The system for calculating the optimal placement of PIR motion detectors

The problem considered in this thesis arose in the context of an indoor localization system for ageing people or people who need to be monitored due to their impairment in physical and/or cognitive capabilities. The localization system exploits PIR motion detectors, which represent an ideal solution thanks to their good cost-efficiency trade off. In this context, aim of the thesis is the study of the optimal placement of PIR motion detectors in a room, considering that each detector has its own measurement errors. Indeed, the real behaviour of such devices differs from the one written in their specification. The main result of this work is the design of a behavioural model for PIR motion detectors and the development of a system for the computation of the optimal placement of PIR motion detectors. More in detail, the thesis faces several objectives: 1) Description of the expected behaviour of PIR motion detectors (from specifications and scientific papers); 2) Methodology for the evaluation of the real behaviour of motion detectors by means of experiments; 3) Identification of a behavioural model of a single motion detector; 4) Method for merging models in the case of multi motion detectors; 5) Validation of the model by means experiments with detectors and comparisons with the results derived from the created model; 6) Design and implementation of an algorithm for the optimal placement of motion detectors in a room; The work consists in two main activities: working with real detectors (experiments) and working with their model (creation, extension, implementation and testing). Experiments were needed to understand the real behaviour of detectors (to collect the data necessary for the creation of a model) and to validate the proposed model. For the second kind of activities, MATLAB was selected as programming environment. The created model computes the probabilities of detecting the object motion in the room through a set of detectors. The application identifies the optimal angles of detectors in terms of created behavioural model by using handed by user room parameters (length and width) and coordinates of detectors (in x, y mode). In this context the returned angle of each detector is angle between middle ray of the detector and the longest wall of the room; this suggests to the user how to mount each detector. The problem of angles determination was recognized as important because due to frequent problem of “cluttered” room not all the surfaces of the wall are available and/or convenient for mounting detector, so in such case it is better to give to user an opportunity of selecting a position of detector.

Il problema considerato in questa tesi riguarda un sistema di localizzazione indoor per gli anziani o per le persone che hanno bisogno di essere monitorate a causa della compromissione delle loro capacità fisiche e/o cognitive. Il sistema di localizzazione sfrutta rilevatori di movimento PIR, che rappresentano una soluzione ideale grazie al loro buon compromesso tra costo e efficienza. Scopo del lavoro è lo studio del posizionamento ottimale dei rilevatori di movimento PIR in una stanza, considerando che ogni rivelatore commette inevitabili errori di misura. Infatti, il comportamento reale di tali dispositivi differisce da quella scritta nella loro specifica. Il risultato principale di questo lavoro è la progettazione di un modello comportamentale per rilevatori di movimento PIR e lo sviluppo di un sistema per il calcolo del posizionamento ottimale di tali rilevatori. Più in dettaglio, la tesi ha i seguenti obiettivi: 1) Descrizione del comportamento previsto di rilevatori di movimento PIR (da specifica e da articoli scientifici); 2) Metodologia per la valutazione del comportamento reale di rilevatori di movimento mediante esperimenti; 3) Identificazione di un modello comportamentale di un singolo rilevatore di movimento; 4) Metodo per la fusione modelli nel caso di utilizzo di più rivelatori contemporaneamente; 5) Validazione sperimentale del modello e confronto con i risultati ottenuti dal modello realizzato; 6) Progettazione e realizzazione di un algoritmo per il posizionamento ottimale dei rilevatori di movimento in una stanza; Il lavoro consiste di due attività principali: utilizzo di rivelatori reali (esperimenti) e utilizzo del loro modello (creazione, sviluppo, implementazione e collaudo). Gli esperimenti sono stati necessari per comprendere il comportamento reale di rivelatori (per raccogliere i dati necessari per la creazione di un modello) e per convalidare il modello proposto. Per il secondo tipo di attività, MATLAB è stato selezionato come ambiente di programmazione. Il modello realizzato calcola le probabilità di rilevare un movimento in una stanza attraverso un insieme di sensori PIR. L'applicazione sviluppata identifica gli angoli ottimali di posizionamento dei PIR facendo uso del modello comportamentale identificato, utilizzando i valori di dimensione della stanza forniti dall'utente (lunghezza e larghezza) e facendo uso delle coordinate di posizionamento nella stanza dei PIR (coordinate x, y). In questo contesto l'angolo restituito di ciascun rivelatore è quello tra il l'asse del PIR e la parete più lunga della stanza; questo fornisce all'utente l'indicazione su come montare ogni singolo rivelatore. Il problema della determinazione degli angoli di posizionamento è importante perché non tutte le superfici della stanza sono disponibili e/o convenienti per il montaggio dei sensori; ne consegue che è meglio dare all'utente la possibilità di selezionare una posizione del sensore al posto di ricavarla automaticamente.