基于UWB技術和AliOS-Things uLocation組件室內定位系統(tǒng)

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

概述

由于室內環(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)無法在工廠等室內環(huán)境下使用，催生出一系列室內定位技術。隨著科技的進步，這些技術在各自的演進過程中都趨向成熟。目前高精度室內定位技術有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有極大的精度提升，使得應用場景越來越廣泛，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)網部門推出基于UWB技術和AliOS-ThingsuLocation組件的工廠室內定位系統(tǒng)，打通了對設備/人員定位、數(shù)據(jù)匯聚和基于定位的應用云端部署等一系列過程，為數(shù)字化工廠進一步感知設備定位數(shù)據(jù)提供解決方案。

應用場景：

工廠設備/人員的定位、調度、優(yōu)化生產資源安排

實時電子圍欄、安全監(jiān)控

案例

系統(tǒng)已經實際部署于某成衣廠，對工廠內的生產設備實現(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備審計、調度和安排生產等活動，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效率。

系統(tǒng)原理和搭建

UWB基站和標簽

UWB（Ultra Wideband）是一種超寬帶無線通信技術，利用納秒至微妙級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，由于其信號時域寬度很窄，小于一般室內無線環(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簽和基站之間直射徑的傳輸時間來確定之間的距離。標簽與三個基站之間的距離即可確定出標簽的位置。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)定位的目標是定位標簽，下圖是一種常用的UWB定位標簽：

定位標簽只要物理固定在被定位的設備上即可，安裝原則為：

盡量避開金屬物體，金屬材質對電磁波有屏蔽作用。

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

標簽內置運動傳感器，探測到標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)需要確定安裝設備的位置。

定位基站負責UWB信號處理，計算信號的到達時間，并將計算結果傳送至定位服務器進行最終解算。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絡組網，可選用poe-hub組網，同時基站供電。

配置一個獨立的子網給基站使用，一般選用形式為192.168.X.X的內網網段。

定位服務器

定位服務器負責標簽管理、位置解算、數(shù)據(jù)上云、本地定位服務接口和系統(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，故需要在服務器上部署一個虛擬機并安裝相應的windows。在windows上安裝UWB軟件包，包括UWB Engine和SDK。

映射兩個網口到虛擬機，一個網口配置與基站所在網絡相同的子網IP，并用網線將該網口連接到基站所連的poe-hub。另一個網口配置成服務器內部可訪問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網絡，與虛擬機的另一個供uLocation訪問的IP同一網段，并將連接參數(shù)通過uLocation的配置管理設置好即可。

5.在阿里云工業(yè)互聯(lián)網平臺從創(chuàng)建室內定位網關設備和標簽產品，如圖所示：

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

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

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簽的實時定位數(shù)據(jù)，顯示的標簽位置用三維空間坐標表示(x,y,z)，坐標原點為廠區(qū)邊緣角落某點。x，y分別表示標簽相距坐標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值為標簽距離地面的高度。

2.后臺數(shù)據(jù)

附錄 幾種定位技術比較

結束語：

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