DKK | EUR | USD

Få præcis, low-power indendørs real-time aktiv tracing ved hjælp af Bluetooth Direction Finding

Af Bill Giovino

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Fabrikker, lagre og fremstillingsfaciliteter bruger i stigende grad tags til at udføre realtidssporing af aktiver. Dataene er derefter typisk integreret i et passende cloud-baseret Industrial Internet of Things (IIoT) lagerstyringssystem for at muliggøre fjernsporing af aktiver. Problemet er, at bortset fra NFC afhænger de fleste aktivsporingsløsninger af tags, der kører på batterier, hvilket kræver at holde strømforbruget så lavt som muligt. Derudover kan nogle af løsningerne være upålidelige og unøjagtige, når de bruges indendørs.

For eksempel er GPS-tags upålidelige indendørs, især i stål- og betonbygninger. Klassiske Bluetooth-lokaliseringssystemer er baseret på oplysninger om modtagne signalstyrkeindikatorer (RSSI), som, selv om de er nyttige, ofte ikke opfylder designernes nøjagtighedskrav. Det, der er brug for, er en pålidelig, omkostningseffektiv, præcis, batteridrevet trådløs aktivsporingsløsning, der kan bruges indendørs, men samtidig muliggør lang batterilevetid.

For at imødegå disse udfordringer vil denne artikel beskrive Bluetooth 5.1 Direction Finding-protokollen, og hvordan den fungerer. Artiklen vil derefter introducere et omkostningseffektivt Bluetooth-modul fra Silicon Labs, der understøtter denne protokol og viser, hvordan det kan opfylde både nøjagtigheds- og laveffektkravene i et IIoT-lagerstyringssystem.

Hvad er aktiv tracing, og hvorfor er det nødvendigt for IIoT?

Avancerede IIoT lagerstyringssystemer kræver realtidssporing af aktiver fra skyen overalt i verden. Store lagre, der opbevarer produkter og udstyr af høj værdi, kan kræve placeringsaktivmærker til lagerstyring og tyverisikring. Dette giver menneskelige lagerarbejdere såvel som automatiseret plukningsudstyr mulighed for hurtigt og effektivt at finde en vare og forberede den til forsendelse. Til lagerstyring kan aktivers eksistens og placering let bestemmes og specificeres til regelmæssige statusrapporter. Dette er en mere pålidelig metode til at levere lagerstatus end manuelt at gennemse forsendelsesmanifest, der sporer indgående og udgående aktiver.

Udover IIoT lagerstyringssystemer anvendes lokal tracking af aktiver i realtid i tyverisikringssystemer. Hvis en vare på et lager ikke er planlagt til forsendelse, kan IIoT-systemet advare sikkerhed, hvis det trackkes i nærheden af en udgang. Realtids aktiv trackking kan også fremskynde service og levering i en tid, hvor levering næste dag hurtigt udvikler sig til forventninger om levering samme dag.

For aktiv trakking i volumen skal aktiv placeringskoden være omkostningseffektiv og have lang batterilevetid. NFC-tags bruger ikke batterier, men kræver, at modtageren er inden for 20 centimeter (cm) fra taggen, hvilket begrænser deres anvendelighed. GPS-trackere er upålidelige indendørs, da satellitsporingssignalerne kan blokeres, især af stål- og betonkonstruktioner.

En populær aktiv trackkingløsning er afhængig af Bluetooths funktion for beacon-placering. Dette trackker placeringen af et mærke ved at sammenligne en referencesignalstyrke kodet i beaconstyrke med signalstyrken for det modtagne signal. Beacon'et placering trianguleres derefter ved hjælp af tre eller flere modtagere for at få en tilnærmelse af beacon'et placering. Denne fremgangsmåde giver imidlertid ikke den nøjagtighed, der kræves til lagerstyringssystemer. Derudover kan placeringsnøjagtigheden påvirkes af ændringer i fugtighed såvel som bevægelige genstande som gaffeltrucks, arbejdere og døre.

Bluetooth-retning

Løsningen er at finde Bluetooth-retning, en funktion inkluderet i Bluetooth 5.1-specifikationen.

Bluetooth-retningsfinding triangulerer placeringen af et batteridrevet aktivmærke baseret på faseskiftet for det modtagne signal ved to eller flere antenner. Som et resultat er den nøjagtig til mindre end en meter (m) og er en omkostningseffektiv lokalitetssporingsløsning, der kan bruges pålideligt indendørs, samtidig med at det muliggør års drift af et enkelt møntcellebatteri.

I Bluetooth-retningsfinding tilføjes et nyt signal kaldet en kontinuerlig toneudvidelse (CTE) til standard Bluetooth-pakken. CTE er en kontinuerlig tone sendt over en frekvens beregnet til at være Bluetooth-frekvensen +250 Hz. Da CTE er uafhængig af de almindelige Bluetooth-beskedpakker, forstyrrer eller forsinker det ikke disse pakker. Dette gør det muligt for de modtagende antenner at opnå en kontinuerlig, uafbrudt løsning i realtid, hvilket løser problemet med realtidsplacerings trackking

Ankomstvinkel og afgangsvinkel

Bluetooth-retningsfinding bruger to typer faseforskydning, antenne-baserede lokaliserings-detekteringsmekanismer, kaldet ankomstvinkel (AoA) og afgangsvinkel (AoD) (figur 1). AoA bruges, når eksterne systemer skal holde styr på individuelle tags. Et aktiv mærke, der indeholder et kompatibelt Bluetooth 5.1- eller nyere modul, sender en CTE. En Bluetooth-modtager i basestationen med to antenner modtager det ankomne signal. Modtageren bruger faseforskellen mellem de to samplede signaler modtaget af antennerne til at beregne afstanden til det aktive mærke via triangulering.

Diagram over AoA og AoD metoder til at finde retning (klik for at forstørre)Figur 1: I AoA-metoden til retningsfinding (til venstre) udsender et aktiv mærke sit signal til en Bluetooth AoA-basestationslokator, som måler signalets ankomstvinkel på to eller flere antenner for at bestemme mærkningens placering. Med AoD-metoden (til højre) sender Bluetooth-basestationer beacons til aktivkoder, der beregner deres egen position. (Billedkilde: Silicon Labs)

For at forhindre samplingsfejl på grund af aliasing skal afstanden mellem de to modtagende antenner svare til bølgelængden af Nyquist-frekvensen for det modtagne signal, som er bølgelængden for det modtagne signal divideret med to. Et Bluetooth-signal på ca. 2,4 gigahertz (GHz) svarer til en bølgelængde på 12,5 cm, så afstanden mellem de to antenner skal være 6,25 cm eller mindre. Ved hjælp af faseforskellen mellem signalerne ved de to antenner, den kendte faste afstand mellem de to antenner og den kendte konfiguration af de to antenner, kan afstanden til det aktive mærke beregnes.

Hvis der anvendes en ekstra antennem-odtagelsesenhed med to antenner med samme konfiguration som den første enhed, kan den nøjagtige placering af aktivmærket i 3D-rummet bestemmes.

AoD-metoden bruges, når det aktive mærke skal holde styr på sin egen placering. I AoD-metoden er tagget Bluetooth-modtageren, og basestationen med flere antenner er Bluetooth-senderen. Basestationen transmitterer en CTE fra hver antenne. Modtagerfirmwaren kender antallet af antenner, den kendte faste afstand mellem hver antenne, den kendte konfiguration af de mange antenner og bruger faseforskellene mellem de modtagne signaler til at beregne sin egen placering.

For et IIoT-lagerstyringssystem i et lager, ville de batteridrevne aktivmærker, der var knyttet til kasser eller containere, bruge AoA, mens gaffeltrucks eller automatiseret pick and pack-udstyr ville bruge AoD. Gaffeltrucks og andet automatiseret pick & pack-udstyr er tungt og ikke batteribevidst, så de kan overføre deres placering via Wi-Fi til det vigtigste IIoT-hub. Alt dette kan spores i realtid i et IIoT cloud-interface.

Bluetooth-retningsfindingsmoduler med lav effekt

For lav-effekt Bluetooth 5.2 retningsfindingsapplikationer har Silicon Labs introduceret BGM220 Bluetooth-modulfamilie, som er specificeret til at give en 10-årig batterilevetid på en enkelt møntcelle. BGM220PC22HNA2 versionen er et Bluetooth 5.2 transceiver-modul med et fodaftryk på 12,9 x 15,0 millimeter (mm) og en profil på 2,2 mm (figur 2). Det kræver en 1,8 til 3,8 volt strømforsyning, hvilket gør det passende til applikationer, der kan køre 3,0 volt lithium-møntceller med lang levetid samt større genopladelige 3,6 volt lithium-ion (Li-ion) celler til mobile enheder. Det kan fungere over -40 ° C til +105 ° C, hvilket gør det særligt velegnet til barske miljøer som fabrikker og industrielle lagre.

Billede af Silicon Labs BGM220PC22HNA2 er et kompakt Bluetooth 5.2-modulFigur 2: BGM220PC22HNA2 er et kompakt Bluetooth 5.2-modul, der understøtter Bluetooth-retningsfinding i op til 10 år på et enkelt møntcellebatteri med lang levetid. (Billedkilde: Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2's radio fungerer i 2,4 GHz-båndet og udsender 8 decibel henvist til 1 milliwatt (mW) (dBm). Modulet indeholder alle nødvendige afkoblings-kondensatorer og induktorer samt 38,4 megahertz (MHz) og 32,768 kilohertz (kHz) oscillatorer samt en integreret keramisk chipantenne (figur 3). Modulet er baseret på en Arm® Cortex®-M33-kerne understøttet af 512 kilobytes (Kbytes) flash og 32 Kbytes RAM.

Diagram over Silicon Labs BGM220PC22HNA2 Bluetooth-modul (klik for at forstørre)Figur 3: BGM220PC22HNA2 Bluetooth-modulet har alt, hvad der er nødvendigt for at understøtte en selvstændig Bluetooth-retningssøgning, inklusive en 2,4 GHz-radio, hukommelse, en Arm Cortex-M33-processor og en ADC. (Billedkilde: Silicon Labs)

Eksterne enheder, der er tilgængelige til tilpasning af firmware, inkluderer en 76,9 kilosamples pr. sekund (kSPS) 16-bit analog-til-digital-konverter (ADC), der også kan konfigureres til at fungere som en 12-bit 1.000 kSPS ADC. Op til 24 I/O-ben er tilgængelige til firmwaretilpasning. Fire 16-bit timere og en 32-bit timer er tilgængelige til timing af firmware-events To I2C-interfaces har adgang til eksterne enheder. BGM220P inkluderer også to multifunktionelle USART'er, der uafhængigt kan konfigureres som UART, SPI, smartcard-interface, IrDA eller I2S. Dette muliggør fleksibilitet i valget af serielle interfaces, mens antallet af ben sænkes.

Når du bruger BGM220PC22HNA2 i et Bluetooth-retnings søgnemærke, skal applikationen kun bruge de nødvendige perifere enheder og slukke for strømmen til de ubrugte for at forlænge batteriets levetid. En minimal aktiv tagskonfiguration ville kun indeholde BGM220PC22HNA2 med et 3,0 volt batteri i et ikke-metalhus, der ikke interfererer med transmission af Bluetooth-signaler. Eksterne switche kunne tilsluttes til I/O-ben til boottilpasning, f.eks. Indstilling af identifikation af individuelle tags. En eller flere eksterne LED'er kunne tilsluttes, men designere skal være forsigtige her, da hver LED er et ekstra afløb på batteriet. Ideelt set ville LED'erne kun blive brugt under konfiguration.

Udvikling af Bluetooth-retnings søgningsprogrammer

Til applikationsudvikling med Bluetooth-retningssøgning leverer Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P Trådløs Gecko Bluetooth-modulstartsæt (Figur 4). Det inkluderer et plug-in radiokort, der er et bærerkort til et BGM220P-modul. I midten af korttet er der en 128 x 128 LCD-skærm, der viser Silicon Labs-logoet med ekstra tekst.

Under LCD-displayet er der to firmware-programmerbare trykknapper. LCD'et kan bruges under udvikling til at vise statusinformation og trykknapperne til at kontrollere firmwarestrømmen. Fejlfinding understøttes via USB-stikket. Yderligere stik er tilgængelige til at understøtte Silicon Labs 'energiovervågningssoftware, så applikationen kan finjusteres til kun at trække den minimalre nødvendige strøm.

Billede af Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P startsætFigur 4: SLWSTK6103A BGM220P startersæt indeholder alt, hvad der er nødvendigt for at udvikle firmware til et BGM220P-modul til understøttelse af Bluetooth-retning. (Billedkilde: Silicon Labs)

SLWSTK6103A har også en temperatur- og fugtighedsføler. For et Bluetooth-retnings findie mærke kan miljøsensorer være knyttet til et I2 C-interface til at overvåge forholdene omkring aktive mærke og sende en alarm via Bluetooth, hvis forholdene overstiger forprogrammerede tærskler. Yderligere I/O- og perifere ben føres ud til headerstik. Startersættet kan drives af en ekstern USB-forbindelse eller et møntcellebatteri.

Konklusion

Realtids aktiv trackking i IIoT-lagerstyringssystemer kræver en nøjagtig, pålidelig og omkostningseffektiv løsning med er lille og lavt strømforbrug. Som vist kan retningsfindingsfunktionen i Bluetooth 5.1-specifikationen hurtigt integreres i et aktiv mærke ved hjælp af hyldemoduler for at give den krævede grad af lokalitetssporingsfunktion og ydeevne i realtid.

Yderligere læsning

  1. Brug Bluetooth 5.1-aktiverede platforme til præcis aktiv trackking og indendørs positionering - del 1
  2. Brug en avanceret Bluetooth 5.2 SoC til at opbygge sikre IoT-enheder med lav effekt

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.

Om denne forfatter

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.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører