طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم فاصله سنجی کم‌مصرف مبتنی بر فناوری فرا پهن باند ناهمدوس با کاربرد ردیابی تجهیزات
شعیب رحمت اللهی
1
(
گروه برق،دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه آزاد اسلامی،مشهد،ایران
)
محمد طاهرزاده
2
(
گروه برق،دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه فردوسی مشهد،مشهد،ایران
)
محمد جوادیان صراف
3
(
گروه برق،دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه آزاد اسلامی،مشهد،ایران
)
کلید واژه: فاصله سنجی دومسیره, فروشگاه‌های هوشمند, ردیابی تجهیزات, مکان‌یابی فراپهن باند,
چکیده مقاله :
یک سیستم فاصله‌سنجی دومسیره مبتنی بر فناوری فراپهنباند ناهمدوس طراحی و پیاده‌سازی شده است. این سیستم، از یک ماژول رادیویی نوین فراپهنباند ناهمدوس کم توان در کنار میکروکنترلر STM32L051 برای مدیریت توان کل سیستم، استفاده می‌برد. این سیستم به‌منظور ردیابی تجهیزات در محیط‌های داخلی با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی، افزایش دقت و نرخ به‌روزرسانی سریع توسعه یافته است. با استفاده از تکنیک تقسیم زمان تناوب کلاک به 4 پنجره کوچکتر، در دو طرف مرجع و هدف، دقت زمان دریافت سیگنال چهار برابر بهبود یافته و پس از میانگین گیری، به دقت فاصله سنجی 10 سانتی متر رسیدهایم. همچنین، با میانگین گیری تنها 100 نمونه از داده های خام فاصله سنجی، انحراف معیار فواصل اندازهگیری شده به 12 سانتی متر رسیده است. افزایش بازه نمونه‌گیری موجب بهبود در انحراف معیار اندازه گیری میشود ولی نرخ به روزرسانی را کاهش داده و همچنین توان مصرفی هدف را افزایش میدهد. اندازهگیری نشان میدهد توان مصرفی هدف با میانگینگیری 100 نمونه و نرخ به روزرسانی 1 بار در ثانیه به مقدار µW 24 رسیده است که بسیار کمتر از نمونه های مشابه است. نتایج آزمایش‌های عملی و مقایسه با سیستم‌های پیشرفته نشان میدهد که این روش پیشنهادی، گزینه‌ای بسیار مناسب برای سیستم‌های مکان‌یابی بلادرنگ و کاربردهای کم‌مصرف است. این تحقیق قابلیت پیاده‌سازی در صنایع مختلف از جمله مدیریت انبار، ردیابی تجهیزات پزشکی و مکان‌یابی در محیط‌های صنعتی را دارد و به‌عنوان راهکاری کارآمد و اقتصادی برای کاربردهای داخلی پیشنهاد میشود
چکیده انگلیسی :
A two-way ranging system based on non-coherent ultra-wideband (UWB) technology has been designed and implemented. This system employs an innovative low-power non-coherent UWB radio module in combination with the STM32L051 microcontroller for overall power management. Developed for indoor asset tracking, the system focuses on reducing energy consumption, achieving high accuracy, and enabling high update rates. By employing a clock period division technique into four smaller windows at both the anchor and target ends, the signal reception time accuracy is improved by a factor of four. After averaging, we have achieved a ranging accuracy of 10 cm. Additionally, averaging only 100 raw ranging samples reduces the standard deviation of measured distances to 12 cm. Increasing the number of samples improves the measurement standard deviation but reduces the update rate and also increases the target power consumption. Measurements indicate that the target's power consumption is 24 µW with 100 samples and a 1 Hz update rate, which is significantly lower than similar systems. Experimental results and comparisons with advanced systems demonstrate that the proposed method is highly suitable for real-time localization systems and low-power applications. This work has potential applications in various industries, including warehouse management, medical asset tracking, and localization in industrial environments. It is proposed as an efficient and cost-effective solution for indoor positioning applications
طراحی و پیاده‌سازی سیستم فاصله‌سنجی ناهمدوس بر پایه فناوری UWB با مصرف توان فوق‌العاده کم (µW 24)
استفاده از تکنیک تقسیم زمان کلاک به چهار پنجره همپوشان برای بهبود دقت فاصله‌سنجی تا 10 سانتی‌متر.
تحلیل و بررسی عوامل محیطی مانند دما و نویز الکترومغناطیسی بر عملکرد و دقت سیستم.
سازگاری با محیط‌های صنعتی دینامیک و چالش‌برانگیز با ساختار مقاوم در برابر نویز و تداخل.
[1] S. -H. Cho and S. Choi, "Accurate and Resilient GPS-Only Localization with Velocity Constraints," in IEEE Access, vol. 12, pp. 105686-105702, 2024
[2] F. Shi, W. Li, C. Tang, Y. Fang, P. V. Brennan and K. Chetty, "Decimeter-Level Indoor Localization Using WiFi Round-Trip Phase and Factor Graph Optimization," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 42, no. 1, pp. 177-191, Jan. 2024.
[3] F. Yaghoubi, A. -A. Abbasfar and B. Maham, "Energy-Efficient RSSI-Based Localization for Wireless Sensor Networks," in IEEE Communications Letters, vol. 18, no. 6, pp. 973-976, June 2014.
[4] G. Blasio, A. Quesada-Arencibia, C.R. García, J.M. Molina-Gil, C. Caballero-Gil, "Study on an Indoor Positioning System for Harsh Environments Based on Wi-Fi and Bluetooth Low Energy". in Sensors,vol. 17, no.6, 2017. doi: 10.3390/s17061299
[5] J. Imfeld, S. Cortesi, P. Mayer and M. Magno, "Evaluation of a Non-Coherent Ultra-Wideband Transceiver for Micropower Sensor Nodes," IEEE SENSORS, Vienna, Austria, 2023, pp. 1-4, doi: 10.1109/SENSORS56945.2023.10325219.
[6] C. Liu, T. Kadja, V.P. Chodavarapu, "Experimental Evaluation of Sensor Fusion of Low-Cost UWB and IMU for Localization under Indoor Dynamic Testing Conditions".in Sensors, vol. 22, 2022. doi: 10.3390/s22218156.
[7] R. Hazra, A. Tyagi. "A Survey on Various Coherent and Non-coherent IR-UWB Receivers. Wireless Personal Communications" in Wireless Personal Communications. Vol. 79, pp. 2339-2369, 2014. doi: 10.1007/s11277-014-1988-4.
[8] A. K. Sansyah, S. O. Ngesthi, B. S. P. P. Ardany and G. Dewantoro, "Wi-Fi Enabled Asset Surveillance System using Internet of Things," 2nd International Conference on Innovative and Creative Information Technology (ICITech), Salatiga, Indonesia, 2021, pp. 206-211.
[9] S. G. Kumar, S. Prince and B. M. Shankar, "Smart Tracking and Monitoring in Supply Chain Systems using RFID and BLE," 2021 3rd International Conference on Signal Processing and Communication (ICPSC), Coimbatore, India, 2021, pp. 757-760, doi: 10.1109/ICSPC51351.2021.9451700.
[10] V. Gujar, R. P. Singh, "Innovative Indoai’s Smart Asset Tracking: Securing Efficiency, Security & Compliance in Mobile Work Environments", IARJSET International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology, vol. 11, no. 1, 2024, doi:10.17148/IARJSET.2024.11106.
[11] P. Varshney, H. Saini and V. L. Erickson, "Real-time Asset Management and Localization with Machine Learning and Bluetooth Low Energy Tags," 2020 International Conference on Computational Science and Computational Intelligence (CSCI), Las Vegas, NV, USA, 2020, pp. 1120-1125, doi: 10.1109/CSCI51800.2020.00208.
[12] M. Giordano, R. Fischer, M. Crabolu, G. Bellusci and M. Magno, "SmartTag: An Ultra Low Power Asset Tracking and Usage Analysis IoT Device with Embedded ML Capabilities," 2021 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Sundsvall, Sweden, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/SAS51076.2021.9530182.
[13] A. R. Jiménez Ruiz and F. Seco Granja, "Comparing Ubisense, BeSpoon, and DecaWave UWB Location Systems: Indoor Performance Analysis," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 66, no. 8, pp. 2106-2117, Aug. 2017, doi: 10.1109/TIM.2017.2681398.
[14] J. Kulmer et al., "Using DecaWave UWB transceivers for high-accuracy multipath-assisted indoor positioning," 2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Paris, France, 2017, pp. 1239-1245, doi: 10.1109/ICCW.2017.7962828.
[15] SPARK Microsystems, "Digitally programmable UWB wireless transceiver," SR1010 datasheet. Revised: March. 2022.
[16] S. Rahmatollahi, M. Taherzadeh-Sani and F. Nabki, "High-Precision and Resilient-to-Interference Ultrawideband Two-Way-Ranging Based on Clock-Less Active Reflector in 65-nm CMOS," in IEEE Sensors Journal, vol. 23, no. 5, pp. 4951-4963, 1 March1, 2023, doi: 10.1109/JSEN.2023.3238887.
[17] Y. Jiang and V. C. M. Leung, "An Asymmetric Double Sided Two-Way Ranging for Crystal Offset," 2007 International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, Canada, 2007, pp. 525-528, doi: 10.1109/ISSSE.2007.4294528.
[18] M. Tommingas, M. M. Alam, I. Müürsepp and S. Ulp, "UWB Positioning Integrity Estimation Using Ranging Residuals and ML Augmented Filtering," in IEEE Journal of Indoor and Seamless Positioning and Navigation, vol. 2, pp. 205-218, 2024, doi: 10.1109/JISPIN.2024.3418296.
[19] J. Imfeld, S. Cortesi, P. Mayer and M. Magno, "Evaluation of a Non-Coherent Ultra-Wideband Transceiver for Micropower Sensor Nodes," 2023 IEEE SENSORS, Vienna, Austria, 2023, pp. 1-4, doi: 10.1109/SENSORS56945.2023.10325219.
[20] STMicroelectronics, STM32L051x6/x8/xB Ultra-low-power ARM Cortex-M0+ MCU Datasheet, Rev. 10, May 2021. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32l051c6.pdf
[21] J. Wang, A. K. Raja and Z. Pang, "Prototyping and Experimental Comparison of IR-UWB Based High Precision Localization Technologies," 2015 IEEE 12th Intl Conf on Ubiquitous Intelligence and Computing and 2015 IEEE 12th Intl Conf on Autonomic and Trusted Computing and 2015 IEEE 15th Intl Conf on Scalable Computing and Communications and Its Associated Workshops (UIC-ATC-ScalCom), Beijing, China, 2015, pp. 1187-1192, doi: 10.1109/UIC-ATC-ScalCom-CBDCom-IoP.2015.216.
[22] F. Hammer et al., "Performance Evaluation of 3D-Position Estimation Systems," in IEEE Sensors Journal, vol. 16, no. 16, pp. 6416-6424, Aug.15, 2016, doi: 10.1109/JSEN.2016.2581489.