Indoor-Lokalisierung: Welche Technologie für welchen Zweck?

Wir alle kennen Outdoor-Geolokalisierungstechnologien wie die Satellitenortung (GPS…), aber heutzutage suchen Unternehmen nach Lösungen für die Indoor-Lokalisierung, die eine genaue Position von Objekten oder Personen liefern. Die Funksignale von Satelliten können jedoch nur schwer durch Wände und Hindernisse hindurchgehen.

Um dieser wachsenden Nachfrage und ihren besonderen Anforderungen gerecht zu werden, tendieren die Hersteller im IIoT-Markt (Industrial Internet of Things) dazu, immer leistungsfähigere Indoor-Positionierungssysteme (IPS: Indoor Positioning System) anzubieten. Viele dieser Lösungen basieren auf bereits existierenden Technologien, aber die Hinzufügung innovativer Software-Bausteine ermöglicht es, immer genauere Indoor-Lokalisierungssysteme anzubieten.

Die IPS nutzen Positionsbestimmungsansätze, die sich in Bezug auf Genauigkeit, Kosten, Skalierbarkeit, Robustheit und Sicherheit stark unterscheiden. Um Ihnen bei der Auswahl der für Sie am besten geeigneten Lösung zu helfen, sind hier einige relevante Kriterien für Indoor-Lokalisierungssysteme aufgeführt: Genauigkeit der Lokalisierung, Abdeckung und Auflösung, Aktualisierungszeit der Position, Infrastrukturkosten und Fehler , die mit der Art der verwendeten Technologie verbunden sind.

Um den Unterschied zwischen diesen Technologien zur Indoor-Lokalisierung besser zu verstehen, schlagen wir vor, dass wir zunächst die verschiedenen physikalischen Prinzipien untersuchen, die dabei zum Einsatz kommen.

Die physikalischen Prinzipien der Positionierung werden in 5 Kategorien eingeteilt

Um den Standort eines Objekts oder einer Person zu berechnen, entnehmen die Algorithmen die Positionsdaten aus den Funksignalen, die zwischen den Referenzknoten (feste und bekannte Position) fließen, die als Anhaltspunkt für die Lokalisierung der mobilen Knoten dienen. Allerdings nutzen nicht alle die gleichen physikalischen Prinzipien. Wir können sie in 5 Hauptkategorien einteilen:

• Ankunftszeit (TOA)
• Ankunftswinkel (AOA)
• Zeitverschiebung bei der Ankunft (TDOA)
• Die Stärke des empfangenen Signals (RSSI)
• Hybride Systeme (Mischung aus verschiedenen Maßnahmen, die sich auf verschiedene physikalische Prinzipien beziehen)

Nachdem Sie nun wissen, welche Kriterien zu berücksichtigen sind und die verschiedenen physikalischen Prinzipien der Lokalisierung kennen, möchten wir Ihnen 4 Technologien zur Indoor-Lokalisierung näher vorstellen.

Bluetooth Low Energy (BLE), für eine einfache und zugängliche Indoor-Lokalisierung

Die Bluetooth Low Energy (BLE) Technologie basiert auf einem drahtlosen Kommunikationsprotokoll mit geringem Energieverbrauch, das eine kostengünstige und leicht einsetzbare Indoor-Lokalisierung ermöglicht. BLE wird häufig verwendet, um die Position von Objekten oder Personen über Beacons zu verfolgen, die regelmäßig ein Signal aussenden. Diese Beacons sind in der Regel sehr klein und preisgünstig und können an Geräten angebracht oder von Personen getragen werden.

BLE basiert auf Empfangsantennen, die das von den Baken gesendete Signal empfangen und anhand der Stärke des empfangenen Signals (RSSI) die Position der Baken im Raum abschätzen. Darüber hinaus ist BLE mit einer Vielzahl von mobilen Geräten kompatibel, was die Integration in Lösungen für das Management von Geräteparks oder die Echtzeit-Lokalisierung von Mitarbeitern erleichtert.

Lokalisierung auf der Grundlage der Intensität der empfangenen Signale (RSSI) in Mesh-Netzwerken

Ein Mesh-Netzwerk dient der Vernetzung einer großen Anzahl von angeschlossenen Objekten mit Hilfe einer sehr einfachen Infrastruktur, die keinen zentralen Controller erfordert. Um eine Information weiterzuleiten, kommunizieren die Geräte untereinander Daten über mehrere Rebounds. Die Daten werden auf einem Gateway gesammelt, das wiederum die rohen Informationen an einen Server weiterleitet.

Einige Anbieter von Lösungen wie Wirepas, haben innovative Software-Bausteine entwickelt, die das Management des Netzwerks der angeschlossenen Objekte optimieren. Dies ermöglicht eine intelligente Entscheidungsfindung auf lokaler Ebene und garantiert einen optimierten Betrieb und eine unübertroffene Anpassungsfähigkeit an Veränderungen der Umgebung und des Netzwerks.

Bei der Indoor-Lokalisierung stützt sich die Wirepas Mesh-Technologie auf ein Netz aus festen und mobilen Beacons/Tags. Die ersten, auch als Anker oder feste Knoten bezeichnet, werden in regelmäßigen Abständen (25 Meter) über das gesamte Gebiet verteilt und dienen als Referenzpunkte für die Berechnung des Standorts. Die mobilen Knoten werden direkt an den zu ortenden Personen und Industrieanlagen angebracht.

Wie bereits erwähnt, kommunizieren die Beacons untereinander durch Bounce und übermitteln die Rohdaten über ein Gateway, wodurch Datenstaus vermieden werden.

Die Wirepas Positioning Engine wandelt dann die Rohdaten in GPS-Koordinaten (Längen- und Breitengrad) um, basierend auf der Stärke der Signale, die von den verschiedenen Ankern empfangen werden. Dies erleichtert die Visualisierung der Position und der Bewegungen jeder Person oder jedes Objekts, das mit einer mobilen Bake (mobiler Knoten) ausgestattet ist. Dies alles mit einer Genauigkeit von 5 bis 10 Metern.

Diese Daten können von allen IoT-Plattformen auf dem Markt sowie von proprietären Webanwendungen gelesen werden, so dass diese Technologie eine Vielzahl von Anwendungsfällen abdeckt, wie z.B. die Sicherheit isolierter Arbeiter, die Optimierung von Industrie- und Logistikanlagen, die Verwaltung von Patientenwegen in Krankenhäusern oder auch die Gebäudeüberwachung.

Dank der Infrastruktur aus autonomen, batteriebetriebenen Objekten ist der Einsatz dieses Indoor-Positionierungssystems sehr einfach. Die Installation beschränkt sich auf das Setzen von Ankern und das Ausstatten von Personen oder Objekten mit mobilen Beacons. Da diese Indoor-Lösung keine Verkabelung benötigt, sind die Gesamtkosten für die Anschaffung eine der günstigsten auf dem Markt.

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für die Indoor-Lokalisierung

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Die Berechnung der Flugzeit (TOA) in Ultra Wideband Positioning für eine hochpräzise Lokalisierung

Die Ultra Wideband (UWB) Technologie, die eine Kommunikation mit hohen Bandbreiten und kurzer Reichweite ermöglicht, wurde ursprünglich für die Radarbildgebung verwendet. Die Fähigkeit von Ultra Wideband, Datenraten von bis zu 100 Megabit pro Sekunde (Mbps) zu erreichen, sowie die extrem kurzen Impulsformen machen diese Technologie zu einer der genauesten Ortungslösungen auf dem Markt. Die Frequenz der UWB-Impulse und das System der Triangulation der Flugzeitinformation (TOA) ermöglichen es dem Signal, Hindernisse wie Wände und Objekte leicht zu überwinden. Dies verbessert die Positionsgenauigkeit erheblich, die bis zu einigen Zentimetern betragen kann.

Diese vom US-Militär erfundene Technologie hat aufgrund ihres breiten Frequenzspektrums die Fähigkeit, andere Funkverbindungen nicht zu stören, was eine maximale Kompatibilität mit Geräten und Technologien von Drittanbietern gewährleistet.

Das Prinzip des Ankunftswinkels (AOA), für eine energiesparende Echtzeitortung

Die Ankunftswinkel-Positionierungstechnologie berechnet die Winkel zwischen einer Antenne und einem Beacon in einem 3D-Referenzsystem. Der Beacon sendet ein Funksignal an die Antenne, die die genaue Position des Tags anhand des Höhenwinkels zur vertikalen Achse der Antenne und des Schnittpunkts zwischen der vertikalen Achse des Beacons und der horizontalen Achse der Antenne berechnet.

Einige Anbieter von RTLS-Lösungen (Real Time Locating System), wie QUUPPA, bieten einen Technologie-Mix an, der auf der Kombination des physikalischen Prinzips des RSSI, des Bluetooth Low Energy Protokolls (2,4 GHZ ISM) und der Signalwinkelerkennung (AOA) basiert. Dieses einzigartige Konzept ermöglicht eine höhere Positionsgenauigkeit als andere Technologien, die auf der Signalstärke (RSSI) basieren, bis zu weniger als einem Meter.

Erfahren Sie mehr über Bluetooth Low Energy.

Die Verwendung des Standardprotokolls BLE optimiert nicht nur den Energieverbrauch der Beacons und die Wartungskosten, sondern erleichtert auch die Nutzung dieser Technologie. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass das Hinzufügen des QUUPPA Software-Bausteins eine Integration und Kenntnisse erfordert, die über eine einfache Bluetooth-Verbindung hinausgehen.

Diese Technologie wird heute in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. im Mannschaftssport, um die genaue Position der Spieler zu berechnen, oder auch im medizinischen Bereich, um die Bewegungen von Geräten zu verfolgen. Sehen Sie sich einige Beispiele an RTLS-Fallbeispiele nach Ankunftswinkel.

Aktive RFID für eine zonenbezogene Lokalisierung

Die aktive RFID-Technologie wurde ursprünglich nicht für Lokalisierungsanwendungen entwickelt. Die Norm ISO 18000-7 (Dash7) definiert jedoch eine aktive RFID-Technologie, die in zwei Frequenzbändern (hoch und niedrig) arbeitet und eine Lokalisierung nach Gebieten oder genauer gesagt nach Wegpunkten ermöglicht.

Das aktive RFID-System besteht aus Transpondern (auch Tags genannt) und einem oder mehreren Abfragegeräten. Wenn eine Person oder ein Objekt, das mit einem Tag ausgestattet ist, in den Bereich eines Abfragers gelangt, aktiviert der Abfrager den Tag über Niederfrequenzsignale. Der Abfrager löst eine Funkübertragung aus, die die Kennungen des Abfragers und des Tags enthält. Die UHF-Sendung wird von einem dafür vorgesehenen Lesegerät empfangen und gelesen.

Erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen RFID und RFID. über den Unterschied zwischen aktiver und passiver RFID.

Bei der Indoor-Lokalisierung kann die aktive RFID-Technologie sehr effektiv sein. Durch das Senden von Niederfrequenzsignalen (125 kHz) ermöglicht diese Technologie die Ortung in Innenräumen, wenn Sie sich in dem von der Abfrage erfassten Bereich befinden, und dies trotz des Vorhandenseins von Hindernissen.

Dieses Indoor-Positionierungssystem ist vorteilhaft für die Lokalisierung von Personen und Objekten im Nahbereich und eignet sich für viele industrielle Anwendungen, wie z.B. die Sicherheit isolierter Arbeiter, die Zugangskontrolle von Fahrzeugen oder die Lokalisierung von Logistikgeräten in einem Lager.

Jüngste Entwicklungen: 5G und Li-Fi für die Indoor-Lokalisierung

Ab 2019 werden weiterhin Innovationen in der Indoor-Lokalisierungstechnologie entstehen. 5G mit seiner erhöhten Bandbreitenkapazität und der niedrigen Latenz ermöglicht es, die Genauigkeit von groß angelegten Ortungssystemen erheblich zu verbessern. Dank der hohen Netzdichte und der Implementierung von kleinen Zellen (small cells) ermöglicht 5G eine hochpräzise Lokalisierung in komplexen Umgebungen, wie z.B. Industrielagern oder Krankenhäusern. Gleichzeitig entwickelt sich die Li-Fi-Technologie, die sichtbares Licht zur Datenübertragung nutzt, zu einer zuverlässigen und hochpräzisen Lösung für die Indoor-Positionierung, insbesondere in Bereichen, in denen Funksignale begrenzt oder störanfällig sind. Die Kombination von 5G und Li-Fi eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen, bei denen es auf zentimetergenaue Genauigkeit ankommt, und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an die erhöhte Sicherheit in kritischen Industrieumgebungen.

Was ist zu beachten?

Wie Sie sicher bemerkt haben, ist die Indoor-Positionierung heute ein wichtiges Thema, sei es in der Industrie, in Krankenhäusern oder auch im Sport. In einem ständigen Streben nach Leistungsoptimierung werden verschiedene Lokalisierungstechnologien entwickelt, die zahlreiche Möglichkeiten bieten.

Bitte beachten Sie, dass die Wahl der Technologie auf der Grundlage der Nutzung und der geschäftlichen Anforderungen getroffen werden muss. Dabei müssen alle Parameter berücksichtigt werden, insbesondere die Anschaffungs- und Installationskosten im Verhältnis zur erwarteten Genauigkeit der Positionsbestimmung. Wenn Sie große Geräte lokalisieren möchten, müssen Sie nicht unbedingt eine Lokalisierung auf 30 cm genau haben. In diesem Fall ist eine Plug-and-Play-Lösung, die einfach zu installieren und weniger kostspielig ist, einer Lösung vorzuziehen, die hohe Investitionen in die Infrastruktur erfordert.

Nachfolgend finden Sie eine Vergleichstabelle einiger der in diesem Artikel erwähnten Technologien.