李文祺 陸庭輝 林海 吳毅良 趙芝茵

摘 要：文章針對電網(wǎng)企業(yè)IT資產(chǎn)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(yīng)用場景的測試，從組網(wǎng)方式、傳輸距離、定位精度、單網(wǎng)接入節(jié)點容量、標(biāo)簽電池續(xù)航能力、標(biāo)簽成本、工作頻段、適合應(yīng)用場景多個角度比較分析7種物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的優(yōu)、缺點；最后從電網(wǎng)企業(yè)的應(yīng)用需求出發(fā)，推薦了一種技術(shù)組合，實現(xiàn)IT資產(chǎn)的定位與動態(tài)跟蹤、資產(chǎn)全生命周期的數(shù)字化、智能化管理。

關(guān)鍵詞：IT資產(chǎn)管理；物聯(lián)網(wǎng)；定位技術(shù)；RFID；LoRa

IT技術(shù)給企業(yè)帶來了諸多便利，但是隨著IT資產(chǎn)越來越多，給管理帶來新的挑戰(zhàn)。通常表現(xiàn)在：（1）IT資產(chǎn)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(wǎng)企業(yè)的IT資產(chǎn)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(shè)備更新周期短。由于傳統(tǒng)的紙質(zhì)標(biāo)簽管理IT資產(chǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)資產(chǎn)遺失、賬務(wù)不對應(yīng)、管理精度不夠等問題。實時查看設(shè)備當(dāng)前所在的位置，了解設(shè)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(chǎn)管理也無法實現(xiàn)，同時IT資產(chǎn)的動態(tài)追蹤也是電網(wǎng)資產(chǎn)管理中的一個難點問題?？傮w來說，定位難、維護難、管理難、追蹤難、效率低是目前IT資產(chǎn)管理的現(xiàn)狀。

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和定位技術(shù)的不斷發(fā)展，IT資產(chǎn)管理迎來了新的機遇。WiFi作為一種最常用的無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，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(biāo)簽可以實現(xiàn)定位服務(wù)，IT資產(chǎn)綁定定位標(biāo)簽，可以實時獲取資產(chǎn)的位置。ZigBee是一種新的遵循IEEE802.15.4協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，該技術(shù)通過結(jié)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(chǎn)的定位與動態(tài)跟蹤。

本文首先調(diào)研現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)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(shù)的優(yōu)勢和劣勢，最后針對電網(wǎng)公司的應(yīng)用場景和管理需求，總結(jié)出一套合適的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的IT資產(chǎn)管理方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)分析

把定位標(biāo)簽或定位節(jié)點與IT資產(chǎn)綁定，通過定位和追蹤定位標(biāo)簽，可以實時獲取IT資產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)的定位原理。

1.1 WiFi定位技術(shù)

基于WiFi通信技術(shù)的定位系統(tǒng)[3-4]，主要包括定位終端設(shè)備（定位標(biāo)簽）、多個AP（定位基站）組成的無線局域網(wǎng)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(biāo)；當(dāng)定位標(biāo)簽連接上某AP時，定位標(biāo)簽會記錄定位標(biāo)簽?zāi)軌虿东@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(biāo)簽距離AP的長度d；當(dāng)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(biāo)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(biāo)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(wù)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(nèi)的移動軌跡及報警信息等。

1.2 藍牙定位技術(shù)

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(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和終端側(cè)定位兩種。其中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位是人員跟蹤定位的一種重要方式，應(yīng)用于資產(chǎn)定位及客流分析等情境之中。網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(biāo)簽）、藍牙網(wǎng)關(guān)、無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。其具體定位原理是：

（1）首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)Beacon和藍牙網(wǎng)關(guān)。

（2）測出當(dāng)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(yīng)的RSSI值，然后藍牙網(wǎng)關(guān)利用通信網(wǎng)絡(luò)傳送到后端數(shù)據(jù)服務(wù)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(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[8-12]。一個典型的ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)中，包括網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點（定位基站）以及定位節(jié)點（定位標(biāo)簽）三大部分。其中，網(wǎng)關(guān)整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和協(xié)調(diào)的關(guān)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(wǎng)絡(luò)中臨近射頻的RSSI，定位服務(wù)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(dāng)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(jié)果能有更好的精確性，定位服務(wù)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(shù)

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(zhǔn)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(shù)，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(biāo)。

（1）

1.5 UWB定位技術(shù)

UWB定位技術(shù)具有穿透力強、系統(tǒng)復(fù)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(nèi)定位技術(shù)中有很好的發(fā)展?jié)摿?。UWB測距原理是研究UWB定位技術(shù)的基礎(chǔ)。為了減少誤差，UWB定位技術(shù)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(shù)。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(yīng)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(guān)系，所以這樣的測算結(jié)果會更加精確。UWB接收器從標(biāo)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(wù)器來進行計算定位位置[15-16]。

1.6 RFID定位技術(shù)

當(dāng)標(biāo)簽進入磁場范圍時，標(biāo)簽會接收到讀卡器發(fā)出的射頻信號，此時標(biāo)簽從感應(yīng)電流獲得能，然后發(fā)送出芯片中的產(chǎn)品信息（無源標(biāo)簽），讀卡器收到信息后，將信息轉(zhuǎn)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(biāo)簽、讀卡器和管理服務(wù)器3部分組成。針對倉庫應(yīng)用場景，讀卡器一般部署在倉庫門口，綁定電子標(biāo)簽的貨物離開倉庫時，讀卡器將讀取到電子標(biāo)簽。讀卡器通過通信接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到管理服務(wù)器，服務(wù)器通過讀卡器讀取電子標(biāo)簽來判讀物品是否已經(jīng)離開倉庫。

1.7 U位定位技術(shù)

U位資產(chǎn)管理系統(tǒng)采用U位定位模塊和U位標(biāo)簽實現(xiàn)對機房服務(wù)器的定位和管理，服務(wù)器放置在機柜中，占用U位空間，在機柜的側(cè)面部署U位定位模塊，定位模塊通過網(wǎng)線與管理服務(wù)器連接。U位標(biāo)簽中存儲服務(wù)器的ID號，標(biāo)簽一頭綁定在服務(wù)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(biāo)簽進行通信，確定標(biāo)簽位置，把標(biāo)簽信息發(fā)送到管理服務(wù)器中。U位定位模塊和標(biāo)簽獨立存儲IT資產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時更新，確保資產(chǎn)位置信息準(zhǔn)確。

2 物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)對比

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給IT資產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)在IT資產(chǎn)管理應(yīng)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(shù)，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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)的LoRa技術(shù)，是目前最有發(fā)展前景的低功耗廣域通信技術(shù)，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(biāo)簽不會相互干擾。因此，LoRa比較適合應(yīng)用于自主性、連續(xù)覆蓋、響應(yīng)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(nóng)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(chǎn)在哪個區(qū)域，適用于供電所的IT資產(chǎn)定位。

藍牙、UWB和ZigBee是同一類組網(wǎng)定位技術(shù)。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(nèi)機器人的定位與導(dǎo)航。ZigBee的應(yīng)用就比較尷尬。民用應(yīng)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(yīng)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(dāng)，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(chǎn)定位，主要用于資產(chǎn)的管理，RFID定位功能只能標(biāo)識資產(chǎn)是否還在這個倉庫中。U位定位技術(shù)本質(zhì)上是有線定位，不適合移動物體的定位，定位精度高，通過標(biāo)簽與定位模塊的信息交互，可以實時了解資產(chǎn)是否離開既定位置。除定位精度外，本文還從組網(wǎng)方式、傳輸距離、單網(wǎng)接入節(jié)點容量、標(biāo)簽電池續(xù)航能力、標(biāo)簽成本、工作頻段、適合應(yīng)用場，多個角度比較了這7種比較流行的物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)，如表1所示。

3 面向?qū)嶋H應(yīng)用場景的方案推薦

為了提高電網(wǎng)IT資產(chǎn)管理效率和規(guī)范IT資產(chǎn)管理，減少資產(chǎn)不必要的流失，實現(xiàn)企業(yè)IT資產(chǎn)生命周期的數(shù)字化、智能化管理。針對電網(wǎng)企業(yè)IT資產(chǎn)管理的3個典型應(yīng)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(shù)組合來實現(xiàn)智能化的IT資產(chǎn)管理。

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

機房場景的特點是金屬材質(zhì)多、資產(chǎn)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(zhì)的影響下會導(dǎo)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(yīng)用場景的特點是范圍大、IT資產(chǎn)的難追蹤。采用ZigBee、藍牙和UWB可以實現(xiàn)資產(chǎn)的追蹤，加上基站覆蓋范圍有限，重新部署網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信和定位；基于LoRa網(wǎng)絡(luò)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(jīng)實現(xiàn)了WiFi無線全覆蓋，IT資產(chǎn)管理系統(tǒng)現(xiàn)有WiFi環(huán)境組網(wǎng)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(wǎng)企業(yè)或供電所，無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，并通過少數(shù)的有線網(wǎng)絡(luò)端口與外網(wǎng)連接。因此，使用LoRa進行組網(wǎng)和定位也是另一種較可行的方案，系統(tǒng)架構(gòu)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(jié)語

本文通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對傳統(tǒng)的IT資產(chǎn)管理理念和方法進行更新，從而使得電網(wǎng)IT資產(chǎn)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(shù)的工作原理，利用這些技術(shù)的組網(wǎng)和定位功能來實現(xiàn)IT資產(chǎn)的動態(tài)跟蹤。針對電網(wǎng)企業(yè)的典型應(yīng)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(shù)組合，可以解決IT資產(chǎn)管理難題，提高IT資產(chǎn)管理效率。

[參考文獻]

[1]賈靜靜.物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)超全解析！定位正在從室外走向室內(nèi)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018（3）：4-9.

[2]劉媛媛，李建宇.定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展分析[J].信息通信技術(shù)，2013（5）：41-46.

[3]彭軍民.基于WiFi終端的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2018（9）：141-145.

[4]沈曉峰，王建.基于WiFi的實時定位技術(shù)在博物館中的應(yīng)用[J].計算機與網(wǎng)絡(luò)，2015（20）：54-57.

[5]胡斌，鄒亮，徐貴亮，等.WIFI定位信號強度相似判斷算法實現(xiàn)[J].中國科技信息，2018（11）：78，81.

[6]王睿，趙方，彭金華，等.基于WIFI和藍牙融合的室內(nèi)定位算法[J].計算機研究與發(fā)展，2011（S2）：28-33.

[7]劉明偉，劉太君，葉焱，等.基于低功耗藍牙技術(shù)的室內(nèi)定位應(yīng)用研究[J].無線通信技術(shù)，2015（3）：19-23.

[8]張治斌，徐小玲，閻連龍.基于ZigBee井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法[J].煤炭學(xué)報，2009（1）：125-128.

[9]郜麗鵬，朱梅冬，楊丹.基于ZigBee的加權(quán)質(zhì)心定位算法的仿真與實現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010（1）：149-152.

[10]嚴(yán)大虎，徐楊杰.融合ZigBee的改進射頻識別室內(nèi)定位算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018（11）：4484-4491.

[11]張鳳英.基于ZigBee及RSSI的養(yǎng)老院室內(nèi)定位系統(tǒng)的開發(fā)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（14）：38-39.

[12]楊博雄，倪玉華，劉琨，等.基于加權(quán)三角質(zhì)心RSSI算法的ZigBee室內(nèi)無線定位技術(shù)研究[J].傳感器世界，2012（11）：31-35.

[13]盧小姣，龐成鑫，邵嘉，等.LoRa覆蓋性能評估及定位技術(shù)研究[J].通信技術(shù)，2018（9）：2117-2122.

[14]唐周益丹，姜寧康.基于LoRa的長距離室內(nèi)定位的研究[J].計算機應(yīng)用與軟件，2018（4）：148-154，219.

[15]劉琪，閆麗，周正.UWB的技術(shù)特點及其發(fā)展方向[J].現(xiàn)代電信科技，2009（10）：6-10，18.

[16]張令文，楊剛.超寬帶室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2013（6）：706-713.

[17]周小梅.基于局域網(wǎng)的RFID技術(shù)機房室內(nèi)定位系統(tǒng)解決方案[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（1）：34，36.

[18]李泉林，郭龍巖.綜述RFID技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國電子商情（RFID技術(shù)與應(yīng)用），2006（1）：51-62.

[19]周永彬，馮登國.RFID安全協(xié)議的設(shè)計與分析[J].計算機學(xué)報，2006（4）：4581-4589.

[20]孫瑜，范平志.射頻識別技術(shù)及其在室內(nèi)定位中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用，2005（5）：1205-1208.