背景及目的


動機

  • 搜尋或發現虛擬或真實物體的方式除了以語意的方式搜尋之外,是否有其他方式可以強化搜尋的能力呢?回想物聯網中元件最重要的特徵之一,就是要擁有感知實際環境的能力或是進行反應以影響實際的環境,其中有許多環境感知的內容都會與地理定位資訊有關係(例如:溫度、溼度、氣體濃度、輻射強度…等),這些感測的數據若與地理定位資訊無關聯時,則只能分析感知器該點位置隨時間移動時感測數據變化的情形,並不能針對感測數據所連成的線或面進行統計與分析。所以物聯網的裝置應該要能夠知道其所在位置的地理定位資訊,並將其儲存在裝置的描述資料之中,以便提供以地理定位資訊的角度來搜尋各種不同類型的裝置,例如:尋找以台北火車站為中心方圓500公尺內所有智慧型攝影機,以查詢其狀態或準備控制其中部份智慧型攝影機。又例如可與建物的虛擬模型整合(如圖4所示),以快速地掌握建物內各裝置的所在位置,並立即對其互動。

  • 而與地理定位資訊有關之系統可以分成追蹤系統(Tracking)與定位系統(Positioning)兩種,到底是追蹤系統還是定位系統則要視座標資訊是由系統外部還是系統內部運算而定。舉例來說,典型的追蹤技術是透過RFID來進行,此時物件的定位資訊是由中介軟體(Middleware)計算出來的。而典型的定位技術則是透過GPS來進行,這技術是物件本身運用衛星所提供的資訊自己計算其所在的位置。另外也有其他的系統是兩種模式都具備的,例如無線個人區域網路(WPAN)技術便可以使用RSSITrilateration的方式來計算出其定位資訊,只是視裝置資源與能力的情況來決定到底是由裝置外部中介軟體來計算還是裝置本身自行計算,而在物聯網的情境中,裝置可能都會運用這兩種模式取得地理定位資訊,只是目前其所得到的座標軸並未統一。

  • 基於上述之情況,如何讓物聯網中所有裝置,無論其是否具有運算能力,均能取得所在位置的地理定位資訊,並存放在其描述資料中。只是這情況便衍生出一項議題,那就是如何統一定位資訊的座標軸?因位透過GPS所取得的定位資訊與透過中介軟體所取得的定位資訊有所不同,要如何才能統一這些定位的資料與格式,以達到統一以地理定位資訊來搜尋裝置之應用情境。

Figure 1. 以台北火車站為例,如何在地下樓層取得經緯度的座標?
Figure 1. 以台北火車站為例,如何在地下樓層取得經緯度的座標?
Figure 2. 台北火車站 in Google Map
Figure 2. 台北火車站 in Google Map


目的

本研究企圖整合目前已廣為應用之GPSAGPS、WiFi與RFID之定位技術,並期望達到下列幾項目標:
  • 無論以何種方式定位均能取得統一座標軸之座標資訊
  • 無論是在地下層、室內或室外均能進行定位
  • 可無縫式地進行定位模式的轉換(GPS、AGPS、WiFi、RFID)
  • 模擬各類型物聯網裝置在不同環境下取得統一的座標資訊

範圍

  • 本計畫範圍內的項目有:
    • 適當的定位方式之研究
    • 取得各種方式之定位資訊
    • 統一各種定位方式所產出之座標資訊
    • 模擬物聯網裝置(標籤、感測與反應裝置) 無縫式轉換定位模式

  • 不在計畫範圍內的項目有:
    • 更精良的定位方式之研究
    • 定位之誤差與精準度校正之研究
    • 開發定位相關硬體(例如天線、WiFi基地台、RFID 讀取器…等)

研究方法

運用的技術與理論



系統架構與元件


Figure 3. 情境示意圖
Figure 3. 情境示意圖

環境與情境描述

(如 Figure 3 所示)
  • 在室內與戶外交界處,擺設多台Boundary Device(BD):
    • BD 具有GPS的定位功能,它能夠自動地透過GPS訊號換算出自己所在位置的經緯度座標。
    • BD 將所取得的經緯度座標及MAC Address資料紀錄在Positioning Server(PS)上。
    • BD 也是一台WiFi基地台(Access Point, AP),除了傳遞資料外,也能夠協助Intermediary Device(ID)及Mobile Device(MD),運用WiFi訊號進行定位。
  • 在室內佈建多台Intermediary Device(ID):
    • ID 會先透過WiFi進行掃描,得知有哪些BD 與 ID 在其附近,並記錄其WiFi訊號強度(RSS)。
    • ID 將所偵測到的WiFi訊號強度資料,傳送至PS上進行運算以推算出此ID的經緯度座標(採用Real Time Self Mapping Hybrid Positioning System的定位法)。
    • ID 將所取得的經緯度座標及MAC Address資料紀錄在Positioning Server(PS)上。
    • ID 也是一台WiFi基地台(Access Point, AP),除了傳遞資料外,也能夠協助Intermediary Device(ID)及Mobile Device(MD),運用WiFi訊號進行定位。
  • Mobile Device(MD),會在室內、室外移動,
    • 在室外採用GPS定位系統來取得該裝置的經緯度座標。
    • 在無GPS訊號的室內則偵測附近的BD及ID的WiFi訊號強度,並將訊號資料傳送到PS進行運算,以推算出MD所在位置的經緯度座標。
    • 介於室內與室外的中間地帶則可採用GPS WiFi real-time positioning device - An initial outcome的方法來決定該位置的經緯度座標。

Fig. 4 三角定位示意圖
Fig. 4 三角定位示意圖

實驗環境

  • 以成大工科館為實驗場所
    • 需要工科系新舊系館的平面圖(B1、1樓、2樓)
Fig. 3. 工科館1樓路徑圖
Fig. 3. 工科館1樓路徑圖
Fig. 4 工科館B1平面圖
Fig. 4 工科館B1平面圖

Fig. 5. 工科館B2平面圖
Fig. 5. 工科館B2平面圖
Fig. 6 工科館B1平面圖(B2走回B1)
Fig. 6 工科館B1平面圖(B2走回B1)
Fig.7. 工科館1樓平面圖(自B1至1樓再到戶外)
Fig.7. 工科館1樓平面圖(自B1至1樓再到戶外)


  • 路徑規劃與環境調查
    • 規劃路線及路線上的經緯度座標
    • 掃描並記錄路線上的GPS訊號強度及所得到的經緯度座標(有誤差,做為對照組)
    • 掃描並記錄路線上WiFi基地台及WiFi訊號的強度

實驗步驟

為了達到本研究所設定之目標,本研究所採用之方法如下:
  • 無論以何種方式定位均能取得統一座標軸之座標資訊(變更改以手動測量的方式推算出經緯度座標)
    • 採用與GPS相同之座標軸;
    • 尋找尚未興建的建物或廠房當作是實驗的環境;
    • 在興建前於室外地區設置格點,並針對格點取得GPS的定位資訊(如圖5所示);
    • 再將所需之WiFi基地台與RFID讀取器數台放是在適當的格點上,並給予該點座標當成定位之基準點;
    • 在格點上放上待測之目標物(同時具有WiFi、RFID定位機制)
    • 以WiFi定位與RFID定位方式取得格點上的定位資訊;
    • 和原先透過GPS定位方式進行比對,分析並修正差異。

  • 無論是在地下樓層、室內或室外均能進行定位
    • 待建物或廠房完成後,於建物或廠房內還原原來格點的位置;
    • 將WiFi基地台於RFID讀取器放置在原先設定的位置上;
    • 先將目標物放置與之前同樣的位置點上,透過WiFi與RFID進行定位
    • 比對之前與之後的定位結果,分析差異與修正原因;
    • 更改WiFi基地台與RFID讀取器的位置後,對相同位置點上的目標物進行定位,比較是否能夠定出相同的座標值;
    • 移動目標物到不同的格點上,比較座標值是否正確;分析並修正差異
    • 將WiFi基地台與RFID讀取器視為物聯網中的裝置;
    • 嘗試以混合接力定位的方式取得位於空間深處的目標物座標值。

  • 可無縫式地進行定位模式的轉換(GPS、A-GPS、WiFi、RFID)
    • 在室內的實驗環境中特別安排不同定位的機制,例如部份區域只能透過WiFi來定位,而部份區域只能透過RFID進行定位,而有些地區則兩種定位方式都有
    • 讓手機模擬成物聯網中的智慧型物件,使其同時具有WiFi定位程式以及RFID標籤,並於室內環境中任意移動,試驗手機所移動的位置資訊是否可記錄在虛擬物件儲存庫中;
    • 運用地圖為基礎的系統以追蹤物件最新的位置;
    • 讓手機在室外與室內環境中任意移動,並從地圖系統中追蹤物件最新的位置。

  • 改裝無線網路攝影機成支援物聯網之智慧型物件,任意改變其位置後,能立即得到其最新位置資訊,透過以地圖為基礎的應用概念與其互動。
    • 改裝無線網路攝影機,將其模擬成符合物聯網概念之裝置;
    • 修改以地圖為基礎的控制系統,使其不僅可追蹤無線網路攝影機的位置,還可以與無線網路攝影機互動(例如:啟動、傳送畫面、休眠…等)。
    • 隨意放置多台無線網路攝影機,透過地圖系統掌握其位置並與其互動;
    • 移動無線網路攝影機,或增減無線網路攝影機的數量,無須設定,系統可自動掌握每台攝影機其位置並切換與其互動。
    • 同時佈建無線網路攝影機在室內與室外,並透過位置找尋到這些無線網路攝影機,系統可自動掌握每台攝影機其位置並切換與其互動。

實驗過程


欲解決的技術問題



參考資料

相關技術與演算法


文章

Indoor Positioning System

  1. Indoor Space:A New Notion of Space:介紹一個用來描述室內空間的資料模型(Indoor Spatial Data Model)
  2. A Survey of Indoor Positioning Systems for Wireless Personal Networks:介紹各種類型與技術的室內定位系統

Seamless Indoor-Outdoor

  1. Toward Seamless Indoor-Outdoor Applications:Developing Stakeholder-Oriented Location-BasedServices:提出一種發展能夠支援室內/室外(Indoor/Outdoor)無縫的定址資訊系統
  2. GPS WiFi real-time positioning device - An initial outcome:整合WiFi與GPS定位模組到單一台裝置之上,並設計出一流程可進行WiFi與GPS的整合與切換
  3. Location determination using WLAN in conjunction with GPS network (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
  4. Real Time Self Mapping Hybrid Positioning System:發展一個系統流程,能夠就得到某個室內位置的GPS經緯度座標
  5. WiFi assisted GPS for extended location services:透過WiFi延伸GPS的定位範圍

Accuracy Enhancement

  1. Accuracy of iPhone locations-A comparison of assisted GPS WiFi and cellular positioning
  2. Location determination using WLAN in conjunction with GPS network (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
  3. Wi-Fi GPS for urban canyon positioning

Google Indoor Positioning

  1. Google WiFi 定位原理
  2. Google Indoor Positioning

GPS pseudolite indoor position

  1. GPS pseudolite indoor position
  2. GPS pseudolite indoor position - principles and method

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