面向IT资产管理的物联网定位技术分析

2019-05-22李文祺陆庭辉林海吴毅良赵芝茵

无线互联科技 2019年5期

李文祺陆庭辉林海吴毅良赵芝茵

摘要：文章针对电网企业IT资产管理定位难、追踪难、维护难、管理效率低的问题，首先深入分析WiFi、LoRa、蓝牙、UWB、ZigBee、RFID和U位的定位原理；然后通过在实际应用场景的测试，从组网方式、传输距离、定位精度、单网接入节点容量、标签电池续航能力、标签成本、工作频段、适合应用场景多个角度比较分析7种物联网定位技术的优、缺点；最后从电网企业的应用需求出发，推荐了一种技术组合，实现IT资产的定位与动态跟踪、资产全生命周期的数字化、智能化管理。

关键词：IT资产管理；物联网；定位技术；RFID；LoRa

IT技术给企业带来了诸多便利，但是随着IT资产越来越多，给管理带来新的挑战。通常表现在：（1）IT资产数量庞大、人工管理难；（2）盘点耗时长、效率低下；（3）盘点成本较高。电网企业的IT资产管理同样也面临着相同的问题，并且还额外存在一些新的特点：使用人员多且流动性大、地域分布分散、设备更新周期短。由于传统的纸质标签管理IT资产，经常出现资产遗失、账务不对应、管理精度不够等问题。实时查看设备当前所在的位置，了解设备是否非法离开工作区域，基于人工管理和手动统计的IT资产管理也无法实现，同时IT资产的动态追踪也是电网资产管理中的一个难点问题。总体来说，定位难、维护难、管理难、追踪难、效率低是目前IT资产管理的现状。

随着物联网通信技术和定位技术的不断发展，IT资产管理迎来了新的机遇。WiFi作为一种最常用的无线局域网通信技术，给公众通信自由带来极大的帮助。通过无线访问节点（Access Point，AP）和定位标签可以实现定位服务，IT资产绑定定位标签，可以实时获取资产的位置。ZigBee是一种新的遵循IEEE802.15.4协议的物联网通信技术，该技术通过结合接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）信息来确定定位节点的位置。除了WiFi和ZigBee，还有超宽带（Ultra-WideBand，UWB），Lora（Long Rang），蓝牙（Bluetooth）等不同的方式来实现资产的定位与动态跟踪。

本文首先调研现有物联网定位技术的原理，然后通过实验从定位精度、成本等多方面比较各技术的优势和劣势，最后针对电网公司的应用场景和管理需求，总结出一套合适的基于物联网技术的IT资产管理方案。

1 物聯网定位技术分析

把定位标签或定位节点与IT资产绑定，通过定位和追踪定位标签，可以实时获取IT资产的位置，实现动态追踪[1-2]。本节将重点分析了WiFi、蓝牙、ZigBee、LoRa、UWB和NBIOT等多种物联网技术的定位原理。

1.1 WiFi定位技术

基于WiFi通信技术的定位系统[3-4]，主要包括定位终端设备（定位标签）、多个AP（定位基站）组成的无线局域网和定位引擎（定位管理系统）。在WiFi定位过程中，每个AP事先确定自身位置的坐标；当定位标签连接上某AP时，定位标签会记录定位标签能够捕获的WiFi信号强度RSSI[5]，通过无线信号传输模型可以推算出定位标签距离AP的长度d；当AP数大于等于3个时，通过三角定位或指纹定位可以推算出自身的位置。定位管理系统通过接收到定位标签的位置数据，然后利用控制中心的电子地图监视并及时显示现场定位标签的位置，同时数据可实时存入存储数据库。根据上述数据，最后监控人员利用计算机访问存储服务器，就可以获取需要的查询物品或人员的实时位置信息、某段时间内的移动轨迹及报警信息等。

1.2 蓝牙定位技术

蓝牙定位也是基于RSSI定位原理[6-7]。根据定位端的不同可以将蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位两种。其中，网络侧定位是人员跟踪定位的一种重要方式，应用于资产定位及客流分析等情境之中。网络侧定位系统通常由蓝牙Beacon节点（定位基站）、蓝牙定位终端（定位标签）、蓝牙网关、无线局域网及后端数据服务器构成。其具体定位原理是：

（1）首先在区域内铺设Beacon和蓝牙网关。

（2）测出当终端进入Beacon信号覆盖范围时，终端接收到某Beacon的广播信号对应的RSSI值，然后蓝牙网关利用通信网络传送到后端数据服务器，最后根据三角定位等算法测算出定位终端的具体位置。

1.3 ZigBee定位技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[8-12]。一个典型的ZigBee无线定位网络中，包括网关、参考节点（定位基站）以及定位节点（定位标签）三大部分。其中，网关整个网络的服务和协调的关键部分；参考节点是一些已知位置的节点，在系统中的物理位置是固定不变的；定位节点是需要定位的移动节点。根据无线网络中临近射频的RSSI，定位服务器计算出所需定位节点的位置。然而，尽管在同一个位置，由于某些因素（如障碍物遮挡等），两个射频之间的RSSI会发生明显的变化。例如，当一位行人出现在两个射频模块之间时，接收信号将会降低30 dBm。为了校正这种差异，保证定位结果能有更好的精确性，定位服务器将根据多达16个射频的RSSI值来计算定位位置。

1.4 LoRa定位技术

LoRa WAN协议提供了两种定位方法：基于RSSI的定位，用于粗定位；基于到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位，用于精准定位。要用LoRa定位时，需要保证所有的基站共享一个共同的时基[13-14]。在2维的空间中，定位终端向各基站发送数据包，由于距离不相同，到达各基站的时间也不同，基于TDOA的LoRa定位技术，利用到达时间差来实现定位。如公式（1）所示，t01是信号到达LoRa基站0和基站1的时间差，与电磁波传播速度c的乘积，等于距离D0和D1的差，同样地，t02信号到达LoRa基站0和基站1的时间差，ct02等于距离D0和D2的差，联立方程组，可以解算出定位终端的位置坐标。

（1）

1.5 UWB定位技术

UWB定位技术具有穿透力强、系统复杂度低、安全性高、功耗低、定位精度高、抗多径效果好等多个优点，因此在室内定位技术中有很好的发展潜力。UWB测距原理是研究UWB定位技术的基础。为了减少误差，UWB定位技术采用测量无线信号的飞行时间（Time-of-Flight，TOF）进行测距，并提出了双向测距技术。模块A在启动开始就会生成一条独立的时间戳。模块A在a1时刻发送定位请求脉冲信号，模块B在a2时刻接收到信号，发送时间Tt等于a2与a1的差；模块B在处理完后，在b1时刻发送响应信号，模块A在a2时刻接收到信号，发送时间Tr等于b2与b1的差。这样就可以计算出信号在两个模块之间的传输时间，从而计算出传输距离。由于TOF测距方法在视距视线环境下与距离呈线性关系，所以这样的测算结果会更加精确。UWB接收器从标签接收到UWB信号后，通过对电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰进行过滤，从而得到有效信号，最后通过服务器来进行计算定位位置[15-16]。

1.6 RFID定位技术

当标签进入磁场范围时，标签会接收到读卡器发出的射频信号，此时标签从感应电流获得能，然后发送出芯片中的产品信息（无源标签），读卡器收到信息后，将信息转发至上位机软件进行数据处理[17-20]。无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）定位系统由电子标签、读卡器和管理服务器3部分组成。针对仓库应用场景，读卡器一般部署在仓库门口，绑定电子标签的货物离开仓库时，读卡器将读取到电子标签。读卡器通过通信接口把数据发送到管理服务器，服务器通过读卡器读取电子标签来判读物品是否已经离开仓库。

1.7 U位定位技术

U位资产管理系统采用U位定位模块和U位标签实现对机房服务器的定位和管理，服务器放置在机柜中，占用U位空间，在机柜的侧面部署U位定位模块，定位模块通过网线与管理服务器连接。U位标签中存储服务器的ID号，标签一头绑定在服务器上，另一头通过磁性元件吸附在U位定位模块上。U位定位模块通过与U位标签进行通信，确定标签位置，把标签信息发送到管理服务器中。U位定位模块和标签独立存储IT资产数据，实时更新，确保资产位置信息准确。

2 物联网定位技术对比

物联网技术的发展给IT资产管理方式帶来了变革，本节通过实验来验证多种物联网技术在IT资产管理应用场景下的优势和劣势。对蓝牙、RFID、ZigBee、U位、UWB、LoRa和WiFi来进行测试，实际场景如图1所示。

WiFi是最常用的短距离无线通信技术，目前很多企业都有WiFi无线覆盖，通信速率可以达11 Mb/s，新的WiFi标准速度会更快。虽然在数据安全性方面略差一些，但覆盖范围方面却略胜一筹。如果用于IT资产定位，只需要增加一部分AP，可以大幅度减少企业的投入成本。但是WiFi定位精度较低，根据AP的密集程度，定位精度在5～20 m，只能确定IT资产在哪栋楼或在哪个楼层；另外，功耗较大，适合供电方便的场所。

使用了线性调频扩频调制技术的LoRa技术，是目前最有发展前景的低功耗广域通信技术，在保持了低功耗的同时，增加了通信距离，并消除了干扰，使得使用相同频率同时发送的LoRa标签不会相互干扰。因此，LoRa比较适合应用于自主性、连续覆盖、响应时间要求、深度覆盖要求高的场景，如工业园区、物流集散地、农场、综合体、人居社区等环境。但是LoRa实际定位精度在50～100 m，只能确定IT资产在哪个区域，适用于供电所的IT资产定位。

蓝牙、UWB和ZigBee是同一类组网定位技术。由于手机上有蓝牙接口，因此，蓝牙常用于人员的定位，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，但是耗电量大，成本比较高，每个节点的市场价格接近600元，一般适用于室内机器人的定位与导航。ZigBee的应用就比较尴尬。民用应用场合，ZigBee又不便宜，和其他射频模块相比没有太大的竞争力；工业应用场合，为了保证通信的可靠性，路由不能休眠，也必须常供电，与LoRa或WiFi想比，不具备优势。定位精度上与蓝牙相当，比UWB要差很多。

RFID和U位与WiFi、LoRa、蓝牙、UWB、ZigBee不同，这两种定位方式不具备通信能力，需要借助其他方式实现通信。RFID本身不是用于资产定位，主要用于资产的管理，RFID定位功能只能标识资产是否还在这个仓库中。U位定位技术本质上是有线定位，不适合移动物体的定位，定位精度高，通过标签与定位模块的信息交互，可以实时了解资产是否离开既定位置。除定位精度外，本文还从组网方式、传输距离、单网接入节点容量、标签电池续航能力、标签成本、工作频段、适合应用场，多个角度比较了这7种比较流行的物联网定位技术，如表1所示。

3 面向实际应用场景的方案推荐

为了提高电网IT资产管理效率和规范IT资产管理，减少资产不必要的流失，实现企业IT资产生命周期的数字化、智能化管理。针对电网企业IT资产管理的3个典型应用场景：仓库、机房和办公区域，根据上一节的对比分析，选择合适的技术组合来实现智能化的IT资产管理。

仓库场景的特点是面积小，资产密集，低值的耗材偏多。由于网络碰撞，基于无线通信的定位技术不适合狭小的空间；资产密集且多，应选择低成本的定位标签；有源电子标签发出的信号可能会因为材料的材质而受到干扰，所以根据分析的定位技术可行性，使用无源的RFID电子标签可以更加精准而不受干扰地定位货架物品位置信息。因此，无源的RFID技术更适合仓库的应用场景。

机房场景的特点是金属材质多、资产价值高、管理要精细。RFID由于是被动扫描方式来实现管理，不适合机房精细化管理的要求；无线通信由于金属材质的影响下会导致通信距离短、干扰大的情况；U位定位适合于机房场景，有线部署，定位精度高，可以实时盘点。

办公区域应用场景的特点是范围大、IT资产的难追踪。采用ZigBee、蓝牙和UWB可以实现资产的追踪，加上基站覆盖范围有限，重新部署网络的成本高；而LoRa具有覆盖范围广、部署成本较低等优点。综上讨论，可行的办法是采用现有的WiFi网络实现通信和定位；基于LoRa网络实现通信和定位。

3.1 基于WiFi的系统方案

在很多企业已经实现了WiFi无线全覆盖，IT资产管理系统现有WiFi环境组网和定位，从成本上考虑是最可行的方案，如图2所示。

3.2 基于LoRa的系统方案

部分偏远地区的电网企业或供电所，无线网络覆盖程度不高。由于LoRa的通信覆盖范围广，使用LoRa小型基站与整栋变电所的设备进行数据交互，并通过少数的有线网络端口与外网连接。因此，使用LoRa进行组网和定位也是另一种较可行的方案，系统架构如图3所示。

考虑到定位精度，以上两种方案都需要增加一定数量的定位基站，如AP和LoRa基站。

4 结语

本文通过引入物联网技术，对传统的IT资产管理理念和方法進行更新，从而使得电网IT资产管理可以实现现代化管理。深入分析WiFi、蓝牙、ZigBee、LoRa、UWB、RFID和U位等定位技术的工作原理，利用这些技术的组网和定位功能来实现IT资产的动态跟踪。针对电网企业的典型应用需求，提出了基于WiFi和LoRa的2种方案，实现RFID、U位和WiFi/LoRa技术组合，可以解决IT资产管理难题，提高IT资产管理效率。

[参考文献]

[1]贾静静.物联网定位技术超全解析！定位正在从室外走向室内[J].物联网技术，2018（3）：4-9.

[2]刘媛媛，李建宇.定位技术在物联网领域的应用发展分析[J].信息通信技术，2013（5）：41-46.

[3]彭军民.基于WiFi终端的室内定位系统及其应用[J].通信电源技术，2018（9）：141-145.

[4]沈晓峰，王建.基于WiFi的实时定位技术在博物馆中的应用[J].计算机与网络，2015（20）：54-57.

[5]胡斌，邹亮，徐贵亮，等.WIFI定位信号强度相似判断算法实现[J].中国科技信息，2018（11）：78，81.

[6]王睿，赵方，彭金华，等.基于WIFI和蓝牙融合的室内定位算法[J].计算机研究与发展，2011（S2）：28-33.

[7]刘明伟，刘太君，叶焱，等.基于低功耗蓝牙技术的室内定位应用研究[J].无线通信技术，2015（3）：19-23.

[8]张治斌，徐小玲，阎连龙.基于ZigBee井下无线传感器网络的定位方法[J].煤炭学报，2009（1）：125-128.

[9]郜丽鹏，朱梅冬，杨丹.基于ZigBee的加权质心定位算法的仿真与实现[J].传感技术学报，2010（1）：149-152.

[10]严大虎，徐杨杰.融合ZigBee的改进射频识别室内定位算法研究[J].系统仿真学报，2018（11）：4484-4491.

[11]张凤英.基于ZigBee及RSSI的养老院室内定位系统的开发[J].电子技术与软件工程，2018（14）：38-39.