Acoustic Ranging in Resource- Constrained Sensor Networks



Hasonló dokumentumok
Akusztikus távolság meghatározás a vezeték nélküli szenzor hálózatokban. Előadó: Kincses Zoltán

Sensor Network-Based Countersniper System

Szenzorhálózat alapú mesterlövész detektáló rendszer. Előadó: Kincses Zoltán

Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Középértékek és szóródási mutatók

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

RFID rendszer felépítése

An Analysis of Large Scale Habitat Monitoring Application

Aktív zajcsökkentő rendszerek megvalósítása szenzorhálózattal

Akusztikus MEMS szenzor vizsgálata. Sós Bence JB2BP7

STATISZTIKA ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE. Matematikai statisztika. Mi a modell? Binomiális eloszlás sűrűségfüggvény. Binomiális eloszlás

ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem. Jelfeldolgozás. ANTAL Margit. Adminisztratív. Bevezetés. Matematikai alapismeretek.

SZENZORFÚZIÓS ELJÁRÁSOK KIDOLGOZÁSA AUTONÓM JÁRMŰVEK PÁLYAKÖVETÉSÉRE ÉS IRÁNYÍTÁSÁRA

Szenzorkommunikációs lehetőségek az IoT világában. Dr. Fehér Gábor BME Távközlési és Médiainformatikai Egyetem

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

Digitális jelfeldolgozás

Ultrahangos anyagvizsgálati módszerek atomerőművekben

Elektromos nagybıgı megvalósítása DSP-vel

MSP430 programozás Energia környezetben. Kitekintés, további lehetőségek

Aktív zajcsökkentı rendszerek megvalósítása szenzorhálózattal

ÖNÁLLÓ LABOR Mérésadatgyűjtő rendszer tervezése és implementációja

MIKROFYN GÉPVEZÉRLÉSEK. 2D megoldások:

Méréselmélet és mérőrendszerek 2. ELŐADÁS (1. RÉSZ)

Hálózati réteg. WSN topológia. Útvonalválasztás.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Az ÚJ Leica DISTO X-range

Kábelszerelvények akusztikus. tapasztalatai. Budapesti Műszaki M. gtudományi Egyetem

Kabos: Statisztika II. t-próba 9.1. Ha ismert a doboz szórása de nem ismerjük a

Méréselmélet és mérőrendszerek

biometria II. foglalkozás előadó: Prof. Dr. Rajkó Róbert Matematikai-statisztikai adatfeldolgozás

4. Fejezet : Az egész számok (integer) ábrázolása

A gyakorlat célja a fehér és a színes zaj bemutatása.

Mérés és adatgyűjtés

Gyakorló többnyire régebbi zh feladatok. Intelligens orvosi műszerek október 2.

A Wigner FK részvétele a VIRGO projektben

Hangterjedés szabad térben

LOKÁLIS IONOSZFÉRA MODELLEZÉS ÉS ALKALMAZÁSA A GNSS HELYMEGHATÁROZÁSBAN

Beltéri autonóm négyrotoros helikopter szabályozó rendszerének kifejlesztése és hardware-in-the-loop tesztelése

Mintavétel fogalmai STATISZTIKA, BIOMETRIA. Mintavételi hiba. Statisztikai adatgyűjtés. Nem véletlenen alapuló kiválasztás

Mérési hibák

5. Hét Sorrendi hálózatok

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

Dr. Walter Bitterlich

Nagyméretű élőhely megfigyelő rendszer analízise. Előadó: Kincses Zoltán

Modern Fizika Labor Fizika BSC

y ij = µ + α i + e ij

STATISZTIKA. A maradék független a kezelés és blokk hatástól. Maradékok leíró statisztikája. 4. A modell érvényességének ellenőrzése

BAGME11NNF Munkavédelmi mérnökasszisztens Galla Jánosné, 2011.

Szenzorhálózatok. Mica moteok hardware felépítése (Folytatás) Orosz György

6. Előadás. Vereb György, DE OEC BSI, október 12.

Zaj (bevezetés) A zaj hatása Zaj Környezeti zaj Zajimisszió Zajemisszió Zaj szabályozás Zaj környezeti és gazdasági szerepe:

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Hipotézis STATISZTIKA. Kétmintás hipotézisek. Munkahipotézis (H a ) Tematika. Tudományos hipotézis. 1. Előadás. Hipotézisvizsgálatok

Közösség detektálás gráfokban

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Nagy pontosságú rövidtávú ivóvíz fogyasztás előrejelzés Készítette: Bibok Attila PhD Hallgató MHT XXXIV. Vándorgyűlés

y ij = µ + α i + e ij STATISZTIKA Sir Ronald Aylmer Fisher Példa Elmélet A variancia-analízis alkalmazásának feltételei Lineáris modell

STATISZTIKA I. Változékonyság (szóródás) A szóródás mutatószámai. Terjedelem. Forgalom terjedelem. Excel függvények. Függvénykategória: Statisztikai

Biometria az orvosi gyakorlatban. Korrelációszámítás, regresszió

5-6. ea Created by mrjrm & Pogácsa, frissítette: Félix

Matematikai geodéziai számítások 6.

Mesterséges Intelligencia I.

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

ÜZEM ALATTI RÉSZLEGES KISÜLÉS MÉRÉS. AZ AKTIVITÁS VÁLTOZÁSAINAK MEGFIGYELÉSE Tuza János (Diagnostics Kft.)

Ember és robot együttműködése a gyártásban Ipar 4.0

TestLine - nummulites_gnss Minta feladatsor

ÜZEMBEHELYEZİI LEÍRÁS Figyelem! A konfigurációs mód eltér a 433MHz-es verziótól!


VEZETÉK NÉLKÜLI SZÍNES INFRA KAMERA DIGITÁLIS VIDEO RÖGZÍTİVEL CIKKSZÁM GP-812BF (KAMERA GP-812T, DVR GP-7301)

ÜZEMBEHELYEZİI LEÍRÁS

EMBERI AKTIVITÁS AKUSZTIKUS MONITOROZÁSA SZENZORHÁLÓZAT SEGÍTSÉGÉVEL

SZENZORMODUL ILLESZTÉSE LEGO NXT PLATFORMHOZ. Készítette: Horváth András MSc Önálló laboratórium 2 Konzulens: Orosz György

Dr. habil. Maróti György

Termelés- és szolgáltatásmenedzsment

6 az 1-ben digitális multiméter AX-190A. Használati útmutató

Véletlenszám generátorok és tesztelésük. Tossenberger Tamás

Matematikai geodéziai számítások 5.

Kontrol kártyák használata a laboratóriumi gyakorlatban

Az agyi jelek adaptív feldolgozása MENTÁ LIS FÁ R A DT S ÁG MÉRÉSE

Aktív zajcsökkentést demonstráló rendszer továbbfejlesztése. Csofcsics Donát Gusztáv Tamás

The Flooding Time Synchronization Protocol

Komputeralgebrai Algoritmusok

Normák, kondíciószám

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Készítette: Trosztel Mátyás Konzulens: Hajós Gergely

Informatikai eszközök fizikai alapjai Lovász Béla

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Intelligens Rendszerek

Kalibrálás és mérési bizonytalanság. Drégelyi-Kiss Ágota I

Hipotézis, sejtés STATISZTIKA. Kétmintás hipotézisek. Tudományos hipotézis. Munkahipotézis (H a ) Nullhipotézis (H 0 ) 11. Előadás

III. Képességvizsgálatok

A LOGSYS GUI. Fehér Béla Raikovich Tamás, Laczkó Péter BME MIT FPGA laboratórium

Elkötelezettség a Kiválóságért. Közoktatási Kiválóság Mintaprojekt

Mintavétel: szorzás az idő tartományban

Elemi statisztika. >> =weiszd= << december 20. Szerintem nincs sok szükségünk erre... [visszajelzés esetén azt is belerakom] x x = n

Hidraulikus hálózatok robusztusságának növelése

Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

2. Elméleti összefoglaló

Átírás:

Acoustic Ranging in Resource- Constrained Sensor Networks Sallai János, Balogh György, Maróti Miklós, Lédeczi Ákos, Branislav Kusy Elıadó: Kincses Zoltán

Bevezetés A node-ok földrajzi helymeghatározása számos alkalmazásban fontos követelmény helymeghatározó rendszerek együttmőködı érzékelı és jelzı alkalmazások helyalapú routolási szolgáltatások A vezeték nélküli szenzorhálózatok esetében korlátozottak az erıforrások energia felhasználás (korlátozott élettartam) hardware méret gyártási költség (alacsony, nagy számú node)

A lokalizáció alapja a node-ok közötti távolság mérése Három fı módszer fogadott RF jelerısség és RF szomszédság alapú technikák ha a pontosság a cél nagy pontosságú mérés és szinkronizáció szükséges TOF alapú technikák finom szemcsézettségő lokalizáció a cél az RF jel és a hang közötti TDOA pontosan számítható nem kell a node-ok óráját explicit módon szinkronizálni ultrahang alapú technikák nagyobb pontosság kisebb mőködési távolság drágább hardware

Az itt bemutatott TOF technika az akusztikus jelet mintavételezésén, és digitális feldolgozásán alapul A digitális feldolgozás három részbıl áll Gaussi eloszlást mutató zaj csökkenése digitális szőrés a maximum energia offset-jének maghatározása Elınye kisebb érzékenység a háttér zajokra nagyobb mőködési távolság alkalmazható kis teljesítményő eszközökre (4-8 MHz mikrokontroller, 4 kb RAM) Hátránya nagyobb memória és számításigény mint a tone detector alapú módszer esetében

Hardware MICA 4 MHz RISC processzor 4 kb RAM 916 MHz vezeték nélküli adó-vevı (19.2 kbps 60.96 méter) AA elemek nincs lebegı és fix-pontos aritmetika és szorzás támogatás MICA2 7.3 MHz RISC processzor 868/916 MHz vezeték nélküli adó-vevı (38.4 kbps 152.4 méter) Szenzor kártya mikrofon (18 khz) fix frekvenciájú csipogó (4.4 khz)

Megközelítés A TOF pontos méréséhez kifinomult szinkronizációs mechanizmus szükséges A leggyakoribb megközelítés, hogy az adó egy idıben küld egy rádió és egy akusztikus jelet Mivel a rádió jel terjedése 10 6 -szor gyorsabb a hang terjedésénél az érkezési idık különbsége jól meghatározza a TOF értéket

A gyakorlati megvalósítás problémákba ütközik az akusztikus jel kezdetének meghatározása nehézkes a rendelkezésre álló hardware-el nem lehet élesen felfutó hangjelet generálni egy zajos hangjel kezdetének pontos detektálása bonyolult Megoldás 1 lépés: kiszámítjuk a mintánkénti összegét több mintavételezett hangjelnek Gaussi zaj eltávolítása jobb SNR elérése 2. lépés: digitális sáváteresztı szőrıt alkalmazunk 3. lépés: végül meghatározzuk az elsı csúcsot ebben a szőrt mintában ezzel meghatározhatjuk az eredeti hangjel kezdetét

Az SNR növelése Az akusztikus jel azonos hosszúságú chirp -ek sorozatából áll, melyek között különbözı hosszúságú szünetek vannak A szenzor ismeri az egymást követı chirp -ek közötti késleltetéseket Mivel a szenzor ismeri a jelsorozatok elküldésének idejét, valamint a pontos mintázatot, ki tudja számolni minden egyes chirp elküldési idejét

Minden egyes chirp esetén a zaj Gaussi eloszlású, és független egymástól a minták sorozatának összeadása javítja az SNR-t 10log(N) db-el, ahol az N a chirp -ek száma ebben a rendszerben N=16, így az SNR 12dB-el javult Az egymást követı chirp -ek közötti késleltetés változó, hogy elkerülhetı legyen az úgynevezett multipath hatás A memória szükséglet csökkentése érdekében a mintavételezett hangjelek egy akkumulátor buffer-be kerülnek ahol megtörténik az összeadás is

A szőrı tervezése A gyártási különbözıségek miatt a szenzor kártyák által kibocsátott akusztikus jel 4000 és 4500 Hz között van Az SNR további növelése érdekében digitális sáváteresztı szőrıt kell alkalmazni alacsonyan tartva az integer szőrı koefficienseinek számát (a [-4,4] intervallumban), és a minták (tap) számát így egy szőrt minta kiszámításához elegendı négy akkumulátor változó (szorzás nélkül)

1. akkumulátor változó: koefficiens 1 és -1 2. akkumulátor változó: koefficiens 2 és -2 3. akkumulátor változó: koefficiens 3 és -3 4. akkumulátor változó: koefficiens 4 és -4 Minden minta esetén ha a koefficiens pozitív, a mintavételezett értéket hozzáadjuk az akkumulátor változóhoz ha a koefficiens negatív, a mintavételezett értéket kivonjuk az akkumulátor változóból végül vesszük ezek súlyozott összegét weighted _ sum = a1 + a3 + a2 + a3 + a4 + a4 1 ( ) ( ) ( )

Genetikus integer koefficiens keresés A sáváteresztı szőrı integer koefficienseit a genetikus algoritmussal határozták meg Fittségi függvény generálása több mintaablak felvétele ( chirp -et és csöndet is tartalmaz) a hangjel szőrésének elvégzése a fittségi függvénynek az SNR lett kiválasztva A genetikus keresés eredménye 35-tap FIR szőrı [-4,4] intervallumban lévı koefficiensek 12 db-es elnyomás a 3800 Hz alatti és 4500 Hz feletti tartományban

Távolság meghatározás A hangjel csúcs erısségének meghatározásával meghatározható a hangjel kezdete 1. lépés: meghatározzuk a mozgó átlag függvényt a minták abszolút értékére 2. lépés: az amplitúdó abszolút értékének globális átlagának meghatározása ezen lépések használatával nem kell a minták négyzetét kiszámolni a hangjel csúcs erısségének meghatározásához A szőrés, az átlagolás, az abszolút érték képzés egy körben megy végbe, hogy minimalizálni lehessen a memória és idı szükségletet

Kalibráció A megtalált csúcs nem pontosan tükrözi a TOF-ot A csúcs és a hangjel kezdete között különbség van, melynek okai az ismeretlen hangjel felfutási idı a szőrı késleltetése Mielıtt meghatározzuk a csúcs érték offset-jét kompenzálni kell ezt a késleltetést statisztika alkalmazása

Eredmények Az akusztikus távolságmérı rendszer tesztelése 50 MICA2 mote teszt alkalmazás akusztikus távolságmérı komponens time-slot meghatározó komponens routing-ot, távoli vezérlést lehetıvé tévı komponensek 3332 byte RAM a tesztet egy PC-n futó Java alkalmazás vezérelte a teszt egy parkoló házban volt 35 o C, 60% páratartalom 15x30 méteres területen, nincs akadály a mote-ok között az aktuális távolág ultrahangos mérırendszerrel lett meghatározva

Akusztikus távolságmérési hibák Az akusztikus távolságmérés hibája a Gaussi és a nem Gaussi komponensek összegébıl tevıdik össze a Gauss eloszlású mérési hibák átlagolással kiküszöbölhetıek a nem Gauss eloszlású hibák (visszhang, akadályok) viszont nem Ha akadály van a két eszköz között, akkor általában a nagyobb távolságot határoznak meg az eszközök Ezen hibák javítása érdekében több különbözı módszeren alapuló távolságmérés kombinációját lehet alkalmazni

Összehasonlítás PC-osztályú mote-ok (rendelkeznek hangkártyával) esetén a hangjelet BPSK-val modulálják, 12 khz-es chirp sőrőséggel robosztus szub-centiméteres hiba nagy számítási igény A most bemutatott megoldás esetén fix frekvenciájú csipogó maximális mintavételezés a hangkártya teljesítményének a harmada kilobyte nagyságrendő rendelkezésre álló RAM 10 cm-es pontosság

A Calamari rendszer TOF alapú távolság mérés tone detector használata 3 méteres maximális távolság átlagos hiba 74.4%, kalibrációval ez 10.1%-ra csökkenthetı a hiba távolságfüggı A most bemutatott megoldás esetén több RAM használata nagyobb pontosság egységes hiba nagyobb távolság

Köszönöm a figyelmet