روش‌های نوین مکان‌یابی در محیط بسته

خبرنامه دانشجویان ایران: در سال‌های اخیر سامانه‌های مکان‌یابی در محیط بسته (Indoor Positioning Systems) کاربردهای فراوانی یافته‌اند. این سامانه‌ها با بهره‌گیری از فناوری‌های ارتباطی مختلف نظیر وای‌فای، بلوتوث و جی‌پی‌اس، به کاربران (شامل انسان‌ها، روبات‌ها و سایر اشیا) کمک می‌کنند مکان خود را در یک محیط بسته ردیابی کنند. این فناوری کاربردهای زیادی دارد که در ادامه متن به آن‌ها اشاره خواهد شد. در این گزارش به دو مورد از کارهای جدید پژوهشی در این زمینه اشاره خواهیم کرد که عبارت‌اند از: استفاده از نور مرئی برای تعیین موقعیت افراد و بهره‌گیری از انبوه‌سپاری به‌منظور انجام بهتر فرآیند مکان‌یابی.

به گزارش سرویس فناوری اطلاعات «خبرنامه دانشجویان ایران»؛ قبل از ادامه بحث، بد نیست اشاره شود بسیاری از روش‌های مکان‌یابی در محیط باز (مثلاً خیابان) در محیط بسته کارایی ندارند. برای نمونه جی‌پی‌اس یکی از فناوری‌هایی است که به‌خوبی آزمون خود را پس داده است، اما داخل ساختمان‌ها از دقت کافی برخوردار نیست.

لامپ‌های LED مکان شما را مشخص می‌سازند!
بهره‌گیری از نور مرئی برای ارتباطات، ایده نسبتاً جدیدتری نسبت به فناوری‌هایی نظیر وای‌فای است. در این نوع ارتباط، فرستنده یک لامپ LED است که طیف نور مرئی بر اثر عبور جریان برق از آن ساطع می‌شود. بسته به جنس ماده به کار رفته در اتصالات داخل لامپ، رنگ نور می‌تواند آبی، سبز، قرمز یا ترکیبی از این‌ها باشد. LED می‌تواند در فرکانس‌های خیلی زیاد روشن و خاموش شود و اطلاعات دیجیتالی از طریق آن قابل ارسال است. برای مثال، می‌توان خاموش شدن لامپ را به منزله بیت صفر و روشن شدن آن را به منزله بیت یک در نظر گرفت. چون این خاموش/ روشن شدن نرخ بالایی دارد، از چشم انسان پنهان می‌ماند و بر عملکرد لامپ به عنوان روشنایی‌بخش محیط تأثیر منفی ندارد.

از جمله مزایای این فناوری موارد زیر را می‌توان نام برد:
ـ مصرف انرژی بسیار پایین لامپ‌های LED نسبت به سایر فناوری‌های ارتباطی نظیر وای‌فای
ـ بی ضرر بودن و عدم تداخل با سایر تجهیزات الکترونیکی
ـ سازگار با محیط زیست به دلیل تولید CO2 ناچیز و نداشتن مواد سمی
ـ مقرون به صرفه بودن از لحاظ اقتصادی
ـ امنیت بالای ارتباطات به دلیل محافظت در برابر شنود
علاوه بر انتقال اطلاعات، به نظر می‌رسد لامپ‌های LED قابلیت استفاده در سامانه مکان‌یابی را داشته باشند. در این راستا سناریوهایی قابل پیاده‌سازی هستند.
ـ در صنایع و انبارهای کالا، با کمک لامپ‌های LED مکان روبات‌های کارگر مشخص شود (شکل 1).
ـ در موزه‌ها، بر اساس موقعیت هر بازدیدکننده اطلاعات لازم درباره اشیای موزه به وی داده شود (شکل 2).
ـ در مراکز خرید، تبلیغات هدفمند با توجه به قفسه‌ای که خریدار در مقابل آن است، انجام شود.
ـ در بیمارستان‌ها، موقعیت بیماران مشخص شود تا پرستاران بتوانند به‌خوبی مراقبت به عمل آورند.

شکل 1

شکل ۲​

طرح شماتیک سامانه مکان‌یابی با بهره‌گیری از لامپ‌های LED در شکل 3 نشان داده شده است. در این شکل نقاط A، B، C و D هرکدام یک لامپ LED هستند که به جسم هدف کمک می‌کنند موقعیت خود را شناسایی کند. در این راستا، هر لامپ یک شناسه منحصر به فرد دارد که این شناسه می‌تواند بیان‌کننده مختصات آن لامپ باشد. جسم هدف با گیرنده‌اش امواج نوری را از لامپ‌های مختلف گرفته و با روش‌های مناسبی همچون سنجش شدت نور دریافتی از لامپ‌ها موقعیت خود را تخمین می‌زند. این روش‌ها شامل دو دسته مبتنی بر فوتودیود و مبتنی بر دوربین هستند.

شکل ۳

لازم به ذکر است در تمام این روش‌ها، لامپ‌های LED از تکنیک‌های مالتی‌پلکسینگ برای مجزا کردن سیگنال خود از سایرین بهره می‌برند. برای نمونه ممکن است هر لامپ در یک طیف نوری جداگانه اقدام به انتشار اطلاعات کند (FDM) یا هر لامپ در بازه زمانی مخصوص به خود این کار را انجام دهد (TDM). چنانچه همه لامپ‌ها روی یک طیف نوری مشترک و هم‌زمان با یکدیگر اطلاعات ارسال کنند، سیگنال‌های آن‌ها دچار تداخل خواهد شد که کار را برای گیرنده دشوار یا غیرممکن می‌سازد.

در روش‌های مبتنی بر فوتودیود، نور دریافتی از لامپ‌ها با قطعه‌ای به نام فوتودیود به جریان الکتریکی تبدیل می‌شود. اندازه این جریان وابسته به شدت نور دریافتی و متعاقباً فاصله لامپ از گیرنده است. همچنین، اندازه جریان با زاویه لامپ نسبت به گیرنده نیز مرتبط است که اطلاعات بیشتری را درباره موقعیت جسم فراهم می‌سازد. البته محاسبات ریاضی نسبتاً پیچیده‌ای لازم است در گیرنده انجام شود تا موقعیت آن تخمین زده شود.

یک تکنیک جالب که در این دسته جای می‌گیرد، تکنیک اثر انگشت است. در این روش، فضای داخلی به یک سری ناحیه کوچک‌تر (موسوم به گرید) تقسیم می‌شود و با استفاده از شبیه‌سازی یا تست میدانی، شدت نور هر لامپ و زاویه آن نسبت به هر گرید مشخص می‌شود. پس از شروع کار سامانه مکان‌یابی، هر گیرنده وضعیت نورهای دریافتی را با نمونه اولیه که اثر انگشت نام دارد، مقایسه کرده و شبیه‌ترین اثر انگشت را به عنوان موقعیت خود در نظر می‌گیرد. ایده‌های دیگری نیز در این زمینه مطرح شده است که تفاوت بین آن‌ها نحوه استخراج اطلاعات از پرتوهای نوری لامپ‌ها است. در این میان برخی روش‌ها دقت بیشتری دارند، اما ممکن است محاسبات آن‌ها بیشتر باشد.

دسته دیگری از سامانه‌های مکان‌یابی، از روش‌های مبتنی بر دوربین بهره می‌برند. از روی تصاویر ثبت شده توسط دوربین‌ها، مکان یک LED قابل شناسایی است. همچنین، با بررسی تعداد زیادی عکس که پشت‌ سر هم گرفته شده است، می‌توان شناسه یک لامپ را (بر اساس الگوی خاموش و روشن شدن آن) استخراج کرد. شناسایی فاصله و زاویه یک لامپ نسبت به گیرنده، به کمک روش‌های پردازش تصویر انجام می‌شود. به علاوه، اگر تعدادی ورودی معین به الگوریتم پردازش تصویر اضافه شود، بار محاسباتی کاهش می‌یابد. برای مثال، یک شتاب‌سنج (که در اکثر گوشی‌های موبایل تعبیه شده است) می‌تواند با تعیین شتاب گیرنده به تعیین موقعیت نسبی لامپ کمک کند.

در پایان این بخش به محصول نوآورانه شرکت فیلیپس اشاره می‌کنیم که در تعدادی از فروشگاه‌های زنجیره‌ای فرانسه نصب شده است. یک اپلیکیشن بر روی گوشی همراه خریداران این فروشگاه‌ها نصب می‌شود که طرز کار آن مشابه چیزی است که در بالا توضیح دادیم. این اپلیکیشن از همان حسگر نوری گوشی همراه برای مکان‌یابی استفاده می‌کند. این محصول امکان ارائه سرویس‌های مبتنی بر مکان را (برای نمونه معرفی کالاهای موجود در قفسه‌ای که خریدار کنار آن ایستاده) فراهم می‌آورد که سودآوری بیشتر صاحبان فروشگاه و رضایت بیشتر خریداران را در پی خواهد داشت.

هرچه جمعیت انبوه‌تر، مکان‌یابی دقیق‌تر!
در بخش قبلی به کاربرد نور مرئی برای مکان‌یابی اشاره کردیم. اما پرتوهای نوری در برخورد با اکثر موانع جذب می‌شوند و این یک نقطه ضعف برای آن به شمار می‌آید. همچنین، پیاده‌سازی تجهیزات مرتبط با این فناوری هزینه‌بر است. در نقطه مقابل، امواج وای‌فای از بسیاری اجسام عبور می‌کنند، ضمن اینکه گوشی‌های موبایل معمولاً از این فناوری پشتیبانی می‌کنند. با این حساب، فناوری وای‌فای یک گزینه مناسب و مقرون‌به‌صرفه برای مکان‌یابی در محیط بسته به حساب می‌آید.

در سامانه‌های مکان‌یابی با امواج وای‌فای، می‌توان تکنیک اثر انگشت را به کار برد تا کاربران الگوی سیگنال دریافتی از آنتن‌های مختلف را با اطلاعات از پیش ثبت‌شده مقایسه کنند و مکان احتمالی خود را تشخیص دهند. اطلاعات مذکور که قرار است مبنای مقایسه قرار گیرد، به طور معمول به وسیله تست میدانی و نمونه‌برداری به دست می‌آید. اما تغییر چیدمان فضای داخلی صحت اطلاعات برداشت‌شده را خدشه‌دار می‌سازد.

افزون بر این، فرآیند نمونه‌برداری زمان‌بر و پرهزینه است. برای حل این مشکل، راهکار مبتنی بر انبوه‌سپاری ارائه شده است. در این راهکار یک نرم‌افزار پس‌زمینه، مختصات جغرافیایی و الگوی شدت توان دریافتی از Access Point مختلف را برای هر گرید ثبت و به یک پایگاه داده مرکزی ارسال می‌کند. با افزایش تعداد کاربران، کیفیت پایگاه داده مرکزی افزایش می‌یابد، زیرا خطاهای کاربران مختلف معمولاً همدیگر را خنثی می‌کنند.

نوع دیگری از انبوه‌سپاری وجود دارد که با مشارکت فعال کاربران انجام می‌شود. در این روش، کاربران مکان دقیق خود را روی نقشه علامت می‌زنند. این روش دقت بیشتری دارد، اما برعکس شیوه قبلی به طور خودکار انجام نمی‌شود و نیازمند مشارکت کاربران است.

سخن آخر
آنچه در این نوشتار بیان شد، کلیات موضوع مکان‌یابی در محیط بسته و دو مورد از پیشرفت‌های اخیر در این حوزه بود. روی آوردن به نور مرئی به‌جای امواج رادیویی معمول یا بهره‌گیری از اطلاعات کاربران در جهت ایجاد یک پایگاه داده مرکزی، دو نمونه از تفکر خلاقانه است که جهش و دگرگونی را در دنیای فناوری پدید می‌آورد.

منبع: شبکه