UWB và BLE khác nhau thế nào, chọn phương pháp định vị trong nhà ra sao

Trong các cuộc hỏi đáp về định vị trong nhà, câu hỏi đầu tiên gần như luôn giống nhau. Nhất thiết phải dùng UWB, hay BLE cũng được? Có nơi ngay từ đầu đã chỉ định UWB. Có nơi đang xem UWB rồi hỏi có thể chuyển sang BLE vì chi phí hay không. Cũng có nơi bắt đầu từ BLE rồi lo rằng độ chính xác sẽ không đạt như mong muốn.

Câu hỏi này không có một đáp án duy nhất. Mỗi phương pháp đo một đại lượng khác nhau, và vì đại lượng khác nhau nên việc mà từng phương pháp làm tốt cũng khác. Giống như hỏi sedan hay xe tải tốt hơn. Phải quyết định chở gì trước thì câu trả lời mới hiện ra.

Bài viết này bắt đầu từ việc ba phương pháp thực sự đo cái gì, rồi theo sự khác biệt đó đến độ chính xác, số lượng thiết bị và chi phí. Phần cuối nói về những trường hợp mà điều kiện hiện trường lật ngược lựa chọn.

I. Ba phương pháp đo những thứ khác nhau

UWB đo thời gian

UWB tính vị trí từ chênh lệch thời gian tới. Khi thẻ phát một tín hiệu, anchor ở gần nhận trước, anchor ở xa nhận sau. Nhân chênh lệch thời gian đó với tốc độ ánh sáng ta được chênh lệch khoảng cách; chồng chênh lệch khoảng cách từ nhiều anchor lại thì chỉ còn một điểm.

Ánh sáng đi được khoảng 30 centimét trong một nano giây. Cho nên nếu đo được thời gian ở mức nano giây thì đo được vị trí ở mức vài chục centimét. Cơ sở để nói UWB chính xác nằm ở đoạn vật lý đơn giản đó. Đổi lại, nó dùng băng thông rộng trong xung ngắn nên tốn điện hơn và cần anchor dày hơn.

BLE đo cường độ tín hiệu

BLE ước lượng khoảng cách dựa trên việc tín hiệu của thẻ tới mạnh hay yếu. Gần thì mạnh, xa thì yếu.

Vấn đề là cường độ tín hiệu phản ứng với nhiều thứ chứ không chỉ khoảng cách. Một người đi ngang qua phía trước làm nó yếu đi, một bức tường kim loại phản xạ lại làm nó mạnh bất thường, bỏ thẻ vào túi lại khác nữa. Vì vậy thứ BLE cho ra gần với một khoảng cách ước chừng hơn là một toạ độ chính xác. Đổi lại nó tiêu thụ rất ít điện và cần ít thiết bị hơn nhiều.

BLE AoA đo góc

AoA đo hướng mà tín hiệu tới. Trong một anchor có nhiều ang ten xếp thành dãy, và chênh lệch rất nhỏ khi cùng một tín hiệu tới từng ang ten được dùng để tính hướng.

Biết hướng thì một anchor cũng đủ thu hẹp vị trí. Vì thế AoA nằm ở dải giữa: ít thiết bị hơn UWB, chính xác hơn BLE thường. Điểm trừ là việc tính góc nhạy với phản xạ, nên trong không gian nhiều tường và kết cấu kết quả có thể dao động.

II. Thực sự khác nhau ở đâu

Mục	UWB	BLE	BLE AoA
Đại lượng đo	Chênh lệch thời gian tới	Cường độ tín hiệu	Góc tới của tín hiệu
Độ chính xác thông thường	Vài chục cm	Vài mét	Khoảng 1 mét
Mật độ anchor tham chiếu	4 cái mỗi vùng định vị	1 cái mỗi 20m × 20m	1 cái mỗi khu vực
Điện năng thẻ tiêu thụ	Tương đối lớn	Rất nhỏ	Nhỏ
Việc làm tốt	Vị trí chính xác, liên động an toàn	Đếm người, phán định theo khu	Vị trí ước chừng trong khu

Dòng đáng nhìn nhất trong bảng không phải độ chính xác mà là mật độ anchor. Để dựng một vùng định vị UWB, bốn anchor phải bao quanh nó, và khoảng cách giữa chúng được khuyến nghị nằm trong 20 mét. BLE chỉ cần một thiết bị cho khu vực 20 nhân 20 mét. Nghĩa là số thiết bị cần để phủ cùng một diện tích chênh nhau nhiều lần, và đó cũng là dòng giãn ra nhiều nhất trên bảng báo giá.

Hãy đọc các con số độ chính xác như một dải tham chiếu. Dù là phương pháp nào, giá trị trên tài liệu kỹ thuật là giá trị trong điều kiện tốt, còn tại hiện trường nó thay đổi theo kết cấu, phản xạ và cách bố trí anchor. Thay vì tin ngay con số ở giai đoạn báo giá, hỏi xem con số đó ra đời trong điều kiện nào sẽ hữu ích hơn.

III. Khi nào độ chính xác thực sự quan trọng

Tiêu chí không phải là càng chính xác càng tốt, mà là công việc này cần chính xác tới đâu. Đặt cạnh những mục đích hay gặp trong thực tế, ranh giới khá rõ.

Việc cần tới centimét. Cảnh báo va chạm giữa xe nâng và người, phát hiện tiếp cận trong bán kính khu vực nguy hiểm, liên động dừng thiết bị tự động, không gian nơi robot và người di chuyển đan nhau. Ở đây sai số 1 mét hoặc làm chậm cảnh báo, hoặc tạo ra báo động giả. Một thân người còn chưa rộng tới 1 mét, nên nếu sai số vượt quá bề ngang của một người thì bản thân phép phán định không còn đứng vững.

Việc chỉ cần đến mét. Trong một khu vực hiện có bao nhiêu người, giờ vào ra và thời gian lưu lại, đã đi theo tuyến nào. Với những phán định ở cấp khu vực, chỉ cần chắc rằng vị trí nằm trong khu là đủ; ở giữa hay sát góc không làm thay đổi kết quả. Chấm công, kiểm tra có mặt, đếm người khi khẩn cấp và phân tích luồng khách đều thuộc nhóm này.

Khoảng giữa. Tìm tài sản là trường hợp tiêu biểu. Tìm một thiết bị cụ thể trong kho thì cấp khu vực là không đủ, mà tới centimét thì không cần. Lúc này AoA trở thành ứng viên, hoặc đáp án là cấu hình dùng phương pháp khác nhau theo từng khu.

IV. Khi điều kiện hiện trường lật ngược lựa chọn

Dù đã chọn phương pháp theo mục đích, điều kiện hiện trường đôi khi vẫn đảo ngược quyết định.

Không gian nhiều kim loại. Tường thép, cột lớn và vật tư kim loại xếp chồng đều chặn và phản xạ tín hiệu. BLE, vốn suy ra khoảng cách từ cường độ, dao động mạnh trong môi trường đó. Tín hiệu phản xạ tới muộn nên UWB cũng chịu ảnh hưởng, nhưng nó còn chỗ xoay xở: so sánh các tổ hợp từ nhiều anchor để loại bớt giá trị bất thường.

Không gian trần cao hoặc chia tầng. Ngã rẽ nằm ở chỗ có cần vị trí theo phương thẳng đứng hay không. Nếu phải biết là tầng thứ mấy của kệ hay tầng thứ mấy của toà nhà, để anchor trên cùng một mặt phẳng sẽ không trả lời được. Muốn phân biệt độ cao thì độ cao đặt anchor cũng phải khác nhau.

Không gian không đặt được anchor ở chỗ mong muốn. Khi trần quá cao hoặc không đi được dây và vị trí anchor bị hạn chế, anchor sẽ dồn về một phía. Khi đó dù số thiết bị như nhau, độ chính xác vẫn giảm thấy rõ. Bởi điều quan trọng không chỉ là có bao nhiêu anchor, mà là chúng nhìn thấy thẻ từ bao nhiêu hướng khác nhau. Nguyên lý này được giải thích kỹ trong một bài riêng.

Ngoài trời. Nếu đối tượng là tài sản hay phương tiện ngoài trời thì cả UWB lẫn BLE đều phải dựng hạ tầng anchor mới, nên sẽ có những đoạn mà phương pháp dựa trên GPS hợp hơn. Với đối tượng đi lại giữa trong nhà và ngoài trời, thiết kế phải nối hai phương pháp lại.

V. Không nhất thiết phải chọn một

Trong các dự án triển khai thực tế, trộn các phương pháp trên cùng một hiện trường phổ biến hơn là dùng duy nhất một loại.

Những khu có rủi ro tai nạn như dây chuyền sản xuất hay lối xe nâng thì phủ dày bằng UWB, còn những khu chỉ cần biết có mặt hay không như văn phòng hay hành lang kho thì phủ rộng bằng BLE. Thẻ gắn khác nhau tùy đối tượng, còn kết quả thì xem trên cùng một bản vẽ, cùng một màn hình.

Để cấu hình đó chạy được, phần mềm giám sát phải nhận và xử lý toạ độ bất kể phương pháp nào. ORBRO OS được dựng để xử lý vị trí từ UWB, BLE và AoA trên cùng một bản vẽ, nên dù phương pháp thay đổi theo từng khu, màn hình mà người vận hành nhìn vẫn là một. Với hiện trường có ngân sách hạn chế, đây lại là câu trả lời khá thực tế, vì nó dồn độ chính xác vào chỗ nguy hiểm và tiết kiệm ở những chỗ còn lại.

Thêm một điều. Phía Bluetooth cũng đang thương mại hoá các kỹ thuật nâng độ chính xác đo khoảng cách. Tuy nhiên bức tranh đang định hình trong ngành gần với phân tầng hơn là thay thế: một tầng xử lý mức dưới mét với chi phí thấp, một tầng phục vụ những nhu cầu bắt buộc phải đảm bảo độ chính xác như an toàn và chống va chạm, hai tầng cùng tồn tại. Câu chuyện lại quay về đúng chỗ mà bài này kết luận. Đo cái gì là câu hỏi đầu tiên.

Lời kết

UWB đo thời gian, BLE đo cường độ tín hiệu, AoA đo góc. Vì đại lượng đo khác nhau nên độ chính xác, số thiết bị và chi phí đều khác. Vì vậy chọn phương pháp không phải là cuộc so tài xem công nghệ nào hơn, mà là việc quyết định trước rằng tại hiện trường này, dữ liệu vị trí sẽ được dùng để làm gì.

Chống va chạm, đếm người theo khu, hay tìm tài sản. Khi điều đó được chốt, phương pháp gần như tự hiện ra. ORBRO làm cả thiết bị UWB, BLE lẫn AoA nên không có lý do để đẩy một phương pháp nào. Hãy cho chúng tôi biết điều kiện hiện trường và mục đích, chúng tôi sẽ cùng xem khu nào hợp phương pháp nào và cấu hình trộn có lợi hơn hay không.