UWB技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)與智能家居的應(yīng)用
隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線通信在智能家居和工業(yè)應(yīng)用中扮演著越來(lái)越重要的角色。超寬帶(Ultra-Wideband, UWB)技術(shù)憑借其高精度定位、低功耗、低延遲和強(qiáng)抗干擾性,成為智能生活與自動(dòng)化應(yīng)用的重要支撐技術(shù)。從智能門鎖、無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng),到準(zhǔn)確設(shè)備跟蹤與室內(nèi)導(dǎo)航,UWB正在重塑我們與環(huán)境交互的方式。本文將為您探討UWB技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)與智能家居領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用,并介紹由Murata(村田制作所)所推出的新款UWB模塊的功能特性。
UWB技術(shù)的功能特性與優(yōu)勢(shì)
UWB是一種短距離無(wú)線通信技術(shù),使用低功率、高頻率的電磁波,并通過(guò)極寬的頻譜(通常超過(guò)500 MHz)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。UWB最早應(yīng)用于軍事雷達(dá)和通信,近年來(lái)大量應(yīng)用于準(zhǔn)確定位、無(wú)線傳感和效率較高的數(shù)據(jù)傳輸。
UWB采用超寬帶譜,帶寬通常超過(guò)500 MHz,提供高數(shù)據(jù)傳輸率和低干擾能力,其具備低功耗特性,UWB采用短脈沖技術(shù),功耗比傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)更低,適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。UWB并支持高精度定位,可通過(guò)飛行時(shí)間(ToF, Time of Flight)或到達(dá)角(AoA, Angle of Arrival)測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)10 cm級(jí)精度的定位。UWB的頻譜分布較廣,且功率密度低,不易受Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線技術(shù)干擾,且由于脈沖信號(hào)難以被攔截與解碼,UWB具備較強(qiáng)的安全性,適用于室內(nèi)導(dǎo)航、資產(chǎn)跟蹤、智能家居與自動(dòng)化控制。
UWB采用超寬帶傳輸,工作頻段范圍很大(如3.1GHz~10.6GHz),帶寬超過(guò)500 MHz,可確保高速低延遲數(shù)據(jù)傳輸,可應(yīng)用于短距離高清影音無(wú)線傳輸,如AR/VR設(shè)備的無(wú)線通信。
UWB使用低功率脈沖信號(hào)傳輸,適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用,如物聯(lián)網(wǎng)與穿戴式設(shè)備,其短脈沖特性使其在短距離內(nèi)能夠以較高的效率傳輸數(shù)據(jù)且不易受干擾,由于UWB信號(hào)功率非常低(通常低于-41.3 dBm/MHz),不易干擾其他無(wú)線技術(shù),如Wi-Fi和藍(lán)牙,在復(fù)雜環(huán)境(如工業(yè)場(chǎng)景或高密度通信區(qū)域)中仍能保持穩(wěn)定運(yùn)作,且由于UWB使用短脈沖和隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù),數(shù)據(jù)難以被攔截或竊聽(tīng),適合應(yīng)用于無(wú)鑰匙進(jìn)入、移動(dòng)支付等高安全性需求場(chǎng)景。
UWB應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V頗具發(fā)展?jié)摿?/strong>
UWB的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)寬廣,像是可用于高精度室內(nèi)定位,可用于智能工廠、倉(cāng)儲(chǔ)管理、醫(yī)療設(shè)施等,提供準(zhǔn)確的資產(chǎn)追蹤與人員定位,并可與RTLS(Real-Time Location System)技術(shù)結(jié)合,可用于安全監(jiān)控和自動(dòng)化管理。此外,UWB也可應(yīng)用于無(wú)鑰匙進(jìn)入與車輛應(yīng)用,像是Apple、Samsung等公司已將UWB應(yīng)用于手機(jī)與智能門禁系統(tǒng),可自動(dòng)解鎖汽車或智能家居,BMW、Audi等車廠也開(kāi)始采用UWB技術(shù)取代傳統(tǒng)RFID與藍(lán)牙開(kāi)鎖,提升安全性。
UWB技術(shù)也可用于智能設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,可支持效率較高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,適用于無(wú)線VR/AR裝置、高清影音傳輸?shù)葢?yīng)用,適用于穿戴式設(shè)備(如智能手表、智能眼鏡)進(jìn)行準(zhǔn)確的近場(chǎng)通信。UWB也可應(yīng)用于醫(yī)療與健康監(jiān)測(cè),可用于遠(yuǎn)程病患監(jiān)測(cè),通過(guò)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)傳感來(lái)分析健康狀況,通過(guò)UWB雷達(dá)技術(shù),可進(jìn)行心跳、呼吸率監(jiān)測(cè),無(wú)需穿戴額外傳感器。
在自動(dòng)化生產(chǎn)線與機(jī)器人系統(tǒng)中,UWB可提供準(zhǔn)確的定位信息,提升協(xié)作機(jī)器人(Cobot)的靈活性,像是在自動(dòng)叉車、AGV(Automated Guided Vehicles)與AMR(Autonomous Mobile Robots)應(yīng)用中,UWB可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的導(dǎo)航與避障。
UWB相較于Wi-Fi、Bluetooth(BLE)、RFID等其他無(wú)線技術(shù),其最高精度可達(dá)10 cm級(jí),主要應(yīng)用為準(zhǔn)確定位、無(wú)鑰匙解鎖,未來(lái)將可與5G和AIoT(人工智能物聯(lián)網(wǎng))結(jié)合,提升智能城市與智能家居應(yīng)用,或于車聯(lián)網(wǎng)(V2X)應(yīng)用中提升車輛之間的準(zhǔn)確通信與避障能力。此外,UWB還可拓展到更多消費(fèi)級(jí)應(yīng)用,如智能手機(jī)、電動(dòng)車無(wú)線鑰匙等領(lǐng)域。UWB技術(shù)因其高精度、低功耗與安全性,未來(lái)將在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,成為無(wú)線通信與定位技術(shù)的關(guān)鍵趨勢(shì)。
UWB技術(shù)所面對(duì)的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)
目前UWB芯片和模塊成本較高,相較于Wi-Fi和藍(lán)牙(BLE),UWB仍處于技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)推廣的初期,導(dǎo)致應(yīng)用成本較高,影響市場(chǎng)普及率。此外,雖然UWB比Wi-Fi功耗低,但相較于BLE仍然偏高,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(如智能家居傳感器)上可能會(huì)影響電池續(xù)航能力。
UWB技術(shù)雖然已被IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)化,但各廠商仍可能開(kāi)發(fā)不同的UWB解決方案,導(dǎo)致設(shè)備之間的兼容性問(wèn)題。目前FiRa(Fine Ranging)聯(lián)盟正在推動(dòng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),使不同品牌的UWB設(shè)備能夠互通,未來(lái)仍需更多業(yè)界合作來(lái)完善生態(tài)系統(tǒng)。
UWB的市場(chǎng)普及仍處于初期階段,目前主要應(yīng)用于高階手機(jī)(如iPhone、Samsung Galaxy)、汽車無(wú)鑰匙進(jìn)入(如BMW)、智能家居等領(lǐng)域,而中低端市場(chǎng)尚未大規(guī)模采用。物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域仍主要依賴Wi-Fi和BLE等成熟技術(shù),UWB的滲透率需要時(shí)間提升。
另一方面,UWB的有效傳輸距離約為10~50 m,雖然在室內(nèi)環(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯,但在廣域網(wǎng)應(yīng)用(如智能城市、大型工業(yè)場(chǎng)景)中,仍需與其他技術(shù)(如5G、Wi-Fi 6)搭配使用。此外,UWB技術(shù)使用3.1GHz-10.6GHz頻段,但各國(guó)對(duì)頻譜管理的政策不同,例如中國(guó)、歐洲、美國(guó)對(duì)UWB的頻段開(kāi)放程度不同,可能影響技術(shù)部署與應(yīng)用推廣。
隨著UWB芯片技術(shù)的進(jìn)步,未來(lái)將推出更低功耗、更小尺寸的UWB模塊,使其能夠更普遍地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)裝置,如智能門鎖、穿戴式設(shè)備、家用傳感器等,未來(lái)模塊成本有望降低,使其普及于中低端設(shè)備。且隨著FiRa聯(lián)盟正積極推動(dòng)UWB標(biāo)準(zhǔn)化,未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)不同品牌設(shè)備的互通。未來(lái),UWB將與其他無(wú)線技術(shù)(如Wi-Fi、BLE、5G)整合,形成更完善的物聯(lián)網(wǎng)與智能家居生態(tài)系統(tǒng),提升設(shè)備間的協(xié)同作業(yè)能力。
未來(lái)UWB應(yīng)用將更加寬廣,像是智能家居與無(wú)鑰匙進(jìn)入應(yīng)用將進(jìn)一步普及于智能門鎖、智能電視、智能音箱等家居產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的空間感知互動(dòng),結(jié)合AIoT,將可根據(jù)用戶位置自動(dòng)調(diào)整燈光、空調(diào)、音響等設(shè)備,提高智能家居體驗(yàn)。
UWB可應(yīng)用于室內(nèi)定位與資產(chǎn)追蹤,未來(lái)將大量應(yīng)用于醫(yī)院病患追蹤、倉(cāng)儲(chǔ)管理、工業(yè)資產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域,提升管理效率,并在企業(yè)級(jí)應(yīng)用迅速增長(zhǎng),例如機(jī)場(chǎng)行李追蹤、智能零售店內(nèi)導(dǎo)航、物流供應(yīng)鏈管理等場(chǎng)景,都將逐步導(dǎo)入U(xiǎn)WB技術(shù)。
未來(lái)透過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí),將可優(yōu)化UWB定位數(shù)據(jù),提升識(shí)別精度,適用于智能監(jiān)控與無(wú)人機(jī)導(dǎo)航,并可與5G互補(bǔ),在低功耗、高精度定位場(chǎng)景(如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能城市)發(fā)揮更大作用。
高度集成的低功耗UWB模塊
Murata針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推出了新版的 UWB 模塊 ── Type 2HQ,這是一款微小型UWB模塊,包括NXP的SR250 UWB芯片組、時(shí)鐘、濾波器和外圍器件,采用低功耗設(shè)計(jì),非常適合集成UWB功能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,包括電池供電設(shè)備。
Type 2HQ采用NXP Trimension SR250芯片組,采用ARM Cortex-M33內(nèi)核,符合IEEE 802.15.4z HRP PHY標(biāo)準(zhǔn),支持UWB 5、9通道,最小UWB頻率為6240 MHz,最大UWB頻率為8240 MHz,具備SPI接口,可進(jìn)行雙向測(cè)距和單向測(cè)距,測(cè)距精度可達(dá)±5 cm,支持到達(dá)角(3D AoA或2D AoA)功能,在±60°內(nèi)的AoA精度可達(dá)±5°。
Type 2HQ擁有UWB雷達(dá),支持OCPD(片上存在檢測(cè)),內(nèi)嵌參考時(shí)鐘與睡眠時(shí)鐘,采用樹(shù)脂模制結(jié)合共形屏蔽結(jié)構(gòu),尺寸相當(dāng)小,只有5.9 x 5.7 x 1.05 mm(最大),集成了BPF(帶通濾波器),可用于監(jiān)管認(rèn)證,F(xiàn)CC/IC/TELEC/ETSI參考認(rèn)證正在規(guī)劃中,符合FiRa與RoHS標(biāo)準(zhǔn)。
Type 2HQ是市場(chǎng)上小巧、高度集成的UWB模塊,支持功率校準(zhǔn)和晶體校準(zhǔn),睡眠時(shí)鐘采用內(nèi)部晶體可達(dá)32.768kHz,系統(tǒng)時(shí)鐘采用內(nèi)部晶體為38.4MHz,以及多天線設(shè)計(jì)和評(píng)估,采外接天線,不包括射頻連接器/天線,可在-30至85℃的溫度范圍工作,采用SMT安裝與LGA封裝,電源電壓(Vdc)在VDDIO 為1.8V或1.2V,VBAT為3.3V。
為加快客戶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度,Murata也推出UWB模塊Type 2HQ評(píng)估板,該評(píng)估板上包含Type 2HQ和Type 2FR(NXP RW612)USB-UART轉(zhuǎn)換IC,可通過(guò)USB電纜供電,也可通過(guò)PC的COM端口供電,Type 2HQ可以通過(guò)Type 2FR進(jìn)行控制,尺寸為90 x 45 x 11.6 mm。
結(jié)語(yǔ)
UWB技術(shù)憑借其高精度定位、低功耗與強(qiáng)抗干擾能力,正在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)與智能家居技術(shù)的迅速發(fā)展。從無(wú)鑰匙進(jìn)入、智能家電聯(lián)動(dòng)、室內(nèi)導(dǎo)航到精準(zhǔn)資產(chǎn)跟蹤與安全監(jiān)控,UWB為智慧生活帶來(lái)了更有效、便捷且安全的解決方案。隨著5G、AIoT及更多智能設(shè)備的普及,UWB將與其他無(wú)線技術(shù)協(xié)同發(fā)展,進(jìn)一步提升人們的智慧生活體驗(yàn)。然而,為了實(shí)現(xiàn)更普遍的應(yīng)用,業(yè)界仍需克服設(shè)備成本、標(biāo)準(zhǔn)化整合等挑戰(zhàn)。未來(lái),隨著技術(shù)進(jìn)步與市場(chǎng)需求增長(zhǎng),UWB在智能家居與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的影響力將持續(xù)擴(kuò)大,為萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代奠定更穩(wěn)固的基礎(chǔ)。。
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原文標(biāo)題:【技術(shù)干貨】UWB技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)與智能家居的應(yīng)用
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