Získejte přesné, nízkoenergetické sledování zařízení v reálném čase ve vnitřních prostorech s použitím stanovení směru pomocí Bluetooth

Továrny, sklady a výrobní provozy stále častěji využívají tagy ke sledování polohy zařízení v reálném čase. Data se následně typicky integrují do vhodného cloudového systému řízení skladových zásob s průmyslovým internetem věcí (IIoT), aby bylo možné provádět dálkové sledování zařízení. Problémem je skutečnost, že kromě technologie NFC závisí většina řešení sledování zařízení na používání tagů napájených z baterie, což vyžaduje udržování spotřeby energie na co nejnižší úrovni. Dále platí, že některá řešení mohou být nespolehlivá a nepřesná, pokud se používají uvnitř.

Například GPS tagy jsou nespolehlivé uvnitř, zejména v železobetonových budovách. Klasické systémy na stanovení polohy používající technologii Bluetooth jsou založeny na informacích z indikátoru intenzity přijímaného signálu (RSSI), které jsou sice užitečné, ale často nesplňují konstruktérské požadavky na přesnost. Pro tyto účely je potřebné spolehlivé, cenově efektivní, přesné a bezdrátové řešení sledování zařízení s bateriovým napájením, které lze používat uvnitř při zachování dlouhé výdrže baterií.

Tento článek přináší popis protokolu Bluetooth 5.1 Direction Finding a způsob jeho funkce s cílem vyhovět těmto výzvám. Tento článek poté přestaví cenově efektivní modul Bluetooth od společnosti Silicon Labs, který tento protokol podporuje a ukáže, jakým způsobem může splnit požadavky na přesnost a nízkou spotřebu energie systému řízení skladových zásob s IIoT.

Co je to sledování zařízení a proč je potřebné pro IIoT?

Vyspělé systémy řízení skladových zásob s IIoT vyžadují sledování zařízení v reálném čase z cloudu kdekoli na světě. Velká skladiště, kde jsou uloženy vysoce cenné produkty a zařízení, mohou vyžadovat tagy pro určení polohy jako součást řízení skladových zásob a ochranu proti krádeži. Toto řešení umožňuje lidským pracovním silám a automatickým vychystávacím zařízením ve skladu rychle a účinně lokalizovat danou položku a připravit ji k odeslání. V rámci správy skladových zásob lze pak snadno stanovit existenci a umístění zařízení rozepsat je do položek pro běžné stavové zprávy. Jde o spolehlivější metodu získání stavu zásob, než je manuální vyhodnocování přepravních protokolů sledujících příchozí a odchozí zboží.

V systémech proti krádeži se kromě správy skladových zásob s IIoT používá také sledování zařízení v reálném čase. Pokud se zboží ve skladu, které není určené k expedici, dostane do blízkosti výstupu, systém IIoT může na tuto událost upozornit bezpečnostní službu. Sledování zařízení v reálném čase může také urychlit služby a odbavení v dnešní době, kde se dodání následující den rychle mění v očekávání dodání ve stejný den.

U objemového sledování zařízení musí být sledovací tag cenově efektivní a mít dlouhou výdrž baterie. NFC tagy sice nepoužívají baterie, avšak vyžadují, aby se přijímač nacházel do 20 centimetrů (cm) od tagu, čímž je omezena jejich využitelnost. GPS sledovací zařízení jsou nespolehlivá ve vnitřních prostorech, kde mohou být satelitní sledovací signály blokovány zejména železobetonovými konstrukcemi.

Populární řešení sledování zařízení je založeno na funkci sledování Bluetooth majáku. Tato funkce sleduje polohu tagu porovnáváním intenzity referenčního signálu zakódované ve zprávě z majáku s intenzitou přijímaného signálu. Poloha majáku je následně triangulována pomocí tří nebo více přijímačů, které získají aproximaci této polohy. Tato koncepce však neposkytuje přesnost potřebnou pro systémy správy skladových zásob. Přesnost stanovení polohy může být dále ovlivněna změnami vlhkosti, jakož i pohyblivými předměty, například paletovými vozíky, pracovníky a dveřmi.

Stanovení směru pomocí Bluetooth

Řešením je stanovení směru pomocí Bluetooth, tedy funkce obsažená ve specifikacích Bluetooth 5.1.

Stanovení směru pomocí Bluetooth provádí triangulaci místa baterií napájeného tagu zařízení za základě fázového posunu signálu přijímaného dvěma nebo více anténami. Výsledkem je přesnost na vzdálenost nižší než jeden metr (m) a cenově efektivní řešení sledování polohy, které lze spolehlivě používat ve vnitřních prostorech s umožněním mnohaletého provozu na jedinou knoflíkovou baterii.

Při stanovení směru pomocí Bluetooth se ke standardní paketě Bluetooth advertising přičte nový signál nazývaný prodloužení nepřetržitého tónu (CTE). CTE je nepřetržitý tón odesílaný přes frekvenci vypočítanou jako frekvence Bluetooth + 250 Hz Jelikož je signál CTE nezávislý na běžných paketech zpráv Bluetooth, neruší je, ani je nezdržuje. Tím získají přijímající antény nepřetržitou informaci, čímž je také vyřešena otázka sledování polohy v reálném čase.

Úhel příchozího a odchozího signálu

Stanovení směru pomocí Bluetooth používá dva typy fázového posunu, a sice mechanismus stanovení polohy pomocí antény, označovaný jako příchozí úhel (AoA) a odchozí úhel (AoD) (obrázek 1). Příchozí úhel (AoA) se používá tehdy, pokud externí systémy musejí sledovat polohu jednotlivých tagů. Tag zařízení obsahující modul kompatibilní 5.1 nebo vyšší vysílá signál CTE. Přijímač Bluetooth v základní stanici se dvěma anténami přijímá příchozí signál. Přijímač na základě fázového rozdílu mezi dvěma vzorkovanými signály přijímanými anténami vypočítává vzdálenost k tagu zařízení pomocí triangulace.

Obrázek 1: V případě stanovení směru metodou AoA (vlevo) vysílá tag zařízení signál do lokátoru Bluetooth základny AoA, který stanoví polohu tagu změřením příchozího úhlu signálu ve dvou nebo více anténách. V případě metody AoD (vpravo) vysílají základny Bluetooth signály „beacon“ (maják) do tagů zařízení, které pak vypočtou vlastní polohu. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Aby se zabránilo chybám vzorkování v důsledku aliasingu, musí vzdálenost mezi dvěma přijímacími anténami odpovídat vlnové délce Nyquistovy frekvence přijímaného signálu, což je polovina jeho vlnové délky. Signál Bluetooth o frekvenci přibližně 2,4 gigahertzů (GHz) odpovídá vlnové délce 12,5 cm a proto vzdálenost mezi dvěma anténami musí být 6,25 cm nebo nižší. Pomocí fázového rozdílu mezi signály na dvou anténách, známé pevné vzdálenosti mezi oběma anténami a známé konfigurace obou antén lze vypočítat vzdálenost k tagu zařízení.

Pokud se společně se dvěma anténami používá přídavná přijímací anténní jednotka ve stejné konfiguraci, jako první jednotka, lze stanovit přesnou polohu tagu zařízení v 3D prostoru.

Metoda AoD se používá v případě, pokud tag zařízení musí sledovat svou vlastní polohu. V případě metody AoD je tag tvořen přijímačem Bluetooth a základní stanice s více anténami je vysílač. Základní stanice vysílá signál CTE z každé antény. Firmware přijímače zná počet antén, známou pevnou vzdálenost mezi jednotlivými anténami, známou konfiguraci více antén a na základě fázového rozdílu mezi přijímanými signály vypočítává vlastní polohu.

U systém řízení skladových zásob s IIoR by tag zařízení napájené z baterie připevněné ke krabicím nebo kontejnerům používaly metodu AoA, zatímco paletové vozíky nebo automatické vychystávací a balicí zařízení by používaly metodu AoD. Vzhledem k tomu, že paletové vozíky a další automatická vychystávací a balicí zařízení jsou určená pro vysokou zátěž a nemají vědomí baterie, mohou vysílat své umístění do hlavního IIoT hubu přes Wi-Fi. Všechna tato zařízení lze sledovat v reálném čase pomocí cloudového rozhraní IIoT.

Nízkoenergetické moduly stanovení směru pomocí Bluetooth

Pro nízkoenergetické aplikace stanovení směru pomocí Bluetooth 5.2 představila společnost Silicon Labs skupinu modulů BGM220, která podle specifikací poskytuje 10letou výdrž baterie z jediného knoflíkového článku s dlouhou životností. Verze BGM220PC22HNA2 je modul transceiveru Bluetooth 5.2 o půdorysu 12,9 x 15,0 milimetrů (mm) a profilu 2,2 mm (obrázek 2). Vyžaduje napájení 1,8 až 3,8 V, čímž se stává vhodným pro aplikace, které mohou být napájeny z 3V lithiových knoflíkových článků s dlouhou životností, jakož i z větších dobíjecích 3,6V lithium-iontových (Li-ion) článků pro spotřební mobilní zařízení. Modul lze provozovat v teplotním rozsahu -40 °C až +105 °C, čímž se stává zvlášť vhodným do náročných prostředí, například do továren nebo průmyslových skladů.

Obrázek 2: BGM220PC22HNA2 je kompaktní modul Bluetooth 5.2 podporující stanovení směru pomocí Bluetooth napájený z jedné knoflíkové baterie s dlouhou životností, která zajišťuje jeho provoz po dobu až 10 let. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Radiový signál modulu BGM220PC22HNA2 pracuje v pásmu 2,4 GHz s výstupní úrovní 8 dB vztažených na 1 milliwatt (mW) (dBm). Modul obsahuje všechny potřebné oddělovací kondenzátory a induktory, jakož i 38,4MHz a 32,768kHz oscilátory a integrovanou keramickou čipovou anténu (obrázek 3). Modul je postaven na jádru Arm® Cortex®-M33 podporovaném 512 kilobyty (kB) paměti flash a 32 kilobyty paměti RAM.

Obrázek 3: Bluetooth modul BGM220PC22HNA2 je vybaven všemi funkcemi potřebnými k podpoře autonomního tagu zařízení na stanovení směru pomocí Bluetooth včetně 2,4GHz radiového signálu, paměti, procesoru Arm Cortex-M33, a A/D převodníku. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Dostupné periferie pro vlastní nastavení firmwaru zahrnují 16bitový analogově-digitální převodník o rychlosti 76,9 kilosamplů za sekundu (kSps), který lze také nakonfigurovat tak, aby pracoval jako 12bitový A/D převodník o rychlosti 1000 kSps. Pro vlastní nastavení firmwaru je k dispozici až 24 I/O pinů. Pro časování událostí firmwaru jsou k dispozici čtyři 16bitové časovače a jeden 32bitový časovač. K externím periferiím lze přistupovat pomocí dvou rozhraní I²C. Modul BGM220P dále obsahuje dvě multifunkční rozhraní USART, které lze nezávisle nakonfigurovat jako UART, SPI, rozhraní pro chytrou kartu, IrDA, nebo I²S. Tato koncepce umožňuje flexibilitu výběru sériových rozhraní při současném snížení počtu pinů.

Pokud se modul BGM220PC22HNA2 používá v tagu zařízení na stanovení směru pomocí Bluetooth, aplikace by měla používat pouze nezbytné periferie a vypnout napájení nepotřebných periferií, aby se prodloužila výdrž baterie. Minimální konfigurace tagu zařízení by obsahovala pouze modul BGM220PC22HNA2 s 3,0V baterií v nekovovém pouzdru, které nezpůsobuje rušení přenosu signálů Bluetooth. K I/O pinům by mohly být připojeny externí přepínače pro vlastní konfiguraci bootování, například nastavení identifikace jednotlivých tagů. Dále by bylo možné připojit také jednu nebo více externích LED diod, zde však musejí být konstruktéři opatrní, neboť každá LED dioda představuje přídavnou zátěž baterie. V ideálním případě by se LED diody použily pouze během konfigurace.

Vývoj aplikací stanovení směru pomocí Bluetooth

Pro vývoj aplikací stanovení směru pomocí Bluetooth nabízí společnost Silicon Labs startovací soupravu s bezdrátovým Bluetooth modulem Gecko SLWSTK6103A BGM220P (obrázek 4). Souprava zahrnuje zásuvnou radiovou desku, která je nosičem modulu BGM220P. Ve středu desky se nachází LCD displej 128 x 128 zobrazující logo Silicon Labs a další text.

Pod LCD displejem se nacházejí dvě firmwarově programovatelná tlačítka. LCD lze používat při vývoji k zobrazení stavových informací a tlačítka k ovládání toku firmwaru. Ladění se provádí přes USB konektor. K dispozici jsou další konektory na podporu softwaru monitorování spotřeby energie od společnosti Silicon Labs, který umožňuje jemné vyladění aplikace tak, aby odebírala pouze minimální potřebný výkon.

Obrázek 4: Startovací souprava SLWSTK6103A BGM220P obsahuje vše, co je potřebné k vývoji firmwaru pro modul BGM220P podporující stanovení směru pomocí Bluetooth. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Souprava SLWSTK6103A obsahuje také snímač teploty a vlhkosti. K tagu zařízení na stanovení směru pomocí Bluetooth lze pomocí rozhraní I²C připojit senzory prostředí, které monitorují podmínky v okolí tagu zařízení, a pokud tyto podmínky překročí naprogramované prahy, odešlou upozornění přes Bluetooth. Další I/O a periferní piny jsou vyvedeny na konektory patice. Startovací soupravu lze napájet pomocí externího USB připojení nebo z knoflíkové baterie.

Závěr

Sledování zařízení v reálném čase v systémech správy skladových zásob s IIoT vyžaduje přesné, spolehlivé a cenově efektivní řešení s malými rozměry a nízkým odběrem energie. Jak bylo ukázáno, funkci stanovení směru specifikovanou v Bluetooth 5.1 lze rychle integrovat do tagu zařízení pomocí běžných modulů a získat tak požadovaný stupeň sledování polohy v reálném čase a výkonnost.

Další články

1. Používání platforem s Bluetooth 5.1 k přesnému sledování zařízení a určování polohy ve vnitřních prostorech - část 1
2. Stavba bezpečných nízkoenergetických IoT zařízení pomocí vyspělých systémů Bluetooth 5.2 na čipu (Soc)