Cum se poate utiliza rapid Bluetooth AoA și AoD pentru urmărirea logisticii în interior

Urmărirea în timp real a activelor în depozite și fabrici este un aspect important al Industriei 4.0. Sunt disponibile diverse tehnologii pentru implementarea serviciilor de localizare în timp real (RTLS) pentru urmărirea activelor și îmbunătățirea sistemelor logistice. Sistemele de poziționare globală (GPS) sunt utilizate pe scară largă pentru implementările RTLS în exterior, dar semnalele nu sunt întotdeauna disponibile în interiorul clădirilor. Wi-Fi este o altă opțiune, dar tinde să aibă o precizie limitată, necesită putere semnificativă și poate fi costisitor de implementat. Identificarea prin radiofrecvență (RFID) are o putere redusă și o precizie bună, dar tinde să fie costisitoare. Instalațiile RTLS din Industria 4.0 se orientează din ce în ce mai mult către tehnicile de detectare a direcției Bluetooth 5.1, deoarece acestea combină poziționarea de înaltă precizie în interior cu un consum redus de energie, un cost redus al hardware-ului Bluetooth și un cost redus al implementărilor.

Poate fi tentant pentru dezvoltatori să proiecteze sisteme RTLS Bluetooth de la zero. Din nefericire, obținerea informațiilor de frecvență radio (RF) în fază și în cvadratură (IQ) ale datelor privind unghiul de recepție (AoA) și unghiul de emitere (AoD) necesare pentru a calcula poziția unui emițător-receptor din semnalul RF este dificilă și necesită integrarea mai multor antene. Chiar dacă datele AoA și AoD pot fi capturate, calculele de localizare pot fi complicate de numeroși factori, inclusiv propagarea prin mai multe căi, polarizarea semnalului, întârzierile de propagare, fluctuația, zgomotul și altele, înainte ca locația obiectului urmărit să poată fi determinată cu precizie.

În schimb, proiectanții pot utiliza sisteme wireless Bluetooth pe cipuri (SoC), module RF și antene în aplicațiile RTLS din Industria 4.0. Acest articol trece în revistă compromisurile de performanță ale diferitelor tehnologii RTLS și descrie modul în care este implementată localizarea Bluetooth AoA și AoD. Apoi prezintă SoC-urile Bluetooth și modulele RF care includ software-ul necesar pentru implementarea rapidă a RTLS bazate pe AoA și AoD, precum și antenele aferente de la Silicon Labs și u-blox. Sunt prezentate, de asemenea, kituri de evaluare care pot accelera și mai mult timpul de introducere pe piață.

Cele mai utilizate tehnologii RTLS de interior sunt implementate prin Wi-Fi și Bluetooth (Tabelul 1):

• Amprentarea Wi-Fi utilizează o bază de date cu locația și ID-ul stației de bază (BSSID) a fiecărui punct de acces Wi-Fi (AP) dintr-o clădire. O etichetă de active scanează mediul Wi-Fi și raportează lista de puncte de acces Wi-Fi și intensitatea semnalului asociat acestora. Baza de date din sondaj este apoi utilizată pentru a estima poziția probabilă a etichetei. Această tehnică nu acceptă RTLS de mare precizie.
• Timpl de zbor Wi-Fi (ToF) este mai precis. Acesta măsoară timpul necesar pentru ca semnalele Wi-Fi să călătorească între dispozitive. ToF necesită o implementare densă de puncte de acces pentru a îmbunătăți precizia RTLS. Atât ToF, cât și amprentarea au costuri ridicate ale dispozitivelor și cerințe energetice mari.
• Indicatorul de putere a semnalului recepționat (RSSI) Bluetooth sprijină RTLS, permițând dispozitivelor să determine distanța aproximativă față de balizele Bluetooth din apropiere prin compararea intensității semnalului recepționat cu pozițiile cunoscute ale balizelor. RSSI utilizează mai puțină energie și este mai puțin costisitoare decât amprentarea Wi-Fi sau ToF, dar are o precizie limitată. Precizia acestuia poate fi redusă și mai mult de factori de mediu, cum ar fi nivelul de umiditate și roboții, sau de persoanele care se deplasează în jurul unei instalații și interferează cu nivelurile semnalului Bluetooth.
• Bluetooth AoA este cea mai nouă și cea mai precisă tehnologie RTLS pentru interior. Pe lângă faptul că oferă o precizie ridicată, utilizează relativ puțină energie și are un cost redus. Cu toate acestea, este mai complexă de implementat în comparație cu celelalte alternative.

Tabelul 1: RTLS pentru interior poate fi implementat folosind diverse tehnici Wi-Fi și Bluetooth care oferă compromisuri între precizie, consum de energie și costuri. (Sursa tabelului: u-blox)

Bluetooth AoA și soluțiile aferente AoD, RTLS se bazează pe rețele de antene pentru a estima poziția unui bun (Figura 1). Într-o soluție AoA, activul trimite un semnal specific de localizare a direcției de la o singură antenă. Dispozitivul de recepție are o rețea de antene și măsoară diferența de fază a semnalului între diferitele antene, cauzată de distanțele diferite ale fiecărei antene față de activ. Dispozitivul de recepție obține informațiile IQ prin comutarea între antenele active din rețea. Datele IQ sunt apoi utilizate pentru a calcula locația activului. Într-o soluție AoD, baliza de localizare față de care se determină locația transmite semnalul cu ajutorul mai multor antene într-o rețea, iar dispozitivul de recepție are o singură antenă. Dispozitivul de recepție utilizează mai multe semnale pentru a determina datele IQ și pentru a estima poziția sa. AoA este adesea utilizată pentru urmărirea poziției activelor, în timp ce AoD este tehnica preferată pentru a permite roboților să determine unde se află într-o instalație cu o precizie bună și o latență redusă.

Figura 1: Rețelele de antene formează baza pentru implementările Bluetooth AoA și AoD RTLS. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Conceptul de bază pentru urmărirea RTLS bazată pe AoA este simplu: Θ = arccos x ((diferența de fază x lungimea de undă) / (2 π x distanța dintre antene)) (Figura 2). Implementările din lumea reală sunt mai complicate și trebuie să țină cont de întârzierile de propagare a semnalului cauzate de variabilele de mediu, de semnalele pe căi multiple, de polarizarea variabilă a semnalului și de alți factori. În plus, atunci când antenele sunt utilizate într-o matrice, acestea pot suferi cuplaje reciproce și își pot afecta reciproc răspunsurile. În cele din urmă, poate fi destul de dificil să se dezvolte algoritmii necesari pentru a lua în considerare toate aceste variabile și să le implementeze eficient într-o soluție critică din punct de vedere al timpului într-un mediu încorporat cu resurse limitate. Din fericire pentru dezvoltatori, soluțiile complete Bluetooth AoA și AoD includ colectarea și preprocesarea datelor IQ, suprimarea componentelor pe căi multiple, compensarea factorilor de mediu și cuplarea reciprocă între antene.

Figura 2: Ecuația pentru determinarea AoA (dreapta sus) utilizează diferența de fază a semnalelor primite, lungimea de undă a semnalului și distanța dintre antenele adiacente. (Sursa imaginii: u-blox)

SoC-uri pentru Bluetooth AoA și AoD

Dezvoltatorii pot utiliza SoC-uri precum EFR32BG22C222F352GN32-C de la Silicon Labs pentru a implementa rețelele Bluetooth 5.2 și AoA și AoD. Acest SoC face parte din familia EFR32BG22 Wireless Gecko, care include un nucleu Arm® Cortex®-M33 pe 32 de biți cu o frecvență de operare maximă de 76,8 MHz, plus un nucleu radio cu consum redus de energie, de 2,4 GHz, cu curenți activi și de veghe reduși și un amplificator de putere integrat cu o putere de transmisie (TX) de până la 6 decibeli-metri (dBm), într-o capsulă QFN32 de 4 × 4 × 0,85 milimetri (mm) (Figura 3). Printre acestea se numără inițializarea securizată cu root-of-trust și secure loader (RTSL). Caracteristicile de securitate suplimentare includ accelerarea criptografică hardware pentru AES128/256, SHA-1, SHA-2 (până la 256 de biți), ECC (până la 256 de biți), ECDSA și ECDH, precum și un generator de numere aleatoare reale (TRNG) în conformitate cu NIST SP800-90 și AIS-31. În plus, în funcție de model, aceste SoC-uri au până la 512 kB de memorie flash și 32 kB de memorie RAM și sunt disponibile în pachete QFN40 de 5 × 5 × 0,85 mm și TQFN32 de 4 × 4 × 0,30 mm, în plus față de QFN32.

Figura 3: SoC-urile Bluetooth EFR32BG22 Wireless Gecko care acceptă AoA și AoD sunt disponibile într-o capsulă QFN32 de 4 × 4 × 0,85 mm (Sursa imaginii: Silicon Labs)

Kitul profesional fără fir BG22-RB4191A include o placă radio de detectare a direcției bazată pe SoC-ul EFR32BG22 Wireless Gecko de 2,4 GHz și o matrice de antene optimizată pentru detectarea precisă a direcției, care poate accelera dezvoltarea aplicațiilor RTLS bazate pe Bluetooth 5.1, ce utilizează protocoalele AoA și AoD (Figura 4). Placa de bază dispune de mai multe instrumente pentru evaluarea și dezvoltarea simplă a aplicațiilor wireless, printre care:

• Depanator J-Link încorporat pentru programare și depanare pe dispozitivul țintă prin Ethernet sau USB
• Măsurători de curent și tensiune în timp real cu ajutorul monitorului de energie avansat
• Interfața portului COM virtual oferă o conexiune la un port serial prin Ethernet sau USB
• Interfața de urmărire a pachetelor oferă informații de depanare despre pachetele de date wireless primite și transmise

Figura 4: Kitul profesional fără fir BG22-RB4191A cu SoC-ul EFR32BG22 Wireless Gecko și o matrice de antene poate accelera dezvoltarea de aplicații RTLS AoA și AoD. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Module pentru Bluetooth AoA și AoD

u-blox oferă module Bluetooth cu și fără antene integrate care acceptă AoA și AoD. Pentru aplicațiile care beneficiază de un modul fără antenă integrată, proiectanții pot utiliza seria NINA-B41x, cum ar fi NINA-B411-01B, bazat pe circuitul integrat nRF52833 de la Nordic Semiconductor (Figura 5). Aceste module includ un nucleu RF integrat și un procesor Arm® Cortex®-M4 în virgulă mobilă și funcționează în toate modurile Bluetooth 5.1, inclusiv AoA și AoD. Cu o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +105 grade Celsius (°C), aceste module sunt potrivite pentru aplicații RTLS în medii industriale. În plus, gama de tensiuni de intrare de 1,7 până la 3,6 V le face utile în sistemele alimentate de baterii cu o singură celulă.

Figura 5: modulele din seria NINA-B41x acceptă soluții RTLS compacte care utilizează antene externe. (Sursa imaginii: DigiKey)

Seria NINA-B40x de la u-blox, cum ar fi NINA-B406-00B, include o antenă internă de traseu PCB integrată în PCB-ul modulului de 10 x 15 x 2,2 mm (Figura 6). Modulele NINA-B406 pot furniza o putere de ieșire de până la +8 dBm. Pe lângă suportul pentru modurile Bluetooth 5.1, inclusiv AoA și AoD, aceste module acceptă protocoalele 802.15.4 (Thread și Zigbee) și protocoalele brevetate Nordic de 2,4 GHz, permițând proiectanților să se standardizeze pe un singur modul pentru o gamă largă de proiecte de dispozitive IoT.

Figura 6: Aplicațiile AoA și AoD care beneficiază de o antenă integrată pot utiliza modulele din seria NINA-B40x. (Sursa imaginii: DigiKey)

Pentru a accelera timpul de lansare pe piață, proiectanții pot utiliza kitul de explorare XPLR-AOA-1 de la u-blox, care permite experimentarea cu funcția de detectare a direcției Bluetooth 5.1 și suportul pentru funcțiile AoA și AoD. Acest kit de explorare include o etichetă și o placă de antenă cu un modul NINA-B411 Bluetooth LE (Figura 7). Eticheta este construită în jurul unui modul Bluetooth NINA-B406 și include un software care permite trimiterea de mesaje publicitare Bluetooth 5.1. Placa de antenă este concepută pentru a recepționa mesajele și a aplica un algoritm de calcul al unghiului pentru a determina direcția etichetei. Unghiurile sunt calculate în două dimensiuni folosind rețeaua de antene de pe placă.

Figura 7: Kitul de explorare XPLR-AOA-1 include o etichetă (stânga) și o placă de antenă (dreapta) pentru a sprijini evaluarea Bluetooth AoA și AoD. (Sursa imaginii: u-blox)

Flexibilitatea kitului XPLR-AOA-1 permite proiectanților să exploreze o varietate de aplicații, cum ar fi:

• Detectarea apropierii unui obiect de o ușă
• Activarea unei camere pentru a urmări un activ care se deplasează într-o cameră
• Urmărirea mărfurilor care trec printr-o poartă sau trec printr-o anumită poziție
• Evitarea coliziunilor între roboți sau vehicule ghidate automat

În plus, se poate crea un sistem de poziționare mai complex folosind mai multe kituri XPLR-AOA-1 și triangulând direcțiile de la trei sau mai multe plăci de antene.

Rezumat

Bluetooth AoA și AoD pot oferi implementări RTLS precise și rentabile pentru Industria 4.0. Proiectanții pot alege dintre SoC-uri și module care includ software-ul necesar pentru a implementa rapid software-ul complex necesar pentru implementarea Bluetooth AoA și AoD. Aceste SoC-uri și module sunt optimizate pentru un consum redus de energie pentru a susține etichetele de localizare alimentate cu baterii și sunt concepute pentru a funcționa în medii industriale dificile.