工業(yè)環(huán)境中的測距與定位應用解決方案

在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，隨著自動化技術的迅速發(fā)展，準確的測距與定位技術成為了提高生產(chǎn)效率、保障工人安全和優(yōu)化資源分配的關鍵因素。隨著工業(yè)4.0的進一步推進，實時定位系統(tǒng)（RTLS）、激光測距技術、超寬帶（UWB）技術等表現(xiàn)突出的測距與定位解決方案，已經(jīng)成為實現(xiàn)精細化管理和智能化運營的重要技術。本文將探討這些技術在工業(yè)環(huán)境中的應用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)，與未來的發(fā)展趨勢，以及由Murata（村田制作所）所推出的相關解決方案。

準確測距功能確保工業(yè)系統(tǒng)的

效率和安全性

利用M2M（機器與機器）和H2M（人與機器）之間的準確測距功能，可以增強多種應用中的安全性，尤其是在工業(yè)自動化、智能交通和人機協(xié)作領域。測距應用通常會使用包括超聲波、雷達、激光雷達（LiDAR）或超寬帶（UWB）等技術。這些技術能夠提供亞米級甚至厘米級的距離測量精度。通過實時測量機器或人之間的距離，可以生成準確的位置信息，并通過算法對其進行處理。

在工業(yè)環(huán)境中，防碰撞系統(tǒng)相當重要，自動化設備和機器人之間的準確測距可以避免相互碰撞，確保設備的安全運行。此外，機器之間的準確測距還可以幫助優(yōu)化其移動路徑，減少不必要的能量消耗和磨損，從而提高系統(tǒng)的效率和安全性。

在人與機器人協(xié)作的環(huán)境中，人機協(xié)作的安全便相當關鍵，通過測距技術實時監(jiān)控兩者之間的距離，當檢測到人員過近時，系統(tǒng)可以自動減速或停止機器人以防止發(fā)生碰撞。此外，測距技術還可以用于監(jiān)控危險區(qū)域，確保人類操作員不會無意中進入危險的工作區(qū)。

目前已可采用多種技術結(jié)合的安全保障方式，像是進行多傳感器組合，將多種測距技術和傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合（如攝像頭、紅外線傳感器等），可以提高測距的可靠性和準確性，從而進一步增強安全性，或是利用人工智能和機器學習算法分析測距數(shù)據(jù)，可以預估潛在危險，并提前發(fā)出警告，以避免事故發(fā)生。通過以上方式，M2M和H2M之間的準確測距功能，在保障工業(yè)和人機協(xié)作安全方面發(fā)揮著至關重要的作用。

實時定位系統(tǒng)可提高工作場所的

安全性和運營效率

實時定位系統(tǒng)（RTLS, Real-Time Location Systems）是一種能夠?qū)崟r跟蹤和監(jiān)控物體或人員位置的技術，大量應用于安全管理和工人效率監(jiān)控。RTLS的關鍵技術相當多樣，像是UWB技術可提供高精度的定位，誤差范圍通常在幾公分以內(nèi)，非常適合需要準確跟蹤的應用場景。或是采用射頻識別（RFID）系統(tǒng)，通過在標簽和讀取器之間傳輸信號來跟蹤物品或人員的位置，它通常用于較低精度的定位。此外，也可采用Wi-Fi定位，其可基于信號強度測量，可以在已有的網(wǎng)絡基礎設施上部署，但定位精度通常較低。

另一方面，還可使用藍牙低功耗（BLE）技術，BLE信標通過發(fā)送信號與設備通信來實現(xiàn)定位，精度適中，適合低功耗需求的場景。全球定位系統(tǒng)（GPS）則是適合在戶外環(huán)境中使用，在室內(nèi)定位的效果較差且耗電較多。此外，也可利用攝像頭和計算機視覺技術來檢測和跟蹤物體或人員的位置，通常用于需要高精度的室內(nèi)應用。

RTLS的應用領域相當寬廣，像是在工人安全監(jiān)控應用中，RTLS可以實時跟蹤工人在工作環(huán)境中的位置，確保他們不會進入危險區(qū)域。如果工人靠近危險設備或區(qū)域，系統(tǒng)可以發(fā)出警告或自動停止相關設備。在發(fā)生緊急情況時，RTLS也可以幫助迅速定位工人并引導救援人員進行迅速救援。此外，還可通過分析工人在不同區(qū)域的活動，可以評估工作流程的效率，優(yōu)化任務分配，減少時間浪費，提高生產(chǎn)力。

RTLS還可以用于跟蹤和管理工具、設備和物料，減少丟失和誤放的情況，確保設備的有效利用。在倉庫和物流中心，RTLS可以優(yōu)化庫存管理，減少訂單處理時間，提升供應鏈的整體效率。在醫(yī)院環(huán)境中，RTLS可用于跟蹤醫(yī)護人員、病人和關鍵醫(yī)療設備的位置，確保及時響應和資源的有效使用。

超寬帶技術可實現(xiàn)安全、準確的距離測量

UWB技術利用基于無線電波飛行時間（ToF）技術，來進行的安全、準確的距離測量。Murata生產(chǎn)與開發(fā)了基于NXP的UWB模塊，以及采用Qorvo與Nordic芯片的UWB模塊。

Murata的Type 2BP是超小型UWB模塊，包括NXP的Trimension SR150 UWB芯片組、時鐘、濾波器和外圍器件，非常適合一般物聯(lián)網(wǎng)設備。這款小尺寸UWB模塊支持UWB 5與9頻道，具有SPI接口與3天線支持（3D AoA或2D AoA），并已通過FCC/CE參考認證，采用樹脂模制結(jié)合共形屏蔽結(jié)構(gòu)，尺寸僅有6.6 × 5.8 × 1.2 mm，支持功率校準和晶體校準。

Murata還推出搭配Type 2BP的評估板── LBUA0VG2BP-EVK-P，該評估板上有Type 2BP和NXP QN9090（BLE芯片）、USB-UART轉(zhuǎn)換IC，可通過USB電纜供電，并通過PC的COM端口運用QN9090控制Type 2BP。該開發(fā)套件已獲得Apple批準，用于評估支持UWB的配件，這些配件利用Apple的附近交互框架，可與包含U1芯片的Apple產(chǎn)品進行交互。

Murata的另一款基于NXP UWB芯片組的UWB模塊是Type 2DK，這是一款一體化UWB結(jié)合藍牙LE組合模塊，集成了NXP Trimension SR040 UWB芯片組、NXP QN9090藍牙 LE與MCU芯片組、板載天線和外圍器件，非常適合使用鈕扣電池供電的UWB標簽／跟蹤器，以及一般物聯(lián)網(wǎng)設備，并已通過FCC/CE參考認證。

Murata也有推出搭配Type 2DK的評估套件── LBUA2ZZ2DK-EVK，該評估套件上配有Type 2DK、UART-USB IC、SWD端口和幣形電池座。

Murata的Type 2AB模塊則是被設計為超小型、高質(zhì)量和低功耗的UWB模塊，非常適合小型電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備和應用。Type 2AB采用Qorvo QM33120W UWB芯片組，支持5和9頻道，并通過FCC/IC/TELEC參考認證，集成了Nordic IC—nRF52840，是無主機模塊，它還具有藍牙低功耗功能，用于喚醒UWB和更新固件，集成的3軸傳感器可節(jié)省電池電量，并嵌入UWB和MCU的參考時鐘。Type 2AB是市場上特別小巧、高度集成的UWB模塊，比CoB解決方案面積減少75%，每個器件的頻率、發(fā)射功率和天線延遲均經(jīng)過校準，可支持多天線設計和評估。

LBUA5QJ2AB-828EVB評估套件是Murata UWB／藍牙低功耗模塊Type 2AB的評估板，可通過USB接口將板上的Type-C USB端子與PC連接并通電，且有串口，客戶可以通過串口終端輸入AT命令來評估RF性能。如果客戶將演示固件重新編程到模塊中，還可以評估簡單的TWR和PDoA功能。

應用于測距與定位領域的Wi-Fi與藍牙模塊

除了UWB技術之外，Wi-Fi與藍牙技術也可用于測距與定位應用，當Wi-Fi與藍牙結(jié)合時還可讓您直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此它是適合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品特別靈活的無線技術。目前Murata已有多種Wi-Fi與藍牙模塊可供選擇，支持IEEE 802.11a、11b、11g、11n和11ac 2×2 MIMO標準、2.4GHz和5GHz頻段，適用于無線LAN和藍牙 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR /LE通信。

Murata的Type 2AE是一款基于Infineon CYW4373E組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac結(jié)合藍牙 5.2 BR/EDR/LE，Wi-Fi上的PHY數(shù)據(jù)速率達到433Mbps，藍牙則支持3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，藍牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM，WLAN和藍牙部分也都支持USB 2.0接口。

在開發(fā)系統(tǒng)時可在NXP i.MX（Linux/FreeRTOS）上開發(fā)軟件，若要在RTOS上開發(fā)軟件，可采用Infineon 的 WICED 開發(fā)系統(tǒng)，可大大減少為嵌入式設備添加無線連接所需的工作量。該SDK使開發(fā)人員能夠迅速創(chuàng)建針對資源匱乏的微控制器的網(wǎng)絡連接應用。在評估工具方面，則可以在Linux系統(tǒng)上選擇Embedded Artists的2AE M.2模塊。

Murata的Type 2EA則是一款基于Infineon CYW55573組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO與藍牙5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi上支持達到1.2 Gbps PHY數(shù)據(jù)速率，以及傳統(tǒng)藍牙（EDR）上的3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率與藍牙 LE上的2Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持PCIe v3.0 Gen 2和SDIO 3.0接口，藍牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM。

Type 2EA同樣擁有NXP i.MX Linux上支持的軟件配置，以及適用于NXP i.MX平臺的Linux驅(qū)動程序／固件，Murata建議的評估硬件則是Embedded Artists的2EA M.2模塊。

Type 1XL則是一款基于NXP 88W9098組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO與藍牙 5.3 BR/EDR/LE，支持Wi-Fi上的1200Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，和藍牙上的3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持PCIe 2.0接口，可選支持SDIO 3.0。藍牙部分支持高速4線UART接口（可選支持SDIO）和音頻數(shù)據(jù)的PCM。

在軟件開發(fā)上同樣支持對于NXP i.MX Linux上的配置，Murata建議的評估硬件則是Embedded Artists的1XL M.2模塊。

Murata的Type 2DL則是一款基于NXP IW611組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax與藍牙 5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi上達到601Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，和藍牙上的2Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，藍牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM。

Type 2DL的開發(fā)軟件對于NXP i.MX Linux上支持的配置目前仍待定，Murata建議的評估硬件則為Embedded Artists的2DL M.2模塊。

結(jié)語

隨著工業(yè)環(huán)境的復雜性和自動化需求的提升，準確的測距與定位技術在保障安全、提升生產(chǎn)效率以及實現(xiàn)資源優(yōu)化管理方面的作用日益重要。通過實施杰出的測距與定位解決方案，如實時定位系統(tǒng)（RTLS）、激光測距技術和超寬帶（UWB）技術，企業(yè)不僅能夠大幅度提高運營效率，還能夠在智能化管理方面獲得競爭優(yōu)勢。Murata生產(chǎn)多種UWB與WiFi/藍牙模塊，雖然測距與定位用例是“系統(tǒng)／解決方案”業(yè)務而不是模塊業(yè)務，但有鑒于工業(yè)RTLS應用將是一個不斷增長的市場，且需要定制和進行有限的擴展，因此Murata將可與市場上的這些第三方軟件與廠商合作，積極切入這一領域。