Localização e rastreamento 3D usando comunicação sem fio LoRa

Abstract

A Internet das Coisas (IoT) tem necessitado cada vez mais soluções que atendam requisitos de conectividade, como adequada velocidade de comunicação de dados, longa distância de comunicação e baixo consumo de energia. Novas tecnologias vêm surgindo, como as redes de comunicação sem fio de longa distância e baixo consumo de energia (LPWAN), na tentativa de suprir essas necessidades, aliadas a custos baixos e maior escalabilidade. Uma delas é o LoRa (Long Range), que é uma tecnologia de comunicação sem fio de longa distância e que faz parte do protocolo LoRaWAN. Aplicações nas redes de sensores sem fio (WSN) envolvendo essa tecnologia têm sido amplamente empregadas, trazendo bons resultados. Dentre as novas aplicações de IoT, envolvendo também Cidades Inteligentes, a localização e o rastreamento em 3D de objetos usando comunicação sem fio têm se destacado como uma área em contínuo desenvolvimento. Apesar de diversos métodos para localização 3D usando comunicação sem fio poderem ser encontrados na literatura, poucos estão disponíveis com aplicações em longa distância. Com relação ao rastreamento, até o momento pouco foi desenvolvido, especialmente para aplicações não específicas dentro do contexto de WSN. Neste sentido, este trabalho utilizou a comunicação sem fio LoRa associada a sensores de altitude, para desenvolver e validar experimentalmente uma plataforma automatizada de localização 3D para aplicações focadas em ambientes internos, com possibilidade de aplicação também para rastreamento. O método aplicado para cálculo do posicionamento 3D do objeto utiliza a técnica de trilateração usando a potência do sinal recebido entre dispositivos (RSSI). Testes operacionais considerando as características do rádio de comunicação e os parâmetros do LoRa permitiram atingir a melhor calibração do sistema. Adicionalmente, um tratamento estatístico das medidas proporcionou melhor exatidão dos resultados. Os resultados de localização foram bons, apresentando satisfatória exatidão, com erro máximo na ordem de poucos metros. Os resultados demonstram também a possibilidade de aplicação para rastreamento, porém, demandando melhorias para diminuição da variabilidade de medição da rota rastreada.

Internet of Things (IoT) has needed more and more solutions to assist the connection requirements, as data rate, long distance and low consumption of energy. New technologies emerge, as the wireless long distance and low energy networks (LPWAN), attempting to supply those needs, allied to the low costs and larger scale. One of them is LoRa (Long Range), a wireless communication technology of long distance, which is part of LoRaWAN protocol. Applications in the wireless sensor networks (WSN) involving this technology, has been used widely, bringing good results. Among new applications in IoT, involving also smart cities, 3D location and tracking of objects using wireless communication, has the prominence as an area in continuous development. In spite of many methods for 3D location using wireless communication, be able to found in literature, a few of them are available with long-range applications. Related to the tracking, until now, a few of it was been developed, especially for non-specific applications in the WSN context. In this way, this work has used LoRa technology associated to the sensor of altitude, to build and validate experimentally an automated platform of 3D location for applications focus in indoor environments, with possibility to applicate it also to tracking. The method applied to calculate the 3D positioning of object uses trilateration technique with the power of signal between the devices (RSSI). Operational tests considering the characteristics of the communication radio and the parameters of LoRa, allowed reaching the best gauging of the system. In addition, a statistic treatment of the measures has provided better accuracy of the results. The results of location were good, presenting satisfactory accuracy, with maximum error in order of few meters. It also demonstrates the possibility of application for tracking, however demanding improvement to decrease the variability of measurement of the tracked rote.