物联网应用的无线连接方案:资产追踪

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如果你还记得本系列前一篇文章,我们介绍了室内导航的应用,也概述了定位服务并将其分为两类:

  • 邻近解决方案:二者中更简单的一类,利用一种或多种技术判断两台设备的相对位置。
  • 定位系统:用于确定设备的物理位置,需要更复杂的基础设施部署。

邻近解决方案可进一步分为两类(如上图左侧所示):

  • 物品查找方案:例如附着在钥匙串、行李、遥控器等个人物品上的物品查找标签,用于追踪定位遗失或错放的设备。
  • 兴趣点信息系统:包括用户靠近特定位置时,智能手机上显示相关信息的应用 ------ 比如用户在商场导航时,可通过商场的移动应用收到促销商品的提醒。

定位系统可进一步分为两类(如上图右侧所示):

  • 实时定位系统(RTLS):用于设施内的资产追踪与人身追踪。RTLS 是网络中心化系统,位置信息会被追踪并上报至后台服务器,再提供给用户;通常设备自身并不知道所处位置。例如,在仓库中定位托盘、叉车与工作人员,或在医院中定位超声设备与患者,以保障安全、优化紧急情况下的响应时间。
  • 室内定位系统(IPS):与 RTLS 的工作方式相反,它是设备中心化系统 ------ 设备自身可感知位置,并将定位信息上报给设备用户(通常通过智能手机应用)。室内定位系统的应用场景包括机场、博物馆、商场、主题公园、医疗设施、会议中心等场所的室内导航。

资产追踪或许是实时定位系统最常见的应用,它与室内导航 / 路径规划非常相似,区别在于其关注的是移动对象,属于网络中心化应用(即系统追踪对象,而对象通常不知自身位置)。二者使用的技术也相似,甚至常常完全相同。

资产追踪的目标是在设施或限定区域内追踪不同实物资产及其位置,用途包括:

  • 提升资产利用率(如:追踪设备工具的使用情况与位置)
  • 物流场景的资产追踪(如:库存与运输追踪)
  • 消费者行为分析(如:商场购物者行为追踪)
  • 生产设施内的资产追踪(如:制造流水线中的资产追踪)

资产追踪过程中收集的数据用于辅助决策、防止损失、最大化资产利用指标,最终目标是节省业务运营的时间与成本。

资产追踪系统通常包含两类核心设备:

  • 部署在设施内的固定式定位器设备
  • 附着在资产上或由被追踪人员佩戴的追踪标签

后台软件(常被称为定位引擎)也是系统的核心部分,负责执行实际定位计算:追踪定位器设备、上报不同资产的位置,并为用户提供界面以分析追踪指标数据。

企业内被追踪的资产通常分为两类:

  • 库存物品:企业可能不会再回收的资产,追踪周期通常较短,如企业需发货给分销商或消费者的物品。
  • 自有资产:企业拥有的资产,在可用期间都需被追踪,如设施内员工使用的工具与设备。

这两类资产存在一些差异,会影响追踪的实施方式。例如,自有资产通常按每件物品的唯一序列号追踪,而库存物品因可互换,通常按部件编号与数量追踪。

传统上资产追踪由人工完成(人力成本较高),而计算机、软件与无线技术的最新进展,已实现了效率高得多的自动化解决方案。

资产追踪的应用场景包括:

  • 建筑工地:追踪设备、提升利用率
  • 制造设施:追踪生产线效率
  • 医疗设施:追踪医疗设备与患者
  • 仓库:物流场景的库存与运输追踪
  • 教育机构:追踪贵重设备、防止遗失与被盗

资产追踪的优势

资产追踪为企业带来诸多益处,其中最重要的包括:

  • 降低运营成本
  • 高效利用工具与设备
  • 优化空间与设施利用率
  • 防止重要资产遗失与被盗
  • 自动化管理库存与运输

资产追踪所用无线技术的关键属性

资产追踪应用选择无线技术时,需考虑以下核心属性:

  • 可扩展性
  • 定位分辨率(精度与延迟)
  • 功耗(针对被追踪的资产标签)
  • 成本(设备成本、部署成本、维护成本等)

这些属性的可容忍程度高度依赖具体应用场景。例如,部分场景只需知道资产是否在特定房间内,而另一些场景则需要亚米级或厘米级的定位精度。

所需的精度也直接影响资产追踪系统的部署与实施成本:通常系统精度要求越高,成本越高。

适用于资产追踪的无线技术对比

如前所述,资产追踪与室内导航应用非常相似,因此适用的无线技术也相近:

  • 蓝牙低功耗(Bluetooth® Low Energy)
  • 超宽带(UWB)
  • 低功耗广域网(LPWAN,如 LoRa、LTE-M、NB-IoT)
  • 射频识别(RFID,主动式)

还有一种非物联网专属但值得一提的方案(也是流行的替代技术)是计算机视觉,用于追踪物体与人员。计算机视觉指通过算法与技术让计算机识别数字图像中的人与物体;随着计算机视觉技术的进步,已可通过摄像头系统实时识别与追踪资产。其缺点是分析视频 / 图像内容(尤其是实时分析)需要极大的带宽。

蓝牙低功耗是资产追踪应用中最常用的无线技术之一,其核心优势包括:

  • 低功耗
  • 低成本
  • 支持大规模部署

蓝牙低功耗方案的缺点包括:同频段其他信号可能造成干扰;依赖接收信号强度指示(RSSI)的系统精度为中等水平。

蓝牙信标常用于资产追踪系统:实施方式是在设施的特定区域部署定位器设备(作为信标),接收资产上标签发射的信号;标签发送的数据包的 RSSI 会上报给后台服务器,服务器掌握所有定位器设备的信息,可利用 RSSI 数据确定蓝牙信标(资产标签)在设施内的大致位置。

2019 年,蓝牙核心规范 5.1 引入了 "蓝牙测向" 这一创新功能,大幅提升了蓝牙低功耗设备的定位精度。该功能支持设备基于出发角(AoD)、到达角(AoA)或二者结合进行定位。

在资产追踪场景中,AoA 是更适用的技术:设施内部署多台定位器设备(接收器),每台设备配备天线阵列,用于检测蓝牙信标(资产标签)信号的到达角;而信标仅需单天线。系统结合 RSSI 与 AoA 信息,实现信标的更精准定位,资产位置通常通过后台服务器的网页界面呈现给用户。

超宽带是一种短距离无线电技术,广泛应用于室内导航与资产追踪系统,工作频段为 3.1-10.6GHz,带宽至少为 500MHz。

基于 UWB 的资产追踪系统与蓝牙低功耗信标方案的区别在于:它不使用 RSSI 或测向(AoA、AoD)测量,而是利用飞行时间(ToF),通过三角测量计算确定设备位置。

飞行时间法的基本原理是:通过信号从发射器到接收器的传播时间,结合信号传播速度,计算设备间的距离;最终利用这些距离值进行三角测量,确定目标设备的位置。

UWB 资产追踪系统的优势包括:

  • 精度高于其他技术的 RSSI 方案:因其工作在极宽的频段,无线电信号的飞行时间测量与带宽相关
  • 减少与其他信号的干扰,原因包括:
    • 工作在不同频段
    • 发射功率低
    • UWB 信号的发射持续时间短

UWB 技术用于资产追踪的缺点包括:

  • 成本高,有时甚至难以承受
  • 缺乏全球标准化:不同地区的法规存在差异

低功耗广域网(LPWAN:LoRa、LTE-M、NB-IoT)

LPWAN 技术近年来在资产追踪领域越来越受欢迎,尤其是需要长距离追踪的场景。基于 LPWAN 的方案通常利用辅助 GPS(A-GPS)定位,但该方式在室内受限,因此室内场景会改用 RSSI 或飞行时间(ToF)三角测量定位。

由于 LPWAN 技术延迟较高,这类方案通常仅适用于移动性有限的设备追踪,而非高移动性设备。延迟也与定位计算精度直接相关,因此这类方案的定位精度通常不足。

最后一种用于资产追踪系统的无线技术是射频识别(RFID),基于 RFID 的资产追踪系统通常利用 RSSI 测量确定位置。

RFID 标签分为两类:无源与有源。资产追踪系统通常使用有源 RFID 标签,因其工作范围更大。

基于 RFID 的资产追踪系统的缺点包括:

  • 有源 RFID 标签成本高
  • 需大量标签才能实现精准定位
  • 部分场景下精度较低

现在,我们结合前文列出的关键属性,对比这些常见技术:

需要注意的一个重要点是:多数资产追踪系统会结合多种技术,每种技术用于不同用途。例如,Wi-Fi 可用于设施内各定位器与后台服务器间的数据传输,而蓝牙低功耗、超宽带等技术则常用于确定目标设备在区域内的位置。

选择资产追踪所用技术时,最核心的考量属性是定位精度。通常精度越高,成本越高、系统越复杂,这对资产追踪系统的技术选型影响极大。值得注意的是:随着测向功能的加入,蓝牙技术能够以低于其他方案的成本实现高精度定位,尤其是从总拥有成本的角度来看。

部分资产追踪系统还可用于在设备端采集传感器数据 ------ 这是通过在被追踪设备的资产标签中集成传感器实现的。这种情况下,延迟对所用技术的可行性起着关键作用。

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