Jak rychle využít Bluetooth AoA a AoD pro sledování vnitřní logistiky

Důležitým aspektem Průmyslu 4.0 je sledování majetku ve skladech a výrobních závodech v reálném čase. Pro nasazení služeb určování polohy v reálném čase (RTLS) pro sledování majetku a zlepšování logistických systémů jsou k dispozici různé technologie. Globální polohové systémy (GPS) jsou široce používány pro venkovní implementace RTLS, ale signály nejsou vždy dostupné uvnitř budov. Další volbou je Wi-Fi , má ale obvykle omezenou přesnost, vyžaduje značné množství energie a její nasazení může být nákladné. Radiofrekvenční identifikace (RFID) má nízkou spotřebu a dobrou přesnost, ale bývá drahá. Instalace RTLS pro Průmysl 4.0 se stále častěji zaměřují na techniky určování směru pomocí Bluetooth 5.1, protože kombinují vysoce přesné určování polohy uvnitř budov a nízkou spotřebu energie, nízké náklady na hardware Bluetooth a nízké náklady na nasazení.

Pro vývojáře může být lákavé navrhnout systémy Bluetooth RTLS od začátku. Bohužel získávání radiofrekvenčních (RF) fázových a kvadraturních (IQ) informací o směrových úhlech AoA (Angle-of-Arrival) a AoD (Angle-of-Departure) potřebných k výpočtu polohy vysílače z RF signálu je náročné a vyžaduje integraci více antén. I když lze zachytit data AoA a AoD, než bude je přesně určit polohu sledovaného objektu, mohou být výpočty polohy komplikovány řadou faktorů, včetně vícecestného šíření, polarizace signálu, zpoždění šíření, chvění, šumu a dalších faktorů.

Místo toho vývojáři mohou pro použití v aplikacích RTLS pro Průmysl 4.0 využívat bezdrátové čipy Bluetooth SoC (System-On-Chip), RF moduly a antény. Tento článek stručně shrnuje výkonnostní kompromisy různých voleb technologie RTLS a popisuje, jak je implementováno umístění Bluetooth AoA a AoD. Poté představuje Bluetooth SoC a RF moduly, které obsahují software potřebný k rychlé implementaci RTLS na bázi AoA a AoD, stejně jako související antény od společností Silicon Labs a u-blox. Představeny jsou také hodnotící soupravy, které mohou dále urychlit uvedení na trh.

Nejčastěji používané vnitřní RTLS technologie jsou implementovány pomocí Wi-Fi a Bluetooth (tabulka 1):

• Wi-Fi fingerprinting používá databázi umístění a ID základnové stanice (BSSID) každého přístupového bodu Wi-Fi (AP) v budově. Inventární štítek majetku skenuje prostředí Wi-Fi a hlásí seznam přístupových bodů Wi-Fi a jejich přidruženou sílu signálu. Databáze z průzkumu se pak použije k odhadu pravděpodobné pozice štítku. Tato technika nepodporuje vysoce přesné RTLS.
• Wi-Fi ToF (Time-of-Flight) je přesnější. Měří dobu, kterou Wi-Fi signály potřebují k přenosu mezi zařízeními. ToF vyžaduje ke zlepšení přesnosti RTLS husté nasazení přístupových bodů. ToF i otisky prstů mají vysoké náklady na zařízení a vysoké nároky na energii.
• Indikátor síly přijatého signálu Bluetooth (RSSI) podporuje RTLS tím, že umožňuje zařízením určit jejich přibližnou vzdálenost od blízkých Bluetooth majáků porovnáním síly přijímaného signálu se známými pozicemi majáků. RSSI využívá méně energie a je levnější než Wi-Fi určování polohy na základě algoritmů otisků prstů nebo ToF, ale má omezenou přesnost. Jeho přesnost může být dále snížena faktory prostředí, jako je úroveň vlhkosti a roboti, nebo lidé pohybující se po objektu a rušení úrovní signálu Bluetooth.
• Bluetooth AoA je nejnovější a nejpřesnější vnitřní RTLS technologie. Kromě toho, že poskytuje vysokou přesnost, využívá relativně málo energie a má nízkou cenu. Jeho implementace je však ve srovnání s ostatními alternativami složitější.

Tabulka 1: Vnitřní RTLS lze implementovat pomocí různých technik Wi-Fi a Bluetooth, které poskytují kompromisy mezi přesností, spotřebou energie a cenou. (Zdroj tabulky: u-blox)

Bluetooth AoA a související řešení AoD, RTLS se při odhadu polohy majetku spoléhají na anténní pole (obrázek 1). V řešení AoA vysílá majetek specifický směrový signál z jediné antény. Přijímací zařízení má anténní pole a měří fázový rozdíl signálu mezi různými anténami způsobený různou vzdáleností každé antény od zařízení. Přijímací zařízení získává IQ informace přepínáním mezi aktivními anténami v poli. Kvadraturní data se pak použijí k výpočtu umístění majetku. V řešení AoD vysílá lokalizační maják, do kterého je určována poloha, signál pomocí více antén v poli a přijímací zařízení má jednu anténu. Přijímací zařízení používá k určení IQ dat a odhadu své polohy více signálů. AoA se často používá pro sledování polohy majetku, zatímco AoD je preferovanou technikou, která umožňuje robotům určit, kde se v objektu nacházejí, s dobrou přesností a nízkou latencí.

Obrázek 1: Anténní pole tvoří základ implementací Bluetooth AoA a AoD RTLS. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Základní koncept pro sledování RTLS na bázi AoA je přímočarý: Θ = arccos x ((fázový rozdíl x vlnová délka) / (2 π x vzdálenost mezi anténami)) (obrázek 2). Implementace v reálném světě jsou komplikovanější a musí počítat se zpožděním šíření signálu způsobeným proměnnými prostředí, vícecestnými signály, měnící se polarizací signálu a dalšími faktory. Navíc, když jsou antény použity v poli, může docházet k jejich vzájemnému propojení a vzájemnému ovlivňování jejich odezvy. V neposlední řadě může být docela náročné vyvinout algoritmy potřebné k zohlednění všech těchto proměnných a jejich efektivní implementaci v časově kritickém řešení ve vestavěném prostředí s omezenými zdroji. Naštěstí pro vývojáře kompletní řešení Bluetooth AoA a AoD zahrnují sběr a předzpracování IQ dat, potlačení vícecestných komponent, kompenzaci faktorů prostředí a vzájemnou vazbu mezi anténami.

Obrázek 2: Rovnice pro stanovení AoA (vpravo nahoře) používá fázový rozdíl přicházejících signálů, vlnovou délku signálu a vzdálenost mezi sousedními anténami. (Zdroj obrázku: u-blox)

SoC pro Bluetooth AoA a AoD

Vývojáři mohou k implementaci sítí Bluetooth 5.2 a AoA a AoD použít SoC, jako je např. EFR32BG22C222F352GN32-C od Silicon Labs. Tento SoC je součástí rodiny EFR32BG22 Wireless Gecko, která zahrnuje 32bitové jádro Arm® Cortex®-M33 s maximální pracovní frekvencí 76,8 MHz plus energeticky účinné rádiové jádro 2,4 GHz s nízkými aktivními a neaktivními proudy a integrovaným výkonovým zesilovačem s vysílací (TX) výkonem až 6 decibel metrů (dBm) v pouzdře QFN32 o rozměrech 4 × 4 × 0,85 milimetru (mm) (obrázek 3). Zahrnují bezpečné spouštění s kořenem důvěryhodnosti a zabezpečeným zavaděčem (RTSL). Mezi další bezpečnostní funkce patří hardwarová kryptografická akcelerace pro AES128/256, SHA-1, SHA-2 (až 256 bitů), ECC (až 256 bitů), ECDSA a ECDH a skutečný generátor náhodných čísel (TRNG) kompatibilní s NIST SP800-90 a AIS-31. Navíc v závislosti na modelu mají tyto SoC až 512 kB paměť flash a 32 kB RAM a jsou k dispozici v balíčcích 5 × 5 × 0,85 mm QFN40 a 4 × 4 × 0,30 mm TQFN32, kromě QFN32.

Obrázek 3: Bezdrátové Bluetooth SoC Gecko EFR32BG22, které podporují AoA a AoD, jsou k dispozici v balení 4 × 4 × 0,85 mm QFN32 (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Bezdrátová profesionální souprava BG22-RB4191A obsahuje směrovou rádiovou desku založenou na EFR32BG22 Wireless Gecko SoC 2,4 GHz a anténní pole optimalizované pro přesné určování směru, které může urychlit vývoj aplikací RTLS založených na Bluetooth 5.1 pomocí protokolů AoA a AoD (obrázek 4). Základní deska obsahuje několik nástrojů pro snadné hodnocení a vývoj bezdrátových aplikací, včetně:

• Integrovaný debugger J-Link pro programování a ladění na cílovém zařízení přes Ethernet nebo USB
• Měření proudu a napětí v reálném čase pomocí pokročilého monitoru energie
• Rozhraní virtuálního portu COM poskytuje připojení sériového portu přes Ethernet nebo USB
• Rozhraní pro sledování paketů poskytuje informace o ladění přijatých a odeslaných bezdrátových datových paketů

Obrázek 4: Bezdrátová profesionální souprava BG22-RB4191A s EFR32BG22 Wireless Gecko SoC a anténním polem může urychlit vývoj aplikací AoA a AoD RTLS. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Moduly pro Bluetooth AoA a AoD

Společnost u-blox nabízí moduly Bluetooth s integrovanými anténami i bez nich, které podporují AoA a AoD. Pro aplikace, které využívají modul bez integrované antény, mohou vývojáři použít řadu NINA-B41x, jako je např. NINA-B411-01B, založenou na nRF52833 IC od Nordic Semiconductor (obrázek 5). Tyto moduly obsahují integrované RF jádro a Arm® Cortex®-M4 s procesorem s pohyblivou řádovou čárkou a fungují ve všech režimech Bluetooth 5.1, včetně AoA a AoD. S rozsahem provozních teplot od -40 do +105 stupňů Celsia (°C) jsou tyto moduly vhodné pro aplikace RTLS v průmyslovém prostředí. Jejich rozsah vstupního napětí 1,7 až 3,6 V je navíc činí užitečnými v systémech napájených jednočlánkovou baterií.

Obrázek 5: Moduly řady NINA-B41x podporují kompaktní řešení RTLS, která využívají externí antény. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Řada NINA-B40x od společnosti u-blox, jako je např. NINA-B406-00B, obsahují interní trasovací anténu PCB integrovanou do modulu PCB 10 × 15 × 2,2 mm (obrázek 6). Moduly NINA-B406 mohou dodávat až +8 dBm výstupního výkonu. Kromě podpory režimů Bluetooth 5.1, včetně AoA a AoD, tyto moduly podporují protokoly 802.15.4 (Thread a Zigbee) a vlastní protokoly Nordic 2,4 GHz, což umožňuje vývojářům standardizovat jediný modul pro širokou škálu návrhů zařízení IoT.

Obrázek 6: Aplikace AoA a AoD, které těží z integrované antény, mohou používat moduly řady NINA-B40x. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Pro urychlení uvedení na trh mohou vývojáři použít soupravu XPLR-AOA-1 od společnosti u-blox, která umožňuje experimentovat s funkcí vyhledávání směru Bluetooth 5.1 a podporou funkcí AoA a AoD. Tato souprava obsahuje štítek a anténní desku s modulem NINA-B411 Bluetooth LE (obrázek 7). Štítek je postaven na modulu Bluetooth NINA-B406 a obsahuje software pro odesílání reklamních zpráv Bluetooth 5.1. Anténní deska je navržena tak, aby přijímala zprávy a aplikovala algoritmus výpočtu úhlu k určení směru štítku. Úhly se vypočítávají ve dvou rozměrech pomocí pole antén na desce.

Obrázek 7: Souprava XPLR-AOA-1 obsahuje štítek (vlevo) a desku antény (vpravo) pro podporu vyhodnocení Bluetooth AoA a AoD. (Zdroj obrázku: u-blox)

Flexibilita sady XPLR-AOA-1 umožňuje vývojářům prozkoumat různé aplikace, jako jsou:

• Detekce, zda se předmět blíží ke dveřím
• Povolení kamery sledovat majetek pohybující se v místnosti
• Sledování zboží procházejícího bránou nebo kolem určité polohy
• Předcházení kolizím mezi roboty nebo automatizovaně řízenými vozidly

Kromě toho lze vytvořit složitější polohový systém pomocí několika souprav XPLR-AOA-1 a triangulací směrů ze tří nebo více anténních desek.

Shrnutí

Bluetooth AoA a AoD mohou poskytnout přesné a cenově výhodné implementace RTLS pro Průmysl 4.0. Vývojáři si mohou vybrat ze SoC a modulů, které obsahují software potřebný k rychlé implementaci komplexního softwaru potřebného k nasazení Bluetooth AoA a AoD. Tyto SoC a moduly jsou optimalizovány pro nízkou spotřebu energie, aby podporovaly bateriově napájené lokační štítky, a jsou navrženy pro provoz v náročných průmyslových prostředích.