INTERNET OF THINGS - RTLS - Real Time Location System

REAL TIME LOCATION SYSTEMS

L’esigenza di conoscere la propria posizione o la posizione di personale, oggetti, beni e macchinari al fine di poter meglio monitorare i processi e la sicurezza è una necessità che si sta prepotentemente affermando nel mercato con particolare riferimento ai concetti di Smart City, Smart Industry e Industria 4.0.

Se per quanto riguarda il tracciamento outdoor è ormai consolidata la tecnologia GPS, soprattutto in considerazione dell’ormai prossimo deployment finale del sistema Galileo, per quanto riguarda il posizionamento indoor la materia si frammenta tra soluzioni hardware dedicate e soluzioni software più o meno complesse per raggiungere un risultato perlomeno paragonabile se non migliore.

Il consolidamento di nuove tecnologie, sia in ambito di frequenze, protocolli e tecniche ha permesso a questo segmento di proliferare notevolmente e ha permesso l’implementazione di soluzioni inedite. Questa presentazione tende a dare una panoramica generale della materia in modo da fornire al cliente una conoscenza base utile sia come stimolo all’adozione di sistemi di RTLS sia come criterio di valutazione nella fase tecnica e implementativa.

GLOBAL POSITIONING

Per Global Positioning si intende la tecnologia che permette ad un dispositivo dotato di ricevitore GPS di “ascoltare” i messaggi radio inviati costantemente dalle costellazioni di satelliti in orbita intorno alla terra. Ad oggi le costellazioni utilizzate dal mondo occidentale sono GPS (USA), GLONASS (Russia) e Galileo (Europa).

I moduli GPS moderni sono in grado di ricevere messaggi da 2 od anche 3 costellazioni nello stesso tempo. Ricevendo i messaggi radio dai satelliti e calcolando il tempo di volo (alla velocità della luce) del messaggio, i moduli GPS sono in grado di definire la propria posizione con una precisione sufficientemente adeguata ai casi di specie (5/10 metri).

RELATIVE POSITIONING

Con Relative Positioning si intendono quelle tecnologie che permettono ad un dispositivo di ottenere una posizione relativa rispetto a un punto definito.

Le tecnologie che permettono questo tipo di localizzazione derivano dalle tecniche utilizzate nell’indoor positioning e sono divise in tre macro-categorie : Potenza di segnale, tempo di volo e direzione del segnale. Queste tecniche vengono implementate quando vi è la necessità di coniugare la tecnologia GPS ad ulteriori tecnologie al fine di ottenere un posizionamento preciso presso varchi, baie di carico/scarico e in zone parzialmente outdoor in cui il segnale GPS degrada al punto da essere temporaneamente inservibile.

LA SCELTA DEL CARRIER

Per Carrier si intende la tecnologia che permette ad un dispositivo (es. GPS) di inviare i dati (es. le proprie coordinate dedotte dai messaggi radio satellitari) ad un server centrale che può usufruirne per generare il servizio finale. I carrier classici sono quelli delle telecomunicazioni (2g/3g/4g/Nb_Iot) ai quali sono stati affiancati negli ultimi anni dei carrier “privati” ovvero sistemi impresentabili senza autorizzazioni o pagamenti di diritti d’uso di frequenze.

LoRa è un esempio di carrier privato, ovvero una tecnologia in grado di creare una “cella” di dimensioni notevoli per scambiare informazioni con i dispositivi di campo. Scegliere il carrier corretto per il proprio caso d’uso è fondamentale sia per le performance che per i costi di progetto.

Approfondimento : DGPS ED RTK

Per affrontare correttamente un progetto GPS based è corretto avere la conoscenza anche di due tecnologie “evolutive” del GPS che stanno prendendo piede negli ultimi anni.

DGPS (Differantial-GPS) ed RTK (Real Time Kinematics) hanno di base lo stesso concetto e hanno un potenziale simile, tuttavia il mercato sta propendendo verso soluzioni RTK.

Queste due tecnologie permettono ad un dispositivo GPS (tendenzialmente di ultima generazione) di ottenere una precisone di posizionamento con un’errore potenziale di qualche centimetro.

L’imprecisione dei sistemi GPS deriva dal fatto che i messaggi radio inviati dalle costellazioni di satelliti verso la terra, che viaggiano alla velocità della luce, possono essere rallentati, riflessi o rifratti dalle condizioni meteorologiche od anche dalle condizioni sul terreno (es. presenza di palazzi molto alti, strutture metalliche etc.)

Questi “rallentamenti” sono nell’ordine dei nano-secondi che moltiplicati per la velocità della luce portano ad errori di diversi metri. (1 nano secondo alla velocità della luce corrisponde a 30cm di spazio percorso).

Queste due tecnologie utilizzano, in modo diverso, la stessa tecnica ovvero avere un punto di riferimento terrestre noto, detto base-station, con cui correggere i calcoli del dispositivo con posizione ignota detto rover. Esistono già anche in Italia sistemi di base stations regionali da cui è possibile attingere le correzioni, è evidente che in questo caso il dispositivo GPS avrà bisogno di un Carrier pubblico per ricevere dalla rete queste correzioni.

Approfondimento : SCEGLIERE UN CARRIER

La scelta di un Carrier in un progetto GPS based è di fondamentale importanza sia per quanto riguarda le necessità di funzionamento del progetto, sia per le performance attese che per i costi da sostenere sia in fase iniziale che in fase di mantenimento.

In questa breve analisi divideremo il mondo dei Carrier in 2: Carrier “pubblici” ovvero le tecnologie delle aziende di telecomunicazione e carrier “privati” ovvero sistemi implementabili da qualsiasi azienda o privato senza autorizzazioni o pagamenti di diritti d’uso di frequenze.

DOCK GATEWAY - Sub-G PRIVATE CARRIER

Il Dock Gateway è un dispositivo dedicato alla costruzione di un Network IoT al fine di monitorare in tempo reale asset complessi come veicoli modulari (motrici e rimorchi) agganciati ad elementi dinamici come gli autisti tramite i Tag.

Il Dock può essere alimentato sia grazie al connettore micro-usb, sia tramite alimentazione 8/28V DC, sia tramite ethernet PoE e grazie alla doppia porta ethernet PoE, una dedicata alla connettività in ingresso e una dedicata a quella in uscita, sarà possibile costruire sistemi di Dock a cascata lineare o connettere a cascata ulteriori e diversi dispositivi PoE o Ethernet.

Il Dock oltre ad essere un nodo della rete è in grado anche di controllare 3 ingressi e 3 uscite tramite i quali gestire sbarre automatiche, semafori, spire di rilevazione mezzi e più in generale tutti gli apparati automatici di campo. Il Dock si connette in rete e sfrutta il protocollo MQTT per dirottare le informazioni verso il server che si occupa dell’intelligenza di sistema. Sempre tramite rete o in alternativa tramite micro-usb sarà possibile configurarlo o aggiornarne i parametri di funzionamento.

LoRa GATEWAY - PRIVATE CARRIER

Il LoRa Gateway è un dispositivo dedicato alla costruzione di un Network IoT al fine di monitorare in tempo reale asset a lunghissima distanza e con un bassissimo consumo di energia.

Il Gateway può essere alimentato sia grazie al connettore micro-usb, sia tramite alimentazione 8/28V DC, sia tramite ethernet PoE e grazie alla doppia porta ethernet PoE, una dedicata alla connettività in ingresso e una dedicata a quella in uscita, sarà possibile costruire sistemi di Gateway a cascata lineare o connettere a cascata ulteriori e diversi dispositivi PoE o Ethernet.

Il Gateway oltre ad essere un nodo della rete è in grado anche di controllare 3 ingressi e 3 uscite tramite i quali gestire sbarre automatiche, semafori, spire di rilevazione mezzi e più in generale tutti gli apparati automatici di campo. Il Gateway si connette in rete per raggiungere il Network Server e da questo l’Application Server per la gestione delle logiche applicative. Sempre tramite rete o in alternativa tramite micro-usb sarà possibile configurarlo o aggiornarne i parametri di funzionamento.

POTENZA DI SEGNALE

Per potenza di segnale o RSSI (received signal strength) si intende quella tecnica tramite la quale un dispositivo in “ascolto” di messaggi radio inviati da un secondo dispositivo ne determina la potenza in dB.

La potenza in dB di un messaggio radio subisce moltissime influenze intrinseche: ad esempio il tipo di antenna del dispositivo e la sua direzionalità, la frequenza RF utilizzata, il livello di potenza TX adottato ed anche influenze estrinseche come gli ostacoli che l’onda radio attraversa, i materiali di cui gli ostacoli sono fatti, le riflessioni e le rifrazioni di segnale.

L’uso della potenza di segnale è ideale per sistemi dove è sufficiente dedurre un’area, per dispositivi a bassissimo consumo di energia e per installazioni non invasive e di facile deployment.

TEMPO DI VOLO

Per tempo di volo si intende la tecnica tramite la quale si moltiplica il tempo di volo di un messaggio radio emesso da un dispositivo e ricevuto da un dispositivo posizionato in un punto noto.

La tecnologia è molto simile a livello concettuale a quella GPS e la più nota e adottata in ambienti indoor è quella UWB (Ultra Wide Band). L’UWB a sua volta si divide in TWR (Two Way Ranging) in cui tra il Tag e la stazione di riferimento avvengono 3 comunicazioni consecutive e TDOA (Difference Time of Arrival)in cui il Tag invia un singolo messaggio alle stazioni di riferimento dette Anchors che dovranno però essere sincronizzate tra di loro al nanosecondo. La scelta dell’UWB è ideale per sistemi in cui la precisione è essenziale, questa tecnologia però oltre a consumare molta energia necessita di una installazione molto impegnativa ed accurata.

LA SCELTA DELLA TECNICA E DEL CARRIER

Scegliere tra RSSI e UWB incide su diversi elementi di progetto, da un lato la parte del device e quindi dimensioni, autonomia e configurazione, dall’altra la parte installativa non tanto per il numero di stazioni di riferimento ma quanto per lo studio e la precisione con la quale vanno posizionate.

RSSI è la scelta giusta se si vuole avere bassi consumi, rilevamenti di aree e installazioni agevoli, UWB è la scelta più corretta se la precisione è l’elemento essenziale di progetto e una falsa lettura di posizionamento potrebbe non essere accettata. Nei sistemi indoor 99% delle volte si opta per un Carrier privato, inoltre in base alla tecnica scelta potrà essere il Tag o la stazione ricevente a inoltrare il messaggio al server tramite il Carrier.

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