RON | EUR | USD

Urmărirea precisă a bunurilor în timp real din interior, cu consum redus de energie, prin intermediul tehnologiei de identificare a direcției prin Bluetooth

By Bill Giovino

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Fabricile, depozitele și unitățile de producție folosesc din ce în ce mai mult etichete pentru urmărirea în timp real a bunurilor. Apoi, datele sunt, de obicei, integrate într-un sistem corespunzător de control al inventarului Industrial Internet of Things (IIoT) bazat pe cloud, pentru a permite urmărirea de la distanță a bunurilor. Problema este că, în afară de NFC, majoritatea soluțiilor de urmărire a bunurilor depind de etichetele care funcționează pe baterii, ceea ce necesită menținerea consumului de energie la un nivel cât mai mic posibil. În plus, unele dintre soluții pot fi nesigure și inexacte atunci când sunt utilizate în interior.

De exemplu, etichetele GPS nu sunt foarte sigure în interior, în special în clădirile din oțel și beton. Sistemele clasice de localizare prin Bluetooth se bazează pe informațiile de la indicatorul de intensitate a semnalului primit (RSSI), care, deși sunt utile, de multe ori nu îndeplinesc cerințele de precizie ale proiectanților. Aveți nevoie de o soluție fiabilă, rentabilă și precisă de urmărire a bunurilor prin wireless, alimentată de la baterii, ce poate fi utilizată în interior, dar care oferă și o durată lungă de utilizare a bateriei.

Pentru a răspunde acestor provocări, acest articol va descrie și va prezenta modul în care funcționează protocolul Bluetooth 5.1 pentru identificarea direcției. Articolul va introduce apoi un modul Bluetooth rentabil de la Silicon Labs, care acceptă acest protocol și arată cum poate îndeplini atât cerințele legate de precizie, cât și cele de consum redus ale unui sistem de control al inventarului IIoT.

Ce este urmărirea bunurilor și de ce este necesară pentru IIoT?

Sistemele avansate de control al inventarului IIoT necesită urmărirea în timp real în cloud a bunurilor, de oriunde în lume. Depozitele mari în care sunt depozitate produse și echipamente de mare valoare pot necesita etichete de locație pentru controlul inventarului și asistență pentru protecție antifurt. Acest lucru permite lucrătorilor, dar și echipamentelor de colectare automatizate din depozite să localizeze rapid și eficient un articol și să îl pregătească pentru expediere. Pentru gestionarea inventarului, existența și localizarea bunurilor pot fi ușor determinate și detaliate pentru rapoarte de stare periodice. Aceasta este o metodă mai sigură de furnizare a stării inventarului decât revizuirea manuală a centralizatoarelor de expediere care monitorizează bunurile primite și expediate.

Pe lângă sistemele de gestionare a inventarului IIoT, urmărirea în timp real a bunurilor este utilizată și în sistemele antifurt. Dacă un articol dintr-un depozit nu este programat pentru expediere, sistemul IIoT poate alerta personalul de securitate dacă acesta este detectat lângă o ieșire. De asemenea, localizarea bunurilor în timp real poate accelera service-ul și livrarea într-o eră în care așteptările legate de tipul de livrare evoluează de la livrarea în ziua următoare la livrarea în aceeași zi.

Pentru urmărirea în masă a bunurilor, eticheta de localizare a bunurilor trebuie să fie rentabilă și să aibă o durată lungă de viață a bateriei. Etichetele NFC nu folosesc baterii, dar au nevoie ca receptorul să se afle la 20 de centimetri (cm) de etichetă, utilitatea fiindu-le, astfel, limitată. Dispozitivele de urmărire GPS nu sunt sigure în interior, deoarece semnalele de urmărire prin satelit pot fi blocate, în special de structurile din oțel și beton.

O soluție populară de urmărire a bunurilor se bazează pe funcția de localizare Bluetooth prin semnalizatoare. Aceasta urmărește locația unei etichete prin compararea puterii semnalului de referință codificat în mesajul semnalizatorului cu puterea semnalului primit. Locația semnalizatorului este apoi triangulată prin intermediul a trei sau mai multor receptoare, pentru a obține o aproximare a locației semnalizatorului. Totuși, această abordare nu oferă precizia necesară pentru sistemele de gestionare a inventarului. În plus, precizia locației poate fi afectată de schimbările de umiditate, precum și de obiectele aflate în mișcare, cum ar fi stivuitoarele, lucrătorii și ușile.

Identificarea direcției prin Bluetooth

Soluția este identificarea direcției prin Bluetooth, o caracteristică inclusă în specificația Bluetooth 5.1.

Identificarea direcției prin Bluetooth triangulează locația etichetei unui bun, care funcționează cu baterie, în funcție de schimbarea de fază a semnalului recepționat la două sau mai multe antene. Prin urmare, aceasta oferă precizie până la mai puțin de un metru (m) și este o soluție rentabilă de urmărire a locației, care poate fi utilizată în siguranță în interior, oferind în același timp ani de funcționare cu o baterie tip pastilă.

Pentru identificarea direcției prin Bluetooth, la pachetul standard de publicitate Bluetooth se adaugă un nou semnal, denumit extensie de ton continuu (CTE). CTE este un ton continuu trimis pe o frecvență calculată a fi frecvența Bluetooth + 250 Hz. Deoarece CTE este independent de pachetele de mesaje Bluetooth obișnuite, nu interferează cu aceste pachete sau nu le întârzie. Acest lucru permite antenelor receptoare să obțină o remediere continuă și neîntreruptă în timp real, rezolvând problema urmăririi locației în timp real.

Unghiul de recepție și unghiul de emitere

Identificarea direcției Bluetooth utilizează două tipuri de schimbare a fazei, mecanisme de detectare a locației pe bază de antenă, denumite unghi de recepție (AoA) și unghi de emitere (AoD) (Figura 1). AoA este utilizat atunci când sistemele externe trebuie să țină evidența etichetelor individuale. O etichetă a unui bun care conține un modul compatibil Bluetooth 5.1 sau o versiune ulterioară transmite un CTE. Un receptor Bluetooth din stația de bază cu două antene primește semnalul de recepție. Receptorul folosește diferența de fază dintre cele două semnale eșantionate primite de antene pentru a calcula distanța până la eticheta bunului prin triangulare.

Schema metodelor AoA și AoD de identificare a direcției (faceți clic pentru a mări imaginea)Figura 1: În metoda AoA de identificare a direcției (stânga), o etichetă a unui bun își transmite semnalul către un localizator al stației de bază Bluetooth AoA, care măsoară unghiul de recepție al semnalului la două sau mai multe antene pentru a determina locația etichetei. Cu metoda AoD (dreapta), stațiile de bază Bluetooth transmit semnalizatoare către etichetele bunurilor care își calculează propria poziție. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Pentru a preveni erorile de eșantionare cauzate de fenomenul de aliasing, distanța dintre cele două antene receptoare trebuie să corespundă lungimii de undă a frecvenței Nyquist a semnalului primit, care este lungimea de undă a semnalului recepționat împărțit la două. Un semnal Bluetooth de aproximativ 2,4 gigahertzi (GHz) corespunde unei lungimi de undă de 12,5 cm, așadar distanța dintre cele două antene trebuie să fie de 6,25 cm sau mai mică. Folosind diferența de fază dintre semnalele de la cele două antene, distanța fixă cunoscută dintre cele două antene și configurația cunoscută a celor două antene, se poate calcula distanța până la eticheta bunurilor.

Dacă se utilizează o unitate de recepție de antenă suplimentară cu două antene care au aceeași configurație ca prima unitate, se poate determina locația exactă a etichetei bunului în spațiul 3D.

Metoda AoD se utilizează atunci când eticheta bunului trebuie să își urmărească propria locație. În metoda AoD, eticheta este receptorul Bluetooth, iar stația de bază cu antene multiple este transmițătorul Bluetooth. Stația de bază transmite un CTE de la fiecare antenă. Firmware-ul receptorului cunoaște numărul de antene, distanța fixă dintre fiecare antenă, configurația antenelor multiple și folosește diferențele de fază dintre semnalele primite pentru a-și calcula propria locație.

Pentru un sistem de control al inventarului IIoT dintr-un depozit, etichetele bunurilor alimentate de baterii atașate la cutii sau containere ar folosi AoA, în timp ce stivuitoarele sau echipamentele automate de colectare și împachetare ar folosi AoD. Stivuitoarele și alte echipamente automate de colectare și împachetare sunt de mare capacitate și consumă multă baterie, astfel încât să își poată transmite locația prin Wi-Fi către principalul hub IIoT. Toate acestea pot fi urmărite în timp real printr-o interfață cloud IIoT.

Module de identificare a direcției Bluetooth cu consum redus de energie

Pentru aplicațiile de identificare a direcției Bluetooth 5.2 cu consum redus de energie, Silicon Labs a introdus familia de module Bluetooth BGM220, ale cărui specificații oferă o durată de viață a bateriei de 10 ani pe o singură celulă tip pastilă cu durată lungă de viață. Versiunea BGM220PC22HNA2 este un modul transmițător-receptor Bluetooth 5.2 cu o amprentă de 12,9 x 15,0 milimetri (mm) și un profil de 2,2 mm (Figura 2). Acesta necesită o sursă de alimentare de la 1,8 până la 3,8 volți, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații care pot funcționa cu celule de litiu tip pastilă, de 3,0 volți, cu durată lungă de viață, precum și cu celule mai mari reîncărcabile litiu-ion de 3,6 volți (Li-ion) pentru dispozitivele mobile de consum. Poate funcționa la temperaturi cuprinse între -40 °C și + 105 °C, ceea ce îl face deosebit de potrivit pentru medii solicitante, cum ar fi fabricile și depozitele industriale.

Imagine cu Silicon Labs BGM220PC22HNA2, un modul Bluetooth 5.2 compactFigura 2: BGM220PC22HNA2 este un modul Bluetooth 5.2 compact care acceptă identificarea direcției Bluetooth pentru până la 10 ani pe o singură baterie tip pastilă, cu durată lungă de viață. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Radioul BGM220PC22HNA2 funcționează în banda de 2,4 GHz și produce 8 decibeli la 1 miliwatt (mW) (dBm). Modulul include toate condensatoarele și inductoarele de decuplare necesare, precum și oscilatoare de 38,4 megahertz (MHz) și 32,768 kilohertz (kHz) și o antenă integrată cu cip ceramic (Figura 3). Modulul are la bază un nucleu Arm® Cortex®-M33 susținut de 512 kiloocteți (Kbyte) de memorie flash și 32 Kbytes de RAM.

Schema modulului Bluetooth Silicon Labs BGM220PC22HNA2 (faceți clic pentru a mări imaginea)Figura 3: Modulul BGM220PC22HNA2 Bluetooth are toate elementele necesare pentru a susține o etichetă autonomă de bunuri pentru identificarea direcției prin Bluetooth, inclusiv un radio de 2,4 GHz, memorie, un procesor Arm Cortex-M33 și un ADC. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Perifericele disponibile pentru personalizarea firmware-ului includ un convertor analog-digital (ADC) de 16 biți cu 76,9 kiloeșantioane pe secundă (kSPS) care poate fi configurat și pentru a funcționa ca un ADC de 1.000 kSPS pe 12 biți. Până la 24 de pini I/O sunt disponibili pentru personalizarea firmware-ului. Patru temporizatoare pe 16 biți și un temporizator pe 32 de biți sunt disponibile pentru temporizarea evenimentelor legate de firmware. Două interfețe I2C pot accesa perifericele externe. De asemenea, BGM220P include două USART-uri multifuncționale care pot fi configurate independent ca UART, SPI, interfață pentru carduri inteligente, IrDA sau I2S. Acest lucru oferă flexibilitate pentru selectarea interfețelor seriale în timp ce scade numărul de pini.

la utilizarea modulului BGM220PC22HNA2 într-o etichetă de bunuri pentru identificarea direcției prin Bluetooth, aplicația trebuie să utilizeze doar perifericele necesare și să oprească alimentarea celor neutilizate, pentru a prelungi durata de viață a bateriei. O configurație minimă a etichetelor de bunuri ar conține numai BGM220PC22HNA2 cu o baterie de 3,0 volți într-o carcasă nemetalică care nu interferează cu transmisia semnalelor Bluetooth. Comutatoarele externe ar putea fi conectate la pinii I/O pentru personalizarea inițializării, cum ar fi setarea identificării etichetelor individuale. S-ar putea atașa unul sau mai multe leduri externe, dar proiectanții trebuie să fie atenți, deoarece fiecare led este un consum suplimentar al bateriei. În mod ideal, ledurile ar fi utilizate numai în timpul configurării.

Dezvoltarea aplicațiilor Bluetooth pentru identificarea direcției

Pentru dezvoltarea de aplicații pentru identificarea direcției prin Bluetooth, Silicon Labs oferă kitul inițial al modulului Bluetooth Gecko wireless SLWSTK6103A BGM220P (Figura 4). Acesta include o placă radio cu conectare, care este o placă suport pentru un modul BGM220P. În centrul plăcii se află un ecran LCD de 128 x 128, pe care se afișează sigla Silicon Labs cu text suplimentar.

Sub ecranul LCD sunt două butoane de apăsare care pot fi programate prin firmware. LCD-ul poate fi utilizat în timpul dezvoltării pentru a afișa informații legate de stare, iar butoanele pot fi utilizate pentru a controla fluxul firmware-ului. Depanarea poate fi realizată prin conectorul USB. Există conectori suplimentari disponibili pentru susținerea software-ului de monitorizare a energiei Silicon Labs, ce permit reglarea fină a aplicației, astfel încât să consume doar energia minimă necesară.

Imagine a kitului inițial Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220PFigura 4: Kitul inițial SLWSTK6103A BGM220P conține toate elementele necesare pentru dezvoltarea firmware-ului pentru un modul BGM220P care să susțină identificarea direcției prin Bluetooth. (Sursă imagine: Silicon Labs)

De asemenea, SLWSTK6103A are un senzor de temperatură și umiditate. Pentru o etichetă de bunuri pentru identificarea direcției prin Bluetooth, senzorii de mediu pot fi atașați la o interfață I2C pentru a monitoriza condițiile din jurul etichetei bunului și pentru a transmite o alertă prin Bluetooth în cazul în care condițiile depășesc pragurile pre-programate. Ieșirile I/O suplimentare și pinii periferici sunt direcționați la conectorii baretei. Kitul inițial poate fi alimentat de la o conexiune USB externă sau de la o baterie tip pastilă.

Concluzie

Urmărirea bunurilor în timp real în sistemele de gestionare a inventarului IIoT necesită o soluție precisă, fiabilă și rentabilă, de dimensiuni mici și cu consum redus de energie. După cum s-a arătat, funcția de identificare a direcției din specificația Bluetooth 5.1 poate fi integrată rapid într-o etichetă de bunuri, folosind module disponibile în comerț, pentru a oferi gradul necesar de capacitate și performanță pentru urmărirea locației în timp real.

Lecturi suplimentare

  1. Utilizarea platformelor compatibile cu Bluetooth 5.1 pentru urmărirea precisă a bunurilor și poziționarea în interior - Partea 1
  2. Utilizarea unui SoC Bluetooth 5.2 avansat pentru construirea dispozitivelor IoT sigure cu consum redus de energie

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Bill Giovino

Bill Giovino is an Electronics Engineer with a BSEE from Syracuse University, and is one of the few people to successfully jump from design engineer, to field applications engineer, to technology marketing.

For over 25 years Bill has enjoyed promoting new technologies in front of technical and non-technical audiences alike for many companies including STMicroelectronics, Intel, and Maxim Integrated. While at STMicroelectronics, Bill helped spearhead the company’s early successes in the microcontroller industry. At Infineon Bill orchestrated the company’s first microcontroller design wins in U.S. automotive. As a marketing consultant for his company CPU Technologies, Bill has helped many companies turn underperforming products into success stories.

Bill was an early adopter of the Internet of Things, including putting the first full TCP/IP stack on a microcontroller. Bill is devoted to the message of “Sales Through Education” and the increasing importance of clear, well written communications in promoting products online. He is moderator of the popular LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group and speaks B2E fluently.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors