Когда вы заходите внутрь, сигналы GPS наталкиваются на преграду. Они быстро затухают, делая обычные инструменты позиционирования бесполезными. Для отраслей, зависящих от точности, 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 точность на уровне сантиметра, необходимую для промышленной автоматизации. Именно здесь сверхширокополосная технология (UWB) выступает в качестве практичного решения для промышленных сред.

Модули UWB позволяют системам определения местоположения в реальном времени (RTLS) достигать стандартов сантиметровой точности. Отслеживание UWB дает вам реальную точность, которую можно использовать для повышения эффективности маршрутов вилочных погрузчиков на складе или для обеспечения безопасности работников в опасных зонах, таких как шахты. Давайте рассмотрим технические аспекты этих модулей и увидим, почему они настолько превосходят другие беспроводные технологии.

Что такое модуль UWB?

Модуль UWB — это основное аппаратное обеспечение для определения дальности и позиционирования. Он работает путем отправки сверхкоротких беспроводных импульсов, длящихся всего $1$ наносекунду (время, за которое свет проходит $30$ сантиметров), а система вычисляет время пролета сигнала для достижения сантиметровой точности определения дальности между устройствами.

В системах позиционирования на фабриках и складах он устанавливается в два типа устройств: один — это UWB метка (Tag), которую носят работники или прикрепляют к оборудованию, а другой — это UWB якорь (Anchor), установленный по углам комнат или на стенах. Например, модуль UWB650Pro от G-NiceRF меньше банковской карты и содержит все необходимое аппаратное и базовое программное обеспечение. Это позволяет инженерам быстро создавать системы позиционирования, экономя время на разработку схем.

(Размер UWB650Pro $30.10 \text{мм} \times 20.00 \text{мм}$, Источник: Официальный технический паспорт UWB650Pro v$1.0$ G-NiceRF)

Как технология UWB определяет расстояние

Модули UWB выполняют функции измерения дальности путем измерения времени пролета радиосигналов.

Время пролета (ToF)

Система отслеживает, сколько времени требуется сигналу, чтобы дойти от UWB метки до UWB якоря. Поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, эта разница во времени эквивалентна расстоянию. Согласно стандарту IEEE $802.15.4\text{z}$, импульсы UWB имеют длину всего $2$ наносекунды. Это короткое время очень важно, потому что оно позволяет системе сохранять сантиметровую точность в сложных промышленных условиях и помогает ей различать прямой сигнал и сигнал, отраженный от стены (эффект многолучевого распространения).

TDoA и аппаратные стандарты

Разница во времени прихода (TDoA) — это распространенный способ отслеживания движущихся объектов в системах UWB. Он не ограничивается одним измерением; он сравнивает время, когда сигнал достигает нескольких якорей, чтобы найти местоположение метки. Стандарт IEEE $802.15.4\text{z}-2020$ гарантирует, что устройства от разных компаний хорошо работают вместе. Он также отвечает потребностям промышленного Интернета вещей в области безопасности (например, шифрование AES128) и низкого энергопотребления.

Модуль UWB против Bluetooth против Wi-Fi

Ваш выбор сводится к одному вопросу: вам нужно общее представление или точное отслеживание?

Почему модули UWB лучше для промышленности

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

Сеть на большие расстояния и в ячеистой топологии

Стандартным беспроводным модулям не всегда легко оставаться на связи на больших расстояниях. Чип Qorvo DW3000, усилители высокой мощности (PA) и стабильные кварцевые генераторы TCXO используются в промышленных устройствах, таких как UWB650Pro и UWB3000F27. Они выдают мощность $27$ дБм по прямой видимости, и связь остается сильной на расстоянии $1$ километра. UWB650Pro также работает с MESH-сетями. Это означает, что модуль может работать как маршрутизатор и автоматически находить лучший маршрут для сети. Это огромное подспорье в карьерах открытого типа или огромных логистических парках, где невозможно разместить якоря повсюду.

Высокая степень интеграции упрощает разработку

Разработка радиочастотного оборудования сложна и требует больших знаний. Промышленные модули решают эту проблему, объединяя чип UWB, радиочастотный приемопередатчик, управление питанием и защиту от электростатического разряда в одном корпусе. Некоторые даже поставляются с микроконтроллером (MCU). Они используют стандартные интерфейсы UART для связи друг с другом, что означает, что разработчики могут начать определение дальности UWB или отправку данных с помощью простых команд.

Низкое энергопотребление

Для меток UWB с батарейным питанием контроль энергопотребления чрезвычайно важен. UWB3000F00 — это специальный модуль с низким энергопотреблением, с потреблением тока всего $1 \mu \text{A}$ в режиме глубокого сна. Это позволяет меткам для отслеживания персонала или активов непрерывно работать в течение $6–12$ месяцев от одной таблеточной батареи CR2032, значительно снижая частоту технического обслуживания.

Борьба с помехами

Фабрики — шумные места для радиоволн, особенно в диапазоне $2.4$ ГГц. UWB избегает этой проблемы, работая на частотах $6.5$ ГГц (Канал 5) или $8$ ГГц (Канал 9) в соответствии со стандартом IEEE $802.15.4\text{z}$. Помимо использования более чистой частоты, модули, такие как UWB650Pro, используют такие механизмы, как подтверждение ACK и оценка чистоты канала (CCA), для обеспечения надежной передачи данных отслеживания.

Применение в реальном мире

Логистика для складов

Знания о том, что поддон находится «на складе», недостаточно. Менеджерам нужно точно знать, на какой полке и в каком проходе он находится. Решения UWB RTLS предоставляют координаты с точностью до $10$ см. Такой уровень точности позволяет автоматизировать управление запасами и предотвращает столкновения вилочных погрузчиков, что значительно снижает человеческий фактор.

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. Вам нужно меньше якорей в этом диапазоне, что снижает затраты. Система следит за шахтерами в реальном времени, поэтому, если что-то пойдет не так, спасательные команды точно знают, куда идти.

Поток пациентов в больнице

UWB используется больницами для отслеживания как пациентов, так и оборудования. Метки, потребляющие очень мало энергии, такие как на инвалидных колясках или браслетах (спящие при $<1 \mu \text{A}$), отслеживают, сколько времени пациенты проводят в сортировке или лечении. Эта информация показывает, где возникают проблемы, например, затор в смотровом кабинете, чтобы администраторы могли быстро изменить количество персонала и оборудования для сокращения времени ожидания.

Полная поддержка решений

G-NiceRF предлагает полную поддержку от интеграции основных чипов UWB до терминальных приложений, включая конструкцию антенны с защитой от помех, сетевые решения, соответствующие стандарту IEEE $802.15.4\text{z}$, и функции промышленного класса OTA-обновления, помогая клиентам создавать стабильные системы отслеживания UWB.

Вопросы и ответы

Как далеко UWB может отправлять сообщения?

Стандартные модули обычно работают на расстоянии от $50$ до $100$ метров. Но промышленные версии с усилителями мощности, такие как UWB650Pro, могут достигать более $1$ километра на открытых пространствах, что делает их отличными для больших внутренних или наружных объектов.

Может ли UWB проходить сквозь стены?

На самом деле, нет. Частота UWB высокая, поэтому она не очень хорошо проходит сквозь предметы. Она может проходить сквозь дерево или стекло, но не сквозь кирпич или бетон. Всегда устанавливайте базовые станции высоко, чтобы обеспечить прямую видимость.

Это дорого?

Цены снижаются. Когда дело доходит до промышленных установок, модульный подход — размещение основных модулей в пользовательских метках и якорях — обычно дешевле, чем покупка уже готового потребительского оборудования.

В заключение

Высокоточное позиционирование внутри помещений — это уже не просто «приятная опция»; для многих отраслей это требование. Системы UWB могут работать как на открытых площадках, так и на сложных фабриках, поскольку они могут быть точными до сантиметра и достигать больших расстояний. UWB — лучший выбор для важных задач, таких как обеспечение безопасности шахт и отслеживание активов, по сравнению со старыми технологиями.

При развертывании нельзя просто смотреть на характеристики, такие как время автономной работы. Подумайте о том, насколько стабильно оборудование в вашей среде, насколько хорошо оно справляется с жарой и пылью и насколько хорошо оно работает с вашими текущими системами. Всегда стоит потратить время на полевые испытания, чтобы выявить проблемы на ранней стадии.

Продукты и закупки

1. Страница продукта G-NiceRF® UWB650PRO: https://www.nicerf.com/uwb/uwb650pro-uwb-module.html

2. Официальный сайт G-NiceRF®: https://www.nicerf.com/

3. Официальный магазин G-NiceRF® (AliExpress): https://www.aliexpress.com/item/1005008706907873.html