Human Tracking and Localization in Indoor Using Wireless Sensor Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF thesis_final_copy.pdf - Accepted Version Download (25MB) | Preview

Arabic Abstract

ن التطور الملحوظ في الاتصالات اللاسلكية والالكترونيات ساهم في ظهور شبكات المجسات اللاسلكية. تتكون شبكات المجسات اللاسلكية من نوع متطور من المجسات قليلة الثمن وموفرة في استهلاك الطاقة ولديها القدرة على العمل والاتصال في نطاق قصير. ان بساطة هذه الشبكات وقدرة التحكم الذاتي فيها ساعد على تطوير تطبيقات عديدة في مجالات مختلفة. بالرغم من التطبيقات العديدة للمجسات الا ان قدرتها على المعالجة والاتصال محدودة. لذلك فان الكثير من التحديات تظهر عند تصميم مثل هذه التطبيقات. ان هذه التحديات تبرر تصميم تطبيقات موزعة وفعالة من ناحية استهلاك الطاقة. لقد اصبحت خوارزميات تتبع وتحديد مواقع المجسات من المواضيع المهمة لدى الباحثين. التوجيه المبني على المعلومات هو احد تطبيقات خوارزميات التتبع. معرفة الموقع يعطي المعلومات بعدا جغرافيا بالاضافة الى البعد المعرفي. التطورات الاخيرة في مجال تحديد المواقع اثبتت امكانية استعمال وجدوى الطرق المحلية بدلا من استعمال الطرق العالمية المعقدة وغالية الثمن مثل تقنية GPS. في هذا العمل، كان التركيز على خوارزميات التتبع و تحديد المواقع المحلية في شبكات المجسات اللاسلكية بالاعتماد على نهج قوة الاشارة المستقبلة (RSS) وفارق الوقت المستقبل من الانظمة المحيطة. ان نهج RSS سهل وبسيط ويمكن الحصول عليه بطرق سهلة. بالاضافة الى ذلك فقد قدمنا طرق جديدة لتحسين المواءمة بين الدقة وفعالية الطاقة في طرق تحديد الموقع للمجسات. في هذا العمل تم اعتبار خوارزمية تحديد المواقع التعاونية المعتمدة على تقنية RSS في الشبكات الثابتة والداخلية. ان استعمال تقنية RSS يحتاج الى استخدام نموذج انتشار من اجل تحديد المسافات بين عقد النظام. قدمنا ايضا طريقة لتقدير فقدان المسار (Path Loss) باستخدام قراءات RSS. بذلك نستطيع الاستغناء عن التقدير الاولي لنموذج الانتشار. بالاضافة لذلك قمنا بتقديم خوارزمية لتحديد الموقع بالاعتماد على TDOA. ان طريقة TDOA تتطلب ان تحتوي عقدة النظام على نظام البث والاستقبال من نوع RF و اخر من نوع الفوق صوتي (Ultrasonic) وبالتالي هناك زيادة في استهلاك الطاقة. الشيء الجيد في طريقة TDOA هو انها لا تتطلب تعيير عقد النظام اللاسلكية ولا حاجة الى اجراءات اولية. اخيرا، قمنا بتقييم الخوارزميات المذكورة اعلاه. اظهرت النتائج ان تقديرات خوارزمية TDOA اكثر دقة من تقديرات خوارزمية RSSI لكن طريقة TDOA تستهلك طاقة بكمية اكثر حيث انه هناك مواءمة بين الدقة واستهلاك الطاقة.

English Abstract

The last advances in wireless communications and electronics have motivated the appearance of Wireless Sensor Networks. These networks are formed by a new kind of low-power and low-cost sensors able to operate across short ranges. Their simplicity and autonomy have motivated the development of many final applications in a large variety of fields. Nevertheless, sensor nodes are equipped with limited data processing and communication capabilities. Hence, several design challenges appear when an application has to be developed. These restrictions justify the design of highly distributed and energy-efficient applications.\\ Localization and tracking algorithms are one of those emerging applications that have become an interesting field to the researchers. The information routing is of- ten supported by their localization. Besides, the location knowledge gives to the data sensed a geographic sense. Instead of using the existing global localization methods, such as GPS, that are more complex and costly, recent advances have demonstrated the viability of local methods.\\ In this MS thesis, we have focused our study of the localization and tracking algorithms for WSN on the RSS and Time Difference of Arrival-based distributed approaches. One of the major issues is to obtain the simplest possible method, and RSS range measurements have become the simplest existing measurements. Besides, we have also presented methods that are able to optimize the trade-of between accuracy versus energy-efficiency.\\ First, RSSI-based cooperative localization algorithms in static indoor networks are considered. The use of RSSI measurements requires the knowledge of a propagation model in order to obtain inter-node distance estimates. We introduce an on-line path loss estimation method that obtains the model by means of RSSI measurements. Hence, we avoid the need of an a priori estimation of the propagation model.\\ Fine-Grained localization algorithm is developed using RSSI Secondly, TDOA-based localization algorithm is considered. TDOA requires WSN nodes to be equipped with RF and Ultrasonic transceivers, hence more energy is needed to operate these nodes. The good thing about TDOA estimation is no calibration is required among wireless sensor nodes and no a priori measures need to be taken.\\ Finally, we have considered the evaluation of these two algorithms. The results have shown that TDOA estimations are more accurate than RSSI based algorithm, but TDOA consumes more energy hence there is a trade-off between accuracy and energy efficiency.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Sheltami, Tarek
Committee Members:	Hassan, Ashraf and Rowaihy, Hossam
Depositing User:	BILAL SAEED (g201207200)
Date Deposited:	08 Jun 2015 12:49
Last Modified:	01 Nov 2019 15:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139601