zpět
Produktové kompetence

Indoor lokalizace a navigace

Jaký je rozdíl mezi Bluetooth, Wi-Fi a UWB technologií pro indoor lokalizaci?

Mnoho moderních elektronických zařízení vyžaduje v dnešní době určování polohy. Nejtypičtějším zástupcem jsou všudypřítomné chytré telefony ve spojitosti s externí lokalizací za pomoci technologie GPS. V současnosti je externí lokalizace považována za samozřejmost, ale postupně roste potřeba lokalizovat zařízení i uvnitř budov, kde GPS nelze využít. Zařízení, využívajících vnitřní lokalizaci je celá škála – od bezdrátových elektronických „hraček“ jako jsou například chytré hodinky, přes domácí spotřebiče, až po profesionální přepravní drony na výrobních linkách. Jelikož jsou možnosti využití této technologie široké, dá se očekávat růst celého segmentu (navigační software, marketingové aplikace, monitorovací systémy).

Inženýři, kteří v současnosti vyvíjejí tato chytrá zařízení, stojí před výzvou v podobě výběru správné technologie. Využití Wi-Fi nebo Bluetooth vzhledem k jejich rozšířenosti, nebo zvolit jinou bezdrátovou technologii jako je například UWB (Ultra-wideband)? Jaká jsou pro a proti? V následujícím článku přiblížíme tuto problematiku.

Indoor lokalizace založená na technologii Bluetooth

Lokalizace pomocí technologie Bluetooth si získala pozornost široké veřejnosti zejména díky uvedení iBeacon od společnosti Apple. Apple u iBeacon používá BLE (Bluetooth Low Energy). Cílem technologie iBeacon je odhad vzdálenosti zařízení od vysílače, neřeší tedy přesné určení vzdálenosti ani polohy samotné. Odhad vzdálenosti se nezakládá na přesném měření,  iBeacon detekuje pouze stavy „v dosahu“ a „blízko“ na základě síly signálu.

Některé společnosti začaly technologii BLE využívat k měření přesné vzdálenosti. Hlavním problémem však je, že se k tomu používá velmi nepřesný ukazatel – síla signálu. Nelze totiž s jistotou říci, že pokles signálu znamená prodloužení vzdálenosti. Například pokud se v místnosti dostane mezi vysílač a přijímač betonový sloup, dojde ke znatelnému poklesu signálu bez prodloužení vzdálenosti a problém je na světě.

Jedním z řešení tohoto problému je „mapování“ prostoru. Jedná se o techniku, kdy se jednotlivé vysílače umístí na přesně dané pozice v objektu a poté  se provede přesné měření úrovně signálu. Tímto vznikne referenční databáze. Pokud chce zařízení zjistit svoji polohu, porovná naměřenou úroveň signálu od jednotlivých vysílačů s informacemi v databázi. Nejlepší shoda s databází považuje dané místo za současnou pozici.

Existuje mnoho variací a algoritmů pro „mapování“ dle sofistikovanosti. Je však nutné si uvědomit, že se jedná pouze o obcházení problému s měřením vzdálenosti za pomoci BLE, nikoli o jeho konečné řešení.

Indoor lokalizace založená na technologii Wi-Fi

Před příchodem Apple a iBeacon se používala pro orientační měření vzdálenosti pouze Wi-Fi, která je v současnosti nejrozšířenější technologií pro vnitřní lokalizaci Android telefonů, často i v kombinaci s BLE. Její nespornou výhodou je masivní rozšíření jak ve veřejných prostorech, tak v domácnostech.

Obecný přístup k určování polohy pomocí Wi-Fi je obdobně jako u technologie Bluetooth měření úrovně signálu. Tento způsob má tedy stejné nedostatky jako v předchozím případě. Jedním z možných řešení tohoto problému jsou alternativní algoritmy, které měří vzdálenost za pomoci zjištění doby letu signálu (ToF, Time of Flight) nebo pomocí času přijetí signálu (ToA, Time of Arrival). Tuto technologii bohužel nelze využít pro standardní Wi-Fi zařízení, s čímž je třeba počítat již v době plánování infrastruktury.

obr1

Obrázek Č. 1

Důvodem obtížného měření úrovně Wi-Fi signálu je inherentní struktura signálu a úzké pásmo. Na Obrázku č. 1 je znázorněno, jak obtížné je naměřit přesnou amplitudu u úzkopásmového Wi-Fi signálu s rušením. Z důvodu samotného sinusového kolísání signálu a odchylek způsobených vnějším rušením není možné přesně určit hodnotu amplitudy v daný čas. Z tohoto důvodu nejsou úzkopásmové systémy vhodné pro měření přesné amplitudy.

Nepřesnost měření v reálném prostředí stoupá i proto, že se signál může šířit k cíli několika způsoby, přičemž dochází k jeho zpoždění. Takto odražený signál se může k cíli vrátit například jako reverzní, degradovat tak úroveň a zkreslit čas příchodu měřeného signálu. Samotný obsah dat, který signál přenáší, není nepoškozen, nicméně změřit přesný čas příchodu takového signálu a jeho amplitudu je téměř nemožné viz obrázek č. 2.

obr2

Obrázek č. 2

Indoor lokalizace založená na technologii Ultra-Wideband

Standard UBW (IEEE 802.15.4-2011) byl vytvořen pro odstranění problémů s výše uvedenými technologiemi. Standard využívá velmi krátkých širokopásmových signálů viz obrázek č. 3

obr3

Obrázek č. 3

Krátké širokopásmové signály s rychlou náběžnou i sestupnou hranou umožňují snadné měření času začátku a konce signálu. Vzdálenost mezi dvěma UWB zařízeními může být na základě těchto impulsů změřena přesně. Další výhodou těchto signálů je fakt, že velmi efektivně odolávají rušení v podobě bílého šumu či rušení způsobeného šířením odražených signálů. Na obrázku č. 4 je znázorněn UWB signál v zarušeném pásmu, ze kterého vyplývá výše uvedená odolnost proti tomuto rušení.

obr4

Obrázek č. 4

UWB signál je odolný i proti rušení, které je způsobeno odraženými signály. Jelikož je doba trvání impulsu minimální (parametry impulsu se snaží blížit k Diracovu impulsu), je minimalizováno narušení integrity signálu viz obrázek č. 5.

obr5

Obrázek č. 5

Hlavním rozdílem mezi UWB a ostatními technologiemi je tedy možnost přesného měření  a zároveň odolnost proti všudypřítomnému rušení. Z praktického hlediska je možné pomocí UWB efektivně měřit vzdálenosti mezi dvěma zařízeními až s přesností 5 – 10 cm, což je ve srovnání s předchozími technologiemi obrovský rozdíl.

Jaké jsou plusy a mínusy jednotlivých technologií?

Přesnost měření je jednoznačnou výhodou technologie UWB (5 – 10 cm) oproti technologiím jako je Wi-Fi či Bluetooth (cca 5 m).

Dalším faktorem je spotřeba energie, kdy UWB a Bluetooth jí spotřebují oproti Wi-Fi mnohem méně. Spotřeba je klíčová, jelikož určování polohy většinou využíváme v mobilních zařízeních s omezenou energetickou kapacitou.

Posledním velmi důležitým faktorem je rozšíření jednotlivých technologií. Zde jasně převládá Wi-Fi a Bluetooth. V současné době mají některé společnosti motivaci implementovat do zařízení jak Wi-Fi a Bluetooth, tak i UWB.

Celkově tedy nelze upřednostnit žádnou technologii a každá má svá pro a proti. Záleží na mnoha faktorech jako je například pořizovací cena, požadavek na přesnost a využití současných technologií (existující Wi-Fi infrastruktura, zapojení současných mobilních zařízení) pro řešení vnitřní lokalizace.

ARTIN v současné době implementuje pilotní projekty pro vnitřní lokalizaci a sledování nemocničního zařízení v nemocnicích. Dále spolupracujeme s vybranými dodavateli HW jako Sewio, Infsoft a kontakt.io.

Zdroj: https://electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-measuring-location-uwb-wi-fi-and-bluetooth

Produktové kompetence

Microsoft SharePoint

Interconnect

DonRiver Fusion

Zobrazit vše