Como os módulos UWB possibilitam sistemas de posicionamento interno de alta precisão

Ao entrar em ambientes internos, os sinais de GPS encontram resistência. Eles se dissipam rapidamente, tornando as ferramentas de posicionamento convencionais inúteis. Para indústrias que dependem de precisão, isso não é apenas um problema; reduz a produtividade e aumenta os riscos de segurança. O Bluetooth 5.1+ e o Wi-Fi 6 são suficientes para o zoneamento geral, mas não oferecem a precisão em nível de centímetros necessária para a automação industrial. É aí que a tecnologia de banda ultralarga  (UWB) se apresenta como uma solução prática para ambientes industriais.

Os módulos UWB permitem que os Sistemas de Localização em Tempo Real (RTLS) alcancem padrões de precisão centimétrica. O rastreamento UWB oferece uma precisão real que pode ser usada para melhorar a eficiência das rotas de empilhadeiras em um armazém ou garantir a segurança dos trabalhadores em áreas perigosas, como minas. Vamos analisar a engenharia por trás desses módulos e entender por que eles são muito superiores a outras tecnologias sem fio.

O que é um módulo UWB?

O módulo UWB é o hardware principal para medição de distância e posicionamento. Ele funciona enviando pulsos sem fio ultracurtos com duração de apenas 1 nanossegundo (o tempo que a luz leva para percorrer 30 centímetros), e o sistema calcula o tempo de percurso do sinal para alcançar uma precisão de medição de distância em nível de centímetro entre dispositivos.

Em sistemas de posicionamento para fábricas e armazéns, a tecnologia é instalada em dois tipos de dispositivos: o UWB Tag, usado pelos trabalhadores ou fixado aos equipamentos, e o UWB Anchor, instalado nos cantos ou paredes dos ambientes. Por exemplo, o módulo UWB650Pro da G-NiceRF é menor que um cartão bancário e contém todo o hardware necessário e o software básico. Isso facilita a criação rápida de sistemas de posicionamento pelos engenheiros, economizando tempo no desenvolvimento de circuitos.

(Dimensões do UWB650Pro: 30,10 mm × 20,00 mm, Fonte: Ficha técnica oficial do UWB650Pro da G-NiceRF, versão 1.0)

Como a tecnologia UWB calcula a distância

Os módulos UWB realizam funções de medição de distância medindo o tempo de propagação dos sinais de rádio.

Tempo de voo (ToF)

O sistema monitora o tempo que um sinal leva para ir da etiqueta UWB até a âncora UWB. Como as ondas de rádio viajam à velocidade da luz, essa diferença de tempo é equivalente à distância. Os pulsos UWB têm apenas 2 nanossegundos de duração, de acordo com o padrão IEEE 802.15.4z  . Esse curto intervalo de tempo é crucial, pois permite que o sistema mantenha a precisão de centímetros em ambientes industriais complexos e ajuda a diferenciar um sinal direto de um sinal refletido em uma parede (o efeito de múltiplos caminhos).

TDoA e padrões de hardware

A Diferença de Tempo de Chegada (TDoA)  é uma forma comum de sistemas UWB rastrearem objetos em movimento. Ela não se baseia em uma única medição; compara o momento em que o sinal atinge diversas âncoras para determinar a localização da etiqueta. O padrão IEEE 802.15.4z-2020  garante a compatibilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes. Além disso, atende às necessidades da IoT Industrial em termos de segurança (como a criptografia AES128  ) e baixo consumo de energia.

UWB vs. Bluetooth vs. Wi-Fi

Sua escolha se resume a uma pergunta: você precisa de conhecimento geral ou de rastreamento preciso?

Por que os módulos UWB para a indústria são melhores

Os dispositivos eletrônicos de consumo são bons para encontrar suas chaves, mas os módulos UWB industriais são projetados para oferecer confiabilidade.

Redes de longa distância e em malha

Nem sempre é fácil para módulos sem fio padrão manterem a conexão em longas distâncias. O chip Qorvo DW3000, amplificadores de alta potência (PA) e cristais TCXO estáveis ​​são utilizados em unidades industriais como o UWB650Pro  e o UWB3000F27 . Eles fornecem 27 dBm de potência em linha reta, e a conexão permanece forte por uma distância de até 1 quilômetro. O UWB650Pro também funciona com redes MESH . Isso significa que um módulo pode funcionar como um roteador e encontrar automaticamente a melhor rota para a rede. Isso é uma grande vantagem em minas a céu aberto ou grandes parques logísticos onde não é possível instalar pontos de ancoragem em todos os lugares.

A alta integração simplifica o desenvolvimento.

O desenvolvimento de hardware de RF é complexo e exige muito conhecimento. Os módulos industriais resolvem esse problema ao integrar o chip UWB, o transceptor de RF, o gerenciamento de energia e a proteção ESD em um único encapsulamento. Alguns até vêm com o microcontrolador (MCU) integrado. Eles utilizam interfaces UART padrão para comunicação, o que permite aos desenvolvedores iniciar medições de distância UWB ou enviar dados com comandos simples.

Design de baixo consumo de energia

A etiqueta de identificação do capacete de um trabalhador precisa ter uma longa vida útil. É muito importante monitorar o consumo de energia da tecnologia UWB. O UWB3000F00  e outros módulos especializados de baixo consumo utilizam apenas 1 μA em modo de hibernação profunda. Isso significa que uma bateria de lítio CR2032 comum pode alimentar um rastreador pessoal por 6 a 12 meses, reduzindo significativamente a frequência de manutenções.

Interferência de combate

As fábricas são ambientes ruidosos para ondas de rádio, especialmente na banda de 2,4 GHz. A tecnologia UWB evita esse problema operando em 6,5 GHz (canal 5) ou 8 GHz (canal 9), de acordo com o padrão IEEE 802.15.4z. Além de utilizar uma frequência mais limpa, módulos como o UWB650Pro empregam mecanismos como a confirmação ACK e a Avaliação de Canal Livre (CCA) para garantir a transmissão confiável dos dados de rastreamento.

Aplicações no mundo real

Logística para armazéns

Saber que um palete está "no armazém" não é suficiente. Os gestores precisam saber exatamente em qual prateleira e corredor ele se encontra. As soluções UWB RTLS fornecem coordenadas com precisão de até 10 cm. Esse nível de precisão possibilita a automatização da gestão de estoque e evita colisões entre empilhadeiras, reduzindo significativamente os erros humanos.

Segurança para mineiros

Em minas subterrâneas, os sinais não funcionam bem. O UWB650Pro de longo alcance permite comunicar com pessoas a mais de 1 km de distância, mesmo em áreas com geologia complexa. Neste alcance, são necessários menos transmissores de ancoragem, o que reduz os custos. O sistema monitoriza os mineiros em tempo real, para que, em caso de emergência, as equipas de resgate saibam exatamente para onde ir.

Fluxo de pacientes no hospital

A tecnologia UWB é usada por hospitais para monitorar pacientes e equipamentos. Etiquetas que consomem pouquíssima energia, como as de cadeiras de rodas ou pulseiras (com consumo inferior a 1 μA), registram quanto tempo os pacientes passam na triagem ou em tratamento. Essas informações mostram onde há problemas, como um congestionamento na sala de exames, permitindo que os administradores alterem rapidamente o número de funcionários e equipamentos para reduzir o tempo de espera.

Suporte completo para soluções

A G-NiceRF  oferece suporte completo, desde a integração de chips UWB essenciais até aplicações de terminal, incluindo design de antena anti-interferência, soluções de rede compatíveis com o padrão IEEE 802.15.4z e funções de atualização OTA de nível industrial, ajudando os clientes a construir sistemas de rastreamento UWB estáveis.

Perguntas e Respostas

Qual o alcance do UWB para enviar mensagens?

Os módulos padrão geralmente funcionam a uma distância de 50 a 100 metros. Mas as versões industriais com amplificadores de potência, como o UWB650Pro, podem alcançar mais de 1 quilômetro em espaços abertos, tornando-as ideais para grandes instalações internas ou externas.

A tecnologia UWB consegue atravessar paredes?

Na verdade, não. A frequência UWB é alta, então não atravessa materiais com muita facilidade. Pode atravessar madeira ou vidro, mas não tijolo ou concreto. Sempre instale as estações base em locais altos para que você possa vê-las claramente.

É caro?

Os preços estão caindo. Quando se trata de instalações industriais, uma abordagem modular — que consiste em inserir módulos principais em etiquetas e suportes personalizados — geralmente é mais barata do que comprar equipamentos de consumo já prontos.

Para concluir

O posicionamento interno de alta precisão deixou de ser apenas um "diferencial" e se tornou um requisito para muitas indústrias. Os sistemas UWB podem operar tanto em campos abertos quanto em fábricas complexas, pois oferecem precisão de até um centímetro e alcance de longas distâncias. Em comparação com tecnologias mais antigas, o UWB é a melhor opção para tarefas importantes, como a segurança em minas e o rastreamento de ativos.

Ao realizar uma implantação, não se limite a analisar especificações como a duração da bateria. Considere a estabilidade do equipamento no seu ambiente, sua resistência ao calor e à poeira e sua integração com os sistemas existentes. Vale sempre a pena investir tempo em testes de campo para identificar problemas precocemente.