Szybkie wykorzystanie rozwiązań Bluetooth AoA i AoD do śledzenia logistyki wewnątrz budynków

Śledzenie aktywów w czasie rzeczywistym w magazynach i fabrykach jest ważnym aspektem Przemysłu 4.0. Na rynku dostępne są różne technologie umożliwiające uruchomienie usług lokalizacji w czasie rzeczywistym (z ang. Real-Time Location Services, RTLS) w celu śledzenia aktywów i usprawnienia systemów logistycznych. Globalne systemy pozycjonowania (GPS) są szeroko stosowane we wdrożeniach usług lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) stosowanych na zewnątrz, jednak sygnały nie zawsze są dostępne wewnątrz budynków. Innym rozwiązaniem jest sieć Wi-Fi, ale ma ona zwykle ograniczoną dokładność, wymaga znacznej mocy, a jej wdrożenie może być kosztowne. Identyfikacja radiowa (RFID) charakteryzuje się niską mocą i wysoką dokładnością, ale też wysoką ceną. W instalacjach RTLS w Przemyśle 4.0 coraz częściej wykorzystuje się techniki radionamierzania oparte na łączności Bluetooth 5.1, ponieważ charakteryzują się one wysoką precyzją pozycjonowania w pomieszczeniach oraz niskim poborem mocy, kosztem sprzętu Bluetooth i wdrożenia.

Deweloperów może kusić projektowanie systemów Bluetooth RTLS od podstaw. Niestety pozyskiwanie informacji fazowych i kwadraturowych (IQ) dotyczących danych o kącie nadejścia (AoA) i kącie wyjścia (AoD) wymaganych do obliczenia pozycji nadajniko-odbiornika na podstawie sygnału o częstotliwościach radiowych (RF) jest trudne i wymaga integracji wielu anten. Nawet jeśli istnieje możliwość przechwycenia danych AoA i AoD, obliczenia pozwalające na dokładną lokalizację mogą utrudniać liczne czynniki, np. propagacja wielodrogowa, polaryzacja sygnału, opóźnienie propagacji, fluktuacje czy szumy.

Jako alternatywę projektanci mogą wybrać bezprzewodowe systemy Bluetooth na układach SoC, moduły RF i anteny do zastosowań RTLS w Przemyśle 4.0. W niniejszym artykule krótko omówiono kompromisy dotyczące parametrów działania różnych technologii RTLS oraz sposób wdrożenia metod lokalizacji Bluetooth AoA i AoD. Następnie przedstawiono układy SoC Bluetooth i moduły RF zawierające oprogramowanie potrzebne do szybkiego wdrożenia usług lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) opartych na kącie nadejścia (AoA) i kącie wyjścia (AoD), a także anteny firm Silicon Labs i u-blox. Opisano tu również zestawy ewaluacyjne, które mogą dodatkowo skrócić czas wprowadzania produktu na rynek.

Najpowszechniej stosowane w pomieszczeniach technologie RTLS są wdrażane przy użyciu Wi-Fi i Bluetooth (tabela 1):

• Znakowanie Wi-Fi wykorzystuje bazę danych o lokalizacji i identyfikator stacji bazowej (BSSID) każdego punktu dostępowego Wi-Fi (AP) w budynku. Tagi aktywów skanują środowisko Wi-Fi i zgłaszają listę punktów dostępowych Wi-Fi oraz siłę ich sygnału. Baza danych uzyskana w badaniu jest następnie wykorzystywana do oszacowania prawdopodobnej pozycji tagu. Ta technika nie obsługuje lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) wysokiej dokładności.
• Technika czasu przelotu (ToF) Wi-Fi jest bardziej dokładna. Polega ona na pomiarze czasu, w jakim sygnały Wi-Fi pokonują drogę między urządzeniami. Technika ToF wymaga gęstego rozmieszczenia punktów dostępowych, aby zwiększyć dokładność usługi lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS). Zarówno techniki czasu przelotu (ToF), jak i znakowania wiążą się z wysokimi kosztami urządzeń i dużym zapotrzebowaniem na energię.
• Wskaźnik siły odbieranego sygnału Bluetooth (RSSI) obsługuje lokalizację w czasie rzeczywistym (RTLS), umożliwiając urządzeniom określenie ich przybliżonej odległości od pobliskich emiterów sygnału Bluetooth przez porównanie siły odebranego sygnału ze znanymi pozycjami emiterów. Wskaźnik siły sygnału odbieranego (RSSI) zużywa mniej energii i jest tańszy niż znakowanie Wi-Fi lub techniki ToF, ale jego dokładność jest ograniczona. Dodatkowo mogą ją zmniejszać czynniki środowiskowe, np. poziom wilgotności i roboty, lub ludzie poruszający się po obiekcie i zakłócający sygnał Bluetooth.
• Bluetooth AoA to najnowsza i najdokładniejsza technologia RTLS przeznaczona do zastosowań we wnętrzach. Zapewnia wysoką dokładność, zużywa stosunkowo mało energii i jest tania. Jednak jej wdrożenie jest bardziej skomplikowane w porównaniu z rozwiązaniami alternatywnymi.

Tabela 1: usługi lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) do zastosowań we wnętrzach można wdrożyć przy użyciu różnych technik Wi-Fi i Bluetooth stanowiących kompromis między dokładnością, poborem mocy i kosztem. (Źródło tabeli: u-blox)

Rozwiązania RTLS typu Bluetooth AoA oraz AoD bazują na układach anten służących do szacowania pozycji aktywów (ilustracja 1). W rozwiązaniu AoA aktywa wysyłają określony sygnał namierzania za pomocą pojedynczej anteny. Urządzenie odbiorcze posiada układ anten i mierzy różnicę fazową sygnału między antenami spowodowaną ich różnymi odległościami od aktywów. Urządzenie odbiorcze uzyskuje informacje fazowo-kwadraturowe (IQ) przez przełączanie się pomiędzy układami anten aktywnych w układzie. Dane fazowo-kwadraturowe (IQ) są następnie wykorzystywane do obliczenia lokalizacji aktywów. W rozwiązaniu AoD emiter sygnału, którego lokalizacja jest określana, nadaje sygnał za pomocą układów wielu anten. Natomiast urządzenie odbiorcze posiada jedną antenę. Wykorzystuje ono wiele sygnałów do określenia danych IQ i oszacowania jego pozycji. Technika AoA jest często stosowana do śledzenia pozycji aktywów, natomiast AoD jest preferowaną techniką umożliwiającą robotom określenie miejsca, w którym się znajdują w obiekcie z dobrą dokładnością i niskim opóźnieniem.

Ilustracja 1: układ anten stanowi podstawę wdrożenia rozwiązań RTLS Bluetooth AoA i AoD. (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Podstawowa koncepcja śledzenia RTLS opartego na AoA jest prosta: Θ = arccos x [(różnica faz x długość fali) / (2 π x odległość między antenami)] (ilustracja 2). W rzeczywistości wdrożenie jest bardziej skomplikowane i musi uwzględniać opóźnienia propagacji sygnału powodowane przez zmienne środowiskowe, sygnały wielodrogowe, zmienną polaryzację sygnału i inne czynniki. Ponadto używanie układów anten może spowodować wzajemne sprzężenia i zakłócać odpowiedzi. Wreszcie opracowanie algorytmów potrzebnych do uwzględnienia wszystkich tych zmiennych i skuteczne wdrożenie ich w rozwiązaniu wrażliwym na czas w środowisku o ograniczonych zasobach może być dość trudne. Na szczęście dla deweloperów kompletne rozwiązania Bluetooth AoA i AoD obejmują zbieranie i wstępne przetwarzanie danych fazowo-kwadraturowych (IQ), tłumienie składowych wielodrogowych, kompensację czynników środowiskowych oraz wzajemne sprzężenie między antenami.

Ilustracja 2: równanie służące do wyznaczania kąta nadejścia (AoA, u góry po prawej) uwzględnia różnicę faz docierających sygnałów, długość fali sygnału oraz odległość pomiędzy sąsiednimi antenami. (Źródło ilustracji: u-blox)

Układy SoC dla technik Bluetooth AoA i AoD

Deweloperzy mogą wykorzystać układy SoC, np. EFR32BG22C222F352GN32-C firmy Silicon Labs, do implementacji sieci Bluetooth 5.2 oraz technologii AoA i AoD. Ten układ SoC należy do rodziny EFR32BG22 Wireless Gecko. Zawiera 32-bitowy rdzeń Arm® Cortex®-M33 o maksymalnej częstotliwości roboczej 76,8MHz oraz energooszczędny rdzeń radiowy 2,4GHz o niskim prądzie aktywnym i uśpienia, jak również zintegrowany wzmacniacz mocy o mocy nadawania (TX) do 6dBm. Wymiary jego obudowy QFN32 to 4 × 4 × 0,85mm (ilustracja 3). Zawiera on bezpieczne uruchamianie z systemem Root of Trust i bezpieczny program ładujący (RTSL). Dodatkowe funkcje zabezpieczeń obejmują sprzętową akcelerację kryptograficzną dla AES128/256, SHA-1, SHA-2 (do 256 bitów), kodowanie korekcyjne (ECC) (do 256 bitów), algorytm podpisu cyfrowego krzywej eliptycznej (ECDSA) i krzywą eliptyczną Diffiego-Hellmana (ECDH) oraz generator liczb prawdziwie losowych (TRNG) zgodny z NIST SP800-90 i AIS-31. Ponadto, w zależności od modelu, omawiane układy SoC posiadają do 512kB pamięci flash i 32kB pamięci RAM oraz obudowy QFN40 o wymiarach 5 × 5 × 0,85mm i TQFN32 o wymiarach 4 × 4 × 0,30mm, oprócz obudów QFN32.

Ilustracja 3: układy SoC EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth obsługujące technologie AoA i AoD są dostępne w obudowach QFN32 o wymiarach 4 × 4 × 0,85mm (źródło ilustracji: Silicon Labs)

Bezprzewodowy zestaw profesjonalny BG22-RB4191A zawiera płytkę radiową do radionamierzania opartą na układzie SoC 2,4GHz EFR32BG22 Wireless Gecko oraz układ anten zoptymalizowany pod kątem dokładnego radionamierzania, który może przyspieszyć rozwój rozwiązań RTLS opartych na komunikacji Bluetooth 5.1 wykorzystujących protokoły AoA i AoD (ilustracja 4). Płytka główna jest wyposażona w kilka narzędzi ułatwiających ocenę i rozwój zastosowań bezprzewodowych, w tym:

• debugger J-Link do programowania i debugowania na urządzeniu docelowym za pośrednictwem połączenia Ethernet lub USB
• zaawansowany monitor energii służący do pomiarów prądu i napięcia w czasie rzeczywistym
• interfejs wirtualnego portu COM zapewniający połączenie portu szeregowego przez Ethernet lub USB
• interfejs śledzenia pakietów zapewniający informacje o odebranych i wysłanych bezprzewodowo pakietach danych

Ilustracja 4: bezprzewodowy zestaw profesjonalny BG22-RB4191A z układem SoC EFR32BG22 Wireless Gecko i układem anten może przyspieszyć rozwój zastosowań RTLS AoA i AoD. (Źródło ilustracji: Silicon Labs)

Moduły dla Bluetooth AoA i AoD

Firma u-blox oferuje moduły Bluetooth, również ze zintegrowanymi antenami, obsługujące protokoły AoA i AoD. W przypadku zastosowań, w których korzystniejszy jest moduł bez wbudowanej anteny, projektanci mogą wykorzystać serię NINA-B41x, np. NINA-B411-01B opartą na układzie scalonym nRF52833 firmy Nordic Semiconductor (ilustracja 5). Moduły te zawierają zintegrowany rdzeń RF oraz Arm® Cortex®-M4 z procesorem zmiennoprzecinkowym i działają we wszystkich trybach Bluetooth 5.1, w tym AoA i AoD. Dzięki zakresowi temperatury roboczej od -40 do +105°C moduły te dobrze sprawdzają się w zastosowaniach lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) w środowiskach przemysłowych. Ponadto ich zakres napięć wejściowych od 1,7 do 3,6V sprawia, że są użyteczne w systemach zasilanych bateriami jednoogniwowymi.

Ilustracja 5: moduły serii NINA-B41x mogą być wykorzystywane w kompaktowych rozwiązaniach RTLS zawierających anteny zewnętrzne. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Moduły z serii NINA-B40x firmy u-blox, np. NINA-B406-00B, zawierają wewnętrzną antenę na ścieżce płytki drukowanej połączoną z płytką drukowaną modułu o wymiarach 10 x 15 x 2,2mm (ilustracja 6). Moduły NINA-B406 mogą dostarczyć do +8dBm mocy wyjściowej. Oprócz trybów Bluetooth 5.1 obejmujących AoA i AoD, moduły te obsługują protokoły 802.15.4 (Thread i Zigbee) oraz protokoły zastrzeżone firmy Nordic 2,4GHz, pozwalając projektantom na standaryzację na jednym module dla szerokiej gamy projektów urządzeń IoT.

Ilustracja 6: w zastosowaniach AoA i AoD, które uwzględniają zintegrowaną antenę, można wykorzystać moduły z serii NINA-B40x. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Aby przyspieszyć czas wprowadzania produktu na rynek, projektanci mogą wykorzystać zestaw badawczy XPLR-AOA-1 firmy u-blox, który umożliwia eksperymentowanie z funkcją radionamierzania Bluetooth 5.1 oraz obsługą funkcji AoA i AoD. Omawiany zestaw badawczy zawiera tag i płytkę antenową z modułem NINA-B411 Bluetooth LE (ilustracja 7). Tag jest zbudowany wokół modułu Bluetooth NINA-B406 i zawiera oprogramowanie do wysyłania komunikatów anonsowania Bluetooth 5.1. Płytka antenowa ma za zadanie odbierać komunikaty i stosować algorytm obliczania kąta w celu określania kierunku tagu. Kąty są obliczane w dwóch wymiarach z wykorzystaniem układu anten na płytce.

Ilustracja 7: bezprzewodowy zestaw badawczy XPLR-AOA-1 z układem SoC EFR32BG22 Wireless Gecko i układem anten pozwala przyspieszyć prace rozwojowe nad rozwiązaniami Bluetooth AoA i AoD. (Źródło ilustracji: u-blox)

Elastyczność zestawu XPLR-AOA-1 umożliwia projektantom badanie różnych zastosowań, takich jak:

• wykrywanie, czy obiekt zbliża się do drzwi
• umożliwienie kamerze śledzenia aktywów przemieszczanych w pomieszczeniu
• śledzenie towarów przechodzących przez bramę lub mijających określoną pozycję
• unikanie kolizji pomiędzy robotami lub pojazdami kierowanymi automatycznie

Ponadto, wykorzystując kilka zestawów XPLR-AOA-1 i triangulację kierunków z trzech lub więcej płytek antenowych, można stworzyć bardziej złożony system pozycjonowania.

Podsumowanie

Rozwiązania Bluetooth AoA i AoD mogą pozwolić na dokładne i opłacalne wdrożenie technologii usług lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) w ramach Przemysłu 4.0. Projektanci mają do dyspozycji układy SoC i moduły zawierające oprogramowanie potrzebne do szybkiego wdrożenia złożonego oprogramowania wymaganego do obsługi rozwiązań Bluetooth AoA i AoD. Wspomniane układy SoC i moduły są zoptymalizowane pod kątem niskiego poboru mocy w celu obsługi tagów lokalizacyjnych z zasilaniem bateryjnym i są przeznaczone do pracy w wymagającym środowisku przemysłowym.