物聯網跟蹤技術——工業應用最新進展
發布時間：2024-07-01 作者：Diego Grassi
此圖片來源：由AI生成
隨著企業對生產運營和物流等環節可見性要求的提升，包括無線和射頻識別在內的多種技術正被用于工業資產跟蹤應用。
就在十年前，偶爾不知道自己的孩子、寵物或需要照料的家庭成員的確切下落還只是生活的一部分。商業和工業領域也是如此：從一批貴重貨物離開供應商開始，直到被列入您的庫存，您幾乎不可能知道它的確切位置和狀態。
如今，越來越多的人認為這種缺乏可見性的做法是不妥或完全不負責任的，包括無線和射頻識別（RFID）在內的多種技術正被應用于工業領域。
由于基于全球導航衛星系統（GNSS）的跟蹤設備，在我們的汽車、手機和手腕上以及在整個企業物流鏈中的廣泛采用，物聯網（IoT)跟蹤器使您能夠隨時監視您所看重的一切。這也獲得了相應的回報：精通技術的企業已經迅速將跟蹤設備提供的可見性轉化為更高的效率和收入。
但是，與往常一樣，沒有一個放之四海而皆準的解決方案。物聯網跟蹤器有各種形狀和規模，并利用不斷增長的使能技術組合來滿足其所服務用例的特定限制。設備尺寸、定位精度、電源自主性、更新頻率、所需的消息大小、延遲、可擴展性、解決方案復雜性、維護要求、可升級性、服務可用性和成本等，只是設備制造商在開發跟蹤解決方案時需要平衡的眾多競爭約束中的一小部分。
好消息是，有了合適的專業知識，現在的設備開發人員可以從越來越多的技術工具中進行選擇，以構建更小、更好的硬件選項，加快并簡化與后端云物聯網平臺的集成，降低產品的總體擁有成本，同時提高利潤率。下面，我們將從工業資產跟蹤的一些主要用例中了解其優勢，探索它們所依賴的技術以及推動市場發展的一些更突出的趨勢。
▲圖1：實現基于物聯網的資產跟蹤系統的價值需要一系列技術組件。圖片來源：u-blox
01 物聯網跟蹤技術的主要組成部分
準確實時了解人員和資產的內容、時間和地點，有助于確保其安全并受到保護，識別和解決低效過程，并改進規劃。利用IoT跟蹤技術挖掘這一價值，需要一系列組件：
標簽：所有被跟蹤的資產都需要配備標簽，能夠感應定位系統來定位所需的數據。
定位系統：定位需要覆蓋目標區域。例如，它可以是組成全球導航衛星系統的軌道衛星。其它替代方案包括使用現有的蜂窩網絡基站、Wi-Fi接入點或本地部署的信標。定位系統可以由附加服務來支持，稍后將進行說明。
定位引擎：定位引擎將標簽或基礎設施進行的物理測量以及其它信息，轉化為準確的位置估計。例如，定位引擎可以在標簽、本地處理器或云端運行。
連接到云的無線通信：為了使位置數據對最終用戶有用，實時物聯網跟蹤技術需要無線通道以便與在本地或云端托管的跟蹤軟件進行通信。根據部署情況，標簽可以直接將數據傳輸到云端，也可以通過手機或就地部署的無線網關進行中繼。
一般來說，物聯網跟蹤器需要其主硬件具有最佳的能效，并與開放標準、安全、可擴展和便攜式的低功耗無線通信通道匹配，以連接到云。
02 典型的物聯網資產跟蹤應用
如今，物聯網跟蹤器可以用于實時監控任何物品的位置。在這里，我們來看一組追蹤用例，這些用例說明了解決方案體系結構和性能規范的多樣性。
1、人員、寵物和牲畜跟蹤器
它通常是小型、電池供電、隨身攜帶的設備，通常用于戶外。雖然具體要求因使用情況而異，但它們通常提供中到高的位置更新率和定位精度。功率優化對于保證兩次充電之間的高水平可用性至關重要。由于它們用于不斷變化的戶外環境，因此通常需要物聯網SIM卡和蜂窩數據，將數據中繼回云端。
2、用于貨物運輸的集裝箱跟蹤器
其設計旨在最大程度地實現電力自主，并包括各種無線通信技術。其中包括低功率廣域蜂窩連接、到本地集線器或網關的藍牙或Wi-Fi連接，用于衛星通信和將數據下載到PDA或類似設備的短程通信。為了將功率需求降至最低，集裝箱跟蹤器可以顯著降低定位更新的頻率，并使用基于云的定位引擎。
3、用于實時報告車隊或微型車輛位置的跟蹤器
它可以訪問車輛的電池，由于其輸出通常被用于計費和監控交通規則的遵守情況，車隊跟蹤器需要在具有挑戰性的城市環境中進行準確定位。
蜂窩網絡指紋識別和輔助GNSS可以縮短確定車輛位置所需的時間，從而節省電量。同時，航位推算解決方案可以集成慣性傳感器數據，以克服GNSS覆蓋范圍的中斷，并減輕信號在到達GNSS接收器之前，從建筑物反射時造成的多徑效應的影響。
為了執行禁乘和限速區等法規，解決方案正在從具有米級精度的標準GNSS技術，發展到使用GNSS增強服務實現低至幾厘米精度的多波段航位推算解決方案。這些解決方案通常需要中等帶寬的蜂窩通信技術，以向客戶后臺發送位置數據并接收恒定的GNSS增強數據。
4、電動工具跟蹤器
在理想情況下，電動工具跟蹤器需要能夠在建筑工地提供無縫覆蓋室內和室外的定位系統。小型、長時間自主供電和完全可用性，對于確保跟蹤器為施工現場管理人員增加價值至關重要。
例如，解決方案可以將用于室外定位的GNSS技術與室內定位的藍牙解決方案相結合，后者可在GNSS信號不可用時接管定位功能。
▲圖2：隨著每一代新技術的發展，覆蓋范圍、性能、電力需求和技術集成都在提高,
持續賦能更復雜的高性能應用。
03 物聯網跟蹤技術的發展趨勢
在過去十年中，基于IoT的跟蹤技術取得了巨大進步。供應方面的技術進步持續賦能更復雜的高性能應用。與此同時，需求方的客戶期望也在不斷提高。顯而易見的需求趨勢包括：
■ 對覆蓋更廣泛范圍的需求，無論是在地理上還是在室、內外混合環境中；
■ 準確性和可靠性方面的性能提升；
■ 為實現更長的自主供電所需的更低功率要求，或更小的終端設備尺寸；
■ 與更短的物料清單和更少的供應商進行更緊密的集成，以管理供應鏈的各種情況；
■ 更快的上市時間；
■ 降低總擁有成本。
幸運的是，供應方面的創新是快速的，隨著每一代新技術的發展，覆蓋范圍、性能、電力需求和技術集成都在提高。
隨著多星座GNSS接收器的引入，室外位置覆蓋率一直在提高，這些接收器可以搜索到比標準全球導航衛星系統接收器更多的衛星，即使它們被城市森林深處的高層建筑包圍也是如此。輔助GNSS將接收器實現第一次定位所需的時間縮短到幾秒鐘。蜂窩指紋技術基本上消除了零位置場景。隨著藍牙測向、室內定位以及超寬帶技術的日益普及，室內位置覆蓋率也得到了提高。
同時，無線連接解決方案提供了更大的覆蓋范圍，低功耗廣域網提供了比標準消費級4G LTE網絡更大的覆蓋面，而基于網狀網絡的短程解決方案，擴展到列車、集裝箱船和在倉庫中使用的不同形式的負載載體。
定位性能有所提高，同樣也得益于多波段、多星座GNSS接收器、高精度定位解決方案（如實時運動學）的主流化，以及越來越多的、可以實現厘米級定位的GNSS增強服務。將慣性和車輛傳感器數據與GNSS接收器輸出和車輛特定動態模型相融合的航位推算技術，減少了多徑效應和全球導航衛星系信號中斷的影響。
由于多種技術發展的融合，自主供電能力也在上升。其中包括更靈敏的天線、用于設計GNSS接收器的低功率組件和4G LTE蜂窩無線電。基于云的定位，為只需要偶爾確定位置的應用開辟了應用超低功率GNSS定位的新途徑。多星座GNSS和輔助GNSS等創新，縮短了接收器在切換到低功率跟蹤模式之前在耗電信號采集模式下的時間。
更緊密的集成是另一個趨勢，這是由于強大的雙核MCU的出現，能夠托管計算控制器和低功耗藍牙、Wi-Fi或蜂窩軟件堆棧。從具有獨立應用MCU和無線電技術堆棧的復雜架構，轉變為將所有內容集成在雙核MCU上的更簡單架構，為縮短上市時間、減少組件、減少供應商和縮短開發時間提供了機會。
04 這只是物聯網跟蹤技術的開始
在工業上采用基于物聯網的跟蹤解決方案仍處于早期階段，但這項技術已經清楚地證明了它的優點。在技術進步、競爭和當前供應鏈危機等不可預測因素的驅動下，企業正迫不及待地開發更小巧、更具成本效益的技術，同時提供更好的性能以及可以更簡單、更快地集成到云平臺和生態系統中。
由于物聯網跟蹤市場的多樣性，技術將繼續根據其服務用例的具體需求進行定制，借鑒本文概述的一些硬件組件、系統架構、基于云的服務以及底層定位和通信技術。在供給方面，創新正在快速發展。每一代全球導航衛星系統接收器技術都帶來了新的功能，可以提高性能、覆蓋范圍、節能和尺寸。不斷更新的無線通信標準，有助于確保數據可以被更遠、更快或更有效地傳輸。MCU的性能也在不斷提升。與此同時，云技術也在發揮越來越大的作用。
最后，與最近發布的藍牙測向技術一樣，越來越多的新技術將進入市場，包括用于蜂窩通信和定位的低地球軌道衛星以及 5G 定位技術。隨著更多的制造企業開始利用物聯網追蹤技術所能提供的價值，滿足資產追蹤市場需求的技術手段也將不斷增加。
關鍵概念：
■ 了解全球導航衛星系統、5G和其它網絡技術的進步，如何擴大資產跟蹤設備的能力。
■ 與物聯網跟蹤相關的新興需求趨勢，包括對更廣泛覆蓋、提高性能、降低電源要求和更緊密集成的需求。
思考一下：
通過部署基于物聯網的資產跟蹤技術，您可以獲得哪些效率提升？