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bachelor-thesis
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Sebastian Preisner 3 years ago
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424
Expose/Expose-Sebastian_Preisner-900266.tex
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@ -0,0 +1,424 @@
% pandoc WBH Prüfungsvorlage
%
% Diese Vorlage ist für Prüfungen an der Wilhelm-Büchner-Hochschule erstellt worden
% sie entspricht den Vorgaben für Hausarbeiten und Thesis zum aktuellen Zeitpunkt.
%
% Authoren:
%
% Created:
% Changed: 26.06.2020
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\usepackage{amsfonts} % More symboles for exotic currency notation and engeneering diagrams
\usepackage{amssymb} % More symboles for exotic currency notation and engeneering diagrams
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Smartphone-Sensoren: Sebastian Preisner},
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\lfoot{\tiny Bachelor Thesis des Studenten: Sebastian
Preisner (Matrikelnr.: 900266) Studiengang: Technische Informatik }
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% Titelseite
% ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
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\Large
\textbf{Studiengang:}\\
\textbf{Technische Informatik}\\
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\Huge
\textbf{}\\
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\textbf{Distanzmessung auf kleinen Skalen mit Hilfe von
Smartphone-Sensoren} \\
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\large
\vspace*{1cm}
\textbf{Exposé}\\
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\rule{0mm}{5ex}\textbf{Student:} & Sebastian Preisner
\newline wbh@calyrium.org
\\
\rule{0mm}{5ex}\textbf{Matrikelnummer:} & 900266 \\
\rule{0mm}{5ex}\textbf{Abgabedatum:} & \today \\
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\hypertarget{einleitung}{%
\section{Einleitung}\label{einleitung}}
Smartphones enthalten immer mehr Sensoren, mit denen sie Daten aus ihrer
Umwelt erfassen. Erst durch den Zugriff über Software werden diese
Sensordaten zu nützlichen Features. So schaltet sich zum Beispiel das
Display ein, sobald das Smartphone aus der Hosentasche gezogen wird oder
wieder aus, wenn es an das Ohr gehalten wird. Ein großes Augenmerk
erhält die Lokalisierung der Geräte: Hierdurch werden Anwendungen wie
die Navigation ermöglicht. Bei der Distanzmessung geht es darum, die
Strecke, die ein Gerät in Bewegung zurücklegt, zu erfassen. In dieser
Arbeit soll untersucht werden, wie die Messung auf kleinen Skalen, im
Zentimeterbereich umgesetzt werden kann.
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.
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 und Maghdid, 2021).
\hypertarget{these}{%
\section{These}\label{these}}
Die Fehlertoleranz bei einer Distanzmessung mittels Bluetooth lässt sich
durch den Aufbau von Bluetooth Beacons als Referenzpunkte auf einem
Schreibtisch auf die Genauigkeit von wenigen Zentimeter verbessern.
\hypertarget{motivation}{%
\section{Motivation}\label{motivation}}
Bei der Arbeit liegt der primäre Fokus 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 (Bluetooth Beacons) statt.
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 zur Durchführung von Experimenten
können die Bluetooth Beacons in einem engeren Raster angeordnet werden.
Das zu wählende Setup soll auf einem Schreibtisch Platz finden. 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.
\hypertarget{vorgehen}{%
\section{Vorgehen}\label{vorgehen}}
Der aktuelle Stand der Forschung, sowie verschiedene Techniken zur
Lokalisierung sollen mit Hilfe einer Literaturrecherche aufgezeigt und
eingegrenzt werden.
Desweiteren gilt es einen Testaufbau zu Definieren welcher auf einem
Schreibtisch platz findet. Durch den Einsatz von Bluetooth Beacons kann
ein kontrolliertes Setup hergestellt werden und so die Messgenauigkeit
verbessert werden (Cho \emph{u.~a.}, 2015).
Eine Beispielimplementierung auf Android soll die Machbarkeit der
Distanzmessung aufzeigen. In einer Versuchsreihe mit verschiedenen
Methoden der Fehlerkorrektur, zum Beispiel durch den Einsatz eines
Kalman Filters (Welch, 1997), soll überprüft werden welche Auswirkungen
diese auf die Messgenauigkeit haben. Optional kann so auch die
Integration weiterer Sensoren, wie zum Beispiel das Gyroskop, zur
Steigerung der Genauigkeit überprüft werden.
\hypertarget{entwurf-der-gliederung}{%
\section{Entwurf der Gliederung}\label{entwurf-der-gliederung}}
\begin{enumerate}
\def\labelenumi{\arabic{enumi}.}
\tightlist
\item
Einleitung
\begin{enumerate}
\def\labelenumii{\arabic{enumii}.}
\tightlist
\item
Motivation und Ausgangslage
\item
Zielsetzung
\item
Aufbau der Arbeit
\end{enumerate}
\item
Stand der Forschung
\begin{enumerate}
\def\labelenumii{\arabic{enumii}.}
\tightlist
\item
Distanzmessung
\item
Bluetooth
\item
Android Apps
\item
phyphox®
\item
Fehlerkorrekturen
\item
Bewertung
\item
Beschreibung der eigenen Idee/ Innovation
\end{enumerate}
\item
Konzeption und Anforderungsanalyse
\item
Implementierung einer Android-App
\item
Umsetzung des Kalman Filters
\item
Testaufbau und Durchführung
\item
Ergebnisse
\item
Zusammenfassung und Ausblick
\begin{enumerate}
\def\labelenumii{\arabic{enumii}.}
\tightlist
\item
Zusammenfassung und Fazit
\item
Ausblick
\end{enumerate}
\end{enumerate}
\hypertarget{quellenverzeichnis}{%
\section*{Quellenverzeichnis}\label{quellenverzeichnis}}
\addcontentsline{toc}{section}{Quellenverzeichnis}
\lhead{}
\rhead{QUELLENVERZEICHNIS} %hier kann die rechte Seite der Kopfzeile editiert werden!
\renewcommand{\refname}{Quellenverzeichnis}
\hypertarget{refs}{}
\begin{CSLReferences}{0}{0}
\leavevmode\vadjust pre{\hypertarget{ref-cho_measuring_2015}{}}%
Cho, H. \emph{et al.} (2015) {„Measuring a {Distance} between {Things}
with {Improved} {Accuracy}``}, \emph{Procedia Computer Science}. (The
6th {International} {Conference} on {Ambient} {Systems}, {Networks} and
{Technologies} ({ANT}-2015), the 5th {International} {Conference} on
{Sustainable} {Energy} {Information} {Technology} ({SEIT}-2015)), 52, S.
1083--1088. doi:
\href{https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.05.119}{10.1016/j.procs.2015.05.119}.
\leavevmode\vadjust pre{\hypertarget{ref-maghdid_comprehensive_2021}{}}%
Maghdid, S. M. und Maghdid, H. (2021) {„A {Comprehensive} {Review} of
{Indoor}/{Outdoor} {Localization} {Solutions} in {IoT} era: {Research}
{Challenges} and {Future} {Perspectives}``}. doi:
\href{https://doi.org/10.36227/techrxiv.15138609.v1}{10.36227/techrxiv.15138609.v1}.
\leavevmode\vadjust pre{\hypertarget{ref-welch_introduction_1997}{}}%
Welch, G. (1997) {„An {Introduction} to the {Kalman} {Filter}``}, S. 16.
\end{CSLReferences}
% ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
% Literatur
% ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
%%%% \pagebreak
%\lhead{}
%\rhead{QUELLENVERZEICHNIS} %hier kann die rechte Seite der Kopfzeile editiert werden!
%\renewcommand{\refname}{Quellenverzeichnis}
%
%
\end{document}

71
Expose/README.md
Unescape Escape View File

@ -0,0 +1,71 @@
---
title: Distanzmessung auf kleinen Skalen mit Hilfe von Smartphone-Sensoren
author:
name: Sebastian Preisner
email: wbh@calyrium.org
matrikelnr: 900266
studium:
studiengang: Technische Informatik
studiengangnr: 1140
fach: Entwurf Exposé
aufgabe:
typ: Bachelor Thesis
code:
date:
lang: de
toc: false
lof: false
...
# Einleitung
Smartphones enthalten immer mehr Sensoren, mit denen sie Daten aus ihrer Umwelt erfassen. Erst durch den Zugriff über Software werden diese Sensordaten zu nützlichen Features. So schaltet sich zum Beispiel das Display ein, sobald das Smartphone aus der Hosentasche gezogen wird oder wieder aus, wenn es an das Ohr gehalten wird. Ein großes Augenmerk erhält die Lokalisierung der Geräte: Hierdurch werden Anwendungen wie die Navigation ermöglicht. Bei der Distanzmessung geht es darum, die Strecke, die ein Gerät in Bewegung zurücklegt, zu erfassen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie die Messung auf kleinen Skalen, im Zentimeterbereich umgesetzt werden kann.
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.
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].
# These
Die Fehlertoleranz bei einer Distanzmessung mittels Bluetooth lässt sich durch den Aufbau von Bluetooth Beacons als Referenzpunkte auf einem Schreibtisch auf die Genauigkeit von wenigen Zentimeter verbessern.
# Motivation
Bei der Arbeit liegt der primäre Fokus 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 (Bluetooth Beacons) statt. 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 zur Durchführung von Experimenten können die Bluetooth Beacons in einem engeren Raster angeordnet werden. Das zu wählende Setup soll auf einem Schreibtisch Platz finden. 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.
# Vorgehen
Der aktuelle Stand der Forschung, sowie verschiedene Techniken zur Lokalisierung sollen mit Hilfe einer Literaturrecherche aufgezeigt und eingegrenzt werden.
Desweiteren gilt es einen Testaufbau zu Definieren welcher auf einem Schreibtisch platz findet. Durch den Einsatz von Bluetooth Beacons kann ein kontrolliertes Setup hergestellt werden und so die Messgenauigkeit verbessert werden [@cho_measuring_2015].
Eine Beispielimplementierung auf Android soll die Machbarkeit der Distanzmessung aufzeigen. In einer Versuchsreihe mit verschiedenen Methoden der Fehlerkorrektur, zum Beispiel durch den Einsatz eines Kalman Filters [@welch_introduction_1997], soll überprüft werden welche Auswirkungen diese auf die Messgenauigkeit haben. Optional kann so auch die Integration weiterer Sensoren, wie zum Beispiel das Gyroskop, zur Steigerung der Genauigkeit überprüft werden.
# Entwurf der Gliederung
1. Einleitung
1. Motivation und Ausgangslage
2. Zielsetzung
3. Aufbau der Arbeit
4. Stand der Forschung
1. Distanzmessung
2. Bluetooth
3. Android Apps
4. phyphox®
5. Fehlerkorrekturen
6. Bewertung
7. Beschreibung der eigenen Idee/ Innovation
8. Konzeption und Anforderungsanalyse
3. Implementierung einer Android-App
4. Umsetzung des Kalman Filters
5. Testaufbau und Durchführung
6. Ergebnisse
7. Zusammenfassung und Ausblick
1. Zusammenfassung und Fazit
2. Ausblick
# Quellenverzeichnis
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