Indoor Positioning mit Ultra-wideband

Indoor Tracking im Industrieumfeld erfordert mitunter eine sehr genaue Positionsbestimmung. Hierfür bieten wir Lösungen mit der Nahfunktechnik Ultra-wideband (UWB, Ultra Breitband) an, die außerhalb der gängigen Consumer-Standards WLAN und Bluetooth Low Energy arbeitet und Positionsgenauigkeiten von unter 30 Zentimetern bietet.

Indoor Positioning with Ultra-wideband

Indoor Positioning mit Ultra-wideband hat verschiedene Vorteile: Die Genauigkeit ist mit 10-30 Zentimetern deutlich höher als bei Beacons (1-3 Meter) oder WLAN (5-15 Meter). Die Latenzzeit ist sehr gering (Positionsabfrage bis zu 100 Mal pro Sekunde möglich) und Höhenunterschiede lassen sich äußerst präzise bestimmen. Die Technik ist jedoch eine Sonderlösung, die entsprechende Komponenten benötigt und daher überwiegend für spezielle Industrieanwendungen in Frage kommt. Das Gesamtsystem ist im Vergleich zu WiFi- oder BLE Lösungen auf gleicher Fläche kostenintensiver und kann nicht unmittelbar eine Position auf einem mobilen Endgerät darstellen.






Funktionsweise von Indoor Localization mit Ultra-wideband

Ultra-wideband ist eine Art der Nahbereichsfunkkommunikation, die zur Indoor Positionsbestimmung genutzt werden kann. Im Gegensatz zu Bluetooth Low Energy und WLAN basiert die Positionsbestimmung nicht auf der Messung von Signalstärken (Receive Signal Strength Indicator, RSSI), sondern auf einem Laufzeitverfahren (Time of Flight, ToF). Dabei wird die Lichtlaufzeit zwischen einem Objekt und mehreren Empfängern (Anchors) gemessen. Für die genaue Positionsbestimmung eines Objektes sind mindestens 3 Empfänger nötig (Trilateration).

Der Gegenstand oder die Person, dessen/deren Position bestimmt werden soll (Asset), benötigt einen batteriebetriebenen kleinen Tag (infsoft Locator Tag), der Daten (ID, ToF, timestamp) an sogenannte Anchors sendet. Diese sind fix in die Infrastruktur eingebracht und können über die gemessene Lichtlaufzeit berechnen, wie weit das Asset entfernt ist. Kombiniert man die Daten aus mindestens 3 Anchors, ergibt sich eine 10-30 Zentimeter genaue Positionsangabe. Die Anchors können an das Stromnetz angeschlossen oder mit Batterien betrieben werden. Ihre Haltbarkeit liegt bei mindestens 2 Jahren, ihre Reichweite bei 30-40 Metern.

Setup eines Ultra-wideband basierten Systems: zwei Ansätze

Serverseitig

Infographic: Server-based Ultra-wideband set up
Visualisierung der Positionsdaten im Backend, keine Anzeige auf einem Client (Smartphone).

Für die Positionsbestimmung ermittelt der Locator Tag den Abstand zu mehreren Anchors und sendet die Daten an die Anchors zurück. infsoft Locator Nodes bieten neben WiFi und Bluetooth Low Energy (BLE) auch ein UWB-Modul, so dass sie als Empfangseinheit (Ultra-wideband Receiver) eingesetzt werden können. Der infsoft Locator Node verarbeitet die von den Anchors bereitgestellten Daten und sendet sie via WiFi, Ethernet oder UMTS an das infsoft Backend. Dort wird die Position bspw. in einer Karte dargestellt.

 

 


Clientseitig

Infographic: client-based Ultra-wideband set up
Visualisierung der Positionsdaten auf einem Client (Smartphone) und ggf. Übermittlung an Backend.

Sollen die Positionsdaten unmittelbar auf einem mobilen Endgerät (Smartphone) dargestellt werden, können die infsoft Locator Tags direkt via Bluetooth mit dem Smartphone kommunizieren. Das Detektionsverfahren über die Laufzeitmessung zu den Anchors bleibt bestehen, jedoch ist kein infsoft Locator Node als Ultra-wideband Receiver/Gateway notwendig. Der Locator Tag tauscht die Daten via Bluetooth mit dem Endgerät aus, welches die Daten, falls gewünscht, auch an das Backend senden kann.

 

 

Technische Merkmale von Ultra-wideband

  • Nutzung extrem großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz
  • Kaum störungsanfällig (Interferenzen)
  • Frequenzbereich 3,1 – 10,6 GHz
  • Sendeleistung 0,5 mW / −41,3 dBm/MHz
  • Reichweite 10 – 50 m (je nach Anwendungsfall)
  • Datenrate 110 kbit/s – 6,8 Mbit/s

UWB Anchor: Auf UWB basierende Anchors mit festen Positionen im Gebäude. Berechnen die Entfernung zu den Tags, die in Reichweite sind und teilen die Daten drahtlos mit den anderen verfügbaren Anchors via UDP (User Datagram Protocol, Verbindungsprotokoll). Anchors können an das Stromnetz angeschlossen oder mit Batterien betrieben werden, Laufzeit mindestens 2 Jahre, Reichweite 30-40 Meter, Maße (LxBxH): 76 x 76 x 25mm.

infsoft Locator Node: (Ultra-wideband receiver): Der infsoft Locator Node fungiert als Gateway und leitet die Daten der Anchors an das infsoft Backend weiter. Bei serverseitigen Positionsverfahren erfolgt dort die Berechnung der Position. Mehr Informationen zu infsoft Locator Nodes.

infsoft Locator Tag: Sender auf Basis von UWB Technologie, der an Personen oder Objekte angebracht wird. Er ist batteriebetrieben und sendet Daten zur Positionsbestimmung an die Anchors. Maße (LxBxH): ca. 60 x 40 x 20mm. Mehr Informationen zu infsoft Locator Tags.

Use Cases für Indoor Positioning mit Ultra-wideband

  • Genaue Ortung von Staplern inkl. Feststellung der Orientierung des Fahrzeuges, etwa bei schlechter Sicht
  • Analysieren von Laufwegen z.B. an einer Fertigungsanlage, anschließende Optimierung von Laufwegen
  • Asset Tracking im Industrieumfeld, z.B. Positionsbestimmung von Waren

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