Echtzeit-Lokalisierungssystem (RTLS): Entwurf eines Hardware- und Softwarekomplexes

Der Kunde

Ein Systemintegrator, der sich auf Echtzeit-Lokalisierungssysteme für verschiedene Anwendungsbereiche spezialisiert hat, wie die Verfolgung von Mitarbeitern, Anlagen und Maschinen in industriellen Umgebungen.

Die Herausforderung

Das Projekt umfasste die Entwicklung eines Demo-Komplexes für Hardware und Software. Unsere Ingenieure haben folgenden Arbeiten ausgeführt:

• Bau der Systemkomponenten
• Softwareentwicklung für die schnelle Installation auf Linux-Stationen
• Erstellung von Dokumentationspaketen, die in das apt-Repository des Projekts aufgenommen werden
• Entwicklung einer leichtgewichtigen Webanwendung, die den bestehenden unhandlichen Standalone-Desktop-Client ersetzen soll
• Testen des gesamten Systems

Die Lösung

1. Systemkomponenten

^{Abbildung 1. Verwendung von RTLS}
 

Die Funkgeräte des Systems arbeiten mit dem Funkstandard IEEE 802.15.4a. Der von der Gegensprechanlage gesendete Ton wird in G.729A kodiert und in einem übergeordneten Netzwerkprotokoll gekapselt.

Folgende Komponenten sind Teile des Systems:

• RTLS-Server

Der RTLS-Server ist ein Netbook-PC mit installiertem Debian Linux, Treibern, spezieller RTLS-Software sowie Asterisk-Software, die SIP-Telefoniefunktionen bereitstellt.


^{Abbildung 2. RTLS-Server}
 

• Gateway

Ein Gateway ist ein Zugangspunkt für die Datenübertragung zwischen dem drahtlosen IEEE 802.15.4a-Netzwerk (in dem Repeater und Gateways zusammenwirken) und dem Ethernet-basierten kabelgebundenen Netzwerk.


^{Abbildung 3. Zugangspunkt}
 

• Repeater

Die Repeater werden zur Verstärkung des Signals und zur Erhöhung der Reichweite des RTLS-Netzwerks eingesetzt. Sie haben eine feste Position im Raum, und ihre Koordinaten werden in der Server-Software gespeichert. Als Repeater kann jeder Access Point dienen, der nicht im Gateway-Modus verwendet wird (nicht über das Ethernet-Netzwerk mit dem Switch verbunden ist).

• Sprechanlage

Eine Sprechanlage ist ein mobiler Funkknoten an einem Standort (er wird von einer Person gehalten oder an einem Objekt montiert). Das Gateway empfängt die Daten von diesen Sprechanlagen und leitet sie an den Server weiter, der sie verarbeitet und den Repeatern den genauen Standort auf der Karte zuweist.

^{Abbildung 4. Sprechanlagen}
 

• Netzwerk-Switch

Für die Kommunikation mit den RTLS-Gateways und dem zentralen RTLS-Server haben wir einen industriellen L2-Switch verwendet. Der Switch basiert auf dem Switch-ASIC von Microchip, dessen Firmware wir mit dem IStaX-SDK anpassen konnten. Außerdem kann er mit einem WiFi-Modul nach IEEE 802.11b/g/n ausgestattet werden.


^{Figure 5. Industrial L2 switch}

2. Softwareentwicklung

Wir haben ein Skript verwendet, um das gesamte Softwarepaket schnell auf Linux-Stationen installieren zu können. Das Skript teilt automatisch ein Laufwerk auf und entpackt ein vorgefertigtes Disk-Image mit der benötigten Software. Zu diesem Zweck wird von einem angepassten Live-USB-Flash (Ubuntu mini) gebootet.

Die Software-Komponenten:

• Ubuntu-Mini-Remix - ein beschnittenes Ubuntu-Image ohne grafische Umgebung
• Ubuntu-Anpassungskit - eine Reihe von Dienstprogrammen zum Anpassen offizieller Ubuntu-Images
• Ein Upgrader-Skript (und Dumper-Skript), die auf den Dump- und Restore-Utilities basieren, um ein komprimiertes Abbild eines Dateisystems zum weiteren Entpacken zu erstellen.

Die Projektdokumentation wird mit dem Standardprogramm dpkg-build automatisch in einem Deb-Paket zusammengefasst.

Die Entwicklung eines Webclients war eine zeitaufwändige Aufgabe im Rahmen dieses Projekts, aber sie hat sich gelohnt: Unser Kunde verfügt nun über eine leichtgewichtige Webanwendung, die einfach zu verwalten und zu erweitern ist, wenn die Plattform wächst. Sie verfügt über die folgenden Funktionen:

• Ausgehende und eingehende Anrufe zu jeder Gegensprechanlage
• Bewegungsverfolgung der Gegensprechanlagen in Echtzeit
• Unterstützung mehrerer Kartenebenen: Bitmap-Bild, OSM, Google Maps
• Bewegungsverfolgung der Gegensprechanlagen mit der Möglichkeit, ihre Route aufzuzeichnen
• Platzierung der Repeater auf der Karte
• Erstellen, Anzeigen und Bearbeiten von Standortdiagrammen
• Anzeige des Status der Gegensprechanlagen, der Repeater und des Gateways: online/offline, Batteriestatus, Signalqualität, Liste der Repeater in Sichtweite und Entfernung zu jedem Repeater (basierend auf den Radar-Rohdaten)
• Entfernungsmessungen auf der Karte mit einem Linienwerkzeug
• Selbsttestfunktion, um bestimmte Typen der unregelmäßigen Anfangskonfiguration des Geräts festzulegen
  
  ^{Abbildung 6. Schnittstelle der Webanwendung}
   

Die Lösung wurde in JavaScript/HTML/CSS implementiert. Sie basiert auf der Node.js-Laufzeitumgebung, der OpenLayers-Bibliothek und dem Layar SDK zur Integration von Karten und Geolocation-Funktionen.

Der wirtschaftliche Nutzen

Wir haben eine voll funktionsfähige RTLS-Demo-Umgebung vorbereitet, die von unserem Kunden in Feldversuchen eingesetzt werden kann. Außerdem haben wir uns um die Dokumentationspakete gekümmert, die in das apt-Repository gestellt werden sollen, und die Benutzeroberfläche neu gestaltet (Einsatz einer leichteren und schnelleren Webanwendung).