I contatti con le aziende del settore, i Beacon e gli applicativi utilizzati

Dopo aver individuato il progetto di ricerca, nonché studiate le applicazioni BLE nel campo dell’indoor positioning, si è ritenuto necessario approfondire lo stato dell’arte dei dispositivi Beacon contattando direttamente alcune aziende di settore [F1][F3][F4]. A seguito dei contatti preliminari è emersa una particolare disponibilità da parte dell’azienda BlueUp S.r.l.s. di Colle Val d’Elsa (Siena) [F3], piccola realtà italiana, leader nella produzione e fornitura di Beacon BLE.

L’incontro in BlueUp e i successivi scambi informativi hanno consentito di confermare quanto già individuato nelle prime fasi della presente ricerca in merito ai vantaggi e alle criticità sull’utilizzo dei Beacon BLE nei sistemi di localizzazione indoor. In pratica i vantaggi principali risultano essere quelli riassunti nel paragrafo 5.1, mentre le criticità sono prevalentemente legate ai tipici fenomeni di propagazione del segnale, comuni comunque a tutti i sistemi radio operanti con frequenze dell’ordine del gigahertz, come descritto (§ 4.2.4) e ampiamente trattato in letteratura.

Nell’ottica di sfruttare al meglio i rilevanti aspetti positivi e considerando che il comportamento del segnale radio (dipendente dalle specifiche condizioni ambientali) risulta essere difficilmente modellabile, si è ritenuto opportuno realizzare una serie di sperimentazioni atte ad individuare e valutare un’architettura di sistema ottimizzata per l’ambiente e per le funzioni necessarie in galleria. A tal proposito l’azienda BlueUp si è resa disponibile a fornire, ad un costo contenuto, sia i dispositivi Beacon, che alcuni applicativi per realizzare i test sperimentali.

Sono stati forniti due modelli di Beacon; n° 20 dispositivi tipo BlueBeacon Forte e n° 10 dispositivi BlueBeacon Mini. I primi sono stati utilizzati in quasi tutte le prove, compresa la sperimentazione in galleria, mentre i secondi sono stati utilizzati esclusivamente per alcuni brevi test preliminari eseguiti all’interno della Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale della Sapienza di Roma. In ogni caso le due versioni di Beacon presentano pressoché le stesse caratteristiche, in quanto si differenziano principalmente per il contenitore e per la capacità (mAh) della batteria. Si è deciso di passare all’utilizzo dei dispositivi BlueBeacon Forte, in particolare in galleria, in quanto questo modello è provvisto di un contenitore particolarmente robusto, con grado di protezione IP 65, che garantisce la non penetrabilità a polvere e getti d’acqua. Inoltre il modello Forte dispone di una batteria al litio da 1500 mAh, rispetto ai 1000 mAh del

modello Mini. Di seguito le immagini dei due modelli utilizzati, prodotti da BlueUp [F3].

Figura 5.1: Beacon BLE forniti da BlueUp [F3]

Tabella 5.1: scheda tecnica del dispositivo BlueBeacon Forte [F3]

Il modello Mini, come si è accennato, si differenzia dal modello Forte per le caratteristiche del contenitore e della batteria; quest’ultima, essendo di minore capacità, influisce sulla durata stimata di funzionamento, che a sua volta dipende anche dalla potenza e dall’intervallo di trasmissione. Di seguito, in tabella 5.2, si riportano solo i dati del dispositivo Mini che si differenziano da quelli del Beacon Forte visti in tabella 5.1.

Tabella 5.2: caratteristiche del dispositivo Mini che si differenziano da quelle del dispositivo Forte [F3]

Come si evince dalle caratteristiche, ambedue i dispositivi permettono configurazioni multiple sia nel formato iBeacon che Eddystone (4 slot per ciascun formato), inoltre sono impostabili numerosi livelli di potenza (da -40 dBm a +4 dBm) e di intervallo di trasmissione (da 100 ms a 5000 ms), in modo da consentire di calibrare al meglio la portata radio e la latenza di aggiornamento, in relazione alla durata della batteria e alle esigenze della specifica applicazione.

In genere i Beacon BLE, come la maggior parte dei dispositivi elettronici, vengono forniti dai produttori con una programmazione di base dichiarata; BlueUp fornisce i suoi dispositivi con la configurazione di default indicata in tabella 5.1, ma generalmente tale configurazione deve essere modificata per assolvere correttamente alle funzioni richieste dalla specifica applicazione. Per modificare i parametri di default occorre

App Store. Nel nostro caso BlueUp ci ha indicato due applicativi per operare con i suoi dispositivi: BlueBeacon Manager App e BlueBeacon Navigator Demo, i quali sono

identificati sul Play Store con le icone riportate nella seguente figura.

Figura 5.2: icone di due applicazioni di BlueUp per operare sui loro Beacon BLE [F3]

BlueBeacon Manager App consente di rilevare i Beacon e di connettersi in Bluetooth a

ciascun dispositivo, in modo da poter modificare i parametri di default ed eventualmente programmare gli altri slot disponibili. Inoltre l’applicativo fornisce la potenza in dBm del segnale ricevuto da ciascun Beacon. L’accesso ad ogni singolo Beacon è protetto da una password di default, la quale può naturalmente essere modificata dal programmatore finale. In figura 5.3 si riportano due immagini di esempio dell’applicazione (screenshot dello smartphone); la prima schermata raffigura la pagina di rilevazione dei dispositivi, dove compaiono i dati relativi a due BlueBeacon Forte presenti nel raggio di portata, mentre la seconda schermata raffigura la pagina di programmazione di uno dei dispositivi individuati. In questo caso la sezione di programmazione è relativa allo slot n° 5 del formato iBeacon.

In una buona parte delle sperimentazioni illustrate nel presente progetto, al fine di semplificare l’interpretazione dei dati che identificano ogni singolo Beacon, il Major Number e il Minor Number sono stati impostati seguendo il numero di serie assegnato al dispositivo dal produttore. Ad esempio il Beacon S/N 04/022894, se non necessitava programmazioni diverse, è stato programmato con Major 4 e Minor 022894.

Figura 5.3: schermate di esempio, relative all’applicazione BlueBeacon Manager App di BlueUp [F3]

Si evidenzia che i Beacon BLE utilizzati nella sperimentazione, oltre che con appositi applicativi per comuni smartphone, possono essere interrogati e programmati via Bluetooth anche attraverso l’utilizzo di appositi dispositivi fissi di comunicazione, definiti Gateway BLE, i quali consentono un raggio operativo molto ampio, anche fino a 100-200 m in spazio libero. Nella nostra sperimentazione non abbiamo avuto la necessità di utilizzare Gateway BLE, ma tali dispositivi saranno in seguito richiamati in quanto possono trovare utilizzo nell’applicazione di questo progetto di ricerca.

BlueBeacon Navigator Demo è invece un software dimostrativo utilizzato dall’azienda

per testare il comportamento dei propri dispositivi in applicazioni, in via di sviluppo, di indoor positioning. Grazie a tale software e alla disponibilità di BlueUp è stato possibile preparare ed eseguire la nostra sperimentazione in galleria, evitando di investire risorse

Come vedremo più avanti, l’applicativo BlueBeacon Navigator Demo, realizzato da

Nextome S.r.l. [F7] per BlueUp [F3], consente diverse tarature e l’utilizzo di numerosi filtri per compensare gli errori RSSI e ottimizzare la funzione di positioning. Il

BlueBeacon Navigator, se pur dimostrativo, è frutto delle profonde conoscenze di

Nextome nel campo dei software di navigazione indoor. Tale applicativo, basato su un algoritmo proprietario di multilaterazione pesata, consente di utilizzare un insieme di filtri (alcuni dei quali brevettati da Nextome), nonché il supporto di tecniche inerziali e magnetiche. Si anticipa comunque che nella sperimentazione di galleria si sono ottenuti risultati soddisfacenti anche utilizzando impostazioni di base con il solo contributo del

particles filter, che consente di scartare i segnali fuori scala in accordo con i limiti

dimensionali di planimetria.

L’applicativo di navigazione, essendo dimostrativo, non consente di memorizzare la planimetria e i dati relativi ai Beacon direttamente sullo smartphone; per utilizzare l’applicazione è infatti richiesto il download delle informazioni di navigazione da un server remoto di BlueUp. Pertanto è stato necessario ricorrere alla disponibilità dell’azienda per abilitare il navigatore indoor e per eseguire l’upload dei nostri dati sul loro server remoto. In pratica, prima dei test, è stato necessario posizionarsi nel raggio di portata di almeno un Beacon per consentire all’applicativo di riconoscere il dispositivo e di eseguire un breve download internet dell’ambiente di navigazione associato. Tale procedura richiede una breve connessione internet, ma naturalmente è da intendersi limitata ai soli test sperimentali, in quanto risulta ovvio che in un utilizzo reale l’utente di galleria dovrà disporre di un’applicazione immediatamente funzionante con tutti i dati già memorizzati sul proprio smartphone, in modo da non necessitare di download e di connessioni di alcun tipo. Tali aspetti saranno comunque ripresi nei paragrafi successivi.

Nei test sperimentali, oltre ai due applicativi appena citati, è stata utilizzata anche l’applicazione gratuita BLE Analyser, realizzata da Keuwlsoft (http://www.keuwl.com)

[F6]. Tale applicazione è risultata particolarmente utile per le misure relative alla potenza del segnale ricevuto, in quanto, tra gli interessanti strumenti offerti dal software, è disponibile una pratica interfaccia in grado di restituire, in un determinato arco di tempo, il valore medio, il valore minimo e quello massimo della potenza

ricevuta in dBm. Di seguito, in figura 5.4, si riporta una schermata dell’app durante una misurazione effettuata su dispositivi BlueBeacon Forte.

Figura 5.4: schermata dell’app BLE Analyser (http://www.keuwl.com) [F6], relativa alla misura della potenza ricevuta da due dispositivi BlueBeacon Forte

In riferimento alla figura 5.4, si precisa che i valori medi RSSI (-73.1 e -76.7 dBm), relativi ai due Beacon, sono stati calcolati su un tempo di scansione di 10 secondi. Tenendo conto che l’intervallo di trasmissione (advertising interval) dei Beacon è stato impostato a 100 ms, il valore medio risulta relativo a ben 100 letture istantanee. Il tempo di scansione di 10 secondi è stato scelto sia per facilitare le letture sia per osservare meglio il comportamento radio nei vari ambienti, proprio in considerazione della significativa aleatorietà insita nell’indicatore RSSI. Occorre però precisare che le applicazioni di navigazione indoor devono fornire veloci aggiornamenti posizionali, pertanto sono chiamate ad operare con tempi di scansione brevi, generalmente dell’ordine di 0.3-0.5 s. Viste le elevate oscillazioni intorno al valore medio, una finestra di scansione breve può esporre la tecnica RSSI ad errori di stima maggiori, che possono però essere in parte compensati da algoritmi avanzati, basati ad esempio su

Questi aspetti saranno ripresi in seguito, in ogni caso, al fine di poter osservare le differenze sulla stima dell’indicatore RSSI, sono stati eseguiti anche alcuni test (es. figura 5.6) con un tempo di scansione di 1 s, più vicino alle impostazioni utilizzate generalmente negli applicativi di navigazione indoor.