ĐỊNH VỊ THEO THỜI GIAN THỰC RTLS
RTLS là gì?
RTLS là hệ thống định vị thời gian thực, viết tắt của từ tiếng Anh Real-time Locating System. RTLS thường sử dụng tự động nhận dạng và theo dõi vị trí của một vật hay người theo thời gian thực, thông thường trong không gian một toà nhà hay một khu vực cụ thể. Các thẻ tag RTLS không dây được gắn vào các vật thể hay được mang bởi con người, và trong các hệ thống RTLS, cố định vị trí tham khảo bằng sóng không dây từ thẻ tag RTLS tới vị trí tham khảo cố định. Ví dụ về hệ thống RTLS bao gồm theo dõi sự di chuyển qua một dây chuyền sản xuất, xác định vị trí trong các kho hàng, hay tìm kiếm các thiết bị y tế trong bệnh viện.
Khái niệm RTLS được sử dụng bắt đầu từ 1998, nó được sử dụng để mô tả và chỉ sự khác biệt hoá của các công nghệ mới nổi, không chỉ cung cấp tư động nhận dạng của thẻ RFID chủ động, mà còn chỉ ra khả năng nhìn được vị trí định của vật/thiết bị được gắn thẻ. Bản thương mại hoá đầu tiên của RTLS được cung cấp cho quân đội và các chính phủ bởi PinPoint và WhereNet. Đầu những năm 1990, phiên bản thương mại hoá RTLS được cài đặt trong ba trung tâm chăm sóc sức khoẻ ở Mỹ, ở đó sử dụng công nghệ truyền nhận và giải mã bằng hồng ngoại bằng các thể tag chủ động, các công nghệ mới tạo ra thế hệ RTLS có thể sử dụng được với các thẻ Tag thụ động sau này.
Nguyên lý hoạt động
Luồng thông tin trao đổi trong hệ thống RTLS thực hiện theo các bước sau:
- (1): Các thẻ UWB/BLE được thiết lập các thông số như là thời gian, tần suất cập nhật và định nghĩa các base station để gửi thông tin vị trí.
- (2): Mỗi baste station sẽ tính toán khoảng cách đến từng thẻ cụ thể và gửi thông tin về máy tính xử lý tại biên (edge computer)
- (3): Base Station gửi dữ liệu về máy chủ RTLS. Tại đây thông tin về vị trí được xử lý và tổng hợp lần cuối và lưu vào cơ sở dữ liệu.
- (4): Khi nhận được thông tin mới, các phân hệ nghiệp vụ sẽ xử lý theo các chức năng khác nhau để hiển thị dữ liệu theo các kịch bản khai thác.
- (5): Người sử dụng truy cập vào phần mềm để khai thác các nghiệp vụ theo yêu cầu.
Về công nghệ định vị, hệ thống RTLS hoạt động dựa trên nguyên tắc ước tính khoảng cách và vị trí của công nghệ Ultra-Wideband. Theo đó thẻ tag UWB/BLE được gắn vào thiết bị hay cơ thể người. Các trạm neo gọi là UWB anchors được cài đặt ở khu vực tường của khu cần định vị, tối đa lên tới 25 m. Nó có thể đặt ở độ cao từ 2.5 m – 5 m và phải để xa tường khoảng 15 cm. UWB anchors có thể được cấp nguồn qua USB và PoW (cấp nguồn qua cáp mạng).
Nguyên lý hoạt động hệ thống RTLS
Tối thiểu 4 Anchors cần cho không gian 25mx25m. Các anchors sẽ đồng bộ clock nội bộ qua Wifi hay cáp mạng Ethernet, và nghe tín hiệu dò ping từ các thẻ tag UWB. Một khi đồng bộ, chúng sẽ ghi nhận thời gian khi nhận được các tín hiệu và chuyển hệ thống backend RTLS, tại đây các tính toán vị trí của các thẻ tag UWB đựa trên các phương pháp thời gian khác biệt tới các trạm neo (Anchors) – gọi là kỹ thuật TDoA hay phương tháp Two-way-ranging tuỳ vào cấu hình hệ thống dựa trên các mô tả yêu cầu đặc biệt khác nhau.
Các thành phần chính của hệ thống:
Xây dựng hệ thống định vị RTLS theo mô hình Tag – Base Station – Edge Computer – Cloud Server – Client service. Các dữ liệu vị trí được tính ở Edge computer và gởi về RTLS server. Bằng mô hình này, hệ thống có thể dễ dàng mở rộng về phạm vi khu vực cần triển khai, cũng như số lượng tag (cần theo dõi vị trí).
Hệ thống cho phép mở rộng ở phía thiết bị (thêm các node sensor để lấy các dữ liệu khác, ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, độ ồn, số sản phẩm đã sản xuất…) và mở rộng ở phía ứng dụng qua các API, nên có thể tương thích với rất nhiều phần cứng/phần mềm khác.
- Thiết bị thu phát sóng: Bao gồm thẻ UWB được gắn vào các thiết bị cần theo dõi vị trí và các trạm thu phí để xác định vị trí của các thẻ.
- Máy tính xử lý tại biên (Edge Computer)
- Tổng hợp dữ liệu tức thời
- Xử lý thứ tự kết nối với các base station
- Cập nhật OTA
- Quản lý thiết bị
- Máy chủ RTLS
- Lưu trữ toàn bộ cơ sở dữ liệu
- Chạy các ứng dụng quản trị và khai thác
- Tích hợp dữ liệu với các phân hệ khác
Nguyên lý thiết kế
- Gắn thẻ UWB cho tất các các thiết bị/máy móc trong phân xưởng cần theo dõi vị trí.
- Cấu hình thông tin về ID của từng thiết bị, đồng bộ với thông tin trong hệ thống ERP.
- Triển khai lắp đặt các base station trong phạm vi xưởng, đảm báo phủ hết được diện tích xưởng và kết nối trao đổi thông tin vị trí với tag.
- Thông tin về vị trí từ các base station sẽ được truyền về máy tính xử lý tại biên (edge computer) thông qua mạng wifi.
- Edge Computer tổng hợp và gửi thông tin về máy chủ RTLS.
- Người sử dụng truy cập vào các ứng dụng RTLS để sử dụng các chức năng nghiệp vụ khai thác.
Mô hình triển khai
- Các thiết bị bao gồm thẻ, đầu thu phát, thiết bị mạng và máy tính xử lý tại biên được triển khai tại từng xưởng/nhà kho.
- Máy chủ và các ứng dụng sẽ được triển khai ở trung tâm dữ liệu (data center). Máy tính Edge Computer tại Xưởng và Private Server tại Data Center được kết nối với nhau qua mạng có dây.
- Người sử dụng dùng máy tính cá nhân truy cập các ứng dụng khai thác qua web.
Hệ thống được tổ chức theo mô hình Front End – Backend. Trong đó Front End là hệ thống thiết bị được lắp tại từng phân xưởng, nhà kho và được kết nối về hệ thống Back End. Mỗi giai đoạn sẽ đầu tư quy mô hệ thống Front End khác nhau tùy theo nhu cầu. Các Front End mới khi triển khai sẽ độc lập với các Front End khác và được khai báo, kết nối vào hệ thống Back End cũ mà không làm thay đổi kiến trúc thiết kế chung. Mô hình này đảm bảo sự kế thừa và mở rộng hệ thống về sau.
Nguyên tắc thiết kế lắp đặt thiết bị
Đặt các Base Station ở khu vực cần quản lý, tùy điều kiện thực tế nhưng thông thường các base station cách nhau khoảng 25-30m, ở độ cao từ 5-8m. Cần ít nhất 4 Base Station để bao phủ khu vực cần quản lý và định vị các đối tượng cần theo dõi trong khu vực đó, khi diện tích rộng lên, đặt thêm các base station theo mạng lưới.
Các base station này sẽ giao tiếp wifi với Edge Computer trước khi dữ liệu về Private Server. Khi cài đặt, hệ thống sẽ tự động định vị và xác định khoảng cách giữa các base station để lên map. Edge Computer đặt cùng mạng local với hệ thống Base Station. Edge Computer có thể kết nối đến Private Server đặt tại Data Center.
Phương án lắp đặt
- Khoảng cách tối đa giữa các base-base là 25m, độ cao lắp đặt từ 5-6m. Với mặt bằng của xưởng (72.742 x 118.221 m) cần tiến hành lắp đặt 4×6 base station theo dạng ma trận hình chữ nhật với kích thước 24×23.6 m như hình bên dưới. Với bố trí như vậy sẽ đảm bảo các base phủ hết diện tích của xưởng và đảm bảo khả năng giao tiếp giữa base-base và base-tag.
- Các base station sẽ kết nối với edge computer thông qua mạng wifi, do vậy cần thiết lập mạng wifi trong phân xưởng, và để đảm bảo hoạt động ổn định, không ảnh hưởng đến các hệ thống khác nên thiết lập một mạng wifi riêng cho hệ thống RTLS. Sơ đồ kết nối mạng được minh họa theo hình ở dưới.
Chức năng hệ thống RTLS
- Dashboard/Trang chủ: Thể hiện các thông tin tổng quan về hệ thống RTLS công ty đang sử dụng.
- Maps/Bản đồ: Hiển thị vị trí thời gian thực của các đối tượng theo dõi lên bản đồ mặt bằng công ty, có thể có nhiều maps khác nhau tùy thuộc vào số lượng nhà máy/workshop của công ty.
- History/Lịch sử: Hiển thị lịch sử của tất cả đối tượng theo dõi hoặc đối tượng cụ thể trong khoảng thời gian bất kì. Có thể replay lại hoạt động trong thời gian đó.
- Heatmaps/Bản đồ nhiệt: Phân tích bản đồ nhiệt vị trí của các đối tượng theo dõi trong khoảng thời gian.
- Setup/Cài đặt: Các thiết lập hệ thống (bản đồ, base, tag) (tính năng nâng cao – cần kĩ thuật viên hỗ trợ)
- Update/Cập nhật: Nâng cấp chương trình cho hệ thống phần cứng (tính năng nâng cao – cần kĩ thuật viên hỗ trợ)
- Report/Báo cáo: Các báo cáo của hệ thống liên quan đến ứng dụng cụ thể và đối tượng cụ thể.
