基于UWB技術(shù)和AliOS-Things uLocation組件室內(nèi)定位系統(tǒng)

本文介紹基于UWB技術(shù)和AliOS-Things uLocation組件工廠室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)打通了定位、數(shù)據(jù)匯聚和基于定位的應(yīng)用云端部署等一系列過程，為數(shù)字化工廠進一步感知設(shè)備定位數(shù)據(jù)提供解決方案。

概述

由于室內(nèi)環(huán)境下GPS/北斗衛(wèi)星信號難以穿透建筑墻體，傳統(tǒng)的基于GPS定位終端的定位系統(tǒng)無法在工廠等室內(nèi)環(huán)境下使用，催生出一系列室內(nèi)定位技術(shù)。隨著科技的進步，這些技術(shù)在各自的演進過程中都趨向成熟。目前高精度室內(nèi)定位技術(shù)有UWB/BLE+AOA等，其平均定位精度都可以達到0.3米左右，最高精度0.1米，相比與傳統(tǒng)的基于信號強度的定位技術(shù)有極大的精度提升，使得應(yīng)用場景越來越廣泛，特別在工廠環(huán)境下，可以實現(xiàn)對工廠設(shè)備的精確定位，促進工業(yè)自動化和智能化的進一步發(fā)展。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)部門推出基于UWB技術(shù)和AliOS-ThingsuLocation組件的工廠室內(nèi)定位系統(tǒng)，打通了對設(shè)備/人員定位、數(shù)據(jù)匯聚和基于定位的應(yīng)用云端部署等一系列過程，為數(shù)字化工廠進一步感知設(shè)備定位數(shù)據(jù)提供解決方案。

應(yīng)用場景：

工廠設(shè)備/人員的定位、調(diào)度、優(yōu)化生產(chǎn)資源安排

實時電子圍欄、安全監(jiān)控

案例

系統(tǒng)已經(jīng)實際部署于某成衣廠，對工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)了高精度定位，定位精度最高達到10cm，正常精度為30～50cm。有效地支撐了成衣廠對設(shè)備審計、調(diào)度和安排生產(chǎn)等活動，未來可以通過對接工業(yè)MES系統(tǒng)，進一步提高工廠的生產(chǎn)效率。

系統(tǒng)原理和搭建

UWB基站和標(biāo)簽

UWB（Ultra Wideband）是一種超寬帶無線通信技術(shù)，利用納秒至微妙級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，由于其信號時域?qū)挾群苷?，小于一般室?nèi)無線環(huán)境中信號直射徑和反射徑的差，因此可以區(qū)分出直射徑和反射徑到達時間，利用無線信號在定位標(biāo)簽和基站之間直射徑的傳輸時間來確定之間的距離。標(biāo)簽與三個基站之間的距離即可確定出標(biāo)簽的位置。由于UWB的脈沖的時域間隔是1納秒左右，而1ns時間無線信號的傳輸距離為30cm，所以基于uwb定位的定位精度在有反射徑環(huán)境下的平均精度可以達到30cm左右。

系統(tǒng)定位的目標(biāo)是定位標(biāo)簽，下圖是一種常用的UWB定位標(biāo)簽：

定位標(biāo)簽只要物理固定在被定位的設(shè)備上即可，安裝原則為：

盡量避開金屬物體，金屬材質(zhì)對電磁波有屏蔽作用。

盡量安裝在被定位設(shè)備的高處，不被設(shè)備的其他組件阻擋標(biāo)簽到基站的無線傳播通路。

標(biāo)簽內(nèi)置運動傳感器，探測到標(biāo)簽運動時會頻繁上報UWB報文提高定位實時性，這樣的缺點是減少電池壽命。在實際部署的時候可根據(jù)需要確定安裝設(shè)備的位置。

定位基站負(fù)責(zé)UWB信號處理，計算信號的到達時間，并將計算結(jié)果傳送至定位服務(wù)器進行最終解算。下圖為定位基站：

定位基站需要安裝在工廠天花板上，安裝原則為：

安裝在需要定位區(qū)域上方，距離地面5米或以上高度。

基站之間間隔在10～15米之間。

定位基站通過有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，可選用poe-hub組網(wǎng)，同時基站供電。

配置一個獨立的子網(wǎng)給基站使用，一般選用形式為192.168.X.X的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)段。

定位服務(wù)器

定位服務(wù)器負(fù)責(zé)標(biāo)簽管理、位置解算、數(shù)據(jù)上云、本地定位服務(wù)接口和系統(tǒng)運維接口等，其安裝軟件棧示意圖為：

安裝步驟：

服務(wù)器底層操作系統(tǒng)為Linux。

因為UWB Engine需要運行與Windows系統(tǒng)上，故需要在服務(wù)器上部署一個虛擬機并安裝相應(yīng)的windows。在windows上安裝UWB軟件包，包括UWB Engine和SDK。

映射兩個網(wǎng)口到虛擬機，一個網(wǎng)口配置與基站所在網(wǎng)絡(luò)相同的子網(wǎng)IP，并用網(wǎng)線將該網(wǎng)口連接到基站所連的poe-hub。另一個網(wǎng)口配置成服務(wù)器內(nèi)部可訪問IP，供uLocation組件的PAL（Positioning Adapting Layer）層連接。

安裝uLocation組件和上云組件，上云套件可選用LinkEdge。為了方便軟件包的依賴管理，uLocation和LinkEdge部署在docker上。配置docker網(wǎng)絡(luò)，與虛擬機的另一個供uLocation訪問的IP同一網(wǎng)段，并將連接參數(shù)通過uLocation的配置管理設(shè)置好即可。

5.在阿里云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺從創(chuàng)建室內(nèi)定位網(wǎng)關(guān)設(shè)備和標(biāo)簽產(chǎn)品，如圖所示：

6.安裝LinkEdge，導(dǎo)入第5步創(chuàng)建的產(chǎn)品的TSL文件。6. 安裝LinkEdge，導(dǎo)入第5步創(chuàng)建的產(chǎn)品的TSL文件。
7.云端創(chuàng)建標(biāo)簽設(shè)備，設(shè)備名的格式是：srvname+tagid，并將創(chuàng)建的設(shè)備三元組信息導(dǎo)入LinkEdge。由于標(biāo)簽個數(shù)通常較多，適合利用云端批量新增設(shè)備頁面來創(chuàng)建。

8.安裝完畢，啟動定位服務(wù)、uLocation和LinkEdge即可為本地和云端提供定位服務(wù)。

系統(tǒng)起來后可以在云端和控制臺看到實時定位數(shù)據(jù)：

1.云端數(shù)據(jù)
系統(tǒng)啟動后打開云端控制臺即可看到標(biāo)簽的實時定位數(shù)據(jù)，顯示的標(biāo)簽位置用三維空間坐標(biāo)表示(x,y,z)，坐標(biāo)原點為廠區(qū)邊緣角落某點。x，y分別表示標(biāo)簽相距坐標(biāo)原點在垂直兩個方向上的距離，單位是米，實際精度為小數(shù)點后一位。z值為標(biāo)簽距離地面的高度。

2.后臺數(shù)據(jù)

附錄 幾種定位技術(shù)比較

結(jié)束語：

阿里云物聯(lián)網(wǎng)將時刻跟蹤推進新的定位技術(shù)的發(fā)展，未來將為客戶提供更好的定位解決方案。