以PoE做為室內定位與即時定位系統之骨幹

作者 : Parthiv Pandya,onsemi工業應用市場行銷工程師

本文將探討室內定位和即時定位系統的運作原理,並解釋兩者之間的區別。同時還討論PoE如何為這些定位服務及相關設備提供理想的高速供電骨幹。

為了因應連接的不斷發展,如今新建的或新翻修的辦公大樓和倉庫通常將支援乙太網路供電(PoE)歸納在基礎設施範疇。如同乙太網路一樣,PoE也被用來連接監視攝影機、智慧照明和其他「智慧 」感測器等設備。許多情況下的智慧建築也正實施技術變革,如資產追蹤或物體定位系統。這些服務以室內定位(IPS)和即時定位服務(RTLS)等技術為基礎,且因屬於藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)規範而獲得支援。

本文將探討室內定位和即時定位系統的運作原理,並解釋兩者之間的區別。同時還討論PoE如何為這些定位服務及相關設備提供理想的高速供電骨幹。

即時定位服務(RTLS)

即時定位服務支援透過無線技術的資產追蹤與定位。它被設計用在因衛星訊號太弱而無法仰賴的室內場所,包括大型商業場域、倉庫、學校和醫療建築等區域。戶外GPS系統可做到誤差值僅幾公尺的精準度,而室內的RTLS系統可提供誤差值小於10公分的精準度,這對於安全區域及危險區域的監測,以及物體定位等相關應用是非常明顯的優勢。RTLS系統的應用範例包括:倉庫中棧板或堆高機的追蹤,或繪製醫院中可移動的醫療設備位置圖,例如:超音波機或呼吸機。

實施RTLS

一個RTLS系統的應用通常要透過無線媒介,如射頻(RF)、紅外線、可見光或超音波。一個很好的例子是使用Bluetooth定位服務的標籤,該標籤基於BLE中被稱為接收訊號強度指示器,它使用三邊測量法來確定一個物體的位置。位置資訊可被發送到伺服器,且可以被諸如智慧型手機或者電腦登入,以達到追蹤資產的目的。這類RTLS提供的定位精準度在1到10公尺之間。

雖然藍牙支援RSSI,但最新版本的藍牙規範加入了方向查詢功能。這使接收器能夠確定藍牙訊號的傳輸方向。這種測向功能支援兩種定位方式,即到達角(AoA)和出發角(AoD)。基於藍牙的RTLS採用了AoA的方式。

在AoA的方式中,發送端設備只需要一根天線,而接收端(基地台)設備則使用天線陣列。當發送端訊號到達接收端的天線時,根據接收天線之間的物理距離,每個收到的訊號之間會有一個固定的相位差。接收端使用這些訊號之間的相位差來計算入射角進而計算訊號源(發送端)的相對方向。1顯示發送端和接收端中的天線配置。

1AoA方法中的發送端和接收端配置。

室內定位系統(IPS)

室內定位系統(IPS)讓使用者定位建築物內的一個興趣點(POI),如機場的資訊台或博物館的展品。它通常被用來為用戶繪製通往興趣點的路徑,如引導乘客到機場的入境服務台,或引導遊客到博物館的特定展品處。

IPS也可透過低功耗藍牙(Bluetooth LE)來實現。在這種情況下,一些低功耗藍牙發射器(也被稱為定位信標)將被安裝在整棟建築物的固定、已知的位置。使用者透過使用智慧型手機應用程式(APP),啟用藍牙無線電,就能收聽來自定位信標的訊號。手機APP可以使用每個信標的接收訊號強度(RSSI),以及信標的傳輸位置透過三角座標計算公式得出手機當前的位置。由於這種方法也使用RSSI,它提供的精準度在1到10公尺之間。

RTLSIPS的差別

RTLS系統中,資產的位置被發送到一個集中的伺服器上。終端裝置如智慧型手機或個人電腦與伺服器聯繫,以獲得資產的位置。RTLS方法通常用於倉庫以追蹤堆高機、棧板和其他移動資產,或用於醫院以定位醫療設備甚至是病人。

IPS系統則要求信標設備直接向終端設備發送其位置,終端設備通常是一個智慧型手機APP。室內定位系統的用例,包括在機場的室內導航,或獲取位置為主的資訊,例如博物館中某物品的詳細資訊。它也可用於發送資訊,如在消費者經過商店櫥窗時,向他們發送某特定產品的特別優惠。

藍牙規範5.1版所提供的到達角(AoD)功能被用於IPS。透過AoD,一個定位信標用排列成天線陣列的多個天線發射訊號。擁有單根天線的智慧型手機從發射器接收多個訊號,並計算訊號的同相(I)和正交(Q)分量。根據這些採樣資料,智慧型手機APP可計算出相對的訊號方向。AoD方法提供小於1公尺的精準度。2顯示了採用AoD的發射器和接收器的天線配置。

2:採用AoD的發射器和接收器架構。

實現IPS的技術的其他例子包括可見光通訊(VLC)。VLC也被稱為光照上網技術(Li-Fi),是一種資料通訊技術,它用獨特的編碼調變LED白光,並以500 Mbit/s的速度傳輸,傳輸距離超過5公尺。當一個終端裝置如智慧型手機,在三個或更多具備這些光線(或燈具)的範圍內時,它可使用三角測量演算法來計算裝置與每個燈具的距離,從而計算出自己的位置。這種方法提供精準度可達30公分。Signify YellowDot專案是基於VLC的室內定位系統的一個例子。

3:可見光通信(VLC)IPS方法。

乙太網路供電(PoE)

如前所述,在工業、商業和醫院建築中,採用乙太網路供電(Power over Ethernet;PoE)網路正變得越來越普遍,但這對以位置為基礎的服務有什麼好處?因為乙太網路技術可透過單一的乙太網路電纜提供資料和電源,幫助減少甚至無需安裝獨立電纜。這可減少企業的整體電力和網路基礎設施成本,且使用PoE也可更容易地將電源擴展到更多設備,如建築物中有些地方沒有安裝電源插座,PoE可用於這些地方的照明裝置。

這是有意義的,因為PoE連接現在為照明燈具同時提供電源和資料。這有助於照明燈具的快速發展,它們現在搭載了智慧感測器,例如使用檢測、濕度和溫度感測器。這些感測器直接整合到燈具中,並透過PoE連接,所以它們基本上是「即插即用」。智慧感測器不僅可用來監測使用情況,還可監測建築物內的實際人數。有鑑於這些資訊,建築物管理系統可以更妥善控制環境,如燈光的亮度或緊急出口燈的照明,為大樓住戶創造一個安全且高效的環境。

透過乙太網路,可應用額外的技術來實現RTLS和IPS服務。其中,藍牙低功耗/BLE模組和VLC發射器將被整合到燈具中,這進一步降低了運作成本,因為不再需要電源插座或有線通訊。對於客戶來說,這降低了項目在安裝和測試定位服務方面的複雜度。

4顯示了系統流程圖。

4PoE用作骨幹網的示例應用。

照明供應商Zumtobel和RTLS技術供應商Quuppa之間的合作是連網照明如何影響創新機制的一個例子。在這個例子中,Zumtobel開發了支援PoE的連網照明燈具,Quuppa設計並提供了基於藍牙低功耗模組的RTLS。合作的結果是在PoE連接的燈具中整合RTLS模組。5展示了這種部署。

5ZumtobelPoE網路使用Quuppa RTLS 藍牙LE感測器。(圖片來源:Quuppa)

總結

RTLS的導入已能協助企業準確地追蹤和定位資產,使其整個供應鏈更高效。IPS的發展在幫助機場的旅客、商場的購物者和博物館的遊客找到他們的路。PoE則在提供所需的電力和資料基礎設施使這些創新變得可行。

安森美(onsemi)為此提供各種技術機制,使RTLS和IPS更快地上線。例如,RSL10系列超低功耗藍牙LE設備支援RTLS開發,提供RSL10 Quuppa AoA RTLS CMSIS Pack等軟體組。憑藉不斷增加的PoE機制組合和NCL31000智慧LED驅動器,該公司提供建構模組將燈具變成智慧照明網路。這些網路將能支援VLC、RTLS和IPS,以便在所有垂直領域提供加值服務。

隨著室內導航和即時定位對人和自主設備都變得越來越重要,我們可預期這些系統的好處會迅速增加。透過實施PoE骨幹網,系統整合商將隨時滿足需求。

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