電子發(fā)燒友App
?
『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。
本文介紹了定位技術(shù)是如何起步的，以及新的發(fā)展進(jìn)步如何持續(xù)改變我們的世界。您將了解UWB的基本信息及其優(yōu)勢(shì)，以及能夠充分利用UWB技術(shù)的行業(yè)和設(shè)備信息。
? 定位技術(shù)如何改變世界 ? ? ?
不管您相信與否，就在20年前，公眾還無(wú)法輕易獲取位置信息！2000年5月，公眾開(kāi)始使用全球定位系統(tǒng) (GPS) 的定位和導(dǎo)航功能，例如用于尋找最近的ATM機(jī)或加油站。在 2000年之前，人們使用傳統(tǒng)的方法游走世界，如查看地圖、找人問(wèn)路或者在反復(fù)迷路中摸索出正確的路線。
10年前，室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)運(yùn)而生。大家可以想一想覆蓋購(gòu)物中心、機(jī)場(chǎng)以及其他大型建筑的谷歌地圖。由于出現(xiàn)了基于位置的新型服務(wù)，可幫助人們找到商店并實(shí)現(xiàn)定向營(yíng)銷等，定位數(shù)據(jù)變得更加有價(jià)值。
很難想象在世界任何地方，無(wú)論是在室內(nèi)還是室外，如果沒(méi)有便捷的導(dǎo)航，生活會(huì)是什么樣子。大家可以想象一下，如果沒(méi)有GPS技術(shù)，各大電商要實(shí)現(xiàn)高效送貨會(huì)有多困難。如果沒(méi)有GPS技術(shù)，亞馬遜還能躋身成為價(jià)值萬(wàn)億美元的公司嗎？而這只是一個(gè)行業(yè)。
如今，我們正在目睹新一代定位技術(shù)的崛起：精準(zhǔn)微定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠以前所未有的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。定位技術(shù)為什么會(huì)有這些發(fā)展？因?yàn)楣姾推髽I(yè)希望以更可靠且更精確的方式定位幾乎任何東西，例如鑰匙、遙控器或當(dāng)?shù)仉s貨店第九排貨架上無(wú)麩質(zhì)面包的確切位置等。企業(yè)對(duì)企業(yè) (B2B) 以及消費(fèi)類零售行業(yè)都認(rèn)識(shí)到更可靠且更精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)可帶來(lái)的附加價(jià)值。例如，它可以幫助消費(fèi)者導(dǎo)航室內(nèi)場(chǎng)所，增加住宅和商業(yè)建筑的智能自動(dòng)化水平，并且可以幫助企業(yè)實(shí)時(shí)了解運(yùn)營(yíng)、資產(chǎn)和員工動(dòng)態(tài)，從而提高企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率。
定位的價(jià)值 ? ? ?
現(xiàn)有的嵌入式技術(shù)能夠讓設(shè)備確定內(nèi)容和時(shí)間，并向其用戶報(bào)告此類信息。傳感器用于提供內(nèi)容信息，精確的系統(tǒng)時(shí)鐘用于提供時(shí)間信息，而設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線射頻 (RF) 連接傳輸信息。
在設(shè)備的功能中添加位置維度就像是賦予它第六感一樣。位置信息可提供驚人的新見(jiàn)解，并使開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng)建情境感知產(chǎn)品和服務(wù)，這在以前是不可能實(shí)現(xiàn)的。
以下是能夠感知“位置”的潛在優(yōu)勢(shì)：
效率：在工廠和倉(cāng)庫(kù)中，實(shí)時(shí)了解資產(chǎn)的位置可以提高利用率，減少尋找時(shí)間，并且能夠進(jìn)一步提高“適時(shí)制”流程效率。
安全性：實(shí)時(shí)獲知人員、自動(dòng)導(dǎo)引車和機(jī)器人的位置，即可控制他們之間的互動(dòng)，避免發(fā)生意外，而且可以讓人員遠(yuǎn)離非安全區(qū)域。
決策支持：實(shí)時(shí)了解人員或物體的位置還支持根據(jù)環(huán)境做出決策，比如當(dāng)您在不同房間走動(dòng)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)立體聲，或者讓您可以通過(guò)簡(jiǎn)單地指向物體來(lái)控制它們。
安全：實(shí)時(shí)了解人員和資產(chǎn)的位置還可以提高安全性。如果人員的位置是無(wú)法偽造的，其位置就可以用作新的安全憑證。這些信息可用于限制對(duì)特定區(qū)域的訪問(wèn)，并保護(hù)物理資產(chǎn)、數(shù)據(jù)和通信。
如圖1所示，在醫(yī)療保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域，了解位置信息開(kāi)啟了許多應(yīng)用。通過(guò)UWB技術(shù)所支持的實(shí)時(shí)定位功能，越來(lái)越多的應(yīng)用有助于激發(fā)我們的創(chuàng)新思維，因此實(shí)際用例將會(huì)不斷增長(zhǎng)。
圖1：檢測(cè)物體和人員的位置 ?
為什么需要新的實(shí)時(shí)定位技術(shù) ? ? ?
為了充分挖掘定位服務(wù)的潛力，我們需要能夠滿足應(yīng)用及其環(huán)境需求的技術(shù)。提高精度是明顯需求：物體和人員定位和導(dǎo)航，需要厘米級(jí)精度，而傳統(tǒng)的定位技術(shù)（如 GPS）的測(cè)量精度為幾米。
但是，單憑精度是不夠的。該技術(shù)還必須：
在嚴(yán)苛的環(huán)境下具有出色的可靠性
具有可擴(kuò)展性，足以滿足大型場(chǎng)所中數(shù)千人員和資產(chǎn)的定位需求
功耗很小
經(jīng)濟(jì)實(shí)惠
可嵌入任何東西中，從高端復(fù)雜設(shè)備（如智能手機(jī)）到低端簡(jiǎn)單設(shè)備（如資產(chǎn)標(biāo)簽）
實(shí)時(shí)操作，因?yàn)槲恢门c運(yùn)動(dòng)有關(guān)
藍(lán)牙低功耗 (BLE) 和Wi-Fi技術(shù)非常有用，已經(jīng)用于定位系統(tǒng)中。然而，它們并不是針對(duì)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)微定位服務(wù)而設(shè)計(jì)。例如，BLE技術(shù)適用于涉及低功耗數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。然而，盡管工程界盡了最大努力，但BLE和Wi-Fi仍無(wú)法滿足精確、可靠、實(shí)時(shí)定位服務(wù)的需求。例如，BLE精度在幾米范圍內(nèi)，其可靠性在很大程度上取決于其所在環(huán)境。
但是，由于其已經(jīng)普及多年，所以人們首先想到的就是Wi-Fi和BLE技術(shù)。在過(guò)去幾年，它們還用于信標(biāo)和接入點(diǎn)。信標(biāo)是一種小型無(wú)線發(fā)射器，采用藍(lán)牙技術(shù)向附近的智能設(shè)備發(fā)送信號(hào)，同時(shí)還可以連接和傳輸信息，使定位搜索和交互變得更加容易、更加精確。
然而，它們?cè)诙ㄎ粦?yīng)用方面的價(jià)值有限，因?yàn)樗鼈冃枰M(jìn)行大量處理和測(cè)量才能獲得一個(gè)有用的位置點(diǎn)。使用這些技術(shù)需要時(shí)間，不具實(shí)時(shí)性，而且還會(huì)增加功耗。
由于上述這些因素，現(xiàn)在是時(shí)候推出UWB技術(shù)了，而且市場(chǎng)也已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。UWB是專為滿足實(shí)時(shí)定位應(yīng)用需求而開(kāi)發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
超帶寬技術(shù)簡(jiǎn)介 ? ? ?
UWB是一種 IEEE 802.15.4a/z標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，針對(duì)安全的精準(zhǔn)微定位應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它完全滿足上一節(jié)中的所有要求。像GPS技術(shù)一樣，UWB能夠通過(guò)大幅提高定位信息的價(jià)值，在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生重大影響。
如圖2所示，UWB具有以下特性：
極其精確：UWB可以準(zhǔn)確定位人和物的位置，精度達(dá)到幾厘米之內(nèi)。比Wi-Fi和BLE精確100倍。當(dāng)跟蹤/定位小型物體時(shí)，或者如果您的應(yīng)用需要知道物體在墻壁的哪一側(cè)，那么精度就非常重要。
安全可靠：UWB不易受多路徑和干擾影響。由于存在反射和其他干擾，室內(nèi)位置測(cè)量對(duì)于射頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極具挑戰(zhàn)性。
低延遲：UWB比GPS快50倍，更新速度高達(dá)1,000次/秒。UWB比BLE標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)快3,000 倍！低延遲性使UWB非常適合快速移動(dòng)對(duì)象應(yīng)用（如無(wú)人機(jī)），并且能夠?qū)崿F(xiàn)許多非常棒的用例。
經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，功耗低：與其他主流電子技術(shù)相比，UWB不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且功耗低。許多 UWB 設(shè)備采用紐扣電池供電，既方便又實(shí)惠。
單點(diǎn)定向：UWB只需單點(diǎn)測(cè)量即可精確可靠地確定您的位置，而其他射頻技術(shù)需要多個(gè)樣本和濾波才能獲得定位結(jié)果。
安全：UWB利用IEEE定義的傳輸距離限制通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種極難破解的安全性。
圖2：超寬帶技術(shù)功能
UWB與其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 ? ? ?
設(shè)計(jì)室內(nèi)定位系統(tǒng)時(shí)，需要考慮許多因素。您需要根據(jù)不同的應(yīng)用選擇最符合其需求的定位技術(shù)。如表中所示，可用技術(shù)的覆蓋范圍、精度、可靠性等其他方面都有所不同。
以下將回顧這些技術(shù)之間的一些差異。
1 基礎(chǔ)設(shè)施的范圍和成本
這兩個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，因?yàn)楣ぷ鞣秶鷽Q定了在建筑物等區(qū)域內(nèi)部署實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)量。范圍越大，單位區(qū)域內(nèi)的設(shè)備越少，而設(shè)備越少，成本就越低。
例如，UWB的射頻范圍為50至70米，而藍(lán)牙的定位應(yīng)用范圍僅為10至20米，Wi-Fi為40至50米。另外，由于藍(lán)牙和Wi-Fi中應(yīng)用的定位技術(shù)都是基于接收信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)備遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，藍(lán)牙和Wi-Fi的精度就會(huì)迅速下降。而與之對(duì)應(yīng)，UWB定位技術(shù)是基于信號(hào)的飛行時(shí)間的，因此其精度在工作范圍內(nèi)是恒定的。
理論距離和算法精度會(huì)共同影響各個(gè)錨點(diǎn)之間的實(shí)際部署間距。如圖3所示，使用UWB（左）與藍(lán)牙（右）和Wi-Fi（右下）覆蓋類似區(qū)域，使用UWB時(shí)，需要的無(wú)線錨點(diǎn)更少。這可顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施、部署和維護(hù)成本。
圖3：典型工廠車間所需的UWB、Wi-Fi和藍(lán)牙錨點(diǎn)比較。
2 數(shù)據(jù)通信速度 與此同時(shí)，室內(nèi)定位系統(tǒng)還必須能夠同時(shí)從嵌入設(shè)備中的傳感器收集數(shù)據(jù)。您肯定不想使用多項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜和昂貴。除了定位功能，UWB還提供速率高達(dá) 27Mbps 的數(shù)據(jù)通信管道，因此非常適合快速、高效地收集傳感器數(shù)據(jù)。此外，工程師們正在與標(biāo)準(zhǔn)化組織合作，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)速率提高到27Mbps以上。
3 可擴(kuò)展性 大規(guī)模部署的一個(gè)重要考慮因素就是可在場(chǎng)所內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備（即傳感器和執(zhí)行器）數(shù)量。例如，工廠通常需要同時(shí)定位數(shù)千個(gè)資產(chǎn)才能構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)。由于其數(shù)據(jù)包非常短，所以UWB系統(tǒng)可處理數(shù)千個(gè)設(shè)備，而Wi-Fi和藍(lán)牙只能處理幾百個(gè)設(shè)備。
4 延遲 無(wú)論您想為倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，還是想要構(gòu)建一個(gè)感應(yīng)式門禁系統(tǒng)，其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是系統(tǒng)延遲，換句話說(shuō)，就是定位報(bào)告之間的延遲，因?yàn)槟ㄎ坏脑O(shè)備很可能在移動(dòng)。由于UWB的數(shù)據(jù)包非常短，且可實(shí)現(xiàn)精確可靠的位置測(cè)量，所以可實(shí)現(xiàn)不到1毫秒的延遲。這樣就可以實(shí)現(xiàn)“真正的”實(shí)時(shí)定位檢測(cè)，而其他技術(shù)則需要幾秒鐘才能獲取和計(jì)算應(yīng)用所需的位置信息。 ? ?
超寬帶技術(shù)運(yùn)用描述 ? ? ?
您可能不知道，但UWB已在40多個(gè)不同行業(yè)中部署實(shí)施，包括圖4所示的以下應(yīng)用：
消費(fèi)類應(yīng)用包括互聯(lián)家居、零售、機(jī)器人、TV/機(jī)頂盒、人工現(xiàn)實(shí) (AR) /虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、運(yùn)動(dòng)和無(wú)人機(jī)。
汽車應(yīng)用包括智能汽車的安全無(wú)鑰門禁和無(wú)鑰起動(dòng)。
工業(yè)應(yīng)用包括樓宇控制、健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安全與安防、工廠自動(dòng)化、機(jī)器人和采礦。
圖4：已有40多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域部署了UWB。
在制造業(yè)、工業(yè)物流、家居周邊和汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)4.0應(yīng)用場(chǎng)景中，UWB可以讓物體和人員位置都清晰可見(jiàn)，因此可以提高運(yùn)營(yíng)效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。
以下是UWB的一些有趣且有用的應(yīng)用：
1 家居安全/互聯(lián)家居 目前的報(bào)警系統(tǒng)需要用戶來(lái)激活和停用系統(tǒng)。采用UWB之后，用戶將獲得無(wú)縫體驗(yàn)。您不再需要使用鑰匙來(lái)開(kāi)門，或使用觸摸板來(lái)解除安全系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)您把智能手機(jī)放在口袋里時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)知道您走近或離開(kāi)家的時(shí)間。其他應(yīng)用包括智能遙控和智能手機(jī)，您只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來(lái)啟用正確的功能，遙控器和智能手機(jī)就知道是哪個(gè)物體。 2 工業(yè) 4.0 UWB可提供精確可靠的物體和人員位置信息，從而提高運(yùn)營(yíng)效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。
工廠可利用UWB技術(shù)，在工人接近危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)發(fā)出警告，以提高安全性。如果發(fā)生緊急情況，UWB可跟蹤是否所有工人均已安全撤離。
UWB還可用于“數(shù)字孿生”制造應(yīng)用，這些應(yīng)用使用物理對(duì)象或工藝的近實(shí)時(shí)數(shù)字圖像來(lái)優(yōu)化業(yè)務(wù)流程以提升績(jī)效。（數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品或資產(chǎn)的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產(chǎn)（如生產(chǎn)機(jī)器、生產(chǎn)線和工廠）的性能、有效性和質(zhì)量。）UWB標(biāo)簽可跟蹤叉車和工具，以便實(shí)時(shí)查看工作進(jìn)展，從而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶頸。 3 汽車工業(yè) 采用UWB技術(shù)的密鑰卡可實(shí)現(xiàn)安全通信和距離測(cè)量，以防止車輛被盜。UWB采用飛行時(shí)間 (TOF) 概念，并結(jié)合了IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)要求的其他安全措施，是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的防中繼攻擊技術(shù)。 4 機(jī)器人 UWB可以實(shí)現(xiàn)非常精確的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，您可以讓剪草機(jī)自動(dòng)、高效、精確、安全地割草?；蛘?，您可以讓自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 將備件送到裝配線上的特定工作站。個(gè)人運(yùn)輸機(jī)器人甚至可以跟著您走，幫您搬運(yùn)任何需要移動(dòng)的重型零件或設(shè)備。 5 運(yùn)動(dòng) UWB具有厘米級(jí)精度和低延遲，非常適合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。您可以跟蹤運(yùn)動(dòng)員快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并且無(wú)需擔(dān)心測(cè)量不準(zhǔn)確。UWB已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項(xiàng)目，幫助防止隊(duì)員受傷，提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。 6 企業(yè) UWB可實(shí)現(xiàn)可靠的社交距離解決方案，能夠?qū)⒐と税踩\(yùn)送到工作現(xiàn)場(chǎng)。由于其精確性、可靠性和實(shí)時(shí)性，UWB成為企業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。
UWB還可用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進(jìn)出。這不僅便利，而且還提高了醫(yī)院等環(huán)境的安全性。
審核編輯：黃飛
?
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論