Si­sä­ti­la­pai­kan­nuk­sen tek­no­lo­giaa

Share on email
Share on twitter
Share on linkedin
Quuppa RTLS for Indoor Positioning & Tracking - Architechture

Oletpa ihminen, työkalu, tuotepaketti tai jääkiekko, niin kulkemistasi voidaan seurata reaaliajassa senttimetriluokkaa olevalla tarkkuudella. Yksi ratkaisu on suomalaisen Quuppa oy:n kehittämä älykäs sisätilapaikannusjärjestelmä.

Järjestelmä rakentuu kiinteästi asennettavista paikantimista (locators) ja kohteen mukana liikkuvista paikannettavista tunnisteista (trackable tags). Älykkyys sisältyy järjestelmän paikannusalgoritmeihin. Ne ovat sisätilapaikannusjärjestelmän [1] ydin. Järjestelmä on tarkkuutensa ja skaalautuvuutensa ansiosta maailman parhaita. Sitä käytetään teollisuudessa, terveydenhuollossa, varastoissa, kuljetuksessa, kaupassa, toimistoissa, älyrakennuksissa ja urheilussa joka puolella maailmaa. 

Laajimmat ja tunnetuimmat esimerkit ulkotilapaikannuksesta ovat satelliittipaikannusjärjestelmät amerikkalainen GPS (Global Positioning System) [2] ja eurooppalainen Galileo [3] . Puhelimissa ja monissa muissa älylaitteissa kuten kameroissa on nykyään tarvittava mikrosiru ja paikannusjärjestelmän tuki. Paikannus perustuu satelliitteihin, joita kesällä 2021 oli GPS-järjestelmässä 31 ja Galileossa 30, ja signaalin kulkuaikaviipeen mittaamiseen. Se onnistuu, kun laitteella on näköyhteys vähintään kolmeen, vuoristossa neljään satelliittiin. Tarkkuus on käytännön kulkuaikasovelluksissa muutaman metrin kertaluokka. 

Sisätilapaikannus

Ulkotilapaikannus on vaativaa teknologiaa, mutta sisätilapaikannuksessa tarvitaan älyä vielä enemmän. Yksittäisen tunnisteen lähettämä signaali ei nimittäin tule paikantimeen ainoastaan suoraan, vaan myös seinistä ja muista kohteista heijastuneita reittejä pitkin. Siten se voi hajota useaksi eri suunnista erilaisilla aikaviipeillä ja eri tavoin vaimentuneina tuleviksi signaaleiksi.

Paikantimeen sijoitetut useat vastaanottimet, antennit, muodostavat radioympäristöstä kaksiulotteisen kuvan. Yhdestä kohteesta saattaa syntyä pohjapiirrokseen tai tilakarttaan jopa sata mahdollista sijaintia osoittavaa pistettä. Oikea paikka valitaan yhden paikantimen tapauksessa tutkimalla näiden pisteiden ominaisuuksia tai käyttäytymistä lyhyen aikaikkunan sisällä. Ajan mittaamista ja siten laitteiden synkronointia ei tarvita. 

Yrityksen aikaisempi toimitusjohtaja, nykyinen operatiivinen johtaja Kimmo Kalliola kertoo, että yrityksen osaaminen perustuu Teknillisen korkeakoulun radiolaboratoriosta ja Nokian tutkimuskeskuksesta saatuihin oppeihin [4]. Viisi sen työntekijöistä perusti oman yrityksen vuonna 2012. Sen jälkeen kehitys on ollut voimakkaasti nousujohteista sekä teknologian että kaupan osalta [5]. Kehitystä kuvaa hyvin se, että ensimmäiset, useista piireistä koostuvat prototyyppilaitteet saattoivat maksaa tuhat euroa, mistä jo yksin logiikkapiiri vei puolet. Nykyään kaikki toiminnallisuus on yhdessä sirussa. Valmiin tunnisteen hinta on kymmenen euron kertaluokkaa. 

Quuppa locators and tags

Kuva 1: ensimmäinen paikantavan antenniryhmän prototyyppi (vasemmalla, ⌀ 40 cm), nykyaikainen paikannin (⌀ 17) ja tunniste (koteloituna ⌀ 39 mm). 

Yrityksen vahvuus on radiotekniikan ja algoritmien osaamisessa sekä laitetuotannossa, erityisesti siinä, että se suunnittelee laitteensa – paikantimet ja tunnisteet – itse alusta loppuun. Signaalin tulosuuntaa hakevan suunta-antennin prototyyppi saattoi vielä 1990-luvulla olla ihmispäätä suurempi pallo, jonka pinta oli peitetty eri suuntiin osoittavilla antenneilla (kuva 1). Nykyinen useita antenneja sisältävä paikannin on koteloituna lautasen kokoinen ja muotoinen, päältäpäin sileä muovikupu [6]. Vastaavasti radiolähettimen ja -vastaanottimen sisältävä tunnistesiru on sormenkynttä pienempi, koteloitunakin halkaisijaltaan vain nelisenttinen, vajaan sentin paksuinen lieriö, jossa suurin tila tarvitaan nappiparistolle.  

Järjestelmän osat ovat siis tunniste (tag), paikannin (locator) ja tekoälyn muodostavat algoritmit (positioning engine). Tunniste voi olla yrityksen oma tunniste tai mikä tahansa Bluetoothia käyttävä laite. Tunnistus voi olla kaksiulotteista, mutta varsinkin varasto- ja urheilusovelluksissa tarvitaan välttämättä kolmiulotteista tunnistusta. Paikannin havainnoi tunnisteesta tulevan signaalin suuntaa (engl. angle of arrival [7]) ja lähettää tiedot edelleen algoritmien analysoitaviksi paikannusmoottoriin ja tuloksen lopulta asiakkaan järjestelmään (kuva 2). Paikan lisäksi tunniste voi mitata esimerkiksi lämpötilaa, kiihtyvyyttä, pariston jännitettä tai napin painallusta. Siinä voi myös olla ledi, jolla järjestelmä voi kommunikoida käyttäjän kanssa. Järjestelmään voi liittää myös muita antureita tai toiminnallisuuksia.

Quuppa RTLS for Indoor Positioning & Tracking - Architechture

Kuva 2: Sisäpaikannusjärjestelmän perusosat ovat tunnisteet (tags), paikantimet (locators) ja paikannusdataa käsittelevät tekoälyalgoritmit (positioning engine). Sieltä paikkatieto viedään asiakkaan omaan järjestelmään. 

Tunniste on ohjelmoitavissa. Kun kohde on lepotilassa, niin tunniste ilmoittaa sijainnistaan paikantimelle muutaman kymmenen sekunnin välein tai harvemminkin, mutta liikkeen aikana ilmoituksia voi tulla kymmeniäkin kertoja sekunnissa. Tunnisteiden ja paikantimien välinen tietoliikenne kulkee Nokian kehittämän matalan energian bluetoothin (BLE = bluetooth low energy) avulla 2,4 GHz:n taajuudella. BLE ja suunnanmääritys on saatu mukaan uusimpaan Bluetooth-standardiin [8]. BLE:llä on suuri merkitys järjestelmän toimivuudelle, sillä näin radioliikenteelle riittää kapea taajuuskaista ja tunnisteiden paristot kestävät useita vuosia. 


Käyttöesimerkkejä

Paikannusjärjestelmässä voi olla kyse esimerkiksi älytoimiston [9] tai kokonaisen älyrakennuksen toimintojen ohjaamisesta. Automatisoinnilla [10] pyritään työskentely-ympäristön mukavuuden ja turvallisuuden parantamiseen, toimintahäiriöiden havainnointiin, energiansäästöön jms. [11]. Toimistojärjestelmään kuuluu muun muassa automaattinen kulunvalvonta, työpisteiden varaaminen sekä kohdekohtainen valaistuksen ja lämmityksen säätö. Älykäs paikannusjärjestelmä on käytössä myös esimerkiksi japanilaisessa Mizkan-museossa [12], jossa se tuottaa kävijän etenemisen vauhtiin ja reittiin mukautuvan yksilöidyn opastuksen.

Automaatio on vastaus myös yhä monimutkaistuvien teollisten ja kaupallisten prosessien materiaalinhallintaan. Kuvaava esimerkki on englantilainen metallikomponentteja ja -rakenteita tuottava yritys Dyer Engineering [13]. Teollisuushalliin asennettiin 60 paikanninta. Tarvikkeisiin ja työvälineisiin kiinnitettiin 1 000 tunnistetta. Pelkästään työprosesseja sujuvoittamalla tämä tuotti 10 000 punnan säästön kuukautta kohti. Järjestelmä voidaan virittää myös valvomaan, että työkaluja ei viedä pois työskentelypaikalta. – Vastaavia kohteita ja tarpeita on paljon, sillä esimerkiksi suihkumoottorin tekemiseen tarvitaan parituhatta työkalua, puhumattakaan lentokoneen kokoisen tuotteen rakentamisesta. Verkkokaupan varastossa voi olla 30 000 tuotetta. Niiden automaattinen tunnistaminen mahdollistaa verkkomyynnin automatisoimisen. 

Valtaosa yrityksen asiakkaista on ulkomailla. Yrityksellä on toimistot Espoon Keilaniemen lisäksi Washingtonissa, Sydneyssä, Shanghaissa sekä Shenzhenissä.  Toiminta on yhteistyötä, sillä yritys toimittaa vain paikannusjärjestelmän ja yhteistyökumppanit [14] vastaavat kokonaisjärjestelmän rakentamisesta. Näitä yrityksellä on pari sataa eri puolilla maailmaa, esimerkiksi Orange [15][16], jonka toimialaa ovat turvallisuus ja esineiden internet (engl. Internet of Things eli IoT). Yhteistyökumppanit vastaavat myös sovelluskohteen vaatimasta erikoisosaamisesta. 

Kuvaava esimerkki on tamperelainen ohjelmistotalo Bitwise, jonka WiseHockey-alusta [17] käyttää yrityksen sisätilapaikannusjärjestelmää. Pelaajien hartiasuojiin ja jääkiekkoon upotetut tunnisteet mahdollistavat pelin automaattisen seuraamisen ja digitalisoinnin reaaliajassa. Vaihtoaitiosta tunniste lähettää sijaintitiedon harvemmin, mutta paikannin komentaa tunnistetta lisäämään lähetyskertoja heti, kuin pelaaja siirtyy kentälle. Kiekon liikkeiden seuraamiseen tarvitaan sen sijaan vielä tiheämpää signaalitiheyttä, jopa kymmeniä kertoja sekunnissa. Jääkiekko on ehkä muutenkin ääriesimerkki mekaanisista vaatimuksista, sillä kiekkoon upotetun tunnistesirun pitää kestää myös osuma maalitolppaan nopeudella 170 km/h (lähes 50 m/s).  

Suomi on maailman huippua muiden muassa radiotekniikassa ja lääketieteessä. Huipulla ei kuitenkaan pysytä ilman korkeatasoista opetusta. Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu valitsi Kalliolan vuoden alumniksi vuonna 2017 [18].  Alumnipuheessaan hän korosti voimakkaasti koulutuksen merkitystä sekä omalle uralleen että yrityselämälle. Puheensa hän päätti viestiin: ”Lukiolaisille ja nykyisille opiskelijoille haluan sanoa, että tästä koulusta saatavilla eväillä on mahdollista ponnistaa maailmanluokan menestykseen tekemällä asioita, joista muut vain unelmoivat. Eikä se ole useimmiten edes vaikeaa, vaan enimmäkseen hauskaa, lähes kuin lasten leikkiä!” Työnteon miellyttävyys näkyy yrityksen työskentelyilmapiirissäkin. Tätä todistaa se, että yritykselle myönnettiin vuoden 2021 helmikuussa kansainvälinen Great Place to Work -sertifiointi. Se on työntekijöiden organisaatiolleen antama tunnustus hyvän työpaikan rakentamisesta. 

 

Lähteet ja lisää luettavaa

[1] World’s Leading Location Technology Platform sivulla https://www.quuppa.com/

[2] GPS: The Global Positioning System osoitteessa https://www.gps.gov/

[3] Galileo (satelliittipaikannusjärjestelmä) osoitteessa https://fi.wikipedia.org/wiki/Galileo_(satelliittipaikannusj%C3%A4rjestelm%C3%A4)

[4] Heikkonen, Heikki: Sisätilapaikannuksen tarpeista syntyi Quuppa. Talotekniikka 24.9.2019 osoitteessa https://talotekniikka-lehti.fi/sisatilapaikannuksen-tarpeista-syntyi-quuppa/

[5] Erkkilä, Jorma: Suomalainen Quuppa tavoittelee globaalia markkinajohtajuutta paikannusjärjestelmissä – paikannusta senttimetrin tarkkuudella. Salkunrakentaja 24.5.2021 sivulla https://www.salkunrakentaja.fi/2021/05/quuppa-paikannusjarjestelmat/

[6] Quuppa Software Suite /  Hardware Products  osoitteessa https://www.quuppa.com/technology/products/

[7] Wikipedia-artikkeli Angle of arrival osoitteessa https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_arrival

[8] Bluetooth 5.1: Mitä uutta ja miksi sillä on merkitystä osoitteessa https://www.thefastcode.com/fi-eur/article/bluetooth-5-1-what-s-new-and-why-it-matters

[9] Maailman työpaikat tehdään empaattisiksi suomalaisvoimin. TietoEVRY 19.3.2019 osoitteessa https://www.tietoevry.com/fi/uutishuone/kaikki-uutiset-ja-tiedotteet/uutiset/2019/03/haltian-and-tieto-partner-to-make-workplaces-empathic/

[10] Quuppa & TietoEVRY webinar:  Empathic Building – Back to the Office Safety with the Help of Digital Twin, 23.6.2020, osoitteessa https://www.youtube.com/watch?v=3SS6PWz14js

[11] Make Offices Smarter & More Efficient with Quuppa RTLS osoitteessa https://www.quuppa.com/smart-buildings/

[12] Mizkan Museum osoitteessa https://www.quuppa.com/case-study-mizkan-museum/

[13] Dyer Engineering osoitteessa https://www.quuppa.com/case-study-dyer-engineering/

[14] Quuppa partners osoitteessa https://www.quuppa.com/partners/find-partners/

[15] Orange forges IoT Partnership with Quuppa osoitteessa https://www.quuppa.com/orange-forges-iot-partnership-with-quuppa/

[16] Orange Business Services osoitteessa https://www.orange-business.com/en

[17] Wisehockey osoitteessa https://bitwise.fi/referenssit/wisehockey/

[18] Kimmo Kalliola on Sähkötekniikan korkeakoulun vuoden alumni 2017 osoitteessa https://www.aalto.fi/fi/uutiset/kimmo-kalliola-on-sahkotekniikan-korkeakoulun-vuoden-alumni-2017

This article was originally published here

Did you know?

Quuppa is the leading RTLS platform for indoor positioning

Share:

Share on email
Share on twitter
Share on linkedin

Get Latest updates on Location Technologies! 👇

By providing the information, you agree to Quuppa’s Privacy Policy

Get Our Customer Success Stories eBook for Indoor Positioning in Industry 4.0

Success Stories ebook

Real Stories. Real Results.

By providing the information, you agree to Quuppa’s Privacy Policy