@ -4,61 +4,82 @@ Smartphones enthalten immer mehr Sensoren, mit denen sie Daten aus ihrer Umwelt
## Motivation und Ausgangslage
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Umsetzung der Distanzmessung mittels Bluetooth unter Verwendung des RSSI (Received Signal Strength Indicator). Diese Lösung wird häufig in der Indoor-Navigation angewandt, da sie sowohl kostengünstig als auch weit verbreitet ist. Hierbei findet die Lokalisierung der Geräte zum Beispiel durch Triangulation mittels Referenzpunkten statt. Diese Reverenzpunkte sind als Bluetoothbeacon bezeichnet. Sie können sowohl weitere Smartphones als auch dedizierte Hardware sein. Bei der Indoor-Navigation sind diese Referenzpunkte mehrere Meter auseinander, was zu einer geringen Signalstärke am Empfänger und somit zu größeren Auswirkungen von Störeinflüssen führt. Bei der Messung von kleinen Skalen können die Bluetooth Beacons in einem engeren Raster angeordnet werden.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Umsetzung der Distanzmessung mittels Bluetooth unter Verwendung des \ac{rssi}. Diese Lösung wird häufig in der Indoor-Navigation angewandt, da sie sowohl kostengünstig als auch weit verbreitet ist. Hierbei findet die Lokalisierung der Geräte zum Beispiel durch Triangulation mittels Referenzpunkten statt. Diese Reverenzpunkte sind als Bluetoothbeacon bezeichnet. Sie können sowohl weitere Smartphones als auch dedizierte Hardware sein. Bei der Indoor-Navigation sind diese Referenzpunkte mehrere Meter auseinander, was zu einer geringen Signalstärke am Empfänger und somit zu größeren Auswirkungen von Störeinflüssen führt. Bei der Messung von kleinen Skalen können die Bluetooth Beacons in einem engeren Raster angeordnet werden.
## Zielsetzung
Das Ziel der Arbeit ist es, die Genauigkeit einer Distanzmessung auf einem eingeschränkten Bereich von rund \si{2}{m} zu erhöhen. Das gewählte Setup soll dabei möglichst einfach umsetzbar sein.
Das Ziel der Arbeit ist es, die Genauigkeit einer Distanzmessung auf einem eingeschränkten Bereich von rund \SI{2}{\meter} zu erhöhen. Das gewählte Setup soll dabei möglichst einfach umsetzbar sein.
Mithilfe einer Beispielimplementierung soll die Genauigkeit dieses Setups untersucht werden. Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit sollen verschiedene Filtermöglichkeiten implementiert werden. Mit einer genauen Distanzmessung lassen sich Beispielsweise neue Experimente mit dem Smartphone umsetzen.
## Aufbau der Arbeit
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# Technische Grundlagen
Im Smartphone befinden sich mehrere Sensoren, die zur Lokalisierung des Geräts eingesetzt werden können. Da sich die Experimente mit phyphox® meist im Innenraum abspielen, wird GPS für diesen Einsatzzweck nicht betrachtet. Mithilfe von WLAN, Bluetooth, NFC, Magnetometer, Gyroskop, Accelerometer, Kamera und Ultraschall bleiben jedoch viele weitere Möglichkeiten zur Lokalisierung bestehen [@maghdid_comprehensive_2021].
## Smartphonesensoren
Bei der Smartphone-Anwendung phyphox® handelt es sich um eine Open-Source-Anwendung, mit deren Hilfe Experimente mit dem Smartphone durchgeführt werden können. Hierzu greift sie auf die im Gerät verbauten Sensoren zurück. So lassen sich zum Beispiel mit dem Luftdrucksensor die im Fahrstuhl zurückgelegten Stockwerke ermitteln und anzeigen, oder die Länge eines Pendels, an dem das Smartphone hängt, durch die Pendelfrequenz berechnen. Anwender können mithilfe von XML-Dateien die Anwendung um eigene Experimente erweitern. Hierdurch wird phyphox® gerade für Schulen interessant, da es Schülern die Möglichkeit bietet, die Theorie in der Praxis zu erleben. Aktuell fehlt jedoch eine Möglichkeit zur Distanzmessung. Durch diese könnten Experimente wie die Errechnung der Beschleunigung aus der zurückgelegten Wegstrecke und der Zeit durchgeführt werden.
Bei der Distanzmessung ist eine Lokalisierung nicht zwingend erforderlich. Wenn eine Bewegung auf einer geraden vorliegt stellt die Entfernungsänderung zu einem Referenzpunkt die zurückgelegte Distanz dar. Dadurch könnte die Entfernungsmessung auch zum Beispiel mithilfe der Lautsprecher und des Mikrofons im Smartphone erfolgen [@Graham_2015]. In dieser Arbeit soll jedoch der flexibleren Einsatzbereich der Lokalisierung des Smartphones im Vordergrund stehen.
Um eine genaue Distanzmessung durchführen zu können muss die Punktuelle Lokalisation eines Gerätes möglich genau sein.
Auch für diesen Einsatzzweck sind im Smartphone viele der Verbauten Sensoren mehr oder weniger gut geeignet. Einer der bekanntesten Sensoren ist hier das Global Positioning System (GPS). Dieses ermöglicht die Lokalisierung außerhalb von Gebäuden mit einer guten Genauigkeit [@Bajaj_2002a]. Da die Messungen nicht auf den außenbereich beschränkt sein sollen, wird GPS nicht näher betrachtet.
Die Distanz beschreibt die Länge einer, durch eine dynamische Bewegung zurückgelegten Strecke. Die Entfernung hingegen beschreibt den Abstand zwischen zwei Punkten im Raum. Die Lokalisierung bezeichnet die Position in einem 2D oder 3D Raum.
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Viele Arbeiten beschäftigen sich mit der Lokalisierung in Innenräumen. Die meisten basieren auf dem IEEE 802.11 standard, besser bekannt als WiFi.
## Aufbau der Arbeit
Aber auch mit dem WLAN Sensor, Bluetooth, NFC, Magnetometer, Gyroskop, Accelerometer
# Technische Grundlagen
Im Smartphone befinden sich mehrere Sensoren, die zur Lokalisierung des Geräts eingesetzt werden können. Da sich die Experimente mit phyphox® meist im Innenraum abspielen, wird GPS für diesen Einsatzzweck nicht betrachtet. Mithilfe von WLAN, Bluetooth, NFC, Magnetometer, Gyroskop, Accelerometer, Kamera und Ultraschall bleiben jedoch viele weitere Möglichkeiten zur Lokalisierung bestehen [@maghdid_comprehensive_2021].
In diesem Artikel werden die Technischen Grundlagen erörtert und eine Abschließende Bewertung durchgeführt. Dabei werden die Grundlagen zunächst allgemein Betrachtet und in weiteren Kapiteln vertieft.
Bei der Smartphone-Anwendung phyphox® handelt es sich um eine Open-Source-Anwendung, mit deren Hilfe Experimente mit dem Smartphone durchgeführt werden können. Hierzu greift sie auf die im Gerät verbauten Sensoren zurück. So lassen sich zum Beispiel mit dem Luftdrucksensor die im Fahrstuhl zurückgelegten Stockwerke ermitteln und anzeigen, oder die Länge eines Pendels, an dem das Smartphone hängt, durch die Pendelfrequenz berechnen. Anwender können mithilfe von XML-Dateien die Anwendung um eigene Experimente erweitern. Hierdurch wird phyphox® gerade für Schulen interessant, da es Schülern die Möglichkeit bietet, die Theorie in der Praxis zu erleben. Aktuell fehlt jedoch eine Möglichkeit zur Distanzmessung. Durch diese könnten Experimente wie die Errechnung der Beschleunigung aus der zurückgelegten Wegstrecke und der Zeit durchgeführt werden.
## Distanzmessung
Um eine genaue Distanzmessung durchführen zu können muss die Punktuelle Lokalisation eines Gerätest möglich genau sein.
Die Distanzmessung beschreibt im Rahmen dieser Arbeit die Messung der Länge einer zurückgelegten Strecke. Dabei bezeichnet die Strecke den Weg zwischen Start- und Zielpunkt. Die digitale Erfassung einer Strecke basiert auf der Erfassung einzelner Wegpunkte [@Lerch_2006_BOOK S. 7 ff.]. Da zwischen den Wegpunkten keine Informationen vorliegen, wird dieser Zwischenraum als Gerade angenommen. Wie Abbildung \ref{fig:wegpunkte} verdeutlicht, wird die Streckenabbildung durch die Anzahl an aufgezeichneten Wegpunkten verbessert.
Die Distanz beschreibt die Länge einer, durch eine dynamische Bewegung zurückgelegten Strecke. Die Entfernung hingegen beschreib den Abstand zwischen zwei Punkten im Raum. Die Lokalisierung bezeichnet die Position in einem 2D oder 3D Raum.
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## Bluetooth
* Absorbtion
* Reflektion
Der Einfachste Fall einer Distanzmessung ist die geradlinige Bewegung. Hierbei kann die zurückgelegte Distanz durch die Änderung der Entfernung zu einem Referenzpunkt ermitteln werden. Dabei muss sich der Referenzpunkt auf der Bewegungsachse des Objekts befinden. Die Differenz zwischen Start- und Zielentfernung ergibt die zurückgelegte Distanz. Durch das Vorzeichen der Differenz lässt sich auch die Bewegungsrichtung, auf den Referenzpunkt zu oder weg, bestimmen.
### BLE und Entfernungsmessung
Die digitale Erfassung einer Strecke durch Lokalisierung basiert auf der Erfassung einzelner Wegpunkte [@Lerch_2006_BOOK S. 7ff]. Diese Wegpunkte bilden die Position des Objekts zum jeweiligen Messzeitpunkt ab. Zur Ermittlung der zurückgelegten Strecke werden die Entfernungsänderungen der aufeinander folgenden Wegpunkte addiert. Je dichter die Wegpunkte beieinander liegen, also je häufiger die Position in einer Bewegung bestimmt wird, desto genauer kann der beschrittene Pfad ermittelt werden. Der Pfad bezeichnet hier die Summe mehrerer Streckenteile.
## Distanzmessung
* Pfad = die Summe mehrerer Strecken
* Geschwindigkeit entscheidet über die Abtastrate
Zur Messung der Distanz wird die Länge einer zurückgelgeten Strecke ermittelt. Die digitale Erfassung einer Strecke basiert auf der Aufzeichnung einzelner Wegpunkte. Je näher die Wegpunkte beieinander liegen, desto genauer kann die Strecke ermittelt werden. Hierzu ist es notwendig, das jeder Wegpunkt mit möglichst hoher präzision ermittelt wird. Somit lässt sich die Genauigkeit der Distanzmessung verbessern, wenn die Bestimmung einzelner Wegpunkte verbessert wird. Im weiteren verlauf wird die Genauigkeit der punktuellen Lokalisierung betrachtet und Möglichkeiten zur Verbesserungen untersucht.
Die Genauigkeit der Messungen hängt dabei auch von der Präzision der Erfassung einzelner Wegpunkte ab. Je genauer die Position bestimmt werden kann, desto präziser sind die Wegpunkte und desto genauer die gemessene Wegstrecke. Im weiteren verlauf wird die Genauigkeit der punktuellen Lokalisierung betrachtet und Möglichkeiten zur Verbesserungen untersucht.
## Lokalisierung
Die Lokalisierung bezeichnet die genaue Position in einem 2D oder 3D Raum. Die verschiedene Methoden zur Lokalisierung werden in in den Folgenden Kapiteln näher erläutert.
Die Lokalisierung bezeichnet die genaue Position in einem 2D oder 3D Raum. Die verschiedene Methoden zur Lokalisierung werden in den Folgenden Kapiteln näher erläutert.
### Räumliche Nähe (Proximity)
### Anwesenheit und Räumliche Nähe
Die einfachste Form der Positionsbestimmung ist es, zu Prüfen ob sich das Objekt in einem bestimmten Areal befindet. Hierbei ist die Auflösung vom Raster des Areals abhängig. Beim Einsatz von funkbasierten Systemen kann dieses Areal mehrere Zentimeter bis hin zu Kilometer groß sein. Die Genauigkeit lässt sich erhöhen, indem mehr Funksender kombiniert werden, deren Senderadius sich überlapt.
Die einfachste Form der Positionsbestimmung ist, zu Prüfen ob sich das Objekt in einem bestimmten Areal befindet. Hierbei ist die Auflösung vom Raster des Areals abhängig. Beim Einsatz von funkbasierten Systemen kann dieses Areal mehrere Zentimeter bis hin zu Kilometer groß sein. Die Genauigkeit lässt sich erhöhen, indem mehr Funksender kombiniert werden, deren Senderadius sich überlappt.
### Entfernungsmessung
Bei der Entfernungsmessung geht es darum die Entfernung zu einem Referenzpunkt zu ermitteln.
Bei der Entfernungsmessung geht es darum den Abstand zwischen zwei Punkten zu ermitteln. Dies ist für viele Methoden die Grundlage zur Lokalisierung.
### Trilateration
## Smartphonesensoren
Aktuelle Smartphones besitzen eine viel zahl von Sensoren um mit ihrer Umwelt zu Interagieren. Viele der Sensoren lassen sich alleine oder in Kombination zur Entfernungsmessung oder auch Distanzmessung einsetzen [@Subbu_2013] [@Chen_2019] [@Li_2012] [@SosaSesma_2016].
Die Entfernung zu einem Referenzpunkt wie einer Wand, lässt sich zum Beispiel durch den Einsatz eines Sonars messen. Für die Umsetzung kommen das Mikrofons und der Lautsprecher des Smartphones in Frage [@Graham_2015]. In dieser Arbeit geht es jedoch um einen flexibleren Einsatzbereich, bei dem eine Lokalisierung zwingend erforderlich ist.
Der bekanntesten Sensoren zur Lokalisierung ist das \ac{gps}. Hierbei wird, mit Hilfe von Satelliten die Position des Smartphones ermittelt. Dies ermöglicht die Ortung außerhalb von Gebäuden mit einer Genauigkeit von wenigen Metern [@Bajaj_2002a]. Da die Messungen jedoch nicht auf den Außenbereich beschränkt sein sollen, wird \ac{gps} nicht näher betrachtet.
Die Innenraum- Lokalisierung und Navigation ist ein Forschungsfeld mit großem Interesse. Viele Arbeiten basieren auf dem vom \ac{ieee} festgelegten Standard IEEE 802.11, besser bekannt als \ac{wifi} [@Chen_2019]. Für den Einsatz von \ac{wifi} zur Lokalisierung muss zunächst eine Karte mit der Funkstärkenverteilung erstellt werden [@Davidson_2017a]. Dies bedeutet einen hohen zeitlichen Aufwand bei der Einrichtung und eine geringe Flexibilität im Einsatz.
Ein weiterer Sensor der zur Lokalisierung in Innenräumen häufig betrachtet wird ist Bluetooth. Er ist weit verbreitet und kostengünstiger als \ac{wifi} [@Ye_2019]. Des weiteren wurde mit \ac{ble} ein Standard entwickelt der sehr stromsparend ist. Im weiteren Verlauf der Arbeit soll Bluetooth näher betrachtet.
## Bluetooth
Bei Bluetooth handelt es sich um einen durch die \ac{sig} entwickelten Industriestandard zur Datenübertragung über kurze Distanzen per Funktechnik. Bluetooth arbeitet im lizenzfreiem \ac{ism} von \SIrange{2,402}{2,480}{\giga\Hz}, dadurch darf es Weltweit zulassungsfrei betrieben werden. Mit Bluetooth 4.0 wurde \acl{ble} eingeführt. Dieses ist nicht abwärtskompatibel, bietet jedoch einige nützliche Besonderheiten. Ein Reduzierter Stromverbrauch und die kurze Aufbauzeit einer Übertragung sind die wesentlichen Vorteile.
\acl{ble} befindet sich im gleichen \ac{ism} wie das klassische Bluetooth. Es teilt den Frequenzbereich jedoch nicht in 79 Kanälen von \SI{1}{\mega\Hz} sondern in 40 Kanälen von je \SI{2}{\mega\Hz} auf.
### BLE und Entfernungsmessung
## Messkette
@ -88,11 +109,15 @@ In diesem Kapitel wird der Versuchsaufbau beschrieben. Dieser Orientiert sich an
## Anordnung der Beacon
Die Bluetooth Beacon werden in einem gleichseitigen Dreieck mit einer Seitenlänge von 1m auf einer Ebenen fläche angeordnet (Abbildung \ref{fig:versuchsaufbau}). Hierdurch empfängt jeder Beacon von seinen Nachbarn den RSSI Wert auf 1m Entfernung und kann diesen zur Kalibrierung an das Smartphone übermitteln. Dieser Versuchsaufbau ermöglicht es, das System um weitere Beacon zu erweitern. Auch ließe sich hierdurch eine 6 Seitige Pyramidenform umsetzen um die Messung auf die 3. Dimmension aus zu weiten.
Die Bluetooth Beacon werden in einem gleichseitigen Dreieck mit einer Seitenlänge von \SI{1}{\meter} auf einer Ebenen fläche angeordnet (Abbildung \ref{fig:versuchsaufbau}). Hierdurch empfängt jeder Beacon von seinen Nachbarn den RSSI Wert auf \SI{1}{\meter} Entfernung und kann diesen zur Kalibrierung an das Smartphone übermitteln. Dieser Versuchsaufbau ermöglicht es, das System um weitere Beacon zu erweitern. Auch ließe sich hierdurch eine 6 Seitige Pyramidenform umsetzen um die Messung auf die 3. Dimension zu erweitern.
## Messpunkte
Der Versuchsaufbau wird, wie in Abbildung \ref{fig:zones} dargestellt, in drei Zonen eingeteilt. Die Zonen ergeben sich aus der Geometrie des Versuchsaufbaus. Zone 1 hat einen Radius von 0.289m und wird durch das gleichseitige Dreieck begrenzt. In dieser Zone ist kein Beacon weiter als 0.866m vom Smartphone entfernt. Zone 2 misst einen Radius von 0.577m und schließt das Dreieck ein. Die maximale Distanz zu einem Beacon beträgt 1.154m. Die Zone 3 wird durch die maximale Entfernung von 1.5m (!!! 1.5m kommen aus dem Paper für das Verfahren zur Kalibrierenug !!!) zu einem Beacon bestimmt. Ihr Radius beträgt damit 1.067m. Ein weiterer Messpunkt ist auf einer der Seiten des Dreiecks zu finden. Dieser wurde gewählt um den Einfluss des Smartphones auf die Funkstrecke der Beacon auf dieser Seite zu ermitteln.
Der Versuchsaufbau wird, wie in Abbildung \ref{fig:zones} dargestellt, in drei Zonen eingeteilt. Die ersten beiden Zonen ergeben sich aus der Geometrie des Versuchsaufbaus. Zone 1 hat einen Radius von \SI{0.289}{\meter} und wird durch das gleichseitige Dreieck begrenzt. In dieser Zone ist kein Beacon weiter als \SI{0.866}{\meter} vom Smartphone entfernt. Zone 2 misst einen Radius von \SI{0.577}{\meter} und schließt das Dreieck ein. Die maximale Distanz zu einem Beacon beträgt \SI{1.154}{\meter}.
Zone 3 ergibt sich aus dem, im Artikel [@Cho_2015a] beschriebenen maximal sinnvollen Messabstand von \SI{1.5}{\meter}. Der weitest entfernte Punkt von einem Beacon ist somit \SI{1.5}{\meter}. Daraus ergibt sich ein Radius von \SI{1.067}{\meter} um das Zentrum.
Zu den Messpunkten in und am Rand der Zonen kommt ein spezieller Messpunkt. Dieser befindet sich auf einer Seite des Dreiecks und liegt somit genau zwischen zwei Beacon. Er wurde gewählt um den Einfluss des Smartphones auf die Funkstrecke der Beacon zu untersuchen.
@ -104,4 +129,20 @@ Der Versuchsaufbau wird, wie in Abbildung \ref{fig:zones} dargestellt, in drei Z
## Zusammenfassung und Fazit
## Ausblick
## Ausblick
# Abkürzungsverzeichnis
\begin{acronym}[ISM-Band]
\acro{ble}[BLE]{Bluetooth Low Energy}
\acro{gps}[GPS]{Global Positioning System}
\acro{ieee}[IEEE]{Institute of Electrical and Electronics Engineers}
\acro{ism}[ISM-Band]{Industrial, Scientific and Medical Band}
\acro{rssi}[RSSI]{eceived Signal Strength Indicator}
Sebastian Preisner
3 years ago