radiowych, wpływa to na
duże rozmiary i czyni system mało uniwersalnym. Możliwe jest zastosowanie miniaturowych znaczników pasywnych, kosztem skrócenia efektywnego zasięgu systemu do kilku metrów, co jest wystarczające w niektórych zastosowaniach.
Zaproponowany algorytm lokalizacji szacuje moc
sygnału radiowego w sposób pośredni poprzez analizę
traconych pakietów, rozwiązanie bazujące na rzeczywistej analizie sygnału radiowego wysyłanego przez poszczególne znaczniki umożliwiłoby skrócenie czasu
skanowania. W opisanej konfiguracji czas potrzebny na
akwizycję danych w jednym sektorze jest zależny od
liczby obsługiwanych znaczników radiowych i wynosi
100 ms na pojedynczy znacznik. Czas potrzebny na
przeskanowanie pełnego zakresu kątowego wynosi 1,2 s,
zwiększenie liczby znaczników wpływa na radykalne
zmniejszenie rozdzielczości czasowej systemu. Analiza
parametru RSSI w sposób bezpośredni jest uwzględniana
w zaplanowanym zakresie prac nad rozwojem prototypu.
PODZIĘKOWANIA
Research supported by the Polish National Centre
for Research and Development (GA number ARTEMIS2012-1/3/2013) and by the Artemis JU (GA number
332913)
as
part
of
the COPCAMS project
(http://copcams.eu).
SPIS LITERATURY
[1] A. Czyżewski, P. Dalka, Moving Object Detection
and Tracking for the Purpose of Multimodal Surveillance System in Urban Areas, New Directions
in Intelligent Interactive Multimedia: Studies in
Computational Intelligence, pp. 75–84, 2008
[2] H. Sheng, C. Li, Q. Wen, Z. Xiong, Real-Time Anti-Interference Location of Vehicle License Plates
Using High-Definition Video, IEEE Intelligent
Transportation Systems Society, vol. 1, issue 4, pp.
17-23, Winter 2009
[3] D. Ellwart, A. Czyżewski, Viewpoint independent
shape-based object classification for video surveillance, 12th International Workshop on Image
Analysis for Multimedia Interactive Services, Delft,
Netherlands, 2011
[4] Z. Han, Q. Ye, J. Jiao, Online feature evaluation
for object tracking using Kalman filter, 19th International Conference on Pattern Recognition, pp. 1–
4, 2008
[5] P. Viola, M. Jones, Robust Real-Time Face Detection, International Journal of Computer Vision, vol.
57, no. 2, pp. 137-154, Netherlands 2004
[6] G. Szwoch, M. Szczodrak, Detection of moving
objects in images combined from video and thermal
cameras, 6th International Conference: Multimedia Communications, Services and Security
(MCSS), pp. 262-272. Kraków 2013
[7] A. Czyżewski, J. Kotus, Automatyczna lokalizacja
źródła dźwięku w obecności zakłóceń z wykorzystaniem wektorowych czujników akustycznych, Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania,
vol. 52 no. 1 pp. 36-38, 2011
[8] H. Vogt, Efficient Object Identification with Passive RFID Tags, Pervasive Computing, Lecture
Notes in Computer Science, vol. 2414, pp. 98-113,
Springer Berlin Heidelberg, 2002
[9] H. Vogt, Multiple object identification with passive
RFID tags, 2002 IEEE International Conference on
Systems, Man and Cybernetics, vol. 3 pp. 3-6, October 2002
[10] L. M. Ni, Y. Liu, Y. C. Lau, A. P. Patil,
LANDMARC: Indoor Location Sensing Using Active RFID, Wireless Networks, vol. 10, no. 6, pp.
701-710, Kluwer Academic Publishers 2004
[11] C. Hyuntae, B. Yunju, Design and implementation
of an active RFID system platform, SAINT Workshops 2006. International Symposium on Applications and the Internet Workshops, January 2006
[12] OpenBeacon Active RFID Project, Project homepage: http://www.openbeacon.org/
[13] J. Cichowski, A. Czyżewski, Układ do wizyjnego
monitorowania obiektów, zwłaszcza towarów w
punktach handlowych, 10.03.2014, P407474