A heterogeneous RSSI-based localization system for indoor and outdoor sport activities

Localization and tracking of players is crucial for monitoring both indoor and outdoor sports activities. The effects of the environment pose a major challenge for an accurate position estimation. This Master's Thesis work presents a novel solution based on the Received Signal Strength Indication (RSSI) feature provided by off-the-shelf wireless networks. Trilateration is used for estimating the position of targets with a RSSI to distance mapping function based on the path-loss shadowing propagation model. Key to the proposed system is the real-time collection of RSSI measurements for which a channel-hopping TDMA-based protocol has been designed and implemented, which coordinates frame transmissions among motes. A further innovative aspect of the proposed solution is that the nodes are heterogeneous, using Waspmote and IRIS nodes as well as XBee modules. The latter enables a significant boost in the transmit power, which in turn improves the resolution of the RSSI to distance estimates. Additionally, the challenges of fast deployment and testing are addressed by using a semi-automatic calibration mechanism for adjusting the distances estimated from RSSI measurements. Our experiments, conducted within an indoor basketball court, show that sub-meter accuracy can be achieved by combing a high transmit power, multiple channels, together with multiple antennas.

La localizzazione di giocatori è il processo alla base del monitoraggio di attività sportive sia all'aperto che in palestra. Gli effetti del ambiente sulla propagazione radio sono la sfida principale per ottenere una stima della posizione accurata. Questa tesi di Laurea Magistrale presenta una soluzione innovativa che si basa su RSSI, una misura della potenza di segnale in ricezione che viene fornita da tutte le piattaforme per reti di sensori. Per la stima della posizione dei target si usa la trilaterazione, utilizzando una funzione di mappatura tra valori di RSSI e distanza che si basa sul modello di propagazione path-loss shadowing. Un aspetto chiave del sistema proposto è la raccolta in tempo reale di misure di RSSI per la quale è stato progettato ed implementato un protocollo channel-hopping TDMA che coordina la trasmissione delle trame tra i nodi. Un ulteriore aspetto innovativo del sistema proposto è dato dall'eterogeneità dei nodi di cui è composta la rete di sensori, dove sono stati usati nodi Waspmote, IRIS e moduli trasmittenti XBee PRO. Questi ultimi costitutiscono un miglioramento significativo in termini di potenza di transmissione, che risulta in un miglioramento della risoluzione delle stime di distanza tramite mapping RSSI. Inoltre, per consentire tempi veloci di installazione è stato implementato un meccanismo di calibrazione semi-automatico per la correzzione delle distanze stimate. Gli esperimenti condotti in un campo da basket situato in una palestra interna mostrano che un accuratezza sotto il metro può essere raggiunta combinando un elevata potenza in trasmissione, diversità di canale e di antenna.