村田：工业环境中的测距与定位应用解决方案

　　在现代工业环境中，随着自动化技术的迅速发展，准确的测距与定位技术成为了提高生产效率、保障工人安全和优化资源分配的关键因素。随着工业4.0的进一步推进，实时定位系统(RTLS)、激光测距技术、超宽带(UWB)技术等表现突出的测距与定位解决方案，已经成为实现精细化管理和智能化运营的重要技术。

　　本文将探讨这些技术在工业环境中的应用现状、面临的挑战，与未来的发展趋势，以及由Murata(村田制作所)所推出的相关解决方案。

　　准确测距，确保工业系统的效率和安全

　　利用M2M(机器与机器)和H2M(人与机器)之间的准确测距功能，可以增强多种应用中的安全性，尤其是在工业自动化、智能交通和人机协作领域。测距应用通常会使用包括超声波、雷达、激光雷达(LiDAR)或超宽带(UWB)等技术。这些技术能够提供亚米级甚至厘米级的距离测量精度。通过实时测量机器或人之间的距离，可以生成准确的位置信息，并通过算法对其进行处理。

　　在工业环境中，防碰撞系统相当重要，自动化设备和机器人之间的准确测距可以避免相互碰撞，确保设备的安全运行。此外，机器之间的准确测距还可以帮助优化其移动路径，减少不必要的能量消耗和磨损，从而提高系统的效率和安全性。

　　在人与机器人协作的环境中，人机协作的安全便相当关键，通过测距技术实时监控两者之间的距离，当检测到人员过近时，系统可以自动减速或停止机器人以防止发生碰撞。此外，测距技术还可以用于监控危险区域，确保人类操作员不会无意中进入危险的工作区。

　　目前已可采用多种技术结合的安全保障方式，像是进行多传感器组合，将多种测距技术和传感器数据结合(如摄像头、红外线传感器等)，可以提高测距的可靠性和准确性，从而进一步增强安全性，或是利用人工智能和机器学习算法分析测距数据，可以预估潜在危险，并提前发出警告，以避免事故发生。

　　通过以上方式，M2M和H2M之间的准确测距功能，在保障工业和人机协作安全方面发挥着至关重要的作用。

　　实时定位系统，有哪些常见关键技术?

　　实时定位系统(RTLS, Real-Time Location Systems)是一种能够实时跟踪和监控物体或人员位置的技术，大量应用于安全管理和工人效率监控。

　　RTLS实时定位系统的关键技术相当多样。

　　像是UWB技术可提供高精度的定位，误差范围通常在几公分以内，非常适合需要准确跟踪的应用场景。

　　或是采用射频识别(RFID)系统，通过在标签和读取器之间传输信号来跟踪物品或人员的位置，它通常用于较低精度的定位。

　　此外，也可采用Wi-Fi定位，其可基于信号强度测量，可以在已有的网络基础设施上部署，但定位精度通常较低。

　　另一方面，还可使用蓝牙低功耗(BLE)技术，BLE信标通过发送信号与设备通信来实现定位，精度适中，适合低功耗需求的场景。

　　全球定位系统(GPS)则是适合在户外环境中使用，在室内定位的效果较差且耗电较多。

　　此外，也可利用摄像头和计算机视觉技术来检测和跟踪物体或人员的位置，通常用于需要高精度的室内应用。

　　RTLS的应用领域相当宽广。

　　像是在工人安全监控应用中，RTLS可以实时跟踪工人在工作环境中的位置，确保他们不会进入危险区域。如果工人靠近危险设备或区域，系统可以发出警告或自动停止相关设备。在发生紧急情况时，RTLS也可以帮助迅速定位工人并引导救援人员进行迅速救援。

　　此外，还可通过分析工人在不同区域的活动，可以评估工作流程的效率，优化任务分配，减少时间浪费，提高生产力。

　　RTLS还可以用于跟踪和管理工具、设备和物料，减少丢失和误放的情况，确保设备的有效利用。

　　在仓库和物流中心，RTLS可以优化库存管理，减少订单处理时间，提升供应链的整体效率。

　　在医院环境中，RTLS可用于跟踪医护人员、病人和关键医疗设备的位置，确保及时响应和资源的有效使用。

　　超宽带技术，实现安全、准确的距离测量

　　UWB技术利用基于无线电波飞行时间(ToF)技术，来进行的安全、准确的距离测量。

　　Murata生产与开发了基于NXP的UWB模块，以及采用Qorvo与Nordic芯片的UWB模块。

　　Murata的Type 2BP是超小型UWB模块，包括NXP的Trimension SR150 UWB芯片组、时钟、滤波器和外围器件，非常适合一般物联网设备。这款小尺寸UWB模块支持UWB 5与9频道，具有SPI接口与3天线支持(3D AoA或2D AoA)，并已通过FCC/CE参考认证，采用树脂模制结合共形屏蔽结构，尺寸仅有6.6 × 5.8 × 1.2 mm，支持功率校准和晶体校准。

　　Murata还推出搭配Type 2BP的评估板──LBUA0VG2BP-EVK-P，该评估板上有Type 2BP和NXP QN9090(BLE芯片)、USB-UART转换IC，可通过USB电缆供电，并通过PC的COM端口运用QN9090控制Type 2BP。该开发套件已获得Apple®批准，用于评估支持UWB的配件，这些配件利用Apple的附近交互框架，可与包含U1芯片的Apple产品进行交互。

　　Murata的另一款基于NXP UWB芯片组的UWB模块是Type 2DK，这是一款一体化UWB结合蓝牙®LE组合模块，集成了NXP Trimension™ SR040 UWB芯片组、NXP QN9090蓝牙® LE与MCU芯片组、板载天线和外围器件，非常适合使用钮扣电池供电的UWB标签/跟踪器，以及一般物联网设备，并已通过FCC/CE参考认证。

　　Murata也有推出搭配Type 2DK的评估套件──LBUA2ZZ2DK-EVK，该评估套件上配有Type 2DK、UART-USB IC、SWD端口和币形电池座。

　　Murata的Type 2AB模块则是被设计为超小型、高质量和低功耗的UWB模块，非常适合小型电池供电的物联网设备和应用。

　　Type 2AB采用Qorvo QM33120W UWB芯片组，支持5和9频道，并通过FCC/IC/TELEC参考认证，集成了Nordic IC—nRF52840，是无主机模块，它还具有蓝牙低功耗功能，用于唤醒UWB和更新固件，集成的3轴传感器可节省电池电量，并嵌入UWB和MCU的参考时钟。Type 2AB是市场上特别小巧、高度集成的UWB模块，比CoB解决方案面积减少75%，每个器件的频率、发射功率和天线延迟均经过校准，可支持多天线设计和评估。

　　LBUA5QJ2AB-828EVB评估套件是Murata UWB/蓝牙低功耗模块Type 2AB的评估板，可通过USB接口将板上的Type-C USB端子与PC连接并通电，且有串口，客户可以通过串口终端输入AT命令来评估RF性能。如果客户将演示固件重新编程到模块中，还可以评估简单的TWR和PDoA功能。

　　应用于测距与定位的Wi-Fi与蓝牙模块

　　除了UWB技术之外，Wi-Fi与蓝牙技术也可用于测距与定位应用，当Wi-Fi与蓝牙结合时还可让您直接连接到互联网，因此它是适合物联网产品特别灵活的无线技术。

　　目前Murata已有多种Wi-Fi®与蓝牙模块可供选择，支持IEEE 802.11a、11b、11g、11n和11ac 2×2 MIMO标准、2.4GHz和5GHz频段，适用于无线LAN和蓝牙®4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR /LE通信。

　　Murata的Type 2AE是一款基于Infineon CYW4373E组合芯片组的小型高性能模块，支持Wi-Fi®802.11a/b/g/n/ac结合蓝牙® 5.2 BR/EDR/LE，Wi-Fi上的PHY数据速率达到433Mbps，蓝牙®则支持3Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM，WLAN和蓝牙®部分也都支持USB 2.0接口。

　　在开发系统时可在NXP i.MX(Linux/FreeRTOS)上开发软件，若要在RTOS上开发软件，可采用Infineon的WICED™开发系统，可大大减少为嵌入式设备添加无线连接所需的工作量。该SDK使开发人员能够迅速创建针对资源匮乏的微控制器的网络连接应用。在评估工具方面，则可以在Linux系统上选择Embedded Artists的2AE M.2模块。

　　Murata的Type 2EA则是一款基于Infineon CYW55573组合芯片组的小型高性能模块，支持Wi-Fi®802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO与蓝牙®5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi®上支持达到1.2 Gbps PHY数据速率，以及传统蓝牙(EDR)上的3Mbps PHY数据速率与蓝牙®LE上的2Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持PCIe v3.0 Gen 2和SDIO 3.0接口，蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM。

　　Type 2EA同样拥有NXP i.MX Linux上支持的软件配置，以及适用于NXP i.MX平台的Linux驱动程序/固件，Murata建议的评估硬件则是Embedded Artists的2EA M.2模块。

　　Type 1XL则是一款基于NXP 88W9098组合芯片组的小型高性能模块，支持Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO与蓝牙®5.3 BR/EDR/LE，支持Wi-Fi®上的1200Mbps PHY数据速率，和蓝牙®上的3Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持PCIe 2.0接口，可选支持SDIO 3.0。蓝牙®部分支持高速4线UART接口(可选支持SDIO)和音频数据的PCM。

　　在软件开发上同样支持对于NXP i.MX Linux上的配置，Murata建议的评估硬件则是Embedded Artists的1XL M.2模块。

　　Murata的Type 2DL则是一款基于NXP IW611组合芯片组的小型高性能模块，支持Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax与蓝牙® 5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi®上达到601Mbps PHY数据速率，和蓝牙®上的2Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM。

　　Type 2DL的开发软件对于NXP i.MX Linux上支持的配置目前仍待定，Murata建议的评估硬件则为Embedded Artists的2DL M.2模块。

　　总 结

　　随着工业环境的复杂性和自动化需求的提升，准确的测距与定位技术在保障安全、提升生产效率以及实现资源优化管理方面的作用日益重要。通过实施杰出的测距与定位解决方案，如实时定位系统(RTLS)、激光测距技术和超宽带(UWB)技术，企业不仅能够大幅度提高运营效率，还能够在智能化管理方面获得竞争优势。

　　Murata生产多种UWB与WiFi/蓝牙模块，虽然测距与定位用例是“系统/解决方案”业务而不是模块业务，但有鉴于工业RTLS应用将是一个不断增长的市场，且需要定制和进行有限的扩展，因此Murata将可与市场上的这些第三方软件与厂商合作，积极切入这一领域。