استخدام تكنولوجيا النطاق الترددي (Owb) في تعقب أماكن العمل

استخدام تكنولوجيا النطاق الترددي Ultrawideband (UWB) في تعقب أماكن الإقامة

وقد ظهرت تكنولوجيا النطاق الترددي Ultrawideband (UWB) كقوة تحولية في عالم تتبع المواقع المدمجة، ومن خلال توفير الدقة في تحديد المواقع في حدود سنتيمترات، يتيح الاتحاد استخدام الحالات التي كانت في السابق بعيدة المنال بالنسبة لنظم الطاقة المنخفضة الارتقاء أو النظم القائمة على شبكة ويب، ومن حيث التخصص في السوقيات والتصنيع إلى الرعاية الصحية والإلكترونيات الاستهلاكية، فإن نظام يو دبليو بي يكشف عن مستويات جديدة من الكفاءة والأمن.

ما هي تكنولوجيا الاتصال عبر النطاق؟

وشركة UWB هي تكنولوجيا إذاعية تنقل البيانات على نطاق واسع جداً - أكبر من 500 ميغاهيرتز أو تشغل 20 في المائة على الأقل من الترددات المركزية، وخلافاً لنظم النطاقات الضيقة (مثلاً، وواي فاي أو بلوتوث)، ترسل UWB قوالب قصيرة جداً من الطاقة - وغالباً ما لا تتجاوز بضع ثواني نانووية عبر نطاق واسع من أنواع الترددات.

ويعمل الاتحاد في إطارات الترددات غير المرخص بها، ومعظمها يتراوح بين ٣,١ و ١٠,٦ غيغاهيرتز )أو في بعض المناطق، في إطار النطاق الترددي ٦-٩ جيهرتز( وتجعل النبضات القصيرة أقل عرضة للتدخل من النظم اللاسلكية الأخرى التي تتقاسم نفس الطيف، ولأن النبضات قصيرة جدا، فإنها تتيح أيضا قياسات دقيقة للغاية لتوقيت الرحلة، التي تشكل أساس تتبع الموقع.

وتُوحَّد التكنولوجيا في إطار المعيار IEEEEE 802.15.4a و802.15.4z، حيث تقوم أفرقة صناعية بأعمال مستمرة مثل FiRa Consortium] لتحديد ملامح قابلة للتشغيل فيما يتعلق بالاستخدام الاستهلاكي والمشروع.

How UWB Enables Precise Location Tracking

والآلية الأساسية وراء تتبع موقع يو دبليو بي هي قياس وقت السفر بالإشارة، ولأن نبضات اليورانيوم منخفض جداً، يمكن للمتلقين تحديد اللحظة التي يصل فيها النبض بدقة عالية، وهذا يتيح عدة تقنيات للتدبير وتحديد المواقع:

وقت الرحلة الجوية (بالفرنسية)

وفي إطار تركيبة أساسية من نوعين من الأجهزة، يُرسل جهاز واحد نبضات اليورانيوم والرد الآخر، وبقيام الوقت الممتد ذهابا وإيابا، وبالتفرق بينهما، يمكن حساب المسافة بينهما بدقة على مستوى سنتيمتر، ولا يتطلب الصندوق التزامن الدقيق بين الأجهزة، مما يجعلها عملية بالنسبة للعديد من التطبيقات المدمجة.

فرق الوقت في الوصول

وفي تشكيلة أكثر تقدما، تتلقى مجموعة من المرساات الثابتة من طراز UWB (مثلا، المثبتة على الجدران أو السقف) نبضا من بطاقة متنقلة، ويمكن للنظام، من خلال مقارنة الاختلافات في أوقات الوصول في كل مرساة، أن يُثبِّت موقف البطاقة، ويتطلب نظام " تيوا " تزامنا دقيقا زمنيا بين المرساة، يمكن تحقيقه عن طريق توزيع أسلاك أو لاسلكية.

Angle of Arrival (AoA)

وتتضمن بعض وحدات الـ (UWB) عدداً من الهوائيات المتعددة وتستخدم فروقاً في المرحلة لتقدير الاتجاه الذي تُصدر منه إشارة، إلى جانب قياسات المسافة (من محطة توليد الطاقة أو شبكة (TDoA)، توفر الوكالة حلاً وحيداً للمواقع بين الأطراف، مما يبسط النشر في الغرف أو الممرات.

مُزدحمتان مُتدلتان (DS-TWR)

وبالنسبة للعلامات التي تعمل بالبطارية، فإن نظام DS-TWR هو بروتوكول مشترك يقيس أوقاتاً ذهاباً وإياباً من كلا الجانبين، ويلغي الأخطاء التي تعوض عن ساعات العمل، ويتيح قدراً كبيراً من الدقة مع انخفاض استهلاك الطاقة نسبياً، مما يجعلها مثالية للأجهزة المدمجة التي يجب أن تعمل لمدة أشهر أو سنوات على بطارية متزامنة.

وينتج الجمع بين هذه التقنيات عن دقة تحديد مواقع 10-30 سنتيمتر ] في عمليات النشر في العالم الحقيقي، وفي ظل ظروف مثلى، يمكن أن تكون الأخطاء منخفضة إلى حد ما كبضع سنتيمترات، وهذا أمر يُعدّ أكبر من النُهج القائمة على نظام BLE أو WiFi RSSI.

أهم مزايا الـ UWB لتتبع الموقع

ويوفر هذا النظام مجموعة فريدة من الفوائد تجعله ملائماً بشكل خاص للنظم المدمجة:

ارتفاع نسبة الاستحقاق

وكما لوحظ، يمكن للمركب أن يحقق الدقة على مستوى المقاس المركزي، حيث يمكن التطبيقات التي يكون فيها معرفة الموقع الدقيق للجسم أو الشخص أمراً بالغ الأهمية، مثل الروبوتات، والملاحة الجراحية، أو المركبات المصحوبة بمرشدين آليين.

استهلاك الطاقة المنخفضة

ونظراً لأن اليورانيوم المستنفد يبث نبضات قصيرة جداً، فإن متوسط استهلاك الطاقة منخفض، إذ يمكن للعديد من رقائق اليورانيوم المستنفد أن تحقق سحباً دون 10 ملليغرامات في الوقت الحالي أثناء فترات التدرج الفعّالة ومستويات الميكرومتر في أساليب النوم، مما يتيح تشغيل البطاقات المزودة ببطارية لفترات طويلة دون تكرار إعادة الشحن أو استبدال البطاريات.

:: الروبوت في البيئات المتعددة التعاطف

وتتسبب الأماكن الداخلية التي بها رفوف معدنية، وجدران ملموسة، ومحركة الناس في انعكاسات تحط من الإشارات الضيقة النطاق، وتسمح النبضات القصيرة التي تصدرها الشركة وواسعة النطاق للمستقبلين بالتمييز بين المسار المباشر ونسخها، مع الحفاظ على الدقة حتى في البيئات الكثيفة المتعددة التعاطف.

المقاومة في التداخل

فالكثافة الطيفية المنخفضة التي يتمتع بها الاتحاد (دون الحد الأدنى من الضجيج للعديد من أجهزة الاستقبال الضيقة) تعني أنه يتدخل إلى حد أدنى في نظم إذاعية أخرى، وعلى العكس من ذلك، فإن اليو بي أقل عرضة للتدخل من وي - فيي وبلوتوث وغيرها من المصادر المشتركة، بما يكفل أداء موثوق به في الطيف المزدحم.

تعزيز الأمن

ويتراوح هذا النوع من الأسلحة بصورة طبيعية لأن التوقيت الدقيق يجعل من الصعب على المهاجم أن يقطع إشارة دون أن يكتشف.() ويشمل معيار IEEEE 802.15.4z المعالم الإضافية مثل تسلسلات الزمان المهبل لمنع هجمات الرحل، مما يجعل من غير المستعملين للتحكم في الدخول والحصول على طلبات الدفع.

تطبيقات الـ (UWB) في النظم المدمجة

تعقب الأصول وإدارة المخازن

وفي المراكز اللوجستية، تتيح بطاقات UWB المرتبطة بالآلات أو الحاويات أو المعدات ذات القيمة العالية تتبع الموقع في الوقت الحقيقي بدقة واضحة، ويمكن للمديرين تصور الموقع الدقيق لكل موجودات، والحد من أوقات البحث ومنع الخسارة، كما يدعمون المقسم الجغرافي: إذا دخلت مادة معممة أو تركت منطقة محددة، يُطلق الإنذار تلقائيا.

فعلى سبيل المثال، يستخدم المصنعون اليورانيوم المستنفد لتتبع الأدوات والعناصر الموجودة في قاع المحل، بما يكفل عدم توقف خطوط التجميع بسبب الأصناف غير الموضعية.() وتوفر FiRa Consortium ] ملفات قابلية التشغيل المشتركة التي تساعد مختلف نظم البائعين غير المتجانسة على العمل معا في هذه البيئات.

الملاحة الداخلية وتقصي الطرق

ونادرا ما تخترق إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع في عمق المباني، مما يخلف فجوة في المواقع الداخلية، وتملأ هذه الفجوة، وتوفر الملاحة في المطارات والمستشفيات والتسويق ومراكز المؤتمرات، ويمكن للزوار استخدام هاتف ذكي أو شارة مخصصة لإيجاد بوابة أو إدارة أو متجر محدد، كما تستخدم الملاحة الداخلية في مصانع ومخازن كبيرة لتوجيه مسارات متنقلة مستقلة (ألف).

الرعاية الصحية وعمليات المستشفيات

وتقوم المستشفيات بنشر مضخات للمعدات الطبية الأساسية - مضخات للدخول، وأجهزة التهوية، والكراسي المتحركة - بحيث يمكن للموظفين تحديد مكانها فوراً، كما تقوم هذه التكنولوجيا برصد حركة المرضى في بعض وحدات المستشفيات أو تتبع الموظفين في المناطق الشديدة الخطورة من أجل الامتثال للأمان، وتساعد دقة هذه المعدات في أماكن جراحية يجب أن تتعقب فيها الأجهزة بدقة داخل غرفة التشغيل.

المراقبة الأمنية ومراقبة الدخول

وكثيرا ما تعاني الدار التقليدي للشبكة أو التحكم في الدخول بواسطة بلوتون من هجمات النفقة )مثل استخدام جهاز إعادة إرسال لخدع قارئ( ويمكن للمركب، مع تراوحه بدقة وسلسلة STS، أن يوثق قرب المستخدم بثقة عالية، وعلى سبيل المثال، فإن سيارة مجهزة بقارئ من طراز UWB لن تغلق إلا عندما يكون الضباب الرئيسي المأذون به داخل بضعة أمتار، مما يحول دون توسيع نطاق الوصلات الحاسبة.

Consumer Electronics

وتدمج الهواتف الذكية الآن السائل المركب " لتحديد خصائصي " التي تبين المسافة واتجاها دقيقين إلى علامة أصناف ضائعة (مثل الطائرة التاجية أو طراز سامسونغ) ويمكن للمتكلمين الذكيين والمراكز المنزلية الذكية استخدام الـ UWB لتحديد الغرفة التي يوجد فيها المستخدم وتعديل الإضاءة أو جهاز الحرق أو الموسيقى تبعا لذلك، وتعتمد هذه التطبيقات الاستهلاكية على القدرة على تركيب البطاقات المشابهة.

الروبوتات والطائرات الآلية

وتستخدم المركبات الآلية المصحوبة بمرشدين في المصانع والطائرات غير المسيَّرة في المستودعات اليورانيوم كمصدر أساسي أو مكمِّل للمواقع، وتوفر UWB الدقة اللازمة للمناورة الدقيقة، والحجز، وتجنب الاصطدام، لا سيما في البيئات التي قد تفشل فيها الأوعية البصرية بسبب سوء الإضاءة أو الأسطح غير المميزة.

التحديات في نشر نظام رصد المواقع المدمجة

وعلى الرغم من مواطن القوة، فإن الاتحاد يشكل عدة عقبات يجب معالجتها لتحقيق اعتماد واسع النطاق:

تكاليف التكامل والتعقيد

وتكلف وحدات الـ (UWB) تاريخيا أكثر من رقائق BLE أو Wi-Fi، رغم انخفاض الأسعار مع نمو الحجم، فبخلاف تكلفة الرقاقة، يتطلب تركيب نظام غير مستعمل تصميم دقيق، وتوفير الحماية، والمعايرة، وإضافة وقت التنمية وتكاليف BOM، ويجب على المهندسين أيضا أن يبثوا الاختلافات التنظيمية الإقليمية في توزيع الترددات.

متطلبات الهياكل الأساسية

ولكي تعمل شبكة التوحيد القياسي أو الرابطة في منطقة كبيرة، يجب نشر شبكة من المرساة المتزامنة، ويضاف تركيب المرساات مع تزامن زمني محدد النفقات الرأسمالية الأولية، وفي حين يمكن لبعض النظم استخدام طب التجميل في التواؤم الذاتي، فإن استثمار البنية التحتية يظل عائقا أمام عمليات النشر الأصغر.

إدارة الطاقة من أجل التتبع المستمر

وعلى الرغم من أن الـ " يو دبليو بي " يتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة خلال قياس واحد للتدبير، فإن التتبع المستمر (مثل تحديث الوضع كل ثانية) لا يزال يستنفد بطارية صغيرة في غضون أسابيع، إذ أن العديد من عمليات التنفيذ تستخدم دواكن للرسوم أو تجمع بين الـ " يو بي أو " مع جهاز لاسلكي منخفض الطاقة لتوسيع نطاق حياة البطاريات، ويجب أن يكون المبادلات بين معدل التحديث وطول.

الحدود البيئية

وفي حين أن الـ يو دبليو بي يتعامل مع التعددية، فإنه يمكن أن يكافح بإعاقة شديدة مثل الجدران المعدنية أو الأنابيب المملوءة بالماء، حيث يمتد الرنج عادة بين 30 إلى 100 متر في خط البصر، ولكن يمكن أن يهبط إلى 10 إلى 20 مترا في ظروف غير مباشرة، ويجب على المصممين أن ينظروا في وضع المرساة وزيادتها للحفاظ على التغطية.

قابلية التشغيل البيني والتجزؤ

وعلى الرغم من أن رقاقة اتحاد فيرا كونسورتيوم وأبلي من طراز U1 قد عززت قابلية التشغيل المتبادل، فإن النظام الإيكولوجي في يو دبليو بي لا يزال يتغذى، ولا توجد جميع رقائق يو دبليو بي تتحدث نفس البروتوكول في طبقة التطبيق، وتكاملها مع منابر الأيوت (مثلا، AWS IoT، Azure IoT) يتطلب توفير مواصفات متوسطة.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ومن المنتظر أن يتسارع اعتماد نظام يو دبليو بي في النظم المدمجة، وهناك اتجاهات عديدة ترسم تطوره:

التكامل مع أشعة الشمس

وينشئ مجمع يو دبليو بي مع وحدات القياس غير المادي، والكاميرات، وLDAR حلاً قوياً لتحديد المواقع، ويملأ خوارزميات الاندماج الحسّي الثغرات عندما تُحجب إشارات اليورانيوم، ويصحح البوليروسيوم العالمي للأخشاب المهجرة، وينتج عن ذلك تقديراً غير مستقر ودقيق للمواقع حتى في البيئات الصعبة.

تحسين الأمن للمدفوعات واليوت

ومع أن الـ " UWB " أصبحت سمة قياسية في الهواتف الذكية، فإنها ستمكن من الحصول على مدفوعات مأمونة وقريبة ومزجات للأجهزة، فجمع الحماية البكائية العالية الدقة يجعل من الـ " UWB " أساساً لنظم الجيل القادم من المفاتيح الرقمية والتوثيق.

AI —Enhanced Positioning

ويمكن أن تصقل خوارزميات التعلم في مجال الآلات تقديرات مواقع البيوت غير المستعملة عن طريق تعلم أنماط نشر الراديو البيئية، فعلى سبيل المثال، يمكن لنموذج مدرَّب على بيانات الإشارات التاريخية أن يخفف من الأخطاء المتعددة الملامح في مخطط مخزن محدد، مما يزيد من الدقة عن عتبة ال10 سم، ويجري بالفعل استكشاف هذه النُهج في سياقات البحثية.

UWB in the Internet of things (IoT) at Scale

ومع نضج 802.15.4z وشرائح أقل تكلفة، سيظهر اليو بي في أقفال أكثر من أجهزة إيوت - ذكورة، وعلامات الأصول، والملابس، والمجسات البيئية، وقدرة التكنولوجيا على دعم ملايين البطاقات لكل كيلومتر مربع (مع التخطيط المناسب للشبكة) تجعلها مناسبة لنشرات صناعية واسعة النطاق.

المواءمة التنظيمية

وتقوم البلدان في جميع أنحاء العالم بالتواؤم تدريجيا مع أنظمة الاتحاد العالمي لحفظ الطبيعة، وقد قامت المفوضية الأوروبية، ولجنة المنافسة الحرة في الولايات المتحدة، والجهات التنظيمية في اليابان وكوريا والصين، باستكمال القواعد للسماح بمستويات أعلى من الطاقة وخطوط النطاق الأوسع لتطبيقات الموقع، مما يقلل من تعقيد الهندسة ويعزز تنمية المنتجات العالمية.

وللمزيد من النظر في المعايير التقنية، يقدم فريق العمل المعني بالتنوع البيولوجي IEE 802.15.4z ] وثائق رسمية بشأن أمن اليورانيوم وتقويات النطاق.() ويمكن متابعة التطورات الصناعية من خلال FiRa Consortium و [FT Alliance[L.]

خاتمة

وقد أثبتت تكنولوجيا النطاق الترددي العالمي بشكل راسخ أنها حل رئيسي لتتبع المواقع المتأصلة بدقة، وقدرتها على تحقيق الدقة على مستوى المقاس، وانخفاض استهلاك الطاقة، والأمن القوي يجعلها مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات - من تتبع الأصول الصناعية والملاحة الداخلية إلى أجهزة المستهلكين وتأمين الوصول إليها، وفي حين أن تحديات مثل التكلفة والهياكل الأساسية والقابلية للتشغيل المتبادل لا تزال قائمة، فإن التقدم المستمر في تصميم الرقائق، والارتقاء بالأجهزة الاستشعارية، والاستخبارات الصناعية.