Evaluatie van verschillende plaatsbepalingsmethoden in moderne IoT -toepassingen

Track & Trace zonder GPS? O Yes!
track en trace zonder GPS

Bij het positioneren van assets in een track & trace toepassing vergeet je gemakkelijk dat er naast GPS nog veel andere technologieën zijn om de locatie van een asset te bepalen. Verschillende toepassingen kunnen een creatievere aanpak vereisen, afhankelijk van de behoeften en vereisten. 

 

 

Voor- en nadelen van alternatieve technologieën voor plaatsbepaling van assets 

 

 

GPS ("Global Positioning System") is sterk geëvolueerd sinds het in de jaren '70 voor het eerst door de Amerikaanse regering voor militair gebruik werd gelanceerd. Veel andere exploitanten exploiteren nu een soortgelijke satellietconstellatie (zoals GLONASS, GALILEO en BEIDOU) en GPS-ontvangers kunnen nu efficiënt en met indrukwekkende nauwkeurigheid overal ter wereld hun locatie bepalen. GPS-chipsets hebben echter nog steeds een relatief grote hoeveelheid energie nodig om dit te bereiken, en in moderne IoT-toepassingen, evenals in meer traditionele track & trace, is dit vaak een ontwerpbeperking en een operationeel probleem.  

Er zijn veel andere methoden om de positie van een assetop een kaart te bepalen, en ze hebben allemaal hun voor- en nadelen. Hoewel dit goed nieuws is voor IoT aanbieders en eindgebruikers, betekent het ook dat het een uitdaging kan zijn om de juiste technologie voor een specifieke toepassing te kiezen. Bij track & trace en IoT toepassingen zijn er vier primaire overwegingen bij de keuze van een positioneringstechnologie: energieverbruik, dekking/beschikbaarheid, nauwkeurigheid en verwerkingstijd.

 

In het algemeen zijn er actieve en passieve methoden om de locatie van een asset te bepalen. Actieve methoden vereisen elektrische energie (die gewoonlijk door een batterij wordt geleverd en dus eindig is) aangezien de positie op het toestel wordt bepaald, maar leveren ook vaak een nauwkeurigere positie op. Voorbeelden van actieve positiebepalingsmethoden zijn GPS, beacon detection of zelfs beeldherkenning. Passieve methoden vereisen geen stroom (althans niet op het toestel) maar zijn over het algemeen minder nauwkeurig. Voorbeelden van passieve positiebepalingsmethoden zijn netwerktriangulatie en nabijheid.

  

Laten we enkele veelgebruikte positioneringsmethoden in moderne IoT -toepassingen evalueren en hun voor- en nadelen onderzoeken. Er zijn vele varianten van de beschreven positioneringsmethoden, en het is onmogelijk om ze allemaal te behandelen. Er zijn ook vele andere methoden, dus dit is niet bedoeld als een uitputtende lijst. 

 

GPS 

 

GPS-chipsets ontvangen transmissies met laag vermogen van satellieten in een baan om de aarde en berekenen hun positie door te vergelijken hoe lang het duurde om het signaal van elke satelliet te ontvangen (wat de ontvanger vertelt hoe ver weg de satelliet was toen hij het signaal uitzond). Om dit te bereiken moet een GPS-chipset weten waar de satellieten zelf zich bevinden. Deze informatie (almanak) wordt met een redelijke positioneringsnauwkeurigheid uitgezonden. Een GPS-chipset moet dus enige tijd (vaak enkele minuten) luisteren om een nauwkeurige positie te bepalen. Hoe langer hij luistert, hoe beter de nauwkeurigheid kan worden. Op basis van de vier primaire overwegingen is de GPS-positiebepaling als volgt gerangschikt:  

Energieverbruik:

Slecht. Het toestel moet gedurende langere perioden actief luisteren om signalen van tientallen satellieten te ontvangen, de signalen voortdurend te evalueren en complexe berekeningen uit te voeren om een positie met redelijke nauwkeurigheid te bepalen.  

Dekking / Beschikbaarheid: 

  • Geweldig in buitensituaties. Vooral multi-constellatie chipsets kunnen theoretisch signalen ontvangen van tot 115 satellieten (32 GPS, 24 GLONASS, 24 GALILEO en 35 BEIDOU) die zich in een baan om de aarde bevinden en het gehele planeetoppervlak bestrijken. Natuurlijk zijn deze niet altijd zichtbaar, en sommige zijn zelfs niet actief maar dienen als back-up, maar op een doorsnee locatie op de aardbol zou een ontvanger op elk moment een signaal van tientallen satellieten moeten kunnen ontvangen.
  • Zeer slecht in situaties binnenshuis. GPS-signalen zijn zeer zwak (gelijk aan een gloeilamp van 60W, gezien vanaf meer dan 20.000 km afstand!) en kunnen niet door vaste objecten reizen. In gebouwen of onder de grond kunnen GPS-chipsets dus geen signalen ontvangen om een positie te bepalen.

Nauwkeurigheid:

  • Good. Typically, a GPS receiver in good conditions can determine a position with <10m accuracy within a minute of powering up. After a few minutes, accuracy of <3m (or <1m with multi-constellation) can be achieved.  
  • Gevoelig voor interferentie. Het zeer lage vermogen betekent ook dat GPS-signalen zeer gevoelig zijn voor interferentie door andere RF-bronnen. Moderne GPS-chipsets zijn zeer goed in het filteren van slechte signalen, maar interferentie kan ook de echte GPS-signalen overstemmen, waardoor een GPS-ontvanger geen positie meer kan bepalen (= jamming).  
  • Geweldig als het wordt verrijkt. De prestaties van GPS-chipsets kunnen worden opgedreven door ze te voeden met gegevens om de GPS-satellietsignalen te corrigeren. Met extreme augmentatie (RTK-correctie bijvoorbeeld) kan de positie tot op enkele centimeters nauwkeurig worden bepaald, maar dit vereist eersteklas componenten en een constante toevoer van correctiegegevens van infrastructuur op het land.  

Verwerkingstijd:

  • Slecht bij eerste opstart. Als de GPS-ontvanger alleen wordt geactiveerd wanneer een positie moet worden bepaald (vaak om de batterij te sparen), zal hij enige tijd nodig hebben om satelliet almanak informatie te ontvangen en de binnenkomende signalen te verwerken. Dit kan enkele minuten of meer duren, afhankelijk van de verwachte nauwkeurigheid.  

  • Geweldig tijdens continu gebruik. In track & trace toepassingen wordt de GPS chipset meestal actief gehouden zolang de asset actief is. De GPS-chipset zal voortdurend GPS-satellietsignalen ontvangen en verwerken, en onmiddellijk een vrij nauwkeurige positie weergeven wanneer het asset volgapparaat dat nodig heeft.  

 

Beacon Detectie 

 

Asset tracking Apparaten kunnen worden uitgerust met componenten om signalen te ontvangen van "beacons" (= stationaire kleine zenders die meestal op batterijen werken en een bekende locatie hebben) om hun locatie te bepalen. Een beacon zendt gewoonlijk met een vast interval een unieke identificatiecode uit. Soms wordt in de transmissies aanvullende informatie beschikbaar gesteld om een traceerapparaat in de buurt te helpen meer informatie over die locatie te krijgen. Hoewel beacons hun informatie meestal verzenden met behulp van een RF-technologie zoals Bluetooth of Wifi, zijn optische of auditieve beacons ook mogelijk, waarbij gebruik wordt gemaakt van licht (zichtbaar of IR/UV) of geluidssignalen (mogelijk buiten het bereik van het menselijk gehoor). Passieve beaconmethodes zijn ook mogelijk, waarbij QR-codes of NFC-tags met locatie-informatie worden geplaatst die door een draagbaar device kunnen worden gescand om een locatie te bepalen.  

Bij track & trace is het typische scenario dat de asset tracker zijn luistercomponenten op relevante tijdstippen activeert (bijvoorbeeld een vast interval of wanneer een gebeurtenis wordt gedetecteerd en een positie moet worden bepaald) en "scant" naar transmissies van nabijgelegen beacons. Wanneer het de transmissies heeft ontvangen, kunnen de luistercomponenten worden uitgeschakeld en kan het apparaat de relevante beaconidentificatie naar een platform sturen (dat de locatie van de beacon kent) of zelfs zijn locatie bepalen op basis van de informatie in de transmissie.  

Energieverbruik: 

Goed. Het volgsysteem hoeft slechts een korte scan uit te voeren (luttele seconden, afhankelijk van de zendinterval van de beacons) om één of twee transmissies van nabijgelegen beacons te ontvangen, omdat één enkele transmissie voldoende informatie bevat om een positie te bepalen. Er is geen complexe verwerking van de transmissies nodig. Dit kan veel energie besparen.    

Dekking / Beschikbaarheid: 

Vereist infrastructuur. Een gebruiker moet beacons plaatsen op alle locaties waar plaatsbepaling vereist is, en er moeten voldoende beacons worden geïnstalleerd om de gewenste dekking en nauwkeurigheid te bereiken. Beacons moeten bijvoorbeeld worden geïnstalleerd in magazijnen en op werkterreinen waar de assets verwacht worden en waar hun locatie relevant is. Aangezien de gebruiker echter de positie van de beacons bepaalt, kunnen zij zowel binnen als buiten worden geplaatst om een naadloze werking binnen/buiten te garanderen. Goede exploitanten leveren beacons die geschikt zijn voor binnen- en buitentoepassingen, en beacons op batterijen maken een onderhoudsvrije installatie mogelijk zonder dat er stroom of andere infrastructuur nodig is.  

Nauwkeurigheid: 

Geweldig. Wanneer beacons een beperkt bereik hebben, moet de asset zich in de nabijheid van de beacon bevinden. Aangezien de locatie van beacon met zeer grote nauwkeurigheid kan worden bepaald, is de locatie van de asset ook zeer nauwkeurig wanneer hij het beacon "detecteert". 

Verwerkingstijd: 

Goed. Een volgsysteem hoeft geen ingewikkelde berekeningen uit te voeren om het signaal te interpreteren, en stuurt de beaconinfo vaak gewoon door naar het platform zonder verdere verwerking. Dit kan bijna onmiddellijk gebeuren, afhankelijk van de beschikbaarheid van het netwerk. Zelfs in situaties waarin het apparaat enige nabewerking van het signaal verricht, zoals driehoeksmeting, is de verwerkingsinspanning en -tijd doorgaans beperkt.  

Opmerking: Plaatsbepaling op basis van beacons kan ook omgekeerd werken, waarbij de bewegende asset tracker als beacon fungeert en vaste lokale infrastructuur scant naar apparaten en hun positie berekent. Deze methode is meer geschikt voor asset beheer en wordt daarom in dit artikel niet in detail besproken.  

 

Network triangulation 

 

Het is ook mogelijk om de locatie van een asset te bepalen zonder enige inspanning van de asset tracker. In situaties waarin een wide-area netwerk wordt gebruikt, zoals GSM of Sigfox, wordt het uitgezonden signaal vaak ontvangen door meerdere ontvangers in de omgeving. Een netwerkexploitant of integrator kent de locatie van de ontvangers en kan een geschatte positie van het toestel berekenen door de signalen te vergelijken en een positie te trianguleren op basis van de bekende locatie van de ontvangers. Dit kan worden bereikt met behulp van time-of-flight of signaalsterkteberekeningen. Commerciële LP-WAN-operatoren zoals Sigfox of KPN (LoRaWAN-provider in Nederland) kunnen deze dienst aanbieden en voeren doorgaans zelf de berekeningen uit en stellen de berekende positie (en een indicatie van de nauwkeurigheid) ter beschikking na verwerking van de gegevens.  

Energieverbruik: 

Geweldig. De asset tracker gebruikt geen stroom om een positie te bepalen of te scannen naar locatie-informatie.     

Dekking / Beschikbaarheid:

Goed. De plaatsbepalingsservice is over het algemeen overal beschikbaar waar een toestel verbinding kan maken. Dit betekent dat als het toestel zich binnen het bereik van het netwerk bevindt, het tot op zekere hoogte nauwkeurig kan worden gepositioneerd  

Nauwkeurigheid: 

  • Fair on wide-area networks. The accuracy of the position depends on the density of the network operator’s infrastructure (how many receivers can ‘hear’ the device) and local interference. In some cases, an accuracy of <100m can be achieved, however in rural areas the accuracy can drop to several kilometers (the range of a single receiver).  
  • Geweldig als het bereik van zender/ontvanger beperkt is. Als zender en ontvanger een beperkt bereik hebben (bijvoorbeeld bij gebruik van Bluetooth), is de positie ook nauwkeuriger, omdat de asset niet ver van de ontvanger kan zijn. Dit vereist echter een dicht netwerk van ontvangers.  

Verwerkingstijd:

Goed. De verwerkingscapaciteit op een platform is gewoonlijk veel groter dan die van een enkele asset tracker, zodat de berekeningen snel kunnen worden uitgevoerd. Het is echter te verwachten dat er een (kleine) vertraging is tussen de ontvangst van het signaal van een tracker en het weten van zijn positie.   

 

Tot slot 

Goede operators zoals Suivo hebben de neiging om de bovenstaande methoden te combineren op hun asset trackers om een goede balans te vinden tussen nauwkeurigheid, kosten en stroomverbruik. Een Suivo Hydrogen LP-WAN tracker kan op intelligente wijze beacon technologie combineren met GPS (GPS alleen activeren wanneer nodig) en het platform kan zelfs terugvallen op netwerkpositionering of een positie toewijzen op basis van nabijheid als actieve positionering niet beschikbaar is of niet nauwkeurig genoeg... Een Hydrogen LTE-M tracker kan zelfs worden geïnstrueerd door het platform om de voorkeur te geven aan een bepaalde technologie of de nauwkeurigheidsparameters te variëren op basis van operationele omstandigheden en voorkeuren van de klant. 

Voor meer informatie en een demonstratie, neem contact op met Suivo en maak een afspraak met een van onze Product Experts. 

 

Lees ook: Hoe kies ik een GPS Tracker?

 

Robert is onze hardware specialist en ingenieur. Vanaf het begin van Suivo is hij het brein achter al onze hardwarecomponenten. Het up-to-date blijven met connectiviteitsprotocollen, nieuwe technologieën en market-movers is een groot deel van zijn expertise.

Coole dingen

Afvalbeheer

28/11/2022

Wat kan IoT betekenen voor het afvalbeheer in uw stad of gemeente?

Het beheren van onze afval. Het is zeker een dingetje. Duurzaamheid is een felbesproken topic en vanuit vele invalshoeken wordt nagedacht over hoe slimmer en duurzamer om te gaan. Lees meer

asset management

07/11/2022

Asset Management 2.0? Digitaliseer je asset management en koppel het met je keuringsdata.

Dankzij tagging en tracking van je assets klein en groot, hou je overzicht over al je spullen en dat heeft nogal wat voordelen. Ontdek het hier.

personeelsbeheer

22/08/2022

De kracht van datagedreven workforce management

Onder "WFM" wordt verstaan het beheren, reguleren en sturen van arbeid en personeel. Er zijn heel wat software of tools beschikbaar om het beheer van uw personeelsbestand te vergemakkelijken en/of te automatiseren of om uw mobiele collega's met elkaar te verbinden.

  • Dit veld is voor validatiedoeleinden en moet ongewijzigd blijven.