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Real-Time Location System: cosa sono e quali vantaggi possono portare

Real-Time Location System: cosa sono e quali vantaggi possono portare

Cosa è un RTLS?

Con l’acronimo RTLS si intende un Real-Time Location System, ovvero una infrastruttura hardware/software basata su tecnologie IoT (Internet of Things) che permette di identificare, localizzare e tracciare singoli oggetti o persone presenti in un determinato contesto (come, ad esempio, in un sito logistico, una fabbrica o un ospedale).
BlueUp, PMI innovativa operante nei settori dell’IoT e dell’RTLS dal 2014, ha ideato l’acronimo LAPS (Local Area Positioning System) che generalizza il concetto di Indoor Positioning System (IPS) e si riferisce a RTLS in grado di localizzare e tracciare persone e/o oggetti in un contesto spazialmente limitato, che può essere indoor (es. ospedale, magazzino) o outdoor (es. parcheggio) o entrambi (sito produttivo con magazzino all’aperto).

Un RTLS non si limita ad acquisire solo dati relativi alla posizione; grazie a sensori installati sui dispositivi può rilevare anche dati di diversa natura, ad esempio, lo stato di ciò che viene tracciato (movimento, eventi di allarme, …) o parametri ambientali (temperatura, umidità, …). L’acquisizione di questa grande mole di dati in tempo reale permette di ricavare tutte le informazioni necessarie per creare un vero e proprio “gemello digitale”, ovvero una rappresentazione virtuale di un determinato ambiente fisico.
Nel paradigma Industria 4.0, sviluppare un Digital Twin significa testare e capire come si comportano i sistemi che stiamo monitorando in uno spazio virtuale di simulazione. Nel caso di Digital Twin basati su RTLS, partendo dai dati di posizione, spostamento e stato di asset o persone, è possibile andare a migliorare una serie di processi: ridurre i tempi di spostamento e ottimizzare i percorsi, aumentare la sicurezza dei lavoratori, acquisire visibilità sui processi interni, aumentare l’efficienza operativa, incrementare la puntualità e il livello di trasparenza dei servizi erogati ai clienti.

Le soluzioni RTLS trovano applicazioni in svariati ambiti:
 Industria 4.0
 Logistica
• Sanità
• Edifici intelligenti

Nello specifico delle applicazioni legate alla produzione e alla logistica, sono molteplici i vantaggi apportati dall’adozione di soluzioni RTLS.

Miglioramento delle attività logistiche: attraverso il monitoraggio della posizione e degli spostamenti di asset e persone (operatori/visitatori) è possibile ottenere un netto miglioramento nelle attività logistiche, riducendo i tempi di ricerca, eliminando le perdite di utensili e materiali, automatizzando l’inventario.

Monitoraggio delle attività produttive: la raccolta di dati durante il processo produttivo permette di controllare lo stato di avanzamento, prevenire gli errori, migliorare i processi eliminando i colli di bottiglia.

Maggiore sicurezza sul lavoro: grazie agli RTLS è possibile rendere i luoghi di lavoro più sicuri, monitorando la posizione e lo stato di lavoratori solitari oppure verificando l’accesso non autorizzato o non controllato ad aree a rischio sicurezza. Grazie all’integrazione di sensori, è possibile rilevare e notificare in tempo reale eventi di allarme, come urti o cadute.

Monitoraggio dei parametri ambientali: un sistema RTLS può essere visto come una rete distribuita di sensori wireless in grado di stimare non solo il dato di posizione, ma anche di monitorare grandezze fisiche o ambientali: ad esempio, è possibile tenere sotto controllo il clima indoor e la qualità dell’aria per garantire ai lavoratori un ambiente di lavoro salubre e confortevole.

I componenti di un RTLS

I sistemi RTLS costituiscono un’infrastruttura hardware e software che si compone di alcuni componenti base: tag, antenne, software di localizzazione.

Tag

I tag sono i dispositivi elettronici wireless che vengono applicati agli oggetti/persone da tracciare.
I tag sono tipicamente dei dispositivi attivi, dotati di batteria, in grado di inviare autonomamente l’informazione (identificativo univoco ed eventuali informazioni di stato, come il livello della batteria) alle antenne.
Nel caso di integrazione di sensori, i tag possono trasmettere insieme al proprio identificativo univoco anche parametri fisici o ambientali, come ad esempio la temperatura.

Antenne

Le antenne (dette anche “locator” o “ancore”), sono i dispositivi fissi che costituiscono l’infrastruttura hardware di localizzazione del sistema.
Le antenne, che ricevono i segnali dai tag, sono installate in posizione fissa (a soffitto, a parete, su pali, …), in modo da garantire la copertura radio ideale all’interno dell’ambiente operativo. Le antenne richiedono tipicamente una alimentazione da rete elettrica, anche se esistono soluzioni (come la piattaforma MeshCube) in cui le antenne sono alimentabili a batteria.
Le antenne, attraverso una infrastruttura di comunicazione (che può essere cablata o wireless, dedicata o condivisa), inviano i dati ricevuti dai tag ad un sistema centrale dove risiede il software di localizzazione, il quale, poi, calcola in tempo reale la posizione dei singoli tag.

Software di localizzazione

Il software di localizzazione (Positioning Engine) è il cuore del sistema: riceve i dati grezzi dalle antenne e, tramite algoritmi dedicati, calcola la posizione dei singoli tag.
Il software di localizzazione tipicamente integra anche funzionalità evolute come la configurazione operativa dei tag o la comunicazione con sistemi applicativi esterni tramite API in formato HTTP o MQTT.

Le tecnologie RTLS

I sistemi RTLS possono funzionare con diverse tecnologie (GPS, RFID, Wi-Fi, Bluetooth Low Energy o Bluetooth® LE, Ultra-Wide Band o UWB), che si distinguono in termini di prestazioni (precisione e latenza del dato di posizione), di complessità dell’infrastruttura e di costo totale (comprensivo non solo di hardware e software, ma anche dei servizi di progettazione, installazione, manutenzione).
Vediamo più nel dettaglio come funzionano le diverse tecnologie:

Il GPS è la tecnologia di elezione per applicazioni di localizzazione, ed è ormai presente in tutti i dispositivi mobili. In questo caso, il tag è dotato di un ricevitore GPS che riceve i segnali dai satelliti GPS e li utilizza per determinare la posizione geografica dell’oggetto o della persona, e il software di localizzazione è integrato all’interno del tag stesso. Per trasmettere le informazioni di posizione ad un sistema di supervisione e controllo centralizzato, è necessario che il tag sia dotato anche di un sistema di connettività long-range, come ad esempio LTE, NB-IoT, LoRa.
I vantaggi dell’utilizzo del GPS per RTLS sono legati alla la copertura globale e alla possibilità di usare una infrastruttura esistente. Tuttavia, i sistemi RTLS basati su GPS soffrono di limitazioni legate alla dificcoltà o impossibilità di usarli in ambienti indoor, all’elevato consumo delle batterie e al costo del tag.
La tecnologia GPS viene usata essenzialmente per il tracciamento di mezzi e veicoli su scala geografica.

La tecnologia RFID utilizza le onde radio per comunicare tra un lettore e un tag RFID applicato all’oggetto o alla persona monitorata. L’energia a radiofrequenza viene usata anche per alimentare (nel caso di tag “passivi”, o risvegliare nel caso di tag “semi-attivi”) il tag RFID. I lettori RFID vengono posizionati nell’ambiente ed emettono onde radio che vengono captate dai tag RFID, i quali rispondono con un numero identificativo univoco. I lettori ricevono quindi il numero di identificazione dai tag e lo inoltrano al software che utilizza il numero di identificazione per determinare la posizione del tag.
I vantaggi principali della tecnologia RFID per RTLS sono il basso costo e il basso (o nullo) consumo energetico del tag. Tuttavia, a causa della ridotta distanza di comunicazione fra antenna e tag e delle oscillazioni sul valore di potenza ricevuta dall’antenna, tale tecnologia non è molto adatta per applicazioni RTLS distribuite.
Viene tipicamente usata per applicazioni di localizzazione puntuali, come il controllo del transito da varchi.

La tecnologia WiFi utilizzata per applicazioni RTLS funziona attraverso una rete di access point (AP) WiFi. Gli asset che devono esse monitorati vengono dotati di ricevitori WiFi, che raccolgono i segnali dagli AP e li utilizzano per calcolare la propria posizione in base alla potenza del segnale ricevuto da ciascun AP.
Il vantaggio principale della tecnologia WiFi è legato alla possibilità di utilizzare infrastrutture WLAN esistenti, eliminando o riducendo il costo per le antenne. Tuttavia, le soluzioni RTLS basate su WiFi soffrono di limiti dovuti all’elevato costo e agli alti consumi dei tag, alla scarsa accuratezza e a problemi di condivisione della rete WLAN con altri dispositivi.

Nella tecnologia Bluetooth® Low Energy, i tag trasmettono periodicamente un pacchetto di advertising Bluetooth® LE, contenente l’identificativo univoco del tag. Il pacchetto può essere formattato secondo tecnologie standard per beacon Bluetooth® LE (come iBeacon o Eddystone) oppure con formati proprietari (come nel caso della tecnologia Quuppa). I ricevitori Bluetooth® LE, detti talvolta anche “gateway Bluetooth® LE” o “locator Bluetooth® LE”, vengono posizionati in tutto l’ambiente, generalmente sul soffitto o a parete. In base agli algoritmi di localizzazione, varia la complessità, e di conseguenza anche il costo, dei ricevitori Bluetooth® LE:
• per sistemi RTLS basati su RSSI (Received Signal Strength Indicator), ovvero il valore di potenza ricevuta, i ricevitori sono semplici gateway Bluetooth® LE, con interfaccia WLAN o LAN;
• nel caso di sistemi basati su AoA (angle of Arrival), i locator sono più complessi e integrano array di antenne con algoritmi in grado di calcolare la direzione di incidenza del segnale Bluetooth® LE.
La tecnologia Bluetooth® LE presenta molti vantaggi nell’uso per applicazioni RTLS: il ridotto consumo ed il basso costo dei tag, l’elevata scalabilità, la possibilità di offrire soluzioni estremamente diversificate in termini di costi e prestazioni, l’elevata integrabilità con dispositivi e sensori IoT che adottano Bluetooth® LE come tecnologia di comunicazione.
All’interno delle soluzioni RTLS che utilizzano tecnologia Bluetooth® LE, possiamo includere anche le soluzioni che adottano radio compatibile con Bluetooth® LE, ma non sono conformi allo standard Bluetooth® LE.
Fra queste soluzioni, di particolare interesse è la tecnologia Mesh 2.4GHz, che rende possibile la realizzazione di sistemi di localizzazione caratterizzati da una infrastruttura completamente senza cavi (le ancore sono alimentate a batteria e comunicano via radio tramite rete mesh), garantendo elevata semplicità e scalabilità e un costo totale di realizzazione inferiore rispetto a gran parte delle tecnologie alternative.

Infine, l’RTLS basato su UWB (Ultra-Wide Band) viene strutturato utilizzando tag UWB che trasmettono segnali a banda ultra-larga (con una banda maggiore di 500MHz) con una bassa potenza. L’uso di segnali UWB (ovvero di impulsi di breve durata, nell’ordine di qualche nsec o inferiore), permette di calcolare la distanza fra il tag e l’antenna UWB tramite la stima del tempo di volo del segnale stesso. Esistono più algoritmi che utilizzano la tecnologia UWB, fra cui i principali sono:
• ToF (Time of Flight), basato sul tempo che intercorre fra l’inizio della trasmissione da parte del tag e l’inizio della ricezione del segnale di risposta dall’antenna (per questo motivo la metodologia è denominata anche TWR, Two-Way Ranging), valore che è propozionale alla distanza fra tag e antenna;
• TDoA (Time Difference of Arrival), in cui si calcola la differenza nell’istante di arrivo alle diverse antenne riceventi, del segnale trasmesso dal tag, da cui è possibile stimare la distanza assoluta rispetto alle varie antenne.
La principale prerogativa dell’UWB è la sua alta precisione nella determinazione in tempo reale della posizione del tag. Tuttavia, UWB soffre di alcune limitazioni, fra cui l’elevato costo totale di infrastruttura, il maggior costo dei tag rispetto a Bluetooth® LE, gli elevati consumi energetici del tag, soprattutto per applicazioni con tracciamento a bassa latenza.

Le soluzioni RTLS di BlueUp

Le soluzioni RTLS offerte da BlueUp si basano tutte su standard Bluetooth® LE o protocolli wireless compatibili. Il Bluetooth® LE, infatti, tra tutte le tecnologie disponibili, emerge come tecnologia chiave per applicazioni RTLS grazie ad una serie di caratteristiche: flessibilità, scalabilità, basso costo, ridotti consumi energetici, integrabilità con sistemi IoT.
BlueUp offre tre diverse soluzioni RTLS che differiscono per prestazioni, costi e complessità di installazione.

MeshCube è una soluzione unica sul mercato, con infrastruttura completamente senza cablaggi e basata su rete di comunicazione in tecnologia Wirepas Mesh 2.4GHz. Con questa tecnologia vengono abbattuti quasi a zero tutti i costi di progettazione, installazione e cablaggio, il che la rende estremamente economica e adatta per applicazioni di inventario automatico, localizzazione di asset in ambito logistico e ospedaliero, monitoraggio distribuito tramite sensori.

LocateBLE permette la localizzazione di asset e persone in tempo reale. tramite algoritmi basati su RSSI (Received Signal Strenght Indicator) e trilaterazione. La caratteristica premiale di LocateBLE è la sua indipendenza dall’hardware: la piattaforma, infatti, è progettata per essere compatibile con molteplici tipologie di antenne Bluetooth® LE presenti sul mercato: Bluetooth® LE beacon gateway, access point WiFi con interfaccia Bluetooth® LE, moduli Zigbee o mesh con supporto Bluetooth® LE. Questa flessibilità, rende LocateBLE adatta ad un ampio ventaglio di applicazioni.

Infine, nel caso in cui l’accuratezza di localizzazione sia il requisito fondamentale, AccuRTLS è la soluzione ideale. AccuRTLS fornisce prestazioni allo stato dell’arte, con tracciamento real-time e accuratezza fino a poche decine di centimetri in ambiente operativo reale, grazie alla tecnologia RTLS Bluetooth® LE Angle of Arrival, sviluppata da Quuppa, di cui BlueUp è partner dal 2017.
Per questa tecnologia, BlueUp sviluppa e produce tag Quuppa Approved, certificati direttamente da Quuppa per essere completamente compatibili a livello funzionale, prestazionale e meccanico con la tecnologia Quuppa.

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