Üç boyutlu (3B) coğrafi bilgi sistemleri kapsamında iç mekânlara yönelik RFID tabanlı konum belirleme sistemi tasarımı

Abstract

Sürekli değişen ve gelişen teknoloji ile beraber gökdelen diye tabir edilen binaların sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Çok katlı, karmaşık ve geniş alanlara yayılmış bu binaların büyüklüğü ve karmaşıklığına bağlı olarak çözülmeyi bekleyen birçok yeni problem karşımıza çıkmaktadır. Meydana gelebilecek acil durumlarda, kişiye özel navigasyon uygulamaları kullanarak binaların hızlı ve sorunsuz bir şekilde tahliyesi bu problemlerin en başta gelenidir. Görme engellilerin yönlendirilmesi, güvenlik amaçlı uygulamalar, ziyaretçi takibi, adres bulma, hizmetlerin organizasyonu, otomatik turist rehberliği gibi uygulamalar ise diğer kullanım alanlarından bazılarıdır. Bu çalışmada, Üç Boyutlu Coğrafi Bilgi Sistemleri (3B CBS) kapsamında bina içi konum tespiti için Radio Frequency IDentification (Radyo Frekansı ile Tanımlama - RFID) teknolojileri üzerinde durulmuştur. RFID teknolojilerinin en temel öğelerinden biri olan taşıyıcıların (RFID Tags) uygulama yüzeylerine göre farklılıklar gösterdiği bilinmektedir. Bina içi kullanıma en uygun taşıyıcının belirlenmesi amacı ile piyasada temini mümkün olan 14 farklı taşıyıcı çeşidi üzerinde bazı testler yapılmıştır. Bu testler sonucunda, çalışmada kullanılmak üzere mevcut taşıyıcılar içerisinden bina içi kullanıma en uygun olanı belirlenmiştir. Literatürde yer alan RFID tabanlı konum tespit çalışmaları incelenmiş ve iki başlık altında toplanmıştır. Mevcut sistemler ve konum tespit yöntemleri göz önünde bulundurulmuş ve tez kapsamında Coğrafi Yakınlık Yaklaşımı (Proximity) ve Trilaterasyon Yöntemi kullanılarak bina içi konum tespit çalışması yapılmıştır. Coğrafi Yakınlık Yaklaşımına göre okuyucunun bina içerisinde yer alan çalışma alanında, herhangi bir noktada en iyi sinyal aldığı taşıyıcı, bir başka deyişle Alınan Sinyal Gücü Göstergesi (Radio Signal Strength Indication - RSSI) değeri en yüksek taşıyıcı belirlenmektedir. Okuyucunun konumu ile en iyi sinyal alınan taşıyıcının bilinen konumu aynı kabul edilmiştir. Bina içerisine üç farklı modelde taşıyıcılar yerleştirilmiştir. Her bir model için mobil okuyucunun konumu gerçek zamanlı olarak tespit edilmeye çalışılmıştır. 1. modelde taşıyıcılar bina içerisine düz bir hat şeklinde tavan yüzeyine, 2. modelde bir odanın yan duvarlarına 1'er metre aralıklarla ve 3. modelde quadrik bir şekilde bir odanın tavanına yerleştirilmiştir. Konum hassasiyeti bina içerisine yerleştirilen taşıyıcı sıklığına bağlıdır. Yapılan çalışmada taşıyıcı sıklığına ve taşıyıcıların okuyucuya yakınlığına bağlı olarak RSSI değerlerinin anlamlı olduğu ve tespit edilen konum doğruluğunu arttırdığı gözlemlenmiştir. Bu bağlamda hata payı 1 metre olarak kabul edilmiş ve en iyi sonuç %96 doğrulukla 3. modelde elde edilmiştir. Konum tespiti için kullanılan bir diğer yöntemde trilaterasyon tekniğidir. Bu yöntem için en az 3 referans noktasına hedefin uzaklığının biliniyor olması gerekmektedir. Belirli kısıtlar altında RSSI değerine bağlı uzaklık tahmini yapılmıştır. Yapılan RSSI ölçümleri doğrultusunda bir RSSI-Uzaklık dönüşüm fonksiyonu elde edilmiştir. Periyodik okumalarda en az üç referans noktadasından uygun veriler toplandığında; hedefin bu üç ayrı referans taşıyıcıya olan uzaklıkları alınan RSSI değerlerine bağlı olarak, RSSI-Uzaklık dönüşüm fonksiyonu yardımı ile hesaplanmaktadır. Hesaplanan uzaklık değerleri Trilaterasyon Yöntemi için gerekmektedir. Bu yönteme bağlı yapılan çalışmada, kullanıcı önceden konumu belirlenen farklı ölçüm noktalarında sabit olarak belirli sürelerde beklemektedir. Tahmin edilen konum ile gerçek konum arasında ortalama 3 metrelik bir farklılık ile karşılaşılmıştır.

The number of buildings named as skyscraper increases day by day along with continuously changing and evolving technologies. Depending on the size and complexity of this buildings that are multi-layered, complex and spread over wide areas, many new problems arise which need to be solved. In emergency situations that may occur, one of the leading problems is developing personalized navigation applications for performing safe and quick evacuation of buildings. Beside, guiding visually impaired people, security, visitor tracking, finding addresses, service organizations and guiding tourists are some other application areas.In this study, Radio Frequency IDentification (RFID) technologies for indoor positioning within the scope of three-dimensional Geographic Information Systems (3D GIS) has been emphasized. It is known that different types of RFID tags which is one of the basic components of the RFID systems according to the application surface. Some tests have been performed on 14 different tag types which is available on the market to purpose of determining the most suitable tag for use in indoor. As a result of these tests, the most suitable tag for use in the building were determined for use in the study. RFID-based positioning studies in the literature has been revised and are grouped under two headings. Current systems and positioning methods have been considered. In thesis, indoor positioning study has been performed using geographical proximity approach and trilateration method. The tag which the reader receives the best signal is determined according to the geographical proximity approach in the study area located within the building. in other words, the tag which has the highest RSSI value is determined. Known location of the tag received the best signal and location of the reader has been considered as same. The tags have been placed three different models into the building. The location of the mobile reader has tried to determine in real time for each model. In the first model, the tags have been consecutively attached as a straight line to the ceilings of corridors. In the second model, the tags have been attached within one meter intervals on the surfaces of two opposite walls of a room. In the third model, the tags have been attached as quadratic to the ceiling of a room. Position accuracy depends on the number of tags are attached within the building. In the study it has been observed that the RSSI value is significant and increases the accuracy of the estimated position depending on attachment frequency of tags and the proximity of tags to the reader. In the case that position estimation error has been considered ± 1 meter, best rate for position estimations have been obtained from third model with the rate of approximately 96%. In addition, it has been tried that positioning by the method of trilateration. For this method, it must be known the distance between the target and at least three reference points. Under the certain constraints, distance has been estimated depending on the RSSI value. an RSSI-distance transformation function has been obtained according to measurement of the the RSSI. When the relevant data is collected from at least three reference points during periodic reading, the distance between the target and these three separate reference points is calculated with the help of RSSI-distance transformation function depending on the RSSI value. The calculated distance values are required for trilateration method. The user waited on seperate measuring points which its positions are known without motion for specified periods. the estimation error between the estimated position and the actual position have been observed 3 meters approximately.