CC BY
27АНАЛ1З МЕТОД1В ДИСТАНЩЙНО1 ЩЕНТИФ1КАЦП РУХОМИХ ОБСКТ1В ДЛЯ В1ДСЛ1ДКОВУВАННЯ ТВАРИН
студент Втюк Алта Свгенивна
Укрална, м. Кшв, Нацюнальний техшчний Утверситет Укрални "Кшвський полтехшчний 1нститут "
Abstract: This article is devoted to complex research of methods to identify moving objects for solving the problem of tracking animals in real time. It is shown that the diversity of regions and areas of use systems of identification and positioning of material objects generated a variety of technologies. This underlines the relevance and application of the analysis, not only in this but in other areas, from patient, personnel, equipment and medicines monitoring in clinics - to control the location of tools, assembly units and workers on the assembly line; from finding victims in emergency situations - to direct observation of the animals with free maintenance.
Methods for identifying moving objects and control their positioning depend on pre-defined goals and objectives. So stand comparison criteria such as: identification of controlled objects, optimal positioning accuracy, optimal frequency surveys. Also considered: range (allowable distance from the labels to infrastructure), resistance, resistance to multipath fading (influence of reflected signals), small size and weight labels, low power tags (to save battery power), ease of deployment and operation electromagnetic compatibility, the need to obtain frequency authorization cost solutions.
Author gives a general description of the most common today types positioning systems as local positioning system, which include optical (including infrared) and ultrasound systems; satellite navigation systems (GPS, GLONASS, Beydou, Galileo, etc.) and Radio Frequency Identification Technology (RFID). Among the technologies highlighted the radio frequency technology, originally designed for communication services and somehow adapted for positioning (Wi-Fi, Bluetooth, cellular communication).
Key words: tracking animals, GPS, GLONASS, RFID, Wi-Fi, navigation.
Задача визначення мюцезнаходження заздалепдь заданого об'екту полягае у визначенш його координат на поверхш Земл^
Способи щентифшаци рухомих об'екпв i контроль !х позицюнування залежать вщ заздалепдь заданих цшей та завдань. Тобто, якщо метою е розшзнавання абонента для надання районованих послуг, наприклад, прогнозу погоди, то помилкою в декшька кiлометрiв можна знехтувати. Але якщо необхщно визначити позицюнування чипа на план при автоматичному складанш, то точнють буде визначатися у мшронах. Не менш важливим е i режим вщстеження. Якщо потрiбно швидко знайти потрiбну запчастину, перюдичнють опитування в ^^mi може бути мшмальною - лише в момент, коли ця запчастина потрiбна або при швентаризаци. Решту часу система може проводити в сплячому режима Але якщо потрiбно контролювати дотримання маршрунв i швидкюного режиму руху навантажувачiв в цеху, необхщною буде частота опитування до декшькох разiв на секунду - режим реального часу.
Подiбних особливостей застосування досить багато. Звюно, юнуе i безлiч рiзних видiв систем щентифшацп та позицюнування. Тому далi звузимо напрямок нашого дослiдження i залишимо осторонь системи локаци (радю, акустично!, шфрачервоно!), де мiсцезнаходження об'екта визначаеться по вщбитому сигналу. Залишимо без уваги i iнтелектуальнi системи вщеоспостереження з !х методами розшзнавання об'екпв. Таким чином, далi розглянемо системи позицюнування з використанням шдивщуальних мггок - будь то власне мггка, GPS навiгатор, Wi-Fi пристрш або мобiльний телефон.
Наразi системи щентифшаци та позицiонування (визначення мюцезнаходження) матерiальних об'ектiв - людей, тварин, транспортних засобiв, рухомих механiзмiв i рiзних предметiв вже застосовуються в самих рiзних сферах дiяльностi. Вщ монiторингу пацiентiв, персоналу, лiкiв i устаткування в клiнiках - до контролю мюцезнаходження шструменнв, складальних одиниць i робочих на конвеерi. Вщ пошуку постраждалих при надзвичайних ситуащях - до спостереження за тваринами при вшьному утриманнi.
Pi3H0MaHiTHiCTb областей i напрямюв використання породили pi3HOMaHiTHiCTb технологiй. Тому перш нж перейти до ropiB^H^ систем, визначимося з критерiями порiвняння.
Як вже говорилося вище, системи повинн забезпечувати:
• iдентифiкацiю контрольованих об'eктiв;
• оптимальну точнiсть позищонування;
• оптимальну пеpiодичнiсть опитування.
Кpiм того, важливими кpитеpiями е:
• pадiус ди (допустима вiдстань вщ мiток до елементiв iнфpастpуктуpи);
• стшюсть;
• стiйкiсть до багатопроменевого затухання (впливу вiдбитих сигналiв);
• малi габарити i вага мггок;
• низьке енергоспоживання мiток (з метою економи заряду акумулятоpiв);
• простота розгортання i експлуатацп;
• електромагштна сумiснiсть, необхiднiсть отримання частотного дозволу;
• вартють piшень.
Види систем позицгонування. На сьогодшшнш день найбшьше розповсюдження отримали наступнi групи технологш:
1. Супутниковi навiгацiйнi системи - GPS, ГЛОНАСС, Бейдоу, Galileo та шшц
2. Локальнi системи позищонування, до яких вщносяться оптичн (в тому числi, iнфpачеpвонi) та ультpазвуковi системи;
3. Технологи радючастотно! щентифшацп RFID (Radio Frequency Identification). Серед радючастотних технологiй можна видшити технологи, з самого початку призначен для надання послуг зв'язку i так чи iнакше пpистосованi для позищонування (Wi-Fi, Bluetooth, стшьниковий зв'язок).
1. Глобальн навiгацiйнi системи
Серед ушх супутникових навiгацiйних систем, на сьогодн найкращу точнiсть забезпечуе GPS. Точнють позицiонування вже зараз не прше шести метpiв. А нове поколшня супутникiв, що запускаються в даний час, забезпечить точнють не менше 60-90 см.
Загальний недолш глобальних систем - залежнiсть вщ умов використання. Практично неможливо визначати мюцезнаходження всеpединi будiвель, в тдвалах або тунелях, piвень сигналу серйозно попршуеться пiд покровом листя дерев i навiть при великiй хмарносп. На прийом сигналiв GPS можуть впливати перешкоди вiд наземних джерел. Оскшьки оpбiти GPS мають нахил близько 55 градушв, точнiсть у високих широтах значно знижуеться, тому що супутники GPS видно низько над горизонтом. В цьому вщношенн супутники ГЛОНАСС мають перевагу - нахил !х орбгг близько 65 градушв.
2. «Локальш» системи позищонування
До локальних систем позищонування вщносяться оптичш (зазвичай шфрачервош) i ультpазвуковi системи. Хоча !х pадiус ди невеликий - 3-10 метpiв, однак перевагою е те, що оскшьки свггло i звук практично не проходять через стши i двер^ вони гарантують «room level accuracy» - факт знаходження контрольованого об'екта в конкретному примщенш. Це важливо, наприклад, в медициш.
1нфрачервоне позищонування. Мобшьна мггка в системi шфрачервоного позицiонування випускае iнфpачеpвонi iмпульси, яю приймаються приймачами системи, що мають фшсоваш координати. Мiсцезнаходження мiтки розраховуеться по Time-of-Flight (ToF) - часу поширення сигналу вiд джерела до приймача. Недолiк методу - чутливють до перешкод вiд сонячного свггла. Застосування 1Ч лазера пiдвищуе дальнють, точнiсть, але на жаль i ваpтiсть. Точнiсть позицiонування цим методом 10-30 сантиметpiв.
Ультразвукове позицюнування. У системах ультразвукового позищонування використовуються частоти в^ц 40-130 кГц. Для визначення координат мiтки зазвичай вимipюють ToF до чотирьох пpиймачiв. Основний недолш - чутливiсть до втрат сигналу при наявносп (появi) навiть «легких» перешкод, до помилкових ехо-сигналiв i перешкод вiд джерел ультразвуку, наприклад, вщ ультразвукових дефектоскопiв, апаpатiв ультразвуково1 очистки на виpобництвi, УЗД в лшарш. Щоб вилучити цi недолiки, потpiбно ретельно планувати систему. Перевага ультразвукових систем - висока точнють позищонування, що досягае трьох сантиме^в.
«Локальнi» системи позицiонування застосовуються досить рщко, i !х застосування скорочуеться в мipу розвитку pадiочастотних технологш.
3. Технологи радючастотнох iдентифiкацii RFID
Позицгонування в стыьникових мережах. Позищонування в стшьникових мережах з'явилося одним з перших (задовго до глобального позищонування). Це пояснюеться широким поширенням мобшьного зв'язку i вщносною простотою методу Cell of Origin - за мюцезнаходженням стшьника, до якого тдключився абонент. Точнiсть такого позицiонування визначаеться pадiусом дii соти. Для «шкосот» це 100-150 метpiв, для бшьшосп базових станцiй - кiлометp i бiльше.
Для бiльш точного визначення координат використовують данi вiд декшькох базових станцiй. 1снуе кiлька таких методiв.
1) Angle of arrival — напрямок на абонента. Метод заснований на тому, що базова станщя мае вщ трьох до шести антенних решггок, кожна з яких обслуговуе свш сектор (на свош частотi) Мiсцезнаходження визначаеться на перетин сектоpiв кiлькох станцiй. Чим бшьше сектоpiв в сотi, тим вже кожен сектор i менше площа перетину сектоpiв. А значить, вище точнiсть. Зазвичай точнiсть становить 100-200 метpiв.
2) Time of arrival — час прибуття. При цьому методi вимipюеться час приходу сигналу вщ абонента на мшмум три базовi станцii. Для досягнення точносп потpiбна синхpонiзацiя базових станщй за допомогою атомного годинника або за сигналами з супутника. Точнють методу - близько ста метpiв.
3) Пбридний метод зводиться до оснащення мобшьного телефону приймачем GPS.
WiFi позицгонування. Якщо брати до уваги нещодавнш звiт аналiтичноi компани
Strategy Analytics, в 2013 рощ було вироблено 1,9 млрд. пристро^'в з пщтримкою технологii Wi -Fi, що на 19 % бшьше, шж в 2012 рощ. На сьогодшшнш день в свт налiчуеться близько 4 млрд. Активних Wi-Fi-пpистpоiв, так що швидке поширення систем Wi-Fi позицiювання цiлком природно. Використання вже юнуючо! iнфpастpуктуpи мереж зв'язку - точок бездротових мереж Wi-Fi - це найменш витратний ваpiант. Методика визначення координат наступна -пристрш користувача скануе доступн Wi-Fi-точки доступу, потiм iнфоpмацiю про них вщправляе на сервер, де щ данi по базi даних зютавляються з координатами цих точок доступу, за якими i обчислюються координати користувача. Радiус дii Wi-Fi точок доступу зазвичай становить 30-200 метpiв. Цим i визначаеться точнють позицiонування.
Щоб пiдвищити точнiсть позищонування вимipюють потужнiсть pадiосигналу, час його поширення вщ абонента до точки доступу, напрямок на джерело сигналу. Але навпъ в таких системах точнють позищонування вщносно невисока. В щеальних умовах вона становить в 3 -5 метpiв, в реальних - 10-15 метpiв.
Системи позищювання з використанням пасивних рад1очастотних ¡дентифтатор1в (RFID). Основне призначення систем з пасивними RFID мггками - щентифшащя. Вони застосовуються в системах, яю традицшно використовували штрих-коди або магштш картки -в системах розтзнавання товаpiв i вантажiв, впiзнання людей, в системах контролю i управлшня доступом (СКУД) i т.п.
Система включае RFID мiтки з ушкальними кодами та зчитувачi i працюе наступним чином. Зчитувач безперервно генеруе радювипромшювання зацаноi частоти. Ч1П мггки, потрапляючи в зону дii зчитувача, використовуе це випpомiнювання як джерело електроживлення i передае на зчитувач щентифшацшний код. Рацiус дii зчитувача становить близько метра.
Системи позищювання з використанням активних RFID. Активн радючастотш мггки використовуються при необхщносп вiдстеження пpедметiв на вщносно великих вщстанях. РобочГ частоти активних RFID - 455 МГц, 2,4 ГГц або 5,8 ГГц, а pадiус ди - до 100 метpiв. Живляться активш мГтки вщ вбудованого акумулятора.
1снують активнi мГтки двох тишв: транспондери i pадiомаяки. Транспондери включаються, отримуючи сигнал зчитувача. А радюмаяки використовуються в системах позищонування реального часу. Радюмаяк вщправляе пакети з ушкальним iдентифiкацiйним кодом по команщ або Гз заданою перюдичнютю. Пакети приймаються як мГнГмум трьома приймачами, розташованими по периметру контpольованоi зони. Вщстань вГд маячка до приймачГв з фГксованими координатами визначаються по куту напрямку на маячок Angle of Arrival (AoA), за часом приходу сигналу Time of Arrival (ToA) або за часом поширення сигналу вщ маячка до приймача Time-of-Flight (ToF).
1нфраструктура системи будуеться на базГ провГдно! мереж1 i в двох останнГх випадках вимагае синхрошзацп.
ТермГн «активнГ RFID» охоплюе великий клас рГзномаштних виробГв. БГльшГсть радГочастотних систем позицГонування використовують для щентифшаци та позицГонування
об'екпв активш RFID. Тому характеристики активних радючастотних мiток, включаючи точнiсть позицiонування i вартiсть, сильно розрiзняються, залежно вiд конкретного виробника.
З даних методiв вiдслiдковування, з огляду на визначеш обмеження, можна видшити супутникову навiгацiйну систему GPS та стшьниковий зв'язок. Вони здатш забезпечити досить точне позицiонування та можуть використовуватися на доволi великих дистанщях, що дозволить простiше щентифшувати об'ект. Хоча i кожна з них також мае сво! недолши. Тому, з огляду на обмежений простр використання будь-яко! окремо взято! стшьниково! мережi, найефективнiше використовувати супутникову систему GPS, адже не зважаючи на залежнють вiд умов використання, в тому чи^ обмеження у застосуванш всерединi примiщень, вона дозволить вщслщковувати об'екти на великих дистанщях, що було одним iз завдань даного дослщження. Отже, використання датчиюв тiльки одного типу не дозволяе, як правило, визначити мюце розташування об'екта з високою точнiстю i достатньою надiйнiстю. Тому варто комбшувати данi рiзних датчикiв за допомогою рiзних методiв i алгоритмiв.
Л1ТЕРАТУРА
1. Вагущенко Л.Л. (2004). СУДОВЫЕ НАВИГАЦИОННО-ИНФОРМАЦИОН-НЫЕ СИСТЕМЫ. Одесса: Латстар. 302 с.
2. А. К. Щербаков (2005). WiFi: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить. Москва: Литературное агентство «Бук#Пресс». 120 с.
3. Т. Шарфельд (с Приложениями И. Девиля, Ж. Дамура, Н. Чаркани, С. Корнеева и А. Гуларии) (2006). Системы RFID низкой стоимости. Москва: С. Корнеев. 197 с.
4. (2012). Технологии идентификации и позиционирования в режиме реального времени. Available: http://savepearlharbor.com/?p=157619. Last accessed 26th May 2016.
5. ЖУРНАЛ «ХАКЕР». (2005). RFID: МЕТКИ ДЛЯ ВСЕХ №1. Available: https://xakep.ru/2005/10/17/28394/. Last accessed 25th May 2016.
