Positionstracking für Sportevents mit GNSS and LoRa. Juan-Mario Gruber, Benjamin Brossi InES Institute of Embedded Systems ZHAW

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1 Positionstracking für Sportevents mit GNSS and LoRa Juan-Mario Gruber, Benjamin Brossi InES Institute of Embedded Systems ZHAW

2 Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme am InES Energieautarke Embedded Systeme Anwendungsorientierte Lösungen Energy Harvesting Power management Low-power Technologien Sensorlösungen Aktuatoren und Antriebe Wireless communication 2 ECC September 2017

3 Agenda Motivation Applikationen und Use Cases Idee and Anforderungen Systemkonzept Kommunikation Energiebetrachtungen Tests bei Segelregatten Zusammenfassung und Ausblick 3 ECC 2018

4 Motivation Regatta der Eisernen (Bodensee, DSMC) Eine der grössten Binnenregatten Europas (240 Teilnehmer) Dezember Zieleinlauf: ca. 150 Schiffe und Jollen innerhalb 10 Minuten - Auswertung: 5 Personen, 8 Stunden 4 ECC 2018

5 Mögliche Applikationen Sportveranstaltungen im Freien Radsport Laufsport Wassersport Reitsport Orientierung Organisation von Veranstaltungen Security Räumlich verteiltes, mobiles Equipment Verschiedenes 5 ECC 2018

6 Idee Idee Elektronische Erfassung des Zieleinlaufs für Sportevents Nachverfolgung von Routen Import in Auswertesoftware o.ä. über offene Schnittstellen Automatische Erfassung des Zieleinlaufs Berechnung der Zeit (Startzeit / Yardstick / Handycap) Erstellung der Rangliste Zielsetzung Sichere Erkennung des Zieldurchlaufs auch in Pulks Schnelle Auswertung und automatisierte Erstellung der Ergebnisliste Kostengünstig, wartungsarm 6 ECC 2018

7 Idee Erkennung Zieleinlauf / Checkpoints Tracker Devices an Teilnehmer an beiden Enden einer Linie 7 ECC 2018

8 Anforderungen Funktion Ausreichende Genauigkeit Sichere Erkennung des Zieldurchlaufs auch in Pulks Datenverarbeitung / Übertragung Schnelle Auswertung und automatisierte Erstellung der Ergebnisliste Optional: Live Tracking über den gesamten Event Weitere Eigenschaften Einfache Bedienung Flexible und sichere Anbringung, Gewicht Kosten Stromverbrauch / Akkulaufzeit 8 ECC 2018

9 Systemfunktionen RFID Video GNSS Tracking / Zieleinlauf Datenübertragung RFID Mobilfunk Eigener Funk Offline Zentral Verteilt Auswertung 9 ECC 2018

10 Alternativen für die Kommunikation Offline Logger Einfach realisierbar + Übertragung manuell - Kein Live Tracking - RFID Reichweite / Abdeckung - Genauigkeit - Live Tracking - Stromverbrauch + Mobilfunknetz Grosses Gebiet + Kosten - Netzabdeckung - Stromverbrauch - Eigenes Netz Kosten + Verfügbarkeit + Reichweite - Datenmenge - 10 ECC 2018

11 Systemdesign Voruntersuchungen Videoverfahren ungeeignet RFID Reichweite Offline Logger Gap in Übertragung Mobilfunk Abdeckung / Kosten Entscheide Positionsermittlung über GNSS Kommunikation mit LoRa Eigenes Netz mit zentralem Empfänger 11 ECC 2018

12 Systemdesign Datenübertragung mit LoRa Prototyp bis zu 255 Tracker (Beschränkung durch 8 bit ID) Skalierbarkeit (Anzahl vs. Datenrate vs. Reichweite) Position und Zeit über GNSS¹ Zentraler Empfänger 12 ¹: global navigation satellite system ECC 2018

13 LoRa Kommunikation Zu übertragende Informationen (Rohdaten) Bezeichnung Beschreibung Byte Bereich ID ID-Nummer Bat Ladezustand =~0-4.2V Log Logintervall 2 1s-18s Zeitstempel Uhrzeit 3 Erste Position Position Latitude und Longitude 8 Latitude Longitude Total ECC 2018

14 LoRa Kommunikation Aufbau der LoRa-Pakete Feld Bedeutung Byte GT Gerätetyp 2 ID ID-Nummer 1 Bat Spannung 1 Log Logintervall 2 t Uhrzeit 3 lat1 6 Latitudes 6 * 4 long1 6 Longitudes 6 * 4 Total 9-57 Redundanz für Zuverlässigkeit Jede Position doppelt übertragen Uhrzeitübertragung einmalig Rekonstruktion mittels Logintervall 14 ECC 2018

15 LoRa Kommunikation Frequenzband 868 MHz MHz Radio Interface Regulation RIR Nicht anwendungsspezifisch Sendeleistung bis 25 mw (14 dbm) Duty Cycle 1% 15 ECC 2018

16 LoRa Radio Konfiguration und Timing Konfigurationsmöglichkeiten des LoRa-Moduls 16 ECC 2018

17 LoRa Radio Konfiguration und Timing Time Division Multiple Access (TDMA) Zeitschlitz für jedes Tracker Device abhängig von ID Zeitsynchronisation über GNSS Bidirektionale Kommunikation Anzahl Tracker Devices abhängig von TDMA Konfiguration Diese Konfiguration: 75 Tracker 17 ECC 2018

18 Aufbau und Funktion Tracker Device Positionsermittlung alle 3s Datenübertragung alle 9 Sekunden Laufzeit Akku ca. 16 h Basisstation Statusinformationen Zieleinlaufzeiten Grafische Darstellung Parametrierung Tracker 18 ECC 2018

19 Aufbau und Funktion Prototyp LoRa Modul mit uc Cortex M3 GNSS Modul Quectel L86-M33 Ladeschaltung mit Schaltregler LTC4080 von Linear Technology LiOn Battery 500 mah ECC

20 Energiebetrachtung LoRa Modul im880b-l Mode Strom bei 3.3V Idle Transmit Receive Low Power RTC ON Low Power RTC OFF 5 ma 90 ma ma 1.85 ua 0.8 ua Energie pro Stunde: 36 s 90 ma + 10 s 11.2 ma s 1.85 ua = ma s Durchschnittlicher Strom: ma s 3600 s = ma 20 ECC 2018

21 Energiebetrachtung Tracker Device Component Strom bei 3.3V GNSS module Quectel L86- M33 im880b-l LED LTC4080 Total 26 ma ma 2 ma 1.9 ma ma Battery Life Estimated battery life: 500 ma h ma = h 21 ECC 2018

22 Reichweite der Funkverbindung Theoretische Reichweite 15 km Gemessene Reichweite auf Wasser: ca. 2,6 km Erweiterung der Reichweite mit weiteren Empfängern möglich 22 ECC 2018

23 Erkennung des Zieleinlaufs Zuverlässige Erkennung von Checkpoints / Start / Ziel Tracker Devices installiert bei jedem Teilnehmer an beiden Enden einer Linie Berechnung der Zeit Interpolation zwischen den ermittelten Positionen Teilnehmer 23 ECC 2018

24 Tests an Events Live-Test an einer Regatta Vor dem Auslaufen Start Verlauf im Konstanzer Trichter 24 ECC 2018

25 Erkennung des Zieleinlaufs Ergebnisse Alle Schiffe erfasst Differenzen zur manuell notierten Zeit < 1s Zieleinlaufprotokoll (GMT) object: 1,Time: :54:04 object: 2,Time: :47:29 object: 3,Time: :54:03 object: 4,Time: :55:02 object: 5,Time: :49:55 object: 6,Time: :54:27 object: 7,Time: :29:56 object: 8,Time: :51:57 25 ECC 2018

26 Zusammenfassung Fähigkeiten des Systems Lückenlose Dokumentation des Zieleinlaufs Erkennung von Frühstarts Dokumentation Bahnverlauf und Checkpoints Weitere Benefits Google Maps Overlay Live-Beobachtung Verbesserungspotential Reduktion Datenmenge Stromverbrauch 26 ECC 2018

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: ZHAW Zurich University of Applied Sciences Institute of Embedded Systems Prof. Dr. Juan-Mario Gruber Tel: +41 (0) ECC 2018