Dokładne, zużywające niewiele energii śledzenie zasobów wewnątrz budynków w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem radionamierzania Bluetooth

Fabryki, magazyny i zakłady produkcyjne coraz częściej wykorzystują tagi do śledzenia lokalizacji zasobów w czasie rzeczywistym. Dane te są następnie zazwyczaj integrowane z odpowiednim, opartym na chmurze przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) systemem kontroli zapasów, aby umożliwić zdalne śledzenie zasobów. Problem polega na tym, że oprócz technologii NFC, większość rozwiązań w zakresie śledzenia zasobów wykorzystuje tagi zasilane z baterii, co wymaga utrzymania możliwie niskiego poziomu zużycia energii. Ponadto niektóre z tych rozwiązań mogą być zawodne i niedokładne, gdy są stosowane w pomieszczeniach.

Na przykład tagi GPS są zawodne w pomieszczeniach, szczególnie w budynkach o konstrukcji żelbetowej. Klasyczne systemy radionamierzania Bluetooth bazują na wskaźniku siły sygnału odbieranego (RSSI), który, chociaż jest użyteczny, często nie spełnia wymagań projektantów co do dokładności. Potrzebne jest niezawodne, ekonomiczne, dokładne, zasilane z baterii, bezprzewodowe rozwiązanie do śledzenia zasobów, które może być używane w pomieszczeniach, a jednocześnie zapewnia długi czas pracy baterii.

Aby pomóc w sprostaniu tym wyzwaniom, niniejszy artykuł opisuje protokół radionamierzania Bluetooth 5.1 i sposób jego działania. W dalszej części artykułu opisano ekonomiczny moduł Bluetooth firmy Silicon Labs, który obsługuje wspomniany protokół i wskazano, w jaki sposób spełnia on zarówno wymóg dokładności, jak i niskiego zużycia energii w systemie kontroli zapasów działającym w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT).

Co to jest śledzenie zasobów i dlaczego jest potrzebne w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT)?

Zaawansowane systemy kontroli zapasów wykorzystujące IIoT wymagają śledzenia zasobów w czasie rzeczywistym w dowolnym miejscu świata z poziomu chmury. Duże magazyny, w których przechowuje się wartościowe produkty i sprzęt, mogą wymagać stosowania tagów lokalizacji zasobów w celu kontroli zapasów i pomocy w zapobieganiu kradzieżom. Pozwala to zarówno pracownikom magazynu, jak i automatycznym urządzeniom kompletującym szybko i sprawnie zlokalizować przedmiot i przygotować go do wysyłki. W przypadku zarządzania zapasami, istnienie i lokalizację zasobów można łatwo ustalić i wyszczególnić w regularnych raportach o stanie. Jest to bardziej niezawodna metoda przedstawiania stanu zapasów niż ręczne przeglądanie manifestów wysyłkowych, które śledzą zasoby przyjmowane i wydawane.

Poza systemami IIoT do zarządzania zapasami, śledzenie lokalizacji zasobów w czasie rzeczywistym jest stosowane w systemach antykradzieżowych. Jeżeli przedmiot składowany w magazynie nie jest zaplanowany do wysyłki, system IIoT może zaalarmować ochronę, gdy znajdzie się on blisko wyjścia. Lokalizacja zasobów w czasie rzeczywistym może również przyspieszyć obsługę i dostawę w czasach, gdy dostawa następnego dnia szybko przeradza się w oczekiwanie dostawy tego samego dnia.

W przypadku masowego śledzenia lokalizacji zasobów tag lokalizacji musi zapewniać ekonomikę i długi czas pracy baterii. W przypadku znaczników NFC baterie są zbędne, ale konieczne jest, aby odbiornik znajdował się w odległości do 20 cm od tagu, co ogranicza przydatność. Trackery GPS są zawodne w budynkach, ponieważ sygnały śledzące z satelity mogą być blokowane, szczególnie przez konstrukcje żelbetowe.

Popularne rozwiązanie do śledzenia zasobów opiera się na funkcji lokalizacji emitera sygnału Bluetooth. Rozwiązanie to śledzi lokalizację tagu przez porównanie siły sygnału odniesienia zakodowanej w komunikacie emitera sygnału z siłą odebranego sygnału. Lokalizacja emitera sygnału jest następnie triangulowana za pomocą trzech lub większej liczby odbiorników, aby uzyskać przybliżoną lokalizację emitera. Podejście to nie zapewnia jednak precyzji wymaganej w systemach zarządzania zapasami. Ponadto na dokładność lokalizacji mogą mieć wpływ zmiany wilgotności, a także przedmioty w ruchu, takie jak wózki widłowe, pracownicy i drzwi.

Radionamierzanie Bluetooth

Rozwiązaniem jest funkcja radionamierzania Bluetooth zawarta w specyfikacji Bluetooth 5.1.

Radionamierzanie Bluetooth trianguluje lokalizację zasilanego z baterii tagu zasobu na podstawie przesunięcia fazowego sygnału odbieranego przez dwie lub więcej anten. Funkcja ta zapewnia dokładność namierzania poniżej jednego metra i stanowi ekonomiczne rozwiązanie śledzenia lokalizacji, które może być niezawodnie stosowane w pomieszczeniach, umożliwiając jednocześnie wieloletnią pracę z wykorzystaniem jednej baterii pastylkowej.

W radionamierzaniu Bluetooth do standardowego pakietu rozgłaszania Bluetooth dodawany jest nowy sygnał zwany rozszerzeniem tonu ciągłego (CTE). CTE jest tonem ciągłym przesyłanym na częstotliwości będącej częstotliwością Bluetooth + 250Hz. Ponieważ sygnał CTE jest niezależny od standardowych pakietów komunikatów Bluetooth, nie wywołuje on zakłóceń, ani nie opóźnia tych pakietów. Pozwala to antenom odbiorczym na uzyskanie ciągłego, nieprzerwanego namiaru w czasie rzeczywistym, rozwiązując problem śledzenia lokalizacji w czasie rzeczywistym.

Kąt nadejścia i kąt wyjścia sygnału

Radionamierzanie Bluetooth wykorzystuje dwa typy przesunięcia fazowego, czyli mechanizmy wykrywania lokalizacji zależne od anteny, nazywane kątem nadejścia sygnału (AoA) i kątem wyjścia sygnału (AoD) (ilustracja 1). Mechanizm AoA jest wykorzystywany, gdy systemy zewnętrzne muszą śledzić poszczególne tagi. Tag zasobu zawierający kompatybilny moduł Bluetooth 5.1 lub nowszy wysyła sygnał CTE. Odbiornik Bluetooth w stacji bazowej z dwiema antenami odbiera sygnał przychodzący. Odbiornik wykorzystuje różnicę faz pomiędzy dwoma próbkowanymi sygnałami odbieranymi przez anteny do obliczenia odległości do tagu zasobu metodą triangulacji.

Ilustracja 1: w metodzie kąta nadejścia AoA radionamierzania (po lewej) tag zasobu nadaje sygnał do lokalizatora stacji bazowej Bluetooth AoA, który mierzy kąt nadejścia sygnału do dwóch lub większej liczby anten, aby ustalić lokalizację tagu. W metodzie AoD (po prawej), stacje bazowe Bluetooth przesyłają sygnały do tagów zasobów, które obliczają własną pozycję. (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Aby zapobiegać błędom próbkowania spowodowanym aliasingiem, odległość pomiędzy dwiema antenami odbiorczymi musi odpowiadać długości fali częstotliwości Nyquista odbieranego sygnału, czyli długości fali odbieranego sygnału podzielonej przez dwa. Sygnał Bluetooth o częstotliwości około 2,4GHz odpowiada długości fali 12,5cm, dlatego odległość między dwiema antenami musi wynosić nie więcej niż 6,25cm. Wykorzystując różnicę fazową pomiędzy sygnałami na obu antenach, znaną stałą odległość pomiędzy obiema antenami oraz znaną konfigurację obu anten, można obliczyć odległość od tagu zasobów.

Jeśli zostanie zastosowana dodatkowa odbiorcza jednostka antenowa z dwiema antenami o takiej samej konfiguracji, jak pierwsza jednostka, można wyznaczyć dokładną lokalizację tagu zasobu w przestrzeni trójwymiarowej.

Metoda kąta wyjścia (AoD) jest używana, gdy tag zasobu musi śledzić własną lokalizację. W metodzie AoD tag jest odbiornikiem Bluetooth, a stacja bazowa z wieloma antenami jest nadajnikiem Bluetooth. Stacja bazowa nadaje sygnał CTE z każdej anteny. Oprogramowanie układowe odbiornika zna liczbę anten, wiadomą stałą odległość pomiędzy każdą anteną, wiadomą konfigurację wielu anten i wykorzystuje różnice fazowe pomiędzy odbieranymi sygnałami do obliczenia własnej lokalizacji.

W przypadku systemu kontroli zapasów w magazynie bazującym na IIoT, tagi zasobów z zasilaniem bateryjnym przymocowane do pudeł lub pojemników wykorzystują metodę kąta nadejścia AoA, natomiast wózki widłowe lub zautomatyzowane urządzenia kompletujące i pakujące wykorzystują metodę kąta wyjścia AoD. Wózki widłowe i inne zautomatyzowane urządzenia do kompletacji i pakowania są wysokowytrzymałe i nie wymagają oszczędnego zasilania bateryjnego, dlatego mogą przesyłać swoją lokalizację za pośrednictwem Wi-Fi do głównego koncentratora IIoT. Wszystkie te elementy można śledzić w czasie rzeczywistym w interfejsie chmurowym IIoT.

Moduły radionamierzania Bluetooth niskiej mocy

Na potrzeby zastosowań radionamierzania Bluetooth 5.2 niskiej mocy, firma Silicon Labs wprowadziła rodzinę modułów Bluetooth BGM220, której specyfikacja zapewnia 10-letni czas pracy na jednym, długowiecznym ogniwie pastylkowym. Wersja BGM220PC22HNA2 to moduł nadawczo-odbiorczy Bluetooth 5.2 zajmujący powierzchnię 12,9 x 15,0mm, o wysokości profilu 2,2mm (ilustracja 2). Wymaga on zasilania o napięciu od 1,8 do 3,8V, co sprawia, że jest odpowiedni do zastosowań, w których mogą być używane długowieczne ogniwa litowe o napięciu 3,0V, a także większe ogniwa litowo-jonowe (Li-ion) wielokrotnego ładowania o napięciu 3,6V do konsumenckich urządzeń przenośnych. Może on pracować w temperaturach od -40°C do +105°C, dzięki czemu szczególnie dobrze sprawdza się w trudnych warunkach, takich jak fabryki i magazyny przemysłowe.

Ilustracja 2: BGM220PC22HNA2 to zwarty moduł Bluetooth 5.2 obsługujący radionamierzanie Bluetooth nawet przez 10 lat na jednej, długowiecznej baterii pastylkowej. (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Radio modułu BGM220PC22HNA2 pracuje w paśmie 2,4GHz i emituje sygnał o poziomie 8dB w odniesieniu do 1mW mocy (dBm). Moduł zawiera wszystkie niezbędne kondensatory odsprzęgające i elementy indukcyjne, a także oscylatory 38,4MHz i 32,768kHz oraz zintegrowaną, ceramiczną antenę czipową (ilustracja 3). Moduł opiera się na procesorze Arm® Cortex®-M33 wspieranym przez 512kB pamięci flash i 32kB pamięci RAM.

Ilustracja 3: moduł Bluetooth BGM220PC22HNA2 ma wszystko, co jest potrzebne do obsługi samodzielnego tagu Bluetooth do radionamierzania zasobów, w tym radio 2,4GHz, pamięć, procesor Arm Cortex-M33 i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Elementy peryferyjne dostępne do dostosowania oprogramowania układowego obejmują 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) o szybkości 76,9 tysięcy próbek na sekundę (kSPS), który można również skonfigurować do pracy jako 12-bitowy przetwornik ADC 1000kSPS. Dostosowywanie oprogramowania układowego umożliwiają 24 wtyki wejścia-wyjścia. Do synchronizacji zdarzeń oprogramowania układowego dostępne są cztery 16-bitowe układy czasowe i jeden 32-bitowy układ czasowy. Dostęp do zewnętrznych urządzeń peryferyjnych umożliwiają dwa interfejsy I²C. Moduł BGM220P zawiera również dwa wielofunkcyjne układy USART, które można niezależnie skonfigurować jako interfejsy UART, SPI, karty mikroprocesorowej, IrDA lub I²S. Zapewnia to elastyczność wyboru interfejsów szeregowych, ograniczając jednocześnie liczbę wtyków.

W przypadku korzystania z modułu BGM220PC22HNA2 w trybie tagu Bluetooth do radionamierzania zasobów, zastosowanie to powinno używać tylko niezbędnych urządzeń peryferyjnych i wyłączać zasilanie nieużywanych urządzeń w celu wydłużenia czasu pracy baterii. Minimalna konfiguracja tagu zasobów zawiera tylko moduł BGM220PC22HNA2 z baterią 3,0V w niemetalowej obudowie, która nie zakłóca transmisji sygnałów Bluetooth. Do wtyków wejścia-wyjścia podłączone są zewnętrzne przełączniki dostosowujące uruchamianie, np. ustawiające identyfikację danego tagu. Możliwe jest podłączenie jednej lub kilku zewnętrznych diod LED, jednak projektanci powinni tu zachować rozwagę, ponieważ każda dioda LED oznacza szybsze wyczerpywanie baterii. Idealnie byłoby, gdyby diody LED były używane tylko podczas konfiguracji.

Tworzenie zastosowań radionamierzania Bluetooth

Do tworzenia zastosowań z wykorzystaniem radionamierzania Bluetooth firma Silicon Labs dostarcza zestawy startowe modułów Bluetooth SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko (ilustracja 4). Zawierają one wtykową płytkę radiową, która jest płytką nośną modułu BGM220P. Na środku płytki znajduje się wyświetlacz LCD 128 x 128. Na ilustracji wyświetla on logo firmy Silicon Labs z dodatkowym tekstem.

Pod wyświetlaczem LCD znajdują się dwa przyciski o funkcjach programowanych w oprogramowaniu układowym. Wyświetlacza LCD można używać podczas prac projektowych do wyświetlania informacji o stanie, a przycisków do sterowania działaniem oprogramowania układowego. Debugowanie jest obsługiwane przez złącze USB. Dostępne są dodatkowe złącza do obsługi oprogramowania Silicon Labs monitorującego zużycie energii, co pozwala na precyzyjne dostrojenie zastosowania do pobierania tylko minimum niezbędnego zasilania.

Ilustracja 4: zestaw startowy SLWSTK6103A modułu BGM220P zawiera wszystko, czego potrzeba do tworzenia oprogramowania układowego modułu BGM220P obsługującego radionamierzanie Bluetooth. (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Zestaw SLWSTK6103A zawiera również czujnik temperatury i wilgotności. W przypadku tagu Bluetooth do radionamierzania zasobów, do interfejsu I²C można podłączyć czujniki środowiskowe monitorujące warunki panujące w otoczeniu tagu zasobu, przesyłające alert Bluetooth, gdy przekroczą one zaprogramowane wartości progowe. Dodatkowe wtyki wejścia-wyjścia i peryferyjne są wyprowadzone do złączy listwy. Zestaw startowy można zasilać z zewnętrznego złącza USB lub z baterii pastylkowej.

Podsumowanie

Śledzenie zasobów w czasie rzeczywistym w systemie IIoT zarządzania zapasami wymaga dokładnego, niezawodnego i ekonomicznego rozwiązania o niskim poborze mocy, które zajmuje niewiele miejsca. Jak wskazano, funkcję radionamierzania w specyfikacji Bluetooth 5.1 można szybko zintegrować z tagiem zasobu przy użyciu gotowych modułów, aby zapewnić wymagany poziom możliwości śledzenia lokalizacji w czasie rzeczywistym i wydajność.

Materiały dodatkowe

1. Wykorzystanie platform obsługujących Bluetooth 5.1 do precyzyjnego śledzenia zasobów i ustalania położenia w budynku – część 1
2. Wykorzystanie zaawansowanych układów SoC Bluetooth 5.2 do budowy bezpiecznych urządzeń IoT o niskiej mocy