Hệ thống định vị UWB trong nhà thực ra gồm những gì

Bắt đầu xem xét triển khai định vị, phần lớn mọi người nhận được bảng báo giá trước. Nhưng bảng báo giá chỉ liệt kê một loạt tên kèm số lượng: anchor, thẻ, gateway, máy chủ edge, switch PoE. Nếu không phân biệt được cái nào bắt buộc cái nào tùy chọn, hay vì sao anchor cần bốn mà máy chủ chỉ cần một, thì ngay cả việc đặt hai bản báo giá cạnh nhau để so cũng đã tắc.

Trên thực tế, trong các cuộc hỏi đáp triển khai, yêu cầu xác nhận lại vai trò từng thiết bị theo từng mục vẫn đến đều đặn. Thẻ là bên phát và anchor là bên thu, đúng không? Máy chủ edge và switch PoE có phải mua cả hai không? Trông như câu hỏi cơ bản, nhưng thực ra là câu hỏi quan trọng nhất. Định vị chạy bằng sự kết hợp chứ không phải bằng hiệu năng của một linh kiện, và không biết sự kết hợp đó thì không thể phán đoán mục nào cắt được và mục nào cắt là hệ thống sụp.

Bài này sắp xếp lại hệ thống định vị UWB trong nhà gồm những gì, mỗi bộ phận làm gì, và cần bao nhiêu cái. Đọc trước khi nhận báo giá thì báo giá trở nên đọc được; đọc sau khi nhận thì biết nên hỏi lại điều gì.

I. Năm bộ phận tạo nên hệ thống

1. Thẻ, gắn vào đối tượng cần biết vị trí

Thẻ là thiết bị không dây nhỏ gắn vào đối tượng cần theo dõi. Với người là dạng thẻ nhân viên hay dây đeo cổ, với xe nâng và xe đẩy là dạng gắn cố định, với dụng cụ và tài sản là dạng nhỏ. Nó chạy pin và phát tín hiệu theo chu kỳ định sẵn.

Thẻ chỉ làm có vậy. Nó không tính vị trí của chính mình, cũng không lưu. Trong hệ định vị, thẻ chỉ đảm nhận việc báo rằng tôi ở đây. Vì vậy điểm mấu chốt khi thiết kế thẻ không phải năng lực tính toán mà là kích thước, trọng lượng, cách gắn và tuổi thọ pin.

Số lượng bằng số đối tượng theo dõi. Theo dõi 200 công nhân và 20 xe nâng thì cần 220 thẻ. Tỷ trọng của con số này trong tổng chi phí thường lớn hơn người ta nghĩ.

2. Anchor, thu tín hiệu và ghi lại thời điểm

Anchor là thiết bị thu được cố định trên trần hoặc tường. Ở ORBRO nó mang tên TwinTracker. Nó nhận tín hiệu thẻ gửi đi, ghi lại thời điểm tới với độ chính xác rất cao, rồi chuyển giá trị đó cho máy chủ.

Ở đây hay có hiểu lầm. Anchor không tính vị trí. Việc tính do máy chủ edge nói ở phần sau đảm nhiệm. Công việc của anchor là đo thời gian cho chính xác, và độ chính xác của phép đo thời gian đó mới là thứ quyết định độ chính xác vị trí. Cơ sở để nói UWB chính xác hơn các phương pháp khác cũng nằm ở phép đo thời gian mức nano giây.

Anchor có ba loại theo phương pháp định vị: UWB, BLE và AoA. Cùng một vị trí, lắp loại nào sẽ đồng thời thay đổi độ chính xác và số lượng cần dùng.

3. Switch PoE, điện và dữ liệu trên một sợi dây

Anchor không cắm adapter nguồn riêng. Một sợi cáp mạng tải cả điện lẫn dữ liệu. Cách đó gọi là PoE, và thiết bị đảm nhiệm vai trò đó là switch PoE.

Hình dung cảnh lắp anchor trên trần thì lợi ích rất rõ. Thay vì kéo ổ điện mới tới từng vị trí anchor, chỉ cần đi dây mạng; sau này muốn dịch anchor cũng không kèm theo thi công điện. Còn có thể bật tắt nguồn của từng anchor ngay tại cổng switch, nên việc kiểm tra từ xa dễ hơn nhiều.

4. Máy chủ edge, nơi toạ độ được tính

Đây là máy tính nhận dữ liệu thời gian từ anchor và biến nó thành toạ độ thực. Ở ORBRO, ORBRO Edge Pro đứng ở vị trí này. Đó là thiết bị đặt tại hiện trường, và việc tính kết thúc ngay ở đó.

Việc tính kết thúc tại hiện trường chứ không phải trên cloud không chỉ là khác biệt về cách triển khai. Mạng đứt thì định vị vẫn không dừng, và dữ liệu vị trí không ra khỏi hiện trường. Tại nhà máy bán dẫn, cơ sở điện lực hay khu kiểm soát an ninh, nơi bản thân việc đưa dữ liệu ra ngoài đã phải xét duyệt, điều kiện này quyết định luôn có triển khai được hay không. Tốc độ phản hồi cũng khác: những chức năng phải phản ứng tức thì như chống va chạm hay cảnh báo khu nguy hiểm thì không có độ trễ khứ hồi sẽ lợi hơn.

5. Phần mềm giám sát, biến toạ độ thành màn hình

Chỉ có toạ độ thì không ai làm việc được. Phải đưa điểm lên bản vẽ, vẽ khu vực và gắn luật thì mới thành giám sát.

Ở ORBRO việc này chia hai giai đoạn. Giai đoạn lắp đặt gồm đăng ký thiết bị, đặt toạ độ anchor và tùy chọn định vị do RTLS Manager đảm nhiệm, còn vận hành và giám sát thực tế do ORBRO OS đảm nhiệm. Thiết lập khu vực, tổng hợp thời gian lưu, luật cảnh báo và truy vết đường đi cũ đều nằm ở đây.

Thêm một bộ định tuyến nữa, vì máy chủ edge, switch PoE và mọi anchor phải nằm trên cùng một mạng thì mới tìm thấy nhau.

II. Từ tín hiệu đến toạ độ

Định vị UWB tính vị trí từ chênh lệch thời gian tới. Thẻ phát một tín hiệu thì thời điểm tới ở mỗi anchor lệch nhau chút ít: anchor gần nhận trước, anchor xa nhận sau. Nhân chênh lệch đó với tốc độ ánh sáng ra chênh lệch khoảng cách, gồm các điểm có chênh lệch khoảng cách bằng nhau lại thì thành một mặt cong. Nơi các mặt cong từ nhiều cặp anchor giao nhau chính là vị trí của thẻ.

Để cách này chạy được có một điều kiện kèm theo: đồng hồ của các anchor phải khớp nhau rất chính xác. Trong phép tính ở mức nano giây, đồng hồ lệch bao nhiêu thì vị trí dịch đi bấy nhiêu. Vì vậy trong một khu, một anchor đóng vai chuẩn và số còn lại đồng bộ theo nó. Điều kiện lắp đặt rằng anchor chuẩn và các anchor khác phải nhìn thấy nhau cũng từ đây mà ra.

Tóm lại thứ tự là: thẻ phát tín hiệu; nhiều anchor mỗi cái ghi thời điểm tới; máy chủ edge gom chênh lệch thời gian để tính toạ độ; phần mềm giám sát đưa toạ độ đó lên bản vẽ. Thiếu một trong bốn bước thì trên màn hình sẽ không có điểm nào hiện ra.

III. Cần bao nhiêu thiết bị

Đây là câu hỏi được hỏi nhiều nhất và cũng khó trả lời nhất, vì không thể tính chỉ từ diện tích. Dù vậy vẫn có mốc rõ ràng.

UWB cần ít nhất bốn anchor cho mỗi vùng định vị. Bốn cái được bố trí sao cho bao quanh vùng thành một hình chữ nhật, khoảng cách giữa các anchor được khuyến nghị từ tối thiểu 2 đến 3 mét đến tối đa 20 mét. Độ cao lắp đặt nằm trong khoảng 2 đến 15 mét và càng đồng đều càng tốt. Còn một điều kiện quan trọng nữa: từ vị trí thẻ sẽ ở, phải nhìn thấy từ bốn anchor trở lên. Nơi nào chỉ thấy dưới bốn cái thì vị trí ở đó sẽ không chính xác.

Cùng một diện tích, số lượng chêch nhau rất nhiều theo phương pháp. BLE lấy mốc khoảng một thiết bị cho khu 20 nhân 20 mét, AoA là một cái mỗi khu. So với UWB bốn cái mỗi vùng thì số thiết bị chêch nhau nhiều lần. Chính chênh lệch đó là chênh lệch chi phí xây dựng, và cũng là lý do phải chốt trước xem cần chính xác tới đâu.

Thêm một ý: bố trí rộng rãi hơn một chút thay vì chỉ vừa đủ điều kiện tối thiểu sẽ cho kết quả tốt hơn. Từ vị trí thẻ mà thu được càng nhiều anchor thì số tổ hợp dùng được cho phép tính vị trí càng nhiều, và có thêm dư địa để chọn ra tổ hợp thuận lợi về hình học. Kiến trúc định vị của ORBRO khai thác trực tiếp nguyên lý này: đánh giá toàn bộ các tổ hợp anchor thu được rồi chỉ dùng những tổ hợp tốt. Quan hệ giữa bố trí anchor và độ chính xác được giải thích kỹ trong một bài riêng.

IV. Đi dây đơn giản hơn bạn nghĩ

Toàn bộ kết nối gói trong một câu: nối máy chủ edge vào bộ định tuyến, nối bộ định tuyến với switch PoE, rồi nối mỗi anchor vào một cổng switch PoE bằng một sợi cáp mạng. Không có dây nguồn riêng chạy tới anchor.

Quy tắc cốt lõi chỉ có một: máy chủ edge, bộ định tuyến, switch PoE và mọi anchor phải nằm trên cùng một mạng. Vì chính việc dò tìm và đăng ký thiết bị chạy trên điều kiện đó, nên mạng bị chia ra là tắc ngay ở bước đầu tiên của việc lắp đặt. Đây chính là phần cần trao đổi trước với bộ phận IT của hiện trường.

V. Nên chuẩn bị trước khi triển khai

Trước hết hãy có bản vẽ công trình. Bản vẽ là nền của màn hình, và tỉ lệ phải khớp kích thước thực thì toạ độ mới có nghĩa. File ảnh là đủ.

Đo thực toạ độ anchor là việc tiếp theo. Lắp xong phải đo vị trí thực của từng anchor theo centimét và nhập vào. Giá trị này sai thì mọi toạ độ tính sau đó đều lệch theo. Công việc tưởng đơn giản với cây thước dây này lại là điểm quyết định chất lượng lắp đặt.

Vị trí các kết cấu kim loại cũng nên xem trước. Tường thép, cột lớn và vật tư kim loại xếp đống đều chặn và phản xạ tín hiệu. Phải bố trí sao cho những kết cấu đó không nằm chèn giữa anchor và thẻ, hay giữa anchor với anchor.

Cuối cùng là mạng và nguồn điện. Xác định trước chỗ đặt switch PoE và máy chủ edge, tuyến đi dây tới đó, và quan hệ với mạng nội bộ hiện có sẽ rút ngắn đáng kể ngày lắp đặt.

Lời kết

Hệ thống định vị UWB gồm thẻ, anchor, switch PoE, máy chủ edge và phần mềm giám sát. Thẻ phát tín hiệu, anchor đo thời gian, máy chủ edge tính toạ độ, phần mềm dựng nên màn hình. Biết cấu trúc rồi thì nhìn ra mỗi dòng trên bảng báo giá tương ứng với vị trí nào, và hỏi lại được vì sao số lượng lại ra như vậy.

ORBRO tự làm tất cả, từ phần cứng như thẻ và anchor, đến ORBRO Edge Pro đặt tại hiện trường, và phần mềm giám sát ORBRO OS. Đây không phải tập hợp linh kiện góp từ nhiều hãng mà là một bộ được thiết kế cùng nhau ngay từ đầu, nên từ đăng ký thiết bị đến dựng màn hình đều nối liền trong cùng một công cụ. Muốn biết cấu hình và số lượng phù hợp với hiện trường của mình, chỉ cần gửi bản vẽ và đối tượng cần theo dõi là chúng tôi sẽ xem giúp.