UbicaT: Tecnología incluyente para invidentes

Irsa Yuliana Valencia Valencia Universidad de Colima – Av.

Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México

Irsa_yuliana@ucol.mx

Juan Antonio Guerrero Ibáñez Universidad de Colima – Av.

Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México

antonio_guerrero@ucol.mx

Erika Margarita Ramos Michel Universidad de Colima – Av.

Universidad #333, Las Víboras, Colima, Colima, 28040. México

ramem@ucol.mx

RESUMEN

En este artículo se presenta UbicaT, un sistema híbrido que

utiliza tecnologías inalámbricas Wi-Fi y GPS con el fin de

ayudar a los invidentes a conocer su posición. UbicaT se

adapta a las personas invidentes y al entorno para ser

funcional, ya que está sustentado en el uso de la

infraestructura de red inalámbrica existente dentro de un

área delimitada para facilitarles a los invidentes un medio

para conocer su posición dentro de un área establecida.

Los resultados obtenidos hasta el momento muestran una

precisión en la posición lo suficientemente aceptable, al

haberse presentado tan sólo variaciones de 1 a 5 metros al

momento de localizar al invidente, y que son menores en

comparación con el tamaño de los edificios y a las que se

obtendrían si se usara la tecnología de GPS, con la cual, el

rango de variación característico es entre 8 y 20 metros. A

partir de pruebas comparativas de posicionamiento

realizadas entre UbicaT y GPS, se comprueba que el

primero tiene una exactitud mejor en promedio a un 70%

que utilizando GPS.

Palabras Clave

Invidentes, Wi-Fi, GPS, Posicionamiento.

I.- INTRODUCCIÓN

La movilidad es un factor importante para la sociedad ya

que le permite desenvolverse y desarrollar sus actividades .

Esta movilidad es parte de toda la estructura social, y debe

de incluirse a toda persona desee realizar sus actividades

independientemente. Dentro de este paradigma, las

personas con capacidades diferentes deben de ser incluidas

ya que ellos tienes los mismos derechos que cualquier

individuo que integra la sociedad.

Por lo anterior, la tecnología tiene que adaptarse para

satisfacer las necesidades de movilidad a las personas, en el

caso específico de las personas invidentes , darles la

oportunidad de desarrollar cualquier actividad sin depender

de alguna persona auxiliar.

La Universidad de Colima, en un esfuerzo por integrar a las

personas con discapacidades a la comunidad universitaria,

se preocupa por contar con instalaciones que cubran sus

necesidades implementando rampas, etiquetas braille y

puertas automáticas, entre otras facilidades. Sin embargo,

esto no es aún suficiente para evitar que estudiantes

invidentes se confundan y pierdan en las instalaciones del

campus ya que no siempre cuentan con un guía.

Como complemento al esfuerzo realizado hasta la fecha, se

propone UbicaT, un sistema de posicionamiento basado en

tecnologías inalámbricas, con el objeto de brindar

autonomía a los invidentes para desplazarse dentro del

campus universitario.

UbicaT utiliza la tecnología Wi-Fi (Wireless Fidelity) para

posicionar a los usuarios dentro del campus. Esta tecnología

se encuentra implementada dentro de las instalaciones con

puntos de acceso ubicados estratégicamente para

proporcionar cobertura en la mayoría de zonas del campus

central universitario.

La figura 1 muestra una representación de las áreas de

cobertura de los diferentes puntos de acceso implementados

dentro del campus universitario.

Figura 1: Mapa de los puntos de acceso Wi-Fi del campus central de la UdC [1].

UbicaT explota esta tecnología mediante el uso de la

intensidad de señal para posicionar a un objeto que se

encuentra dentro del área de cobertura y cuenta con una

interfaz de comunicación adecuada. Además, para tener

mayor exactitud en el proceso de posicionamiento, se

incorpora la tecnología GPS (Global Position System) como

complemento al sistema de posicionamiento de UbicaT.

El sistema UbicaT se desarrolló para el sistema operativo

Android y hace uso de dispositivos móviles (PDA o

teléfonos celulares) para presentar una interfaz simple que

permite a las personas invidentes orientarse mediante

mensajes de audio de acuerdo a su ubicación en el campus.

El resto del artículo se estructura de la siguiente forma. En

la sección II se presenta una descripción general de algunos

sistemas de posicionamiento de objetos basados en

tecnologías inalámbricas. Una descripción detallada del

sistema UbicaT se presenta en la sección III. En la sección

IV se presentan algunos resultados preliminares de

desempeño del sistema UbicaT. El cierre del artículo con

las conclusiones y trabajo futuro se presenta en la sección

V.

II. - TRABAJO RELACIONADO

En los últimos años se han realizado investigaciones sobre

sistemas y mecanismos de posicionamiento de objetos o

personas cuyos resultados se tienen documentados en la

literatura. A continuación se tratan algunos sistemas que

utilizan las tecnologías de Wi-Fi y GPS para el

posicionamiento en ambientes urbanos y exteriores,

utilizando infraestructura de red existente.

En [2] Zirari et al. Presentan un sistema híbrido para

posicionamiento en exteriores. Utilizando tecnologías Wi-Fi

y GPS para ofrecer disminuir errores en el

posicionamiento. El algoritmo propuesto simula y emula un

escenario real de la posición. Los datos de la simulación

mostraron que la precisión es menor a 100 metros en el

caso de tener dos satélites GPS y dos puntos de acceso Wi-

Fi, y se comparó con la tecnología GPS en solitario con una

precisión de 253 metros. Por lo anterior, los autores

concluyen que en la simulación este sistema híbrido mejora

la posición.

Por otro lado Tan et al. Trabajaron en un método para hacer

determinar con el posicionamiento Wi-Fi en ciudades

usando como apoyo dos satélites GPS TDOA (Time

Difference of Arrival). Este método no afecta el

posicionamiento Wi-Fi ya que primero se basa en el

resultado de esta tecnología y después se utiliza GPS para

determinar el mapa a utilizar y refinar con ello la posición.

Los resultados de su investigación muestran que la

integración de ambas tecnologías puede mejorar la

precisión hasta en un 56%. Por lo tanto, los autores

concluyen que este método puede utilizarse como un

sistema de posicionamiento preciso para ciudades o

exteriores utilizando Wi-Fi [3].

En [4] el autor propone que para mejorar la exactitud del

GPS exteriores, se puede agregar el Wi-Fi, que actualmente

no se utiliza para el posicionamiento en exteriores. El autor

hace énfasis en utilizar los puntos de acceso públicos

existentes para precisar la posición en tiempo real cuando

el GPS no tenga suficiente exactitud. El autor concluye que

efectivamente se puede mejorar la posición utilizando Wi-

Fi cuando el GPS falla.

Tomando como base las consideraciones y demostraciones

realizadas por los autores en los trabajos presentados

anteriormente, se desarrolló UbicaT como una herramienta

complementaria a los esfuerzos que en la Universidad de

Colima se han estado haciendo con el objetivo de integrar a

las personas con capacidades diferentes a la comunidad

universitaria.

III. - DESARROLLO

En esta sección explicaremos a detalle al sistema UbicaT.

La figura 2 muestra la arquitectura lógica que conforma

UbicaT. Como se puede apreciar en la figura, la

arquitectura se basa en la definición de tres planos: de

aplicación, de control y de recolección. A continuación se

explican en forma general las funciones de cada uno de los

planos definidos dentro de la arquitectura de UbicaT.

Figura 2: Arquitectura de UbicaT.

Plano de aplicación

UbicaT es un sistema basado en tecnología asistiva, por lo

cual se debe adaptar la tecnología existente para que sea

usable por invidentes. Se implementa en un dispositivo

Motorola Defy con sistema operativo Android, el cual se

adapta con un lector de pantalla que describe el texto que

aparece en pantalla y el botón que se presiona.

Ya que el dispositivo está configurado y adaptado para

interactuar con invidentes, éste cuenta con la configuración

de que presionando alguno de los botones laterales , se

ejecuta UbicaT. La aplicación se activa presionando

cualquier parte de la pantalla, de esta forma el invidente

puede encenderla y apagarla fácilmente cuando así lo

requiera.

Al ser un sistema diseñado para invidentes , la interfaz

gráfica queda de lado, ya que la interacción del invidente es

por audio, una vez que el sistema identifica la ubicación, se

le informa al usuario mediante un mensaje de audio, que se

genera a través de la API de Android llamada

TextToSpeach que convierte el texto de la posición

almacenado en el repositorio de información en un audio.

Plano de recolección

En cuanto UbicaT se activa en el dispositivo móvil, el plano

de recolección comienza a obtener la información

relacionada a las diferentes señales Wi-Fi que se encuentran

dentro del entorno del usuario y activa el GPS.

El plano de recolección contiene un módulo cuyas

funciones son sensar la zona y analizar las señales que

recibe cada 5 segundos y decidir si una señal se encuentra

en el rango de intensidad. Para que el sistema considere una

señal debe de estar al menos en -95dB, nivel con el que la

señal puede leerse por el sensor aunque no necesariamente

para conectarse [5]. Una consideración para el desarrollo de

UbicaT fue considerar que el escenario donde se plantea su

uso, contiene puntos de acceso dispersos y todos llamados

“WUCOL”. Por lo tanto, uno de los problemas a los que

nos enfrentamos era que no podíamos utilizar el nombre de

los puntos de acceso para identificarlos y tenerlos como

referencia en nuestro sistema. Por lo anterior, para

identificarlos, se consideró utilizar la información de su

dirección MAC (Media Access Control) como el

identificador único.

Cada que el módulo de sensado detecta una señal Wi-Fi

mayor o igual a -95dB, envía la información de MAC y

coordenadas GPS al plano de control para verificarse y

validarse.

Plano de control

El plano de control es responsable de hacer los cálculos

pertinentes para validar los datos recibidos por parte del

plano de recolección y calcular la posición. El plano de

control está compuesto por tres elementos esenciales: el

módulo de validación, el repositorio de información y un

módulo de selección. Estos elementos se explican en forma

general a continuación.

Módulo de validación

Cada vez que el módulo de sensado envía la información al

plano de control, ésta se recibí por el módulo de validación.

Este módulo toma la información, y comprueba dentro del

repositorio de información que el paquete de datos (MAC,

la intensidad de señal obtenida en dB y las coordenadas

GPS latitud y longitud) esté registrado dentro de la base de

datos. Si esta información se encuentra en la base datos , se

envía dicho paquete incluyéndose el radio de la Geo-Cerca

al módulo de selección en donde se aplica el algoritmo de

posicionamiento definido. En caso de que algún valor, ya

sea MAC o GPS no coincidan con lo que se tiene

almacenado, se rechaza la información.

Repositorio de información

El repositorio de información es el lugar donde se

almacenan los registros de los datos de los diferentes puntos

de acceso que conforman la red inalámbrica universitaria,

así como las Geo-Cercas y las coordenadas GPS.

Para elaborar la base datos se tuvieron que hacer

mediciones de intensidad de señal. Se consideraron las

partes periféricas de los edificios, y durante diferentes días,

se hicieron pruebas en horas pico, es decir, en las que se

concentraba la mayoría de los estudiantes, de 8:00 am a

2:00 pm, teniéndose así las intensidades de señal más bajas

o incluso nulas, que podrían poner en riesgo la veracidad de

posicionamiento de nuestro sistema híbrido y probándose

así su robustez en exteriores. Los niveles de señal

fluctuaron, siendo inferiores a 20db de diferencia entre la

medida mayor y la menor, y los resultados obtenidos fueron

positivos, la mayor diferencia recolectada fue de 14db.

De igual manera, de los datos GPS obtenidos se crearon las

geo-cercas. La Geo-Cerca es una forma de posicionamiento

utilizando GPS la cual define un perímetro virtual de un

área geográfica en el mundo real [6]. El tamaño de las Geo-

Cercas se estableció dependiendo del tamaño del frente del

edificio, variando entre 5-11 metros de radio y se almacenó

en la base de datos.

La base de datos está en formato XML (siglas en inglés de

eXtensible Markup Language), eligiéndose éste debido a

que es extensible, pues permite agregar nuevas etiquetas

después de diseñado sin ningún problema. La base de datos

se carga dentro de la aplicación, e incluye los datos

esenciales para posicionar, así como las indicaciones que

tiene que informar al usuario. A continuación se muestra un

fragmento de la base de datos:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<accessPoints>

<ap>

<locationName>ptelematicai</locationName>

<macAddress>00:23:6c:88:d3:08</macAddress>

<promSignalLevel>-90</promSignalLevel>

<lat>19.248851</lat>

<lon>-103.698159</lon>

<radio>10</radio>

<textToSpeechSpa>Posgrado Telemática

lado izquierdo</textToSpeechSpa>

</ap>

</accessPoints>

A continuación se describen las etiquetas utilizadas en el

programa:

locationName: identificador único del lugar donde se va a

posicionar.

macAddress: almacena la dirección MAC de los puntos de

acceso.

promSignalLevel: contiene la intensidad de señal

promedio obtenido de las medidas mínimas y máximas

recolectadas durante la validación de datos.

lat: latitud obtenida.

lon: longitud obtenida.

radio: incluye un radio en metros de la Geo-Cerca a partir

del punto central. Con esta circunferencia se cubre cubre la

zona del edifico a posicionar.

textToSpeachSpa: incluye la indicación en forma de audio

que informará a los invidentes sobre su posición.

Módulo de selección

Dentro del módulo de selección se desarrolló un algoritmo

que permite calcular la ubicación del usuario, la figura 3

muestra el diagrama de flujo del funcionamiento del algoritmo.

Figura 3: Diagrama de flujo del algoritmo de posicionamiento.

El algoritmo de posicionamiento se basa en el método

conocido como Fingerprinting, que consiste en la

elaboración de sistemas de mapas de coordenadas

desarrollados a partir de los datos de la intensidad de señal

que se recolecta de cada uno de los puntos de acceso que

conforman la red inalámbrica disponible en el entorno de

movilidad del usuario. Este método tiene mayor nivel de

exactitud cuando se tienen más de 4 lecturas de puntos de

acceso, además, este método solamente se ha utilizado en

interiores [5]. Debido a que en exteriores la ubicación de

los diferentes puntos de acceso es muy distante, es

verdaderamente difícil tener coberturas de cuatro o más

puntos de acceso con niveles de señales mayores a -85dB.

Por lo anterior, UbicaT utiliza lo mejor del método

fingerprinting (manejo de bases de datos, mediciones de

intensidad de señal) y lo complementa con la tecnología

GPS como un coadyuvante para incrementar la precisión

de nuestra posición en exteriores.

El funcionamiento del algoritmo está cimentado en el

repositorio de información, ya que todos los puntos de

acceso que se encuentren en la base de datos serán

evaluados y utilizados, aquellos puntos de acceso que no se

encuentren en el repositorio de información serán

ignorados. Por lo anterior, UbicaT puede usarse en

diferentes zonas, siempre y cuando se elabore el repositorio

pertinente, dándole así la característica de flexibilidad y

portabilidad. Es importante mencionar que el repositorio de

información debe actualizarse en caso de que algún punto

de acceso sea reemplazado, el cambio de nombre del punto

de acceso, no afectará el funcionamiento de UbicaT.

IV. - EVALUACIÓN Y RESULTADOS

En esta sección describimos las pruebas de evaluación entre

UbicaT y el posicionamiento por GPS, así mismo,

presentamos los resultados obtenidos.

Escenario de evaluación

Las pruebas de evaluación de UbicaT se realizaron dentro

de algunas zonas del campus central de la Universidad de

Colima. La figura 4 muestra un mapa con la ubicación de

las zonas de prueba, así como ilustra el perímetro de las

geo-cercas y los puntos centrales de donde se realizaron las

mediciones de posicionamiento.

Figura 4: Imagen de 2 edificios con Geo-Cercas de la

Universidad de Colima, Delegación #3

F. Telemática

Posgrado FT

BD Monitorear Wi-Fi

Iniciar Wi-Fi

y GPS

Buscar MAC

y RSSI

¿Se detectó

Wi-Fi?

¿En la BD

se encontraron

MAC y RSSI?

Obtener

Coordenadas GPS

No

Sí

No

Inicio

Fin

Sí

¿Coordenadas

dentro de la

Geo-Cerca?

Dar ubicación

No

Sí

Buscar

Coordenadas GPS

La evaluación se llevó a cabo durante cinco días, se

definieron 3 horarios para recolección de datos de recepción

de señales por parte de las diferentes tecnologías utilizadas .

Los horarios definidos fueron las 8:00, 14:00 y 20:00

horas. La selección de dichos horarios fue con el propósito

de considerar diferentes niveles de demanda de uso de

servicio inalámbrico dentro del campus , y cómo esto afecta

el desempeño de UbicaT.

Para las pruebas se hicieron recorridos por las zonas

identificadas con el objetivo de validar el funcionamiento

del cálculo del posicionamiento y establecer su precisión.

Además se evaluó la exactitud de uso exclusivo de GPS

como herramienta de posicionamiento. Con estos datos se

realizó un comparativo entre la tecnología GPS y UbicaT

con respecto a la exactitud de posicionamiento de las dos

tecnologías.

Resultados preliminares obtenidos

Para comparar los resultados de UbicaT se evaluaron las

coordenadas GPS obtenidas con el celular para analizar su

exactitud. Cabe mencionar que la calidad de la señal GPS

varía de acuerdo a las condiciones climáticas y

atmosféricas, los edificios existentes y la precisión que

tenga el GPS incluido en el dispositivo. Además, la

precisión del sistema GPS está condicionada a la cantidad

de satélites a los que se conecte el dispositivo para obtener

su posición [7]. La figura 5 muestra los resultados de la

evaluación de la exactitud de la precisión promedio de

posicionamiento obtenidos mediante la tecnología GPS.

Figura 5: Exactitud en metros de la posición utilizando GPS.

Los resultados obtenidos de las mediciones de uso de GPS

para posicionamiento mostraron que esta tecnología tiene

un rango de error de 8 a 22 metros de precisión a partir del

punto central de medición, por lo cual un invidente no

puede saber su posición exacta en las regiones donde se

probó el sistema con un margen de error de ±22 metros en

promedio de los resultados de los cinco días de prueba.

La figura 6 muestra los resultados de rangos de precisión

media obtenidos por UbicaT de las zonas de prueba y la

distancia en metros del punto central de la geo-cerca.

Figura 6: Exactitud en metros de la posición utilizando UbicaT.

Los resultados de las pruebas mostraron que el algoritmo

utilizado en UbicaT puede posicionar en un rango de 1 a 5

metros de precisión a partir del punto central de la geo-

cerca, por lo cual un invidente puede saber su posición en

las regiones donde se probó el sistema con un margen de

error de ±5 metros en promedio de los resultados de los

cinco días de prueba.

La tabla 1 nos muestra una comparativa en porcentajes, de

acuerdo a la exactitud en metros que mostraron UbicaT y

GPS, de esta forma podemos observar una mejora de hasta

un 88% en algunos edificios de nuestro sistema.

Edificios Método 08:00 14:00 20:00

% de exactitud

con

UbicaT

Frente de la

FT

GPS 10 13 9 66%

mejor UbicaT 3 5 4

Tras de la

FT

GPS 12 11 8 60%

mejor UbicaT 4 5 3

Lado

izquierdo

posgrado

FT

GPS 17 15 15 78%

Mejor UbicaT 2 3 2

Lado derecho

posgrado

FT

GPS 19 22 21 88%

Mejor UbicaT 1 2 2

Tabla 1: tabla comparativa de las evaluaciones de UbicaT y GPS.

CONCLUSIONES

UbicaT, es un sistema incluyente, híbrido que utiliza

tecnologías Wi-Fi y GPS y que tiene como propósito

ayudar a que los invidentes se ubiquen dentro del campus

universitario, es decir, facilitarles a tener autonomía de

desplazamiento y posicionamiento.

Los resultados obtenidos muestran que este sistema es

capaz de posicionar a un invidente en un rango no mayor a

5 metros a la redonda de una Geo-Cerca. Por lo anterior,

mostramos que nuestro sistema es una herramienta de

apoyo importante para la orientación de las personas con

discapacidad visual, que muestra con respecto a la

tecnología GPS mejores resultados de posicionamiento, ya

que ésta última presenta rangos de variación en la posición,

que van de los 8 a los 20 metros.

Además, otra de las ventajas de UbicaT es que hace uso de

la infraestructura existente en el campus, por lo que se

considera una solución factible al no requerir

implementación de equipos adicionales.

Como trabajo futuro se pretende mejorar la exactitud de

UbicaT y agregar más funcionalidades como avisos

indicando que hay caminos cerrados por construcción, por

ejemplo. De igual manera se realizará una evaluación de

usabilidad, ya que por ahora sólo se ha probado la

funcionalidad del algoritmo y no se han realizado pruebas

con los usuarios finales.

REFERENCIAS

1. Guzmán, K., Red Inalámbrica de la Universidad de

Colima. Dirección General de Servicios Telematícos,

2012.

2. Zirari, S., P. Canalda, and F. Spies, WiFi GPS based Combined positioning Algorithm. Wireless

Communications, Networking and Information Security

(WCNIS), 2010.

3. Tan, Y.K. and A.G. Dempster, Using two global

positioning system satellites to improve wireless fidelity positioning accuracy in urban canyons. IET

Communications, 2011.

4. Mok, E., Using outdoor public WiFi and GPS integrated

method for position updating of knowledge-based

logistics system in dense high rise urban environments. Supply Chain Management and Information Systems

(SCMIS), 2010.

5. Barend, K., Wiereless campus LBS: A Test Bed for WiFi

Positioning and Location Based Services. Cartography

and Geographic Information Science, 2007: p. 285-292. 6. LaMarca, A. and E. de Lara, Location Systems: An

Introduction to the Technology Behind Location

Awareness2008, Synthesis Lectures on Mobile and

Pervasive Computing: Morgan & Claypool.

7. Yeh, S.-C., et al., A Study on Outdoor Positioning Technology Using GPS and WiFi Networks, in IEEE

International Conference on Networking, Sensing and

Control2009, IEEE: Japon.