Localización en Interiores, Artículo en Bit

Recientemente he tenido el placer de poder volver a colaborar con un excelente profesional y amigo, Pepe Carazo, en la redacción de un artículo sobre localización en interiores, que se ha publicado en el número 197, de junio de 2014 de Bit, la revista sobre TIC que editan COIT y AEIT.

Como además, llevaba tiempo pensando en editar una serie de posts sobre el tema, aprovecho para copiaros el texto que podéis encontrar en Bit a continuación.

Al hablar de aplicaciones y servicios de localización, se tiende a pensar en los casos típicos en exteriores: localización vía red móvil o sistemas de posicionamiento vía satélite (GPS, Galileo…). Sin embargo, dado que pasamos la mayor parte de nuestro tiempo en interiores (incluso algunos analistas indican que el 90% del tiempo), las tecnologías y aplicaciones de localización indoor están cobrando un protagonismo creciente.

Este protagonismo se materializa, en la práctica, en casos de uso que hacen que se trate de una oportunidad de negocio de primer nivel: Según el report de Markets and Markets, el mercado global de indoor crecerá de $448.6 millones en 2013 a $2.60 billones en 2018.

Sin embargo el entorno indoor plantea toda una serie de retos. Por un lado, los tecnológicos, para desarrollar soluciones innovadoras que ofrezcan alta precisión y tengan aplicaciones prácticas en múltiples áreas y mercados verticales. Por otra parte, al llevar a cabo una implantación, decidir la solución indoor más adecuada al caso de uso particular no es una tarea fácil, ya que no existe una solución global – como GPS o la red móvil del operador – capaz de cubrir todas las áreas objetivo y casos de uso.

2013 nos ha traído multitud de nuevas compañías en este mercado. La explosión de la tecnología BTLE (Bluetooth Low Energy) – fundamentalmente promovida por Apple a través de las denominadas ibeacons – está promoviendo nuevas soluciones y casos de uso.

Tipología de Soluciones

La primera decisión a tomar en la implantación de un sistema de localización indoor es el tipo de solución. Esta decisión estará marcada por el caso de uso que quedamos implantar. Hay aplicaciones que requieren localización continua en tiempo real (por ejemplo aplicaciones de navegación en interiores) mientras que otras únicamente necesitan detectar la presencia en ciertos puntos estratégicos (aplicaciones de seguridad o de entrega) incluso llevar a cabo análisis de los históricos de las localizaciones de los usuarios por ejemplo para efectos de marketing. Podemos hablar de los siguientes tipos de soluciones:

a) RTLS (Real Time Location System) o IPS (Indoor Positioning system)

Sistemas capaces de localizar en tiempo real y en cualquier punto del espacio interior. En general, requiere del despliegue de una red de sensores (WSN) aunque existen soluciones que salvan este inconveniente cuando la precisión requerida no es muy exigente.

b) Soluciones de Proximidad

La red de sensores cubre sólo ciertas áreas de interés. Por tanto, la posición sólo es conocida en el área de cobertura de cada sensor desplegado. Estas soluciones implementan una lógica de Geo-fencing definiendo la micro-área donde el evento/contenido debe ser generado hacia un sistema externo y/o hacia el usuario.

A diferencia de un IPS, no se requiere la detección de transición entre el entorno outdoor y el indoor.

c) Soluciones Analíticas

Basadas en la captura y recolección anónimas de la información de los usuarios que se detectan alrededor de los sensores desplegados. Están relacionadas con las herramientas de Business Intelligence donde la localización se integra con otros datos del negocio core para propósitos específicos, por ejemplo, aplicaciones de marketing para centros comerciales, subasta de espacios publicitarios en función del número de impactos, etc.

 Tecnologías de localización

Una vez decidido el tipo de solución a implantar, hemos de seleccionar la tecnología. Esta decisión no es ni mucho menos más sencilla que la anterior. Si bien es cierto que en algunos casos el tipo de solución marcará la tecnología a implantar, en la mayoría de ocasiones existirán diferentes alternativas tecnológicas para el tipo de solución seleccionada. Y Como se ha comentado, no existe actualmente una tecnología clara que haya demostrado su viabilidad en estos entornos para todos los casos de uso y cada una tiene sus pros y contras en cuanto a prestaciones, coste de implantación y sobre todo los terminales que soportan la solución. Este último factor es clave pues por ejemplo para aplicaciones destinadas a público general deberemos decantarnos por tecnología soportadas por smartphones.

Entre las tecnologías posibles podemos mencionar las siguientes:

  • BTLE (BT Low energy o Smart BT): Basado en BT 4.0, se fundamenta en el bajo consumo de energía, baja latencia, altos niveles de seguridad y costes reducidos. Actualmente, el handicap radica en la gama de smart phones que lo soportan aunque se prevé un rápido crecimiento. BTLE ha experimentado un tremendo empuje aplicada a sistemas IPS y soluciones de proximidad. La apuesta de Apple por BTLE y la restricción de acceso a los parámetros Wi-Fi en terminales IOS ha hecho que muchos proveedores incorporen esta tecnología, bien como solución separada para IOS o integrada con Wi-Fi para el soporte de terminales Android.
  • Wi-Fi: la tecnología más extendida a nivel de puntos de acceso y disponibilidad en los terminales móviles. Hay un gran número de proveedores que ofrecen soluciones indoor a partir de los AP (Access Points) ya instalados en el entorno indoor aunque, en general, requieren APs adicionales para conseguir la precisión requerida. El alto consumo de la batería es uno de los puntos débiles de esta tecnología. A pesar del empuje de BTLE, Wi-Fi sigue estando presente en muchas soluciones de localización indoor tanto IPS como, fundamentalmente, soluciones de Analytics.
  • MEMS (MicroElectroMechanical Systems). A través del uso de sensores tales como acelerómetro, brújula, giróscopo o barómetro se proporcionan soluciones de localización indoor. Algunos proveedores usan estos mecanismos como única fuente de datos por lo que, en principio, no requieren de una infraestructura WSN ad-hoc (i.e. IndoorAtlas, Navisens, Movea). Otros proveedores usan MEMS integrado con otras tecnologías (fundamentalmente BTLE y Wi-Fi) como técnica añadida para mejorar y estabilizar la precisión estimada del objeto localizado (i.e. Pole Star).
  • Zigbee: Concebida inicialmente para automatización y domótica, posee características únicas para sistemas RTLS. Al igual que BTLE, Zigbee proporciona tanto bajo consumo como latencia, con transferencia de datos muy baja (250 Kps/sg). Las desventajas son la falta de compatibilidad entre fabricantes y el hecho de que no está presente en smart phones, por lo que las soluciones de localización se proporcionan a través de dispositivos externos (tags, brazaletes,…). La formalización de topologías de red mesh (malla) confiere una versatilidad enorme en el despliegue Zigbee permitiendo cubrir casos de uso específicos que no están al alcance de otras tecnologías de localización.
  • Infrarrojos y ultrasonidos: Infrarrojos (IR) puede conseguir buena precisión pero requiere de línea de vista y el alcance está limitado a pocos metros por lo que es más idónea para detección de presencia y movimiento. La tecnología de ultrasonidos consigue precisión de centímetros pero a costa de desplegar un gran número de sensores por lo que sus costes son muy elevados. Además requiere de otra tecnología para la transferencia de datos. En general ambas se consideran secundarias o complementarias de otras tecnologías.
  • GPS Pseudolites: Enfocada fundamentalmente a aplicaciones industriales, despliega una constelación virtual de satélites en el entorno indoor consiguiendo precisiones de centímetros aunque con costes elevados y requiriendo dispositivos especiales ya que el rango de satélites no es estándar.
  • Femtocells: Bajo la perspectiva de un MNO, las denominadas femtos pueden ser una alternativa para la localización de terminales móviles en entornos indoor aunque existen controversias en cuanto a interferencias con la propia red celular requiriendo un análisis detallado de su despliegue e instalación.
  • RFID (Radio Frequency Identification) está altamente extendida y probada aunque más orientada a la gestión de inventario, distribución y transporte. Fundamentalmente se aplica en soluciones de proximidad o presencia, se considera menos adecuada para RTLS.
  • UWB (Ultra Wide Band): es una tecnología muy precisa (30 cms) pero actualmente presenta costes muy elevados. Además, la señal de elevada frecuencia presenta problemas importantes de atenuación por lo que se requieren altos consumos de energía.
  • LED (Light Emitting Diode): Esta tecnología es de reciente implantación. Usando la cámara del dispositivo móvil y modificando los pulsos de luz transmitidos por el led se consigue implantar la red de sensores orientados a sistemas de localización indoor. Bytelight y Phillips son ejemplos de compañías que están abogando por esta tecnología.

Todas estas tecnologías aplican técnicas de localización que buscan maximizar la precisión en base a los datos disponibles e incluyen mecanismos para combatir el problema fundamental, elefecto multipath. Este efecto es causado por la reflexión, refracción, difracción y dispersión de las señales sobre objetos.

Técnicas Localización Indoor

Técnicas Localización Indoor

Arquitecturas

A partir del uso de infraestructura existente o del despliegue de sensores adicionales (propietarios o no), las arquitecturas usuales se pueden englobar en 2 tipos:

a) Server o Network based:

  • El móvil emite la señal radio periódicamente (identificador único del dispositivo, MACAddress) que es recogida por uno o más sensores. Cada sensor transmite esta información junto con otros parámetros (Id_sensor, RSSI,…) al servidor.
  • La posición se calcula en el servidor a partir de los datos recibidos y BD de sensores que puede contener, entre otros, las posiciones de cada sensor.
  • No requiere instalar nada en el terminal móvil.
  • La comunicación entre los sensores y el sistema servidor puede implementarse bajo Wi-Fi o red celular del operador.
  • Se encuentran ejemplos de esta arquitectura bajo tecnologías Wi-Fi, BTLE y Zigbee, fundamentalmente para soluciones de análisis, aunque también se puede aplicar a tanto para sistemas IPS como de presencia
  • De cara al desarrollo de apps, el servidor suministra servicios API para obtener la posición de los terminales requeridos.

b) Client o Mobile based:

  • Es el propio terminal móvil quien calcula su propia posición a partir de las señales recibidas y de una BD de asistencia. Dicha BD corresponde en general a la BD de Fingerprint que se ha comentado anteriormente.
  • Los sensores transmiten la señal radio que es detectada por el terminal móvil.
  • De cara al desarrollo, los proveedores suministran un SDK para la integración de los servicios LBS con el módulo de localización residente en el terminal móvil.
  • Bajo este tipo de arquitectura los proveedores hacen uso de los sensores MEMS del terminal móvil conformando así tecnologías híbridas a partir de múltiples señales radio (Wi-Fi, BTLE,…).
  • Los requerimientos de privacidad se consideran cumplidos ya que la posición es conocida únicamente por el propio terminal de usuario. Sin embargo, de cara a formalizar ciertos casos de uso, dicha posición deberá ser transmitida al sistema servidor para fines específicos.

Consideraciones a la hora de elegir un RTLS

En este apartado se enumeran algunos de los factores principales a tener en cuenta en la selección de un sistema IPS, que determinarán en muchos casos las decisiones relativas a los apartados anteriores.

  • Precisión: Factor fundamental, y debe ser planteado en función de las necesidades y casos de uso. Generalmente, podemos clasificar los rangos habituales como menos de 2 metros, entre 3 y 5 metros o a nivel de habitación/ área. Añadido a este factor, la otra pregunta a responder es si realmente se necesita un sistema IPS o podría ser suficiente una solución de proximidad.
  • Dispositivos: En general, se necesitará que la tecnología de localización sea soportada por el mayor parque de terminales posible, por lo que preferiblemente se optará por aquellas soportadas por smartphones. Para ciertos casos de uso se podrán incluir tags o brazaletes que soporten la tecnología deseada y que no requieran de display o teclado (normalmente habilitados con botones programables).
  • Integración: De la solución indoor con sistemas externos y/o con aplicaciones móviles. Deberán evaluarse los servicios APIs y/o SDKs existentes así como la arquitectura y mecanismos Pull/push de gestión.
  • Instalación: En el caso general de despliegue de una red WSN se deberá considerar la selección de ubicaciones idóneas de los sensores, la instalación física de los mismos (alimentación, cableado, comunicación con el servidor, etc.), fases de calibración si aplican y testing previo de la solución.
  • Costes: Cada proveedor ofrece distintos modelos de negocio. Se deben considerar los costes derivados del hardware (sensores, cableado, etc.) y del software. Este último incluye licencias (mensuales, anuales o perpetuas, licenciamiento por site o dependientes del número de sensores instalados, dependientes de la superficie cubierta, etc.), mantenimiento, training.
  • Indoor maps: Se requiere contenido espacial ya sea en la fase inicial (calibración o proceso de fingerprint, ubicación conocida de los sensores sobre el plano del edificio) como en la fase de explotación (visualización de la posición del usuario móvil sobre el plano). Por tanto, el acopio de planos indoor de suficiente calidad debe ser contemplada como una tarea inicial imprescindible en toda implantación.

Conclusiones

Cómo se ha podido apreciar en los apartados anteriores, la implantación de servicios y aplicaciones de localización en interiores requiere un estudio pormenorizado previo, en el que se decidan el tipo de solución, la tecnología más apropiada, y la arquitectura, tomando como base una serie de factores que van a venir definidos por el caso o los casos de uso a implantar. Este análisis es fundamental para que la solución implantada no presente limitaciones y permita desarrollar los modelos de negocio planteados.

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