Autorzy: mgr inż. Przemysław Barański i mgr inż. Marcin Morański

Opiekun: dr hab. inż. Michał Strzelecki, prof. PŁ

III miejsce w konkursie na najlepszą pracę magisterską wykonaną w roku akademickim 2006/2007, organizowanym przez Zarząd Oddziału Łódzkiego SEP i Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej.

Celem naszej pracy magisterskiej było zaprojektowanie urządzenia ułatwiającego pracę architektom. Architekci do wyznaczania konturów budynków używają m.in. specjalnych słupków, których położenie powinno być znane. W pracy opisano koncepcję i prototyp urządzenia do automatycznego pomiaru pozycji tych słupków. Sposób rozmieszczenia słupków w terenie prezentowany jest na ekranie komputera dołączonego do jednego z węzłów.

Pomiar konturów budynków odbywa się przez rozstawienie słupków w odpowiednich miejscach. Każdy słupek jest wyposażony w autonomiczne urządzenie bezprzewodowe nazywane węzłem sieci, który zawiera mikrokontroler i moduł radiowy (częstotliwość 868 MHz). Rozmieszczenie słupków na polu pomiarowym odzwierciedla topologię sieci. Podczas pomiarów architekci mogą dowolnie przestawiać słupki. Węzły sieci muszą automatycznie reagować na te zmiany rekonfigurując połączenia między sobą tak, aby sieć była spójna. Obszar całej sieci nie jest ograniczony zasięgiem radiowym. Gdy nie ma bezpośredniej łączności między dwoma dowolnymi węzłami, wykorzystywane są inne węzły leżące pomiędzy nimi. Optymalny wybór węzłów pośrednich dokonywany jest przez zaprojektowany algorytm poszukiwania optymalnej drogi. Sieć nie posiada żadnego nadrzędnego węzła nadzorującego jej działanie – ma charakter zdecentralizowany. Oznacza to, że każdy węzeł uczestniczy w procesie wyznaczanie topologii oraz szukania optymalnych połączeń. Koordynację między węzłami realizuje rozproszony algorytm. Ponieważ wszystkie węzły korzystają z tego samego kanału bezprzewodowego, węzły same ustalają odpowiednie momenty, w których mogą z niego skorzystać.

System automatycznie wyznacza położenie wszystkich słupków w przestrzeni dwuwymiarowej. W tym celu muszą być wyznaczone co najmniej trzy węzły odniesienia, których lokalizacja w przestrzeni powinna być znana przed rozpoczęciem pomiarów. Wybór węzłów odniesienia oraz przypisanie im współrzędnych jest wykonywany przez użytkownika za pomocą dołączonego oprogramowania komputerowego. Określenie pozycji słupków odbywa się z wykorzystaniem dwóch niezależnych metod.

Pierwsza z nich bazuje na pomiarze mocy sygnału radiowego. Gdy węzły są blisko siebie odbierany sygnał radiowy ma stosunkowo dużą moc, która maleje przy zwiększającej się odległości pomiędzy węzłami. Węzły referencyjne w określonych interwałach czasowy wysyłają swoje współrzędne w specjalnych radiowych pakietach lokalizacyjnych. Pakiety te są przechwytywane przez węzły lokalizowane. W węźle, którego położenie należy wyznaczyć, dokonuje się pomiaru mocy sygnału odebranego i na tej podstawie oblicza się jego odległość od węzła referencyjnego. Znając odległości od trzech węzłów referencyjnych oraz ich współrzędne można jednoznacznie wyznaczyć pozycję węzła lokalizowanego na płaszczyźnie dwuwymiarowej. Maksymalna odległość między węzłami referencyjnymi wynosi około 150 m przy uzyskanej dokładności rzędu kilku metrów.

Druga metoda lokalizacji wykorzystuje fale ultradźwiękowe. Każdy węzeł wyposażony jest w przetworniki ultradźwiękowe. Do pomiaru odległości między węzłem referencyjnymi i pozostałymi węzłami wykorzystywany jest czas propagacji fali ultradźwiękowej. Czas ten mierzony jest przez mikrokontroler, umieszczony w węźle lokalizowanym. Problemem jest wyznaczenie chwili początku pomiaru rozprzestrzeniania się fali w węzłach lokalizowanych, ponieważ wszystkie węzły w sieci działają od siebie niezależnie i nie mają żadnego wspólnego zegara odniesienia. Dlatego zaimplementowano następujące rozwiązanie: węzeł referencyjny wysyła specjalny synchronizacyjny pakiet radiowy zapowiadający wysyłanie fali ultradźwiękowej. W ten sposób eliminowane są też przypadkowe zakłócające sygnały ultradźwiękowe, które mogą być generowane przez otoczenie. Tylko sygnały zapowiedziane są mierzone przez węzły lokalizowane. Ta metoda lokalizacji zapewnia pomiar maksymalnej odległości między węzłami referencyjnymi wynoszący do 30m. Uzyskana dokładność stanowi rząd kilku centymetrów.

Opisany system posiada także wiele innych potencjalnych zastosowań, na przykład może być wykorzystany w systemach śledzenia obiektów i ludzi, sieciach sensorowych itp.

System zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy samodzielnie w Danii na uniwersytecie w Aarhus w ramach programu Socrates-Erasmus. Szereg przeprowadzonych testów wykazał, że jego działanie jest zgodne z założeniami projektowymi.