Localizzazione indoor — le soluzioni applicabili

I progressi fatti nelle tecnologie basate sul posizionamento e l’importanza sempre maggiore di questo tipo di informazione anche in applicazioni indoor, hanno portato ad un crescente interesse per i servizi basati sulla localizzazione. Oggi, la maggior parte delle esigenze riguardano applicazioni che tracciano in tempo reale beni fisici all’interno delle strutture industriali o, più in generale, operative.

Un sistema di tracciamento indoor, anche detto IPS (Indoor Positioning System) è un sistema in grado di localizzare la posizione di oggetti, persone, animali all’interno di edifici. La necessità di questo tipo di tecnologie deriva dal fatto che il GPS (Global Positioning System) risulta inaffidabile in ambienti chiusi.

Inoltre, con l’emergere dell’Internet of Things (IoT), la localizzazione all’interno di ambienti come supermercati, aeroporti, stazioni ferroviarie e ospedali sta prendendo sempre più piede. Nei supermercati, un cliente può selezionare un carrello dotato di schermo PDA (Personal Digital Assistant) e tag di identificazione, la posizione del carrello viene quindi identificata tramite Wi-Fi e/o sistema RFID, e se il cliente desidera trovare la posizione di un prodotto, può cercarlo sullo schermo del PDA e vengono fornite le indicazioni per raggiungerlo. Nei musei e nelle gallerie, anziché fornire ai visitatori i classici opuscoli, i turisti vengono guidati da un dispositivo che funziona via Bluetooth. Il dispositivo può dare indicazioni verso una parte specifica della galleria e fornire informazioni su un’opera d’arte. Inoltre, in campo medicale, i tag RFID possono essere posizionati su diverse parti del corpo; questo ci permette di raccogliere informazioni sui pazienti che necessitano di assistenza domiciliare, consentendoci di sapere se sono seduti, dormono, camminano, se stanno in piedi o se stanno collassando.

Gli ambiti di applicazione sono molteplici. Abbiamo applicazioni anche in ambito trasporti e logistica (posizione esatta degli oggetti da spedire) ed in ambito manifatturiero (come e dove i beni vengono spostati).

Confronto tra tecnologie

Ad oggi, quali sono le tecnologie più usate per la localizzazione indoor?

Proviamo a confrontare diversi sistemi facendo una comparazione tecnico-funzionale.

Quick Response (QR) Code

QR Code è un codice a barre 2D criptato con una struttura a matrice che consiste in moduli neri disposti in una griglia quadrata su uno sfondo bianco.

Questo codice a barre può fungere da ponte mobile tra piattaforme fisiche e informazioni digitali. In altre parole, i codici QR sono codici a barre fisici che, se scansionati con un’applicazione mobile, possono connettere gli utenti a contenuti digitali.

Il QR Code, quindi, può essere fisicamente installato in una determinata area e può essere codificato in base a dove si trova per fornire informazioni diverse.

RFid (Radio Frequency Identification) e NFC

RFId è una tecnologia di comunicazione wireless che utilizza onde radio per identificare e tracciare oggetti. Estende il concetto di QR Code con informazioni tridimensionali e capacità di tracciamento attivo. E’ molto diffuso nella grande distribuzione, logistica e gestione di inventari grazie alla capacità di identificare più elementi in contemporanea. Nel caso del tracking degli inventari, ad esempio nei grandi magazzini e nei centri commerciali, è senza dubbio la soluzione più economica.

Di solito un sistema RFId richiede quattro componenti principali: lettore (reader)/ scrittore RFId, tag RFId, e un software applicativo per l’elaborazione delle informazioni. Il lettore trasmette periodicamente segnali per la ricerca di tag nelle vicinanze. Quando acquisisce un segnale da un tag, estrae le informazioni e passa i dati al sistema di elaborazione. I dati dei sistemi RFId possono essere trasferiti anche senza contatto tra il lettore e il tag.

Un tag comprende un chip che immagazzina dati identificativi e antenne che trasmettono i dati contenuti in esso. Variano in base al tipo di applicazione a alla frequenza di lavoro.

I tag RFId possono essere attivi, quindi dotati di batteria e sempre accesi, oppure passivi, quindi senza batteria e risvegliati solo dal reader. I tag passivi, inoltre, hanno un basso costo ma un range di funzionamento basso, si parla di 3 metri di distanza dal reader.

Esistono diversi metodi per identificare gli oggetti utilizzando l’RFId, ma il più comune è memorizzare un numero di serie che identifica un oggetto su un microchip collegato a un’antenna. I sistemi RFID, soprattutto quelli passivi, consentono di memorizzare volumi relativamente bassi di dati sui tag (da 8 kbyte a 128 kbyte) e supportano velocità di lettura da 200 bit / s a 28 Kbit / s a ​​seconda della frequenza utilizzata.

I tag RFId attivi possono disporre di una memoria e di una distanza di funzionamento maggiore (fino a 100 metri), andando però ad alzare i costi.

L’evoluzione, utilizzata oggi, nel RFId è l’NFC, che a differenza del precedente sfrutta una comunicazione bidirezionale (sulla frequenza di 13,56 MHz) mantenendo però la necessità di vicinanza con il reader (pochi centimetri) e una bassa quantità di memoria sul tag. L’NFC ormai è uno standard diffuso su qualsiasi smartphone e sistemi di pagamento su carta.

WiFi

Il Wifi è la tecnologia più diffusa ed è anch’essa usata per la localizzazione indoor. Il sistema basato sullo standard IEEE 802.11, funziona nelle bande di frequenza 2.4, 3.6 e 5 GHz e utilizza diversi Access Point (AP) come punti di localizzazione.

Il processo di localizzazione consiste in due fasi: offline e online. Nella fase offline vengono costruiti i modelli di intensità del segnale dell’area. In questa fase l’intensità del segnale misurata dai diversi AP viene registrata in posizioni diverse. Ogni misurazione consiste in diverse letture, una per ciascuna sorgente radio nel raggio d’azione. Nella fase online (fase di posizionamento), il device deduce la sua posizione attraverso la migliore corrispondenza tra l’intensità del segnale ricevuto e quelle precedentemente registrato nella fase offline.

E’ vero che è diffusa come tecnologia ma ci sono dei contro. Gli access point possono essere inaffidabili e mal posizionati. Il costo di installazione risulta quindi elevato. A differenza del gps e della tecnologia bluetooth (che vedremo dopo), i dati vengono trasmessi effettivamente su una rete wifi, ciò significa che un attacco alla rete può compromettere il sistema. Se fosse richiesto un elevato livello di accuratezza, bisognerebbe aumentare il numero di access point richiesto e di conseguenza la complessità e il costo del sistema.

Anche se, il contro principale di questa tecnologia, è la frequenza in sè. Come tutti i segnali radio ad alta frequenza, l’affidabilità del segnale viene influenzata dall’ambiente e dalla presenza del corpo umano. Semplicemente frapponendosi tra il device da localizzare e l’access point, la potenza del segnale risulta ridotta, andando a influenzare i risultati della localizzazione. Possiamo fare lo stesso discorso per i muri.

Beacon Bluetooth

Un beacon e un piccolo dispositivo wireless, solitamente a batteria, che utilizza la tecnologia del Bluetooth Low Energy per notificare la sua presenza. Fa ciò effettuando ripetutamente l’invio di pacchetti Bluetooth contenenti un identificatore, a tutti i device compatibili nelle vicinanze. I dispositivi che ricevono il segnale possono utilizzare queste informazioni per determinare la propria posizione e agire di conseguenza. Monitorando i beacon, si può quindi rilevare quando un beacon è uscito (o entrato) da una particolare area e usare queste informazioni per creare un’esperienza interattiva.

Il beacon può essere quindi fisicamente attaccato ad una persona o oggetto ed essere monitorato da un Gateway (ricevitore) oppure possono essere fisicamente installati in punti strategici per inviare poi i dati ad un qualsiasi smartphone che, attraverso un app, elabora i dati per determinare la posizione nell’ambiente. Nella prima versione, ovviamente, più ricevitori si hanno, migliore sarà la capillarità della localizzazione.

Oggi ci sono un certo numero di marchi che producono beacon, ognuno con le proprie applicazioni.

I beacon operano alla frequenza dei 2.4 GHz che è quella comunemente usata dalle reti Wifi. Rimane quindi il problema del segnale influenzato dalla presenza di persone/muri. Spesso questo problema viene ovviato aggiungendo beacon nell’ambiente, andando però ad aumentare i costi e la complessità del sistema.

La necessità di aumentare il numero di beacon nell’ambiente è data anche dal fatto che il raggio dei beacon può essere configurato per proiettare il segnale ad una distanza che va dai 3 ai 50 metri.

Esiste quindi una soluzione che prova a ovviare a tutti gli svantaggi delle altre tecnologie, offrendo un prodotto adatto e flessibile per le varie applicazioni?

Il sistema ITT

Nuzoo ha sviluppato il sistema ITT (Interactive Tracking Tags), un sistema di moduli e centraline radio basati su tecnologia RFId proprietaria. E’ un sistema ampiamente customizzabile e di facile scalabilità. Con la stessa facilità può gestire da un Tag sino a qualche centinaio di unità, garantendo la lettura degli stessi e la sicurezza dei dati raccolti.

Il sistema ITT è stato pensato così da poter essere integrato con altri sistemi IoT. Offre schermate grafiche riepilogative dedicate (dashboard) e dialoga con l’infrastruttura informatica locale, ove già presente.

Segue un benchmark di confronto tra ITT e le tecnologie che abbiamo descritto precedentemente:

indoor localization technology
Benchmark

Come possiamo vedere dalla tabella il sistema ITT sfrutta due frequenze di lavoro: 125 KHz e 868 MHz.

La prima viene utilizzata da un device chiamato NET, che genera una «nuvola interattiva», di dimensione variabile ed impostabile compresa fra i 100mq e i 1.000mq, dipendente dal tipo di antenna utilizzata, ed in grado di attivare e localizzare i Tag grazie all’impiego di tecnologia magnetica.

La seconda, invece, viene utilizzata da un GATE, che riceve dati generati dai Tag e li comunica ad un server. Ogni Gate è in grado di coprire un’area variabile fra i 300mq e i 1.500mq, indipendentemente dal tipo di impiego, anche in maniera direzionabile.

Il server, chiamato BRIDGE, riceve dati da tutti i Gate e controlla l’intero sistema ITT. E’ gestito e configurato tramite Web Server e/o Modbus/TCP , integra anche LAN e Wi-Fi.

Nel sistema ITT, il Tag non è passivo ma attivo. E’ dotato quindi di una batteria ricaricabile (ricarica induttivo o USB), ma monta anche un accelerometro, un led di stato e un buzzer. E’ inoltre completamente programmabile per applicazioni specifiche (ad esempio, la rilevazione dell’uomo morto “man down”).

Questo sistema ha alle spalle 4 anni di lavoro e diverse installazioni su clienti utilizzatori, in diversi ambiti.

Grazie anche alla estrema flessibilità di configurazione, ITT si presta ad impieghi molto diversi fra loro: dalla sicurezza sui luoghi di lavoro al controllo accessi, dalla sorveglianza dei malati Alzheimer (people tracking) alla logistica in ambito industriale.

Il sistema ITT è quindi la giusta soluzione per la localizzazione e il tracciamento indoor, capace di colmare il gap tecnologico ed operativo generato da altre tecnologie.

Per saperne di più sul nostro sistema: https://www.nuzoo.it/it/iot/localizzazione-e-tracciamento-tag

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Computer engineer passionate about everything called Coding

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