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一种应用于工业4.0新制造的室内定位解决方案

原创 网络通信/物联网 作者:暖忆 时间:2018-09-04 17:04:47 0 删除 编辑

摘要:  本文介绍基于UWB技术和AliOS-Things uLocation组件工厂室内定位系统。该系统打通了定位、数据汇聚和基于定位的应用云端部署等一系列过程,为数字化工厂进一步感知设备定位数据提供解决方案。

  • 概述

由于室内环境下GPS/北斗卫星信号难以穿透建筑墙体,传统的基于GPS定位终端的定位系统无法在工厂等室内环境下使用,催生出一系列室内定位技术。随着科技的进步,这些技术在各自的演进过程中都趋向成熟。目前高精度室内定位技术有UWB/BLE+AOA等,其平均定位精度都可以达到0.3米左右,最高精度0.1米,相比与传统的基于信号强度的定位技术有极大的精度提升,使得应用场景越来越广泛,特别在工厂环境下,可以实现对工厂设备的精确定位,促进工业自动化和智能化的进一步发展。

阿里云物联网部门推出基于UWB技术和 AliOS-Things  uLocation组件的工厂室内定位系统,打通了对设备/人员定位、数据汇聚和基于定位的应用云端部署等一系列过程,为数字化工厂进一步感知设备定位数据提供解决方案。

应用场景:

  1. 工厂设备/人员的定位、调度、优化生产资源安排

  2. 实时电子围栏、安全监控

  • 案例

系统已经实际部署于某成衣厂,对工厂内的生产设备实现了高精度定位,定位精度最高达到10cm,正常精度为30~50cm。有效地支撑了成衣厂对设备审计、调度和安排生产等活动,未来可以通过对接工业MES系统,进一步提高工厂的生产效率。

  • 系统原理和搭建

  • UWB基站和标签

UWB(Ultra Wideband)是一种超宽带无线通信技术,利用纳秒至微妙级的非正弦波窄脉冲传输数据,由于其信号时域宽度很窄,小于一般室内无线环境中信号直射径和反射径的差,因此可以区分出直射径和反射径到达时间,利用无线信号在定位标签和基站之间直射径的传输时间来确定之间的距离。标签与三个基站之间的距离即可确定出标签的位置。由于UWB的脉冲的时域间隔是1纳秒左右,而1ns时间无线信号的传输距离为30cm,所以基于uwb定位的定位精度在有反射径环境下的平均精度可以达到30cm左右。

系统定位的目标是定位标签,下图是一种常用的UWB定位标签:

定位标签只要物理固定在被定位的设备上即可,安装原则为:

  1. 尽量避开金属物体,金属材质对电磁波有屏蔽作用。

  2. 尽量安装在被定位设备的高处,不被设备的其他组件阻挡标签到基站的无线传播通路。

  3. 标签内置运动传感器,探测到标签运动时会频繁上报UWB报文提高定位实时性,这样的缺点是减少电池寿命。在实际部署的时候可根据需要确定安装设备的位置。

定位基站负责UWB信号处理,计算信号的到达时间,并将计算结果传送至定位服务器进行最终解算。下图为定位基站:

定位基站需要安装在工厂天花板上,安装原则为:

  1. 安装在需要定位区域上方,距离地面5米或以上高度。

  2. 基站之间间隔在10~15米之间。

  3. 定位基站通过有线网络组网,可选用poe-hub组网,同时基站供电。

  4. 配置一个独立的子网给基站使用,一般选用形式为192.168.X.X的内网网段。

  • 定位服务器

定位服务器负责标签管理、位置解算、数据上云、本地定位服务接口和系统运维接口等,其安装软件栈示意图为:

安装步骤:

  1. 服务器底层操作系统为Linux。

  2. 因为UWB Engine需要运行与Windows系统上,故需要在服务器上部署一个虚拟机并安装相应的windows。在windows上安装UWB软件包,包括UWB Engine和SDK。

  3. 映射两个网口到虚拟机,一个网口配置与基站所在网络相同的子网IP,并用网线将该网口连接到基站所连的poe-hub。另一个网口配置成服务器内部可访问IP,供uLocation组件的PAL(Positioning Adapting Layer)层连接。

  4. 安装uLocation组件和上云组件,上云套件可选用 LinkEdge 。为了方便软件包的依赖管理,uLocation和LinkEdge部署在docker上。配置docker网络,与虚拟机的另一个供uLocation访问的IP同一网段,并将连接参数通过uLocation的配置管理设置好即可。

配置项 配置示例 说明
srvname Factory001 定位服务器名字,用于生成dn的一部分;dn=srvname+tagid
ip 1.2.3.4 定位服务器ip地址
Port 9001 定位服务端口号
user user 定位服务登录名
pwd pwd 定位服务登录密码
ProductKey a1h7H0WLqxq PK
position_diff 0.00 移动门限;标签二位xy平面投影点移动的间隔超过该门限后触发位置上报。0表示随时上报

5.在 阿里云工业互联网平台 从创建室内定位网关设备和标签产品,如图所示:

6.安装LinkEdge,导入第5步创建的产品的TSL文件。6. 安装LinkEdge,导入第5步创建的产品的TSL文件。
7.云端创建标签设备,设备名的格式是:srvname+tagid,并将创建的设备三元组信息导入LinkEdge。由于标签个数通常较多,适合利用云端批量新增设备页面来创建。

8.安装完毕,启动定位服务、uLocation和LinkEdge即可为本地和云端提供定位服务。

系统起来后可以在云端和控制台看到实时定位数据:

1.云端数据
系统启动后打开云端控制台即可看到标签的实时定位数据,显示的标签位置用三维空间坐标表示(x,y,z),坐标原点为厂区边缘角落某点。x,y分别表示标签相距坐标原点在垂直两个方向上的距离,单位是米,实际精度为小数点后一位。z值为标签距离地面的高度。

2.后台数据

  • 附录 几种定位技术比较

比较项 WiFi UWB BLE Beaconing
专业定位 No Yes Some profiles
标签耗电 High Medium Low
精度 5-20m 0.3cm 5-20m
手机兼容性 Yes No Yes
建网成本 Medium Medium Low
运维成本 High Low High
  • 结束语:

阿里云物联网将时刻跟踪推进新的定位技术的发展,未来将为客户提供更好的定位解决方案。

原文链接

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