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Zigbee x UWB

Esse documento é para nos ajudar a decidir sobre como o projeto vai seguir.

Pesquisando Zigbee e outros módulos para rastreamento indoor nos deparamos com o

UWB⁠

(

Ultra-Wideband⁠

), vimos que existem vários tipos de testes na internet utilizando-o para indoor tracking, a precisão aumentaria significativamente pois pararíamos de trabalhar com RSSI, para traduzir intensidade em metros e começaríamos a trabalha com

ToF (Time of Flight)⁠

, logo abaixo vamos explicar melhor!

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Zigbee

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Método de Medição: Zigbee utiliza RSSI. Ele tenta adivinhar a distância medindo a força do sinal em decibéis (dBm).

Precisão Típica: Média/Boa (~3-5m)

Susceptibilidade a Ruído: Alta (Espectro 2.4 GHz congestionado)

Consumo de Energia (Tag): Muito Baixo

Penetração de Obstáculos: Média (Sofre muita atenuação)

Custo de Hardware: Baixo/Médio (< R$ 80)

O Zigbee não foi desenhado para medir distância, foi desenhado para comunicação confiável em baixa potência. Usá-lo para localização é uma adaptação (usando RSSI - força do sinal), pode ser muito funcional se não precisarmos de algo preciso demais.

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Infraestrutura Zigbee

Aqui a base é usar a potência do sinal para identificar a distância na qual ele foi emitido.

O Hardware

Anchor (Visualiza): Módulos Zigbee ligados na tomada. Eles servem como "ouvintes" de sinal, recebem o RSSI e enviam os dados para o servidor.

Tag (Emite): Um módulo Zigbee pequeno com bateria.

Configuração do Piloto

4x Anchors:

Espalhados pela sala. Eles medem a força do sinal (RSSI) da Tag e repassam essa informação para o servidor.

Nx Tag (Móvel):

Enviam sinais de 20 a 30 Hz para a fluidez do rastreamento (frequência agressiva para Zigbee. Consome muita energia e aumenta colisões).

Funcionamento

Lei do inverso do quadrado da distância:

p = p。/ d² (p = Potência; d = Distância)

Em Decibel:

RSSI = RSSI。- 10nLog(d)

n (fator de propagação) na lei é representado por 2, mas é variado por questões físicas e meteorológicas.

Problema:

A dinamicidade de “n” interfere o cálculo da distância.

Estimativa de Custo (Importação China)

Routers/Anchors (Módulo ESP32 Zigbee): ~R$ 70,00 cada.

Tag (Módulo Zigbee + Bateria): ~R$ 30,00

Total do Piloto: ~R$ 240,00

Resumo Zigbee: Metade do preço do UWB. A infraestrutura se comunica sozinha (Mesh), porém, haverá sérios problemas na precisão, resolvidos apenas por algoritmos heurísticos para prever os valores do fator de propagação. Exigirá muito estudo, alongando o prazo para um MVP, mas a imprecisão pode prevalecer.

UWB

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Método de Medição: UWB utiliza ToF (Time of Flight). Ele mede o tempo que a luz leva para viajar da Tag até a Anchor.

Precisão Típica: Altíssima (~0.1-0.3m)

Susceptibilidade a Ruído: Baixa (Espectro Largo e Dedicado)

Consumo de Energia (Tag): Baixo/Médio (Picos de corrente no pulso)

Penetração de Obstáculos: Alta (Contorna obstáculos melhor via ToF)

Custo de Hardware: Médio/Alto (~R$ 130)

O UWB é uma tecnologia de radar aplicada à comunicação. O foco primário é o tempo (timing) e a largura de banda, não a rede em si. Com isso oferece uma precisão cirúrgica, não importa se o sinal está fraco ou forte, importa quando ele chegou, a precisão de 10cm a 30cm é padrão e o alcance ultrapassa 100m.

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Infraestrutura UWB

Aqui a base é usar o tempo de deslocamento do sinal para descobrir a distância na qual ele foi emitido.

O Hardware (Kit Único)

Para facilitar a prototipagem, vamos usar o mesmo setup para tudo:

Componentes: 1x ESP32 (Wi-Fi/Processamento) + 1x Módulo UWB (BU01/DW1000).

Por que são iguais? O chip UWB é um transceptor (transmite e recebe). Fisicamente, a Tag e a Anchor são a mesma placa.

Se você gravar o código Anchor_FW, ela vira uma referência fixa.

Se você gravar o código Tag_FW, ela vira um rastreador móvel.

Configuração do Piloto

3x Anchors (Fixas):

Posição: Colocadas nas paredes formando um triângulo (ex: duas nos cantos da frente, uma no fundo).

Energia: Ligadas direto na tomada (carregador de celular USB).

Conexão: Conectadas ao Wi-Fi do local para enviar os dados ao servidor.

1x Tag (Móvel):

Posição: Com o usuário/objeto.

Energia: Bateria (LiPo).

Conexão: Só conversa via rádio UWB.

Funcionamento

TWR (Two-Way Ranging):

Resumo:

O TWR é o método mais intuitivo do uso do UWB para rastreamento. A âncora emite um sinal até a tag, e assim que recebido o sinal é retornado. No delta desse tempo será descontado o delay já previsto de resposta da tag e esse valor adquirido é o ToF (Time of Flight). A distância calculada será enviada para o servidor efetuar a trilateração.

Equação:

d = c * ToF/2

c ~ 30cm/ns (velocidade da luz)

Problema:

O tempo de resposta da âncora entra no cálculo. Qualquer atraso interno de processamento, jitter do relógio ou variação térmica do cristal compromete diretamente a exatidão do ToF.

DS-TWR (Double-Sided Two-Way Ranging):

Resumo:

O DS-TWR é uma evolução do TWR, criado para eliminar a imprecisão na obtenção do ToF. Para isso, o processo envolve múltiplas trocas de mensagens. Ao longo desse processo, tanto a tag quanto a âncora registram timestamps locais de envio e recepção. Com isso, é possível isolar matematicamente o tempo de voo real do sinal com mais precisão.

Equação:

ToF=(Trodada1⋅Trodada2)−(Tresp1⋅Tresp2)/Trodada1+Trodada2+Tresp1+Tresp2

Problema:

Mais lento e “escuta” menos tags por tempo.

TDoA (Time Difference of Arrival):

Resumo:

Aqui a tag apenas transmite sinal, e a medição da distância é feita totalmente pelas âncoras, baseando-se na diferença de chagada do mesmo sinal entre elas.

Equação: Δt = c * Δd

Cada par de âncoras define uma hipérbole de possíveis posições, e a interseção de várias hipérboles fornece a posição da tag.

Problema:

As âncoras precisam estar com os relógios extremamente sincronizados. O modo mais simples e barato para fazer isso é utilizando uma âncora mestre que dita o tempo que as outras devem ficar periodicamente. Se a âncora mestre travar, compromete todo o sistema.

Estimativa de Custo (Importação China)

Preço Unitário (ESP32 + Módulo BU01 + Antena): ~R$ 130,00

Quantidade: 4 Unidades.

Total do Piloto: ~R$ 520,00

Resumo UWB: Custo mais elevado, mas você terá um sistema onde a Anchor calcula a distância e o servidor recebe o dado pronto para trilateração precisa em centímetros, e ao aumentar o tamanho do espaço a necessidade de anchors não aumenta na mesma proporção que o sistema com RSSI, já que o UWB em lugares fechado pode ultrapassar 60 metros de raio, nossa ideia é usar o DS-TWR ou o TDoA, a princípio o DS-TWR é mais fácil de ser aplicado, o TDoA é algo mais profissional, porém ambos tem performance superior ao Zigbee, e muito mais aplicáveis para galpões como o da Kuehne+Nagel.

Dúvidas

Podemos investir nossos esforços em um sistema UWB, por ser mais preciso e não apresentar um valor muito diferente? Além disso podendo ser escalado mais para frente até para galpões de pallets.

Acha que podemos conseguir algum tipo de investimento, para nos ajudar a financiar o custo desses testes?

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