Wie UWB-Module hochpräzise Indoor-Positionierungssysteme ermöglichen

In Innenräumen stoßen GPS-Signale auf eine Grenze. Sie schwächen sich schnell ab, wodurch herkömmliche Ortungssysteme unbrauchbar werden. Für Branchen, die auf Genauigkeit angewiesen sind, ist dies nicht nur problematisch, sondern mindert auch die Produktivität und erhöht die Sicherheitsrisiken. Bluetooth 5.1+ und Wi-Fi 6 eignen sich zwar für die allgemeine Zoneneinteilung, bieten aber nicht die zentimetergenaue Präzision, die für die industrielle Automatisierung erforderlich ist. Hier kommt die Ultrabreitband-  Technologie (UWB) als praktische Lösung für industrielle Umgebungen ins Spiel.

UWB-Module ermöglichen Echtzeit-Ortungssystemen (RTLS) eine Genauigkeit im Zentimeterbereich. UWB-Tracking bietet Ihnen höchste Präzision, mit der Sie die Effizienz von Gabelstaplerrouten in Lagerhallen optimieren oder die Sicherheit von Mitarbeitern in Gefahrenbereichen wie Bergwerken gewährleisten können. Sehen wir uns die Technik hinter diesen Modulen genauer an und erfahren wir, warum sie anderen drahtlosen Technologien so deutlich überlegen sind.

Was ist ein UWB-Modul?

Das UWB-Modul ist die zentrale Hardware für Entfernungsmessung und Positionsbestimmung. Es sendet ultrakurze Funkimpulse von nur einer Nanosekunde Dauer (die Zeit, die Licht für 30 Zentimeter benötigt) und berechnet die Laufzeit des Signals, um eine zentimetergenaue Entfernungsmessung zwischen Geräten zu erreichen.

In Positionierungssystemen für Fabriken und Lagerhallen kommt es in zwei Gerätetypen zum Einsatz: Zum einen in UWB-Tags, die von Mitarbeitern getragen oder an Geräten angebracht werden, zum anderen in UWB-Ankern, die an Raumecken oder Wänden installiert werden. Das UWB650Pro-Modul von G-NiceRF ist beispielsweise kleiner als eine Bankkarte und enthält die gesamte notwendige Hardware sowie die Basissoftware. Dies ermöglicht es Ingenieuren, Positionierungssysteme schnell zu entwickeln und Zeit bei der Schaltungsentwicklung zu sparen.

(UWB650Pro Größe 30,10 mm × 20,00 mm, Quelle: G-NiceRF Offizielles UWB650Pro Datenblatt v1.0)

Wie die UWB-Technologie Entfernungen ermittelt

UWB-Module realisieren Entfernungsmessungen durch die Messung der Laufzeit von Funksignalen.

Flugzeit (ToF)

Das System misst die Laufzeit eines Signals vom UWB-Tag zum UWB-Anker. Da sich Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, entspricht diese Laufzeit der Entfernung. UWB-Impulse dauern gemäß IEEE 802.15.4z  -Standard nur 2 Nanosekunden. Diese kurze Laufzeit ist entscheidend, da sie eine zentimetergenaue Messung auch in rauen Industrieumgebungen ermöglicht und die Unterscheidung zwischen einem direkten Signal und einem durch Mehrwegeausbreitung reflektierten Signal erleichtert.

TDoA und Hardware-Standards

Die Laufzeitdifferenzmessung (TDoA)  ist ein gängiges Verfahren für UWB-Systeme zur Verfolgung bewegter Objekte. Dabei wird nicht nur eine Messung durchgeführt, sondern der Zeitpunkt des Signalauftreffens an mehreren Ankerpunkten verglichen, um die Position des Tags zu bestimmen. Der IEEE-802.15.4z-2020  -Standard gewährleistet die reibungslose Zusammenarbeit von Geräten verschiedener Hersteller. Er erfüllt zudem die Anforderungen des industriellen IoT an Sicherheit (z. B. AES-128  -Verschlüsselung) und geringen Stromverbrauch.

UWB vs. Bluetooth vs. WLAN

Ihre Entscheidung hängt letztlich von einer Frage ab: Benötigen Sie allgemeine Übersicht oder präzise Ortung?

Warum UWB-Module für die Industrie besser sind

Gadgets für Endverbraucher eignen sich gut zum Auffinden von Schlüsseln, aber industrielle UWB-Module sind auf Zuverlässigkeit ausgelegt.

Vernetzung über große Entfernungen und in einem Mesh-Netzwerk

Für Standard-Funkmodule ist es nicht immer einfach, über größere Entfernungen eine stabile Verbindung aufrechtzuerhalten. Der Qorvo DW3000-Chip, Hochleistungsverstärker (PA) und stabile TCXO-Quarze kommen in Industriemodulen wie dem UWB650Pro  und dem UWB3000F27 zum Einsatz . Sie liefern eine Sendeleistung von 27 dBm in direkter Sichtlinie, und die Verbindung bleibt über eine Distanz von einem Kilometer stabil. Das UWB650Pro ist zudem mit Mesh-Netzwerken kompatibel . Das bedeutet, dass ein Modul als Router fungieren und automatisch die optimale Route für das Netzwerk finden kann. Dies ist besonders hilfreich in Tagebauen oder großen Logistikparks, wo nicht überall Ankerpunkte platziert werden können.

Hohe Integration vereinfacht die Entwicklung

Die Entwicklung von HF-Hardware ist komplex und erfordert umfassendes Fachwissen. Industriemodule lösen dieses Problem, indem sie UWB-Chip, HF-Transceiver, Energiemanagement und ESD-Schutz in einem einzigen Gehäuse vereinen. Einige Module verfügen sogar über einen integrierten Mikrocontroller (MCU). Die Kommunikation erfolgt über standardisierte UART-Schnittstellen, sodass Entwickler UWB-Entfernungsmessungen starten oder Daten mit einfachen Befehlen senden können.

Energiesparendes Design

Die Helmplakette eines Arbeiters muss lange halten. Daher ist es sehr wichtig, den Stromverbrauch der UWB-Technologie im Auge zu behalten. Das UWB3000F00  und andere spezialisierte Niedrigstrommodule verbrauchen im Tiefschlafmodus nur etwa 1 µA. Das bedeutet, dass eine handelsübliche CR2032-Knopfzelle einen Personentracker 6 bis 12 Monate lang mit Strom versorgen kann, wodurch Wartungseinsätze deutlich seltener erforderlich werden.

Kampf gegen Störungen

Fabriken sind Orte mit starken Funkstörungen, insbesondere im 2,4-GHz-Band. UWB umgeht dieses Problem durch den Betrieb bei 6,5 GHz (Kanal 5) oder 8 GHz (Kanal 9) gemäß dem IEEE-802.15.4z-Standard. Neben der Nutzung einer störungsärmeren Frequenz verwenden Module wie das UWB650Pro Mechanismen wie die ACK-Bestätigung und die Kanalfreigabeprüfung (CCA), um eine zuverlässige Übertragung der Tracking-Daten zu gewährleisten.

Anwendungen in der realen Welt

Logistik für Lagerhäuser

Es reicht nicht aus zu wissen, dass sich eine Palette „im Lager“ befindet. Lagerverantwortliche müssen genau wissen, in welchem ​​Regal und Gang sie steht. UWB-RTLS-Lösungen liefern Koordinaten mit einer Genauigkeit von 10 cm. Diese hohe Genauigkeit ermöglicht die Automatisierung der Bestandsverwaltung und verhindert Zusammenstöße von Gabelstaplern, wodurch menschliche Fehler deutlich reduziert werden.

Sicherheit für Bergleute

In Untertagebergwerken funktionieren Funkverbindungen schlecht. Mit dem UWB650Pro mit großer Reichweite können Sie mit Personen über 1 km Entfernung kommunizieren, selbst in geologisch anspruchsvollen Gebieten. In dieser Reichweite benötigen Sie weniger Anker, was die Kosten senkt. Das System überwacht die Bergleute in Echtzeit, sodass Rettungsteams im Notfall sofort wissen, wo sie hinmüssen.

Patientenfluss im Krankenhaus

UWB wird in Krankenhäusern zur Patienten- und Geräteüberwachung eingesetzt. Energiesparende Sensoren, wie sie beispielsweise an Rollstühlen oder Armbändern angebracht sind (im Ruhemodus <1 μA), erfassen die Verweildauer von Patienten in der Triage oder Behandlung. Diese Informationen zeigen, wo Probleme bestehen, etwa eine Störung im Untersuchungsraum, sodass die Verwaltung schnell Personal und Geräte anpassen und Wartezeiten verkürzen kann.

Vollständige Unterstützung für Lösungen

G-NiceRF  bietet umfassende Unterstützung von der Integration von UWB-Kernchips bis hin zu Endgeräteanwendungen, einschließlich des Designs von störungsresistenten Antennen, Netzwerklösungen, die dem IEEE 802.15.4z-Standard entsprechen, und OTA-Upgrade-Funktionen in Industriequalität, um Kunden beim Aufbau stabiler UWB-Tracking-Systeme zu unterstützen.

Fragen und Antworten

Wie weit können UWB-Nachrichten gesendet werden?

Standardmodule haben üblicherweise eine Reichweite von 50 bis 100 Metern. Industrielle Ausführungen mit Leistungsverstärkern, wie beispielsweise das UWB650Pro, erreichen jedoch im Freien Entfernungen von über einem Kilometer und eignen sich daher hervorragend für große Innen- oder Außenanlagen.

Kann UWB durch Wände dringen?

Nicht wirklich. UWB-Strahlung hat eine hohe Frequenz und dringt daher nicht gut durch Materialien. Sie kann Holz oder Glas durchdringen, aber nicht Ziegel oder Beton. Platzieren Sie Basisstationen daher immer hoch oben, damit Sie sie gut sehen können.

Ist es kostspielig?

Die Preise sinken. Bei industriellen Anlagen ist ein modularer Ansatz – die Integration von Kernmodulen in individuelle Etiketten und Verankerungen – in der Regel günstiger als der Kauf von bereits fertigen Konsumgütern.

Abschließend

Hochpräzise Indoor-Positionierung ist längst kein nettes Extra mehr, sondern in vielen Branchen unerlässlich. UWB-Systeme eignen sich sowohl für freies Gelände als auch für komplexe Fabriken, da sie zentimetergenau arbeiten und große Entfernungen überbrücken können. Im Vergleich zu älteren Technologien ist UWB die beste Wahl für wichtige Aufgaben wie die Sicherung von Bergwerken und die Anlagenverfolgung.

Bei der Inbetriebnahme dürfen Sie sich nicht allein auf technische Daten wie die Akkulaufzeit verlassen. Achten Sie auch darauf, wie stabil die Geräte in Ihrer Umgebung sind, wie gut sie mit Hitze und Staub zurechtkommen und wie gut sie mit Ihren bestehenden Systemen zusammenarbeiten. Ein Praxistest ist immer ratsam, um Probleme frühzeitig zu erkennen.