Как модули UWB обеспечивают высокоточные системы позиционирования внутри помещений

Внутри помещения сигналы GPS наталкиваются на препятствие. Они быстро затухают, делая обычные инструменты позиционирования бесполезными. Для отраслей, где важна точность, это не просто проблема; это снижает производительность и повышает риски безопасности. Bluetooth 5.1+ и Wi-Fi 6 достаточно хороши для общего зонирования, но они не могут обеспечить сантиметровую точность, необходимую для промышленной автоматизации. Именно здесь на помощь приходит сверхширокополосная  (UWB) технология, которая является практичным решением для промышленных сред.

Модули UWB позволяют системам определения местоположения в реальном времени (RTLS) достигать сантиметровых стандартов. Отслеживание UWB обеспечивает реальную точность, которую можно использовать для повышения эффективности маршрутов погрузчиков на складе или обеспечения безопасности работников в опасных зонах, таких как шахты. Давайте рассмотрим инженерные решения этих модулей и выясним, почему они намного лучше других беспроводных технологий.

Что такое UWB-модуль?

Модуль UWB является основным аппаратным обеспечением для определения расстояния и позиционирования. Он работает, посылая сверхкороткие беспроводные импульсы длительностью всего 1 наносекунду (время, необходимое свету для прохождения 30 сантиметров), а система рассчитывает время распространения сигнала для достижения сантиметровой точности определения расстояния между устройствами.

В системах позиционирования на заводах и складах он устанавливается в устройствах двух типов: UWB-метках, которые носят работники или крепят к оборудованию, и UWB-анкерах, устанавливаемых в углах помещений или на стенах. Например, модуль UWB650Pro от G-NiceRF меньше банковской карты и содержит всё необходимое аппаратное и базовое программное обеспечение. Это позволяет инженерам быстро создавать системы позиционирования, экономя время на разработку схем.

(Размер UWB650Pro 30,10 мм × 20,00 мм, Источник: Официальный технический паспорт UWB650Pro G-NiceRF v1.0)

Как технология UWB определяет расстояние

Модули UWB выполняют функции измерения расстояния путем измерения времени прохождения радиосигналов.

Время пролета (ToF)

Система отслеживает время прохождения сигнала от UWB-метки до UWB-якоря. Поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, эта разница во времени равна расстоянию. Согласно стандарту IEEE 802.15.4z  , длительность UWB-импульса составляет всего 2 наносекунды. Это короткое время очень важно, поскольку позволяет системе сохранять точность до сантиметра в сложных промышленных условиях и отличать прямой сигнал от отраженного от стены (эффект многолучевого распространения).

TDoA и аппаратные стандарты

Разница во времени прибытия (TDoA)  — распространённый способ отслеживания движущихся объектов в сверхширокополосных системах. Система выполняет не просто одно измерение, а сравнивает моменты достижения сигналом нескольких опорных точек для определения местоположения метки. Стандарт IEEE 802.15.4z-2020  обеспечивает совместную работу устройств разных производителей. Он также отвечает требованиям промышленного Интернета вещей к безопасности (например, шифрованию AES128  ) и низкому энергопотреблению.

UWB против Bluetooth против Wi-Fi

Ваш выбор сводится к одному вопросу: нужна ли вам общая осведомленность или точное отслеживание?

Почему модули UWB для промышленности лучше

Потребительские гаджеты хороши для поиска ключей, но промышленные UWB-модули созданы для надежности.

Сетевое взаимодействие на больших расстояниях и в ячеистой сети

Стандартным беспроводным модулям не всегда легко поддерживать связь на больших расстояниях. В промышленных устройствах, таких как UWB650Pro  и UWB3000F27 , используются чип Qorvo DW3000, усилители высокой мощности (PA) и стабильные кварцевые резонаторы TCXO . Они обеспечивают мощность 27 дБм в зоне прямой видимости, и связь остаётся стабильной на расстоянии до 1 километра. UWB650Pro также работает с сетями MESH . Это означает, что модуль может работать как маршрутизатор и автоматически находить оптимальный маршрут для сети. Это огромная помощь в условиях открытых карьеров или крупных логистических парков, где невозможно установить везде опорные точки.

Высокая интеграция упрощает разработку

Разработка радиочастотного оборудования — сложная задача, требующая обширных знаний. Промышленные модули решают эту проблему, объединяя в одном корпусе сверхширокополосный чип, радиочастотный приёмопередатчик, систему управления питанием и защиту от электростатического разряда. Некоторые модули даже поставляются с микроконтроллером. Они используют стандартные интерфейсы UART для взаимодействия друг с другом, что позволяет разработчикам запускать сверхширокополосное измерение дальности или отправлять данные простыми командами.

Конструкция с низким энергопотреблением

Метка на каске рабочего должна служить долго. Очень важно следить за энергопотреблением UWB. UWB3000F00  и другие специализированные маломощные модули потребляют всего 1 мкА в режиме глубокого сна. Это означает, что обычной батарейки CR2032 хватит для питания персонального трекера на 6–12 месяцев, что позволит значительно реже проводить техническое обслуживание.

Борьба с вмешательством

Фабрики — места с высоким уровнем радиочастот, особенно в диапазоне 2,4 ГГц. UWB решает эту проблему, работая на частоте 6,5 ГГц (канал 5) или 8 ГГц (канал 9) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4z. Помимо использования более чистой частоты, модули, такие как UWB650Pro, используют такие механизмы, как подтверждение ACK и оценка чистоты канала (CCA), для обеспечения надёжной передачи данных слежения.

Приложения в реальном мире

Логистика для складов

Знать, что паллета находится «на складе», недостаточно. Менеджерам необходимо точно знать, на какой полке и в каком проходе она находится. Решения UWB RTLS предоставляют координаты с точностью до 10 см. Такой уровень точности позволяет автоматизировать управление запасами и предотвращает столкновения погрузчиков, что значительно снижает количество ошибок, связанных с человеческим фактором.

Безопасность для шахтеров

Сигналы плохо работают в подземных шахтах. UWB650Pro с большим радиусом действия позволяет общаться с людьми на расстоянии более 1 км, даже в районах со сложной геологией. В этом диапазоне требуется меньше якорей, что снижает затраты. Система отслеживает шахтёров в режиме реального времени, поэтому в случае возникновения непредвиденных обстоятельств спасатели точно знают, куда направиться.

Поток пациентов в больнице

UWB используется в больницах для отслеживания как пациентов, так и оборудования. Метки с очень низким энергопотреблением, например, на инвалидных колясках или браслетах (потребление тока <1 мкА), отслеживают, сколько времени пациенты проводят в отделении сортировки или на лечении. Эта информация показывает, где возникли проблемы, например, затор в смотровой, что позволяет администраторам быстро менять количество персонала и оборудования, сокращая время ожидания.

Полная поддержка решений

G-NiceRF  предлагает полную поддержку от интеграции основных UWB-чипов до терминальных приложений, включая разработку помехоустойчивых антенн, сетевые решения, соответствующие стандарту IEEE 802.15.4z, и функции обновления OTA промышленного уровня, помогая заказчикам создавать стабильные системы слежения UWB.

Вопросы и ответы

На какое расстояние UWB может передавать сообщения?

Стандартные модули обычно работают на расстоянии от 50 до 100 метров. Но промышленные версии с усилителями мощности, такие как UWB650Pro, могут достигать дальности более 1 километра на открытых пространствах, что делает их идеальным решением для больших площадок внутри и снаружи помещений.

Может ли сверхширокополосный сигнал проходить сквозь стены?

Не совсем. Частота сверхширокополосного сигнала высокая, поэтому он плохо проникает сквозь препятствия. Он может проходить через дерево и стекло, но не через кирпич или бетон. Всегда размещайте базовые станции высоко, чтобы их было хорошо видно.

Это дорого?

Цены снижаются. Когда речь идёт о промышленных решениях, модульный подход — размещение основных модулей в специальных метках и якорях — обычно дешевле, чем покупка готового потребительского оборудования.

В заключение

Высокоточное позиционирование внутри помещений — уже не просто приятное дополнение; для многих отраслей это необходимость. Системы UWB могут работать как на открытых пространствах, так и на сложных заводах, поскольку обеспечивают точность до сантиметра и обеспечивают связь на больших расстояниях. UWB — лучший выбор для таких важных задач, как обеспечение безопасности шахт и отслеживание активов, по сравнению со старыми технологиями.

При развертывании нельзя ориентироваться только на характеристики, такие как время работы от аккумулятора. Подумайте о том, насколько устойчиво устройство в вашей среде, насколько оно устойчиво к воздействию тепла и пыли и насколько хорошо работает с вашими текущими системами. Всегда стоит потратить время на полевые испытания, чтобы выявить проблемы на ранней стадии.