搜索
查看: 548|回复: 0

[分享] 物联网之UWB

[复制链接]

9

主题

355

帖子

684

积分

高级会员

Rank: 4

积分
684
发表于 2024-4-23 17:22:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
随着物联网技术的快速发展,越来越多的企业开始关注物联网技术的应用。我们可以通过各种传感器、摄像头等设备采集数据,并通过网络传输到后台服务器存储,分析,展示等。
其中在数据采集过程中,我们需要考虑数据的实时性、准确性和安全性,为了确保数据的实时性,我们可以使用MQTT协议实现设备与服务器之间的实时通信,通过UWB技术进行设备数据的采集。
在这里大部分同学可能会问UWB是什么?
技术介绍
UWB就是 Ultra Wideband,一种超宽带技术。它源于20世纪60年代兴起的一种无线载波通信技术。一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号,通信信号的实际占用带宽并不高。而UWB不同于传统的通信技术,它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短,因此其所占的频谱范围很宽。
UWB具有高精度、高速率、低功耗、抗干扰等优势。UWB技术是一种无线通信技术,其特点是信号带宽非常宽,频率范围覆盖了从几百兆赫兹到几吉赫兹的频段,可以实现高精度的定位和距离测量。
UWB芯片通常包括射频前端、数字信号处理器、微控制器等模块。射频前端模块负责接收和发射UWB信号,数字信号处理器模块负责对接收到的信号进行处理,微控制器模块负责控制整个芯片的工作。
优势及其应用场景
实现高精度的室内定位,利用超宽带脉冲信号进行定位,其时间域分辨率非常高,可以实现厘米级别的定位精度,这比其他定位技术如WIFI、蓝牙、RFID等要更加精准。可以用于车联网、室内导航、安防监控、人员实时定位等场景。
可以实现高速的数据传输,UWB室内定位技术使用超宽带信号进行通信和定位,具有高数据传输速率,可以实现Gbps级别的传输速率,这使得其在需要高速数据传输的场合下更具有优势。可以用于智能家居、智能医疗、智能办公等领域。
低功耗和抗干扰能力强,可以保证设备长时间稳定运行。在室内环境中,信号经常会遇到多径干扰问题,导致信号传输的不稳定性。但是UWB室内定位技术具有良好的抗多径干扰能力,能够减少信号干扰,从而提高定位的稳定性和精度。
系统容量大,可同时工作的标签多,容量高。UWB定位技术使用的带宽在1GHz以上,甚至可高达几个GHz,那么每发送一个UWB信号的持续时间就非常短了。带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应,这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。
这些优势使得它在室内定位、智能物联网、智能家居等领域有着广泛的应用。
UWB芯片的工作原理
使用UWB芯片需要先了解UWB芯片的工作原理和通信协议。UWB芯片通过发送短脉冲信号来实现高精度定位和高速数据传输,通信协议包括DW1000、DW3000等。
UWB定位,超宽频定位,本质上和GPS卫星定位的原理是一样的,它不过是将卫星放在了地面上,也就是自己搭建作为卫星的基站,然后去根据和GPS定位相同的算法计算出每个Anchor(基站)到Tag(移动站)的距离,从而解算出移动站的空间坐标,对于三维空间定位而言一般至少需要四个Anchor,Anchor的数量增加不但可以构建超定方程组使用一些算法提高精度,同时也可以作为通信质量不佳下的冗余设计,所以在可以接受的条件下,基站的数量一般越多越好。
DW1000是DecaWave公司推出的一款UWB定位芯片,按照其DATASHEET说明,其有效距离可以达到300m,同时据代理商提供的信息,其定位精度可以到到10cm的程度,这在业内算是一个非常不错的参数。对于开发者来说建议购买DWM1000这个官方封装好的模块进行开发,相对于裸片,它集成了时钟和天线等,比较便于测试。
UWB定位的原理是TOA或者TODA,当然也有还有AOA等,不常见。
TOA
TOA即“到达时间”,这种方式定位是通过Anchor和Tag之间的多次通信实现的,如下图:
1. Anchor首先发给Tag一个包,同时记录下Anchor当前的时间信息,记为T1
2. Tag收到基站的信息,返回一个ACK
3. Anchor收到Tag的ACK,记录当前的时间信息,记为T2
4. Anchor计算时间差Tr = T2 - T1,并且根据此计算出距离:
d = c * Tr / 2
其中c为光速
当然,实际应用中为了更加靠谱,往往不仅仅是利用两次通信来测距,还会有更加复杂的多次通信来提高精度,详细的同样可以看DW1000的UserManual最后一节。对于空间定位,只需要利用SX(球面相交法)便可以得出最后的坐标。可见,为了一次定位,每个Anchor和Tag之间要进行两次通信,故DecaWave又将这种定位方式称为“Two-way-ranging”。
这种定位的优势在于其实现的便捷性和对硬件的宽容,只需要有几个摆放在不同位置的Anchor和一个Tag便可进行定位,而缺点嘛...首先自然是定位速度了,其次,由于每次通信的质量无法保证,而一对Anchor/Tag又无法做自我的校准,精度自然也会受到相当的影响。
TDOA
TDOA即“到达时间差”,这种方式的一次测距是由两个Anchor和一个Tag实现的。在这种模式下,多个时钟完全同步的Anchor同时接受来自一个Tag的包,对于不同位置的Anchor,同一个Tag的同一次广播包到达的时间是不同的,所以便有有以下算法:
1. Tag发出一个广播包。
2.两个Anchor接收到同一个包,Anchor1接收到的时间为T1,Anchor2接收到的时间为T1
3.计算时间差Td = T2 - T1
4.对于至少四个Anchor,可以得到三组这样的两两之间的信息
5.通过数学方法可以解算出Tag的空间坐标
由于算法比较复杂,这里不再赘述。
由此可见,TDOA的优势首先在于一次定位的通信次数显著减少,其次由于是用时间差而非绝对时间进行测距,其精度也比TOA高出一些。但优势总是以一些代价换来的,TDOA系统中各个Anchor的时钟必须严格同步,由于这种定位本质上是依赖于光速的,所以1ns的固有时钟误差便可以造成30cm的固有距离误差,这一点显然是不可接受的。
众所周知,我们正在加速走向万物互联时代。虽然5G是现在的热门,但5G并不能通吃所有的物联场景。以Wi-Fi 6、蓝牙、UWB为代表的短距离通信技术,仍然有很大的发展空间和市场机会。这些技术可以根据自身的特点,与细分物联网场景紧密结合,给用户提供更好的服务体验

回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 注册/登录

本版积分规则

关闭

站长推荐上一条 /2 下一条

Archiver|手机版|小黑屋|RF技术社区

GMT+8, 2024-5-19 03:46 , Processed in 0.064973 second(s), 6 queries , MemCache On.

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2024, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表