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将以太网供电用作室内定位和实时定位系统的骨干网

2022-05-26 15:07:03 Parthiv Pandya,工业应用市场营销,安森美(onsemi) 阅读:
本文将探讨室内定位和实时定位系统的实现方式,并说明两者之间的区别,还将讨论以太网供电(PoE)如何为这些定位服务和用于实施这些服务的设备提供理想的高速供电骨干网。

为了应对连接性的不断发展,现在新的或翻新的办公大楼和仓库普遍在基础设施层面上支持以太网供电(PoE)。就像以太网一样,PoE正被用来连接监控摄像头、智能照明和其他 "智能 "传感器等设备。在许多情况下,智能建筑也在实施变革技术,如资产追踪或物体定位系统。这些服务基于室内定位和实时定位服务(RTLS)等技术,而蓝牙低功耗 (BLE) 的部分规范中则支持这些技术。本文将探讨室内定位和实时定位系统的实现方式,并说明两者之间的区别,还将讨论PoE如何为这些定位服务和用于实施这些服务的设备提供理想的高速供电骨干网。ktTednc

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实时定位服务(RTLS)

实时定位服务支持使用无线技术对资产进行跟踪和定位。它被用于卫星信号太弱而不可靠的室内,这包括大型商业空间、仓库、学校和医院建筑等区域。户外GPS系统可提供精确到几米的精度,而室内RTLS系统可提供10cm以内的精度。这对于安全、危险区监测和物体定位等应用是个显著的优势。一些RTLS系统的用例包括追踪仓库中的托盘或叉车,或绘制医院中可移动的医疗设备如超声波机或呼吸机的位置图。ktTednc

RTLS实现

RTLS系统通常使用无线媒介来实现,如射频、红外、可见光或超声波。一个很好的例子是使用蓝牙定位服务的标签,该标签基于BLE中被称为接收信号强度指示(RSSI)的功能,它使用三分法来确定一个物体的位置。位置信息可被发送到服务器,并且可以被诸如智能手机或者电脑访问以达到跟踪资产的目的。这类RTLS提供的定位精度在1到10m之间。ktTednc

虽然蓝牙支持RSSI,但最新版本的蓝牙规范引入了测向功能。这使接收器能够确定蓝牙信号的传输方向。这种测向功能支持两种定位方式,即到达角(AoA)和出发角(AoD)。基于蓝牙的RTLS采用了AoA的方式。ktTednc

在AoA中,发送端设备只需要一根天线,而接收端(基站)设备则使用天线阵列。当发送端信号到达接收端的天线时,根据接收天线之间的物理距离,每个收到的信号之间会有一个固定的相位差。接收端使用这些信号之间的相位差来计算到达角进而计算信号源(发送端)的相对方向。1显示了发送端和接收端中的天线配置。ktTednc

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图1:AoA方法中的发送端和接收端配置。ktTednc

室内定位系统(IPS)

室内定位系统(IPS)允许用户定位建筑物内的一个兴趣点(POI),如机场的信息台或博物馆的展品。它通常被用来为用户绘制通往兴趣点的路径,如引导乘客到机场的到达服务台,或引导游客到博物馆的特定展品处。ktTednc

IPS也可通过BLE来实现。在这种情况下,一些低功耗蓝牙发射器(也被称为定位信标)将被安装在整栋建筑物的固定已知的位置。用户使用智能手机app,启用蓝牙无线电,就能收听来自定位信标的信号。手机app可以使用每个信标的RSSI,以及信标的传输位置通过三角坐标计算公式得出手机当前的位置。由于这种方法也使用RSSI,它提供的精确度在1到10m之间。ktTednc

RTLSIPS的区别

RTLS系统中,资产的位置被发送到一个集中的服务器上。终端设备如智能手机或个人电脑与服务器联系,以获得资产的位置。RTLS方法通常用于仓库以追踪叉车、托盘和其他移动资产,或用于医院以定位医疗设备甚至病人。ktTednc

IPS系统则要求信标设备直接向终端设备发送其位置,终端设备通常是一个智能手机app。室内定位系统的用例包括在机场的室内导航,或访问基于位置的信息,如博物馆中某物品的细节。它还可用来发送信息,如在购物者经过商店橱窗时向他们发送某一特定产品的特别优惠。ktTednc

蓝牙规范5.1版所提供的出发角(AoD)功能被用于IPS。通过AoD,定位信标用排列成天线阵列的多个天线发射信号。拥有单根天线的智能手机从发射器接收多个信号,并计算信号的同相(I)和正交(Q)分量。基于这些采样数据,智能手机app可计算出相对的信号方向。AoD方法提供优于1m的精度。2显示了采用AoD的发射器和接收器的天线配置。ktTednc

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图2:采用AoD的发射器和接收器架构。ktTednc

实现IPS的技术的其他用例包括可见光通信(VLC)(3)。VLC也被称为光保真(Li-Fi),是一种数据通信技术,它用独特的编码调制LED白光,并以500 Mb/s的速度传输,传输距离超过5m。当一个终端设备如智能手机,在三个或更多这些光线 (或灯具) 的范围内时,它可使用三角测量算法来计算设备与每个灯具的距离,从而计算出自己的位置。这种方法提供精确度为30cm的位置。Signify YellowDot项目是基于VLC的室内定位系统的一个例子。 ktTednc

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图3:基于可见光通信(VLC)的IPS方法。ktTednc

以太网供电 (PoE)

如前所述,在工业、商业和医院建筑中,采用以太网供电网络正变得越来越普遍,但这对基于位置的服务有什么好处?因为以太网技术可通过单一的以太网电缆提供数据和电源,它可帮助减少甚至无需运行安装单独电缆。这可减少企业的整体电力和网络基础设施成本,且使用PoE也可更容易地将电源扩展到更多设备,如建筑物中有些地方没有安装电源插座,PoE可用于这些地方的照明装置。 ktTednc

这是有意义的,因为PoE连接现在为照明灯具同时提供电源和数据。这有助于照明灯具的快速发展,它们现在装配了智能传感器如占用检测、湿度和温度传感器。这些传感器直接集成到灯具中,并通过PoE连接,所以它们基本上是 "即插即用"。智能传感器不仅可用来监测占用情况,还可监测建筑物内的实际人数。基于这些信息,楼宇管理系统可更好地控制环境,如灯光的亮度或紧急出口灯的照明,为楼宇居住者创造一个安全和高效的环境。ktTednc

通过以太网网络,可应用额外的技术来实现RTLS和IPS服务。其中,蓝牙低功耗/BLE模块和VLC发射器将被集成到灯具中,这进一步降低了实施成本,因为不再需要电源插座或有线通信。对于客户来说,这降低了项目在安装和调试定位服务方面的复杂度。ktTednc

4显示了系统的框图。ktTednc

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图4:PoE用作骨干网的典型应用。ktTednc

整体照明方案的领先供应商Zumtobel和RTLS技术的领先供应商Quuppa之间的合作是互联照明如何影响创新方案的一个例子。在这个用例中,Zumtobel开发了支持PoE的互联照明灯具,Quuppa设计并提供了基于蓝牙低功耗模块的RTLS。合作的结果是在PoE连接的灯具中集成RTLS模块。5展示了这种部署。ktTednc

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图5:Zumtobel的PoE网络使用Quuppa RTLS 蓝牙LE传感器(Quuppa提供)。ktTednc

总结

RTLS的引入已在帮助企业准确地跟踪和定位资产,使其整个供应链更高效。IPS的发展可帮助机场的旅客、商场的购物者和博物馆的游客找到相关路线。PoE提供所需的电力和数据基础设施使这些创新变得可行。 ktTednc

安森美提供各种技术方案,使RTLS和IPS可更快地上线。例如,RSL10系列超低功耗蓝牙LE设备支持RTLS开发,提供RSL10 Quuppa AoA RTLS CMSIS Pack等软件套件。ktTednc

安森美凭借不断增长的PoE方案组合和最近发布的NCL31000智能LED驱动器,提供将灯具变成智能照明网络的构建模块。这些网络将能支持VLC、RTLS和IPS,以为所有垂直领域提供增值服务。ktTednc

随着室内导航和实时定位对人和自主设备都变得越来越重要,可以预期这些系统的好处会迅速增加。通过实施PoE骨干网,系统集成商将能随时满足需求。ktTednc

(原文标题:Using Power over Ethernet (PoE) as the Backbone for Indoor Positioning and Real Time Locating Systems,由Franklin Zhao编译。)ktTednc

本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ktTednc

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