面向IT資產管理的物聯(lián)網定位技術分析

李文祺 陸庭輝 林海 吳毅良 趙芝茵

摘 要：文章針對電網企業(yè)IT資產管理定位難、追蹤難、維護難、管理效率低的問題，首先深入分析WiFi、LoRa、藍牙、UWB、ZigBee、RFID和U位的定位原理；然后通過在實際應用場景的測試，從組網方式、傳輸距離、定位精度、單網接入節(jié)點容量、標簽電池續(xù)航能力、標簽成本、工作頻段、適合應用場景多個角度比較分析7種物聯(lián)網定位技術的優(yōu)、缺點；最后從電網企業(yè)的應用需求出發(fā)，推薦了一種技術組合，實現(xiàn)IT資產的定位與動態(tài)跟蹤、資產全生命周期的數(shù)字化、智能化管理。

關鍵詞：IT資產管理；物聯(lián)網；定位技術；RFID；LoRa

IT技術給企業(yè)帶來了諸多便利，但是隨著IT資產越來越多，給管理帶來新的挑戰(zhàn)。通常表現(xiàn)在：（1）IT資產數(shù)量龐大、人工管理難；（2）盤點耗時長、效率低下；（3）盤點成本較高。電網企業(yè)的IT資產管理同樣也面臨著相同的問題，并且還額外存在一些新的特點：使用人員多且流動性大、地域分布分散、設備更新周期短。由于傳統(tǒng)的紙質標簽管理IT資產，經常出現(xiàn)資產遺失、賬務不對應、管理精度不夠等問題。實時查看設備當前所在的位置，了解設備是否非法離開工作區(qū)域，基于人工管理和手動統(tǒng)計的IT資產管理也無法實現(xiàn)，同時IT資產的動態(tài)追蹤也是電網資產管理中的一個難點問題。總體來說，定位難、維護難、管理難、追蹤難、效率低是目前IT資產管理的現(xiàn)狀。

隨著物聯(lián)網通信技術和定位技術的不斷發(fā)展，IT資產管理迎來了新的機遇。WiFi作為一種最常用的無線局域網通信技術，給公眾通信自由帶來極大的幫助。通過無線訪問節(jié)點（Access Point，AP）和定位標簽可以實現(xiàn)定位服務，IT資產綁定定位標簽，可以實時獲取資產的位置。ZigBee是一種新的遵循IEEE802.15.4協(xié)議的物聯(lián)網通信技術，該技術通過結合接收信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）信息來確定定位節(jié)點的位置。除了WiFi和ZigBee，還有超寬帶（Ultra-WideBand，UWB），Lora（Long Rang），藍牙（Bluetooth）等不同的方式來實現(xiàn)資產的定位與動態(tài)跟蹤。

本文首先調研現(xiàn)有物聯(lián)網定位技術的原理，然后通過實驗從定位精度、成本等多方面比較各技術的優(yōu)勢和劣勢，最后針對電網公司的應用場景和管理需求，總結出一套合適的基于物聯(lián)網技術的IT資產管理方案。

1 物聯(lián)網定位技術分析

把定位標簽或定位節(jié)點與IT資產綁定，通過定位和追蹤定位標簽，可以實時獲取IT資產的位置，實現(xiàn)動態(tài)追蹤[1-2]。本節(jié)將重點分析了WiFi、藍牙、ZigBee、LoRa、UWB和NBIOT等多種物聯(lián)網技術的定位原理。

1.1 WiFi定位技術

基于WiFi通信技術的定位系統(tǒng)[3-4]，主要包括定位終端設備（定位標簽）、多個AP（定位基站）組成的無線局域網和定位引擎（定位管理系統(tǒng)）。在WiFi定位過程中，每個AP事先確定自身位置的坐標；當定位標簽連接上某AP時，定位標簽會記錄定位標簽能夠捕獲的WiFi信號強度RSSI[5]，通過無線信號傳輸模型可以推算出定位標簽距離AP的長度d；當AP數(shù)大于等于3個時，通過三角定位或指紋定位可以推算出自身的位置。定位管理系統(tǒng)通過接收到定位標簽的位置數(shù)據(jù)，然后利用控制中心的電子地圖監(jiān)視并及時顯示現(xiàn)場定位標簽的位置，同時數(shù)據(jù)可實時存入存儲數(shù)據(jù)庫。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，最后監(jiān)控人員利用計算機訪問存儲服務器，就可以獲取需要的查詢物品或人員的實時位置信息、某段時間內的移動軌跡及報警信息等。

1.2 藍牙定位技術

藍牙定位也是基于RSSI定位原理[6-7]。根據(jù)定位端的不同可以將藍牙定位方式分為網絡側定位和終端側定位兩種。其中，網絡側定位是人員跟蹤定位的一種重要方式，應用于資產定位及客流分析等情境之中。網絡側定位系統(tǒng)通常由藍牙Beacon節(jié)點（定位基站）、藍牙定位終端（定位標簽）、藍牙網關、無線局域網及后端數(shù)據(jù)服務器構成。其具體定位原理是：

（1）首先在區(qū)域內鋪設Beacon和藍牙網關。

（2）測出當終端進入Beacon信號覆蓋范圍時，終端接收到某Beacon的廣播信號對應的RSSI值，然后藍牙網關利用通信網絡傳送到后端數(shù)據(jù)服務器，最后根據(jù)三角定位等算法測算出定位終端的具體位置。

1.3 ZigBee定位技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議[8-12]。一個典型的ZigBee無線定位網絡中，包括網關、參考節(jié)點（定位基站）以及定位節(jié)點（定位標簽）三大部分。其中，網關整個網絡的服務和協(xié)調的關鍵部分；參考節(jié)點是一些已知位置的節(jié)點，在系統(tǒng)中的物理位置是固定不變的；定位節(jié)點是需要定位的移動節(jié)點。根據(jù)無線網絡中臨近射頻的RSSI，定位服務器計算出所需定位節(jié)點的位置。然而，盡管在同一個位置，由于某些因素（如障礙物遮擋等），兩個射頻之間的RSSI會發(fā)生明顯的變化。例如，當一位行人出現(xiàn)在兩個射頻模塊之間時，接收信號將會降低30 dBm。為了校正這種差異，保證定位結果能有更好的精確性，定位服務器將根據(jù)多達16個射頻的RSSI值來計算定位位置。

1.4 LoRa定位技術

LoRa WAN協(xié)議提供了兩種定位方法：基于RSSI的定位，用于粗定位；基于到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位，用于精準定位。要用LoRa定位時，需要保證所有的基站共享一個共同的時基[13-14]。在2維的空間中，定位終端向各基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，由于距離不相同，到達各基站的時間也不同，基于TDOA的LoRa定位技術，利用到達時間差來實現(xiàn)定位。如公式（1）所示，t01是信號到達LoRa基站0和基站1的時間差，與電磁波傳播速度c的乘積，等于距離D0和D1的差，同樣地，t02信號到達LoRa基站0和基站1的時間差，ct02等于距離D0和D2的差，聯(lián)立方程組，可以解算出定位終端的位置坐標。

（1）

1.5 UWB定位技術

UWB定位技術具有穿透力強、系統(tǒng)復雜度低、安全性高、功耗低、定位精度高、抗多徑效果好等多個優(yōu)點，因此在室內定位技術中有很好的發(fā)展?jié)摿?。UWB測距原理是研究UWB定位技術的基礎。為了減少誤差，UWB定位技術采用測量無線信號的飛行時間（Time-of-Flight，TOF）進行測距，并提出了雙向測距技術。模塊A在啟動開始就會生成一條獨立的時間戳。模塊A在a1時刻發(fā)送定位請求脈沖信號，模塊B在a2時刻接收到信號，發(fā)送時間Tt等于a2與a1的差；模塊B在處理完后，在b1時刻發(fā)送響應信號，模塊A在a2時刻接收到信號，發(fā)送時間Tr等于b2與b1的差。這樣就可以計算出信號在兩個模塊之間的傳輸時間，從而計算出傳輸距離。由于TOF測距方法在視距視線環(huán)境下與距離呈線性關系，所以這樣的測算結果會更加精確。UWB接收器從標簽接收到UWB信號后，通過對電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾進行過濾，從而得到有效信號，最后通過服務器來進行計算定位位置[15-16]。

1.6 RFID定位技術

當標簽進入磁場范圍時，標簽會接收到讀卡器發(fā)出的射頻信號，此時標簽從感應電流獲得能，然后發(fā)送出芯片中的產品信息（無源標簽），讀卡器收到信息后，將信息轉發(fā)至上位機軟件進行數(shù)據(jù)處理[17-20]。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）定位系統(tǒng)由電子標簽、讀卡器和管理服務器3部分組成。針對倉庫應用場景，讀卡器一般部署在倉庫門口，綁定電子標簽的貨物離開倉庫時，讀卡器將讀取到電子標簽。讀卡器通過通信接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到管理服務器，服務器通過讀卡器讀取電子標簽來判讀物品是否已經離開倉庫。

1.7 U位定位技術

U位資產管理系統(tǒng)采用U位定位模塊和U位標簽實現(xiàn)對機房服務器的定位和管理，服務器放置在機柜中，占用U位空間，在機柜的側面部署U位定位模塊，定位模塊通過網線與管理服務器連接。U位標簽中存儲服務器的ID號，標簽一頭綁定在服務器上，另一頭通過磁性元件吸附在U位定位模塊上。U位定位模塊通過與U位標簽進行通信，確定標簽位置，把標簽信息發(fā)送到管理服務器中。U位定位模塊和標簽獨立存儲IT資產數(shù)據(jù)，實時更新，確保資產位置信息準確。

2 物聯(lián)網定位技術對比

物聯(lián)網技術的發(fā)展給IT資產管理方式帶來了變革，本節(jié)通過實驗來驗證多種物聯(lián)網技術在IT資產管理應用場景下的優(yōu)勢和劣勢。對藍牙、RFID、ZigBee、U位、UWB、LoRa和WiFi來進行測試，實際場景如圖1所示。

WiFi是最常用的短距離無線通信技術，目前很多企業(yè)都有WiFi無線覆蓋，通信速率可以達11 Mb/s，新的WiFi標準速度會更快。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面略差一些，但覆蓋范圍方面卻略勝一籌。如果用于IT資產定位，只需要增加一部分AP，可以大幅度減少企業(yè)的投入成本。但是WiFi定位精度較低，根據(jù)AP的密集程度，定位精度在5～20 m，只能確定IT資產在哪棟樓或在哪個樓層；另外，功耗較大，適合供電方便的場所。

使用了線性調頻擴頻調制技術的LoRa技術，是目前最有發(fā)展前景的低功耗廣域通信技術，在保持了低功耗的同時，增加了通信距離，并消除了干擾，使得使用相同頻率同時發(fā)送的LoRa標簽不會相互干擾。因此，LoRa比較適合應用于自主性、連續(xù)覆蓋、響應時間要求、深度覆蓋要求高的場景，如工業(yè)園區(qū)、物流集散地、農場、綜合體、人居社區(qū)等環(huán)境。但是LoRa實際定位精度在50～100 m，只能確定IT資產在哪個區(qū)域，適用于供電所的IT資產定位。

藍牙、UWB和ZigBee是同一類組網定位技術。由于手機上有藍牙接口，因此，藍牙常用于人員的定位，不需要增加太多的部署成本。UWB定位精度很高，一般在10～20 cm，但是耗電量大，成本比較高，每個節(jié)點的市場價格接近600元，一般適用于室內機器人的定位與導航。ZigBee的應用就比較尷尬。民用應用場合，ZigBee又不便宜，和其他射頻模塊相比沒有太大的競爭力；工業(yè)應用場合，為了保證通信的可靠性，路由不能休眠，也必須常供電，與LoRa或WiFi想比，不具備優(yōu)勢。定位精度上與藍牙相當，比UWB要差很多。

RFID和U位與WiFi、LoRa、藍牙、UWB、ZigBee不同，這兩種定位方式不具備通信能力，需要借助其他方式實現(xiàn)通信。RFID本身不是用于資產定位，主要用于資產的管理，RFID定位功能只能標識資產是否還在這個倉庫中。U位定位技術本質上是有線定位，不適合移動物體的定位，定位精度高，通過標簽與定位模塊的信息交互，可以實時了解資產是否離開既定位置。除定位精度外，本文還從組網方式、傳輸距離、單網接入節(jié)點容量、標簽電池續(xù)航能力、標簽成本、工作頻段、適合應用場，多個角度比較了這7種比較流行的物聯(lián)網定位技術，如表1所示。

3 面向實際應用場景的方案推薦

為了提高電網IT資產管理效率和規(guī)范IT資產管理，減少資產不必要的流失，實現(xiàn)企業(yè)IT資產生命周期的數(shù)字化、智能化管理。針對電網企業(yè)IT資產管理的3個典型應用場景：倉庫、機房和辦公區(qū)域，根據(jù)上一節(jié)的對比分析，選擇合適的技術組合來實現(xiàn)智能化的IT資產管理。

倉庫場景的特點是面積小，資產密集，低值的耗材偏多。由于網絡碰撞，基于無線通信的定位技術不適合狹小的空間；資產密集且多，應選擇低成本的定位標簽；有源電子標簽發(fā)出的信號可能會因為材料的材質而受到干擾，所以根據(jù)分析的定位技術可行性，使用無源的RFID電子標簽可以更加精準而不受干擾地定位貨架物品位置信息。因此，無源的RFID技術更適合倉庫的應用場景。

機房場景的特點是金屬材質多、資產價值高、管理要精細。RFID由于是被動掃描方式來實現(xiàn)管理，不適合機房精細化管理的要求；無線通信由于金屬材質的影響下會導致通信距離短、干擾大的情況；U位定位適合于機房場景，有線部署，定位精度高，可以實時盤點。

辦公區(qū)域應用場景的特點是范圍大、IT資產的難追蹤。采用ZigBee、藍牙和UWB可以實現(xiàn)資產的追蹤，加上基站覆蓋范圍有限，重新部署網絡的成本高；而LoRa具有覆蓋范圍廣、部署成本較低等優(yōu)點。綜上討論，可行的辦法是采用現(xiàn)有的WiFi網絡實現(xiàn)通信和定位；基于LoRa網絡實現(xiàn)通信和定位。

3.1 基于WiFi的系統(tǒng)方案

在很多企業(yè)已經實現(xiàn)了WiFi無線全覆蓋，IT資產管理系統(tǒng)現(xiàn)有WiFi環(huán)境組網和定位，從成本上考慮是最可行的方案，如圖2所示。

3.2 基于LoRa的系統(tǒng)方案

部分偏遠地區(qū)的電網企業(yè)或供電所，無線網絡覆蓋程度不高。由于LoRa的通信覆蓋范圍廣，使用LoRa小型基站與整棟變電所的設備進行數(shù)據(jù)交互，并通過少數(shù)的有線網絡端口與外網連接。因此，使用LoRa進行組網和定位也是另一種較可行的方案，系統(tǒng)架構如圖3所示。

考慮到定位精度，以上兩種方案都需要增加一定數(shù)量的定位基站，如AP和LoRa基站。

4 結語

本文通過引入物聯(lián)網技術，對傳統(tǒng)的IT資產管理理念和方法進行更新，從而使得電網IT資產管理可以實現(xiàn)現(xiàn)代化管理。深入分析WiFi、藍牙、ZigBee、LoRa、UWB、RFID和U位等定位技術的工作原理，利用這些技術的組網和定位功能來實現(xiàn)IT資產的動態(tài)跟蹤。針對電網企業(yè)的典型應用需求，提出了基于WiFi和LoRa的2種方案，實現(xiàn)RFID、U位和WiFi/LoRa技術組合，可以解決IT資產管理難題，提高IT資產管理效率。

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