Sådan udnytter du hurtigt Bluetooth AoA og AoD til indendørs logistiksporing

Realtidssporing af aktiver på lagre og fabrikker er et vigtigt aspekt af Industri 4.0. Der findes forskellige teknologier til implementering af RTLS-tjenester (Real-Time Location Services) til sporing af aktiver og forbedring af logistiksystemer. GPS-systemer (Global Positioning Systems) anvendes i vid udstrækning til udendørs RTLS-implementeringer, men signalerne er ikke altid tilgængelige inde i bygninger. Wi-Fi er et andet valg, men det har en tendens til at have begrænset nøjagtighed, kræver meget strøm og kan være dyrt at installere. Radiofrekvensidentifikation (RFID) har lav effekt og god nøjagtighed, men er ofte dyr. Industri 4.0 RTLS-installationer anvender i stigende grad Bluetooth 5.1-retningsbestemmelsesteknikker, fordi de kombinerer indendørs positionering med høj præcision plus lavt strømforbrug, lave omkostninger til Bluetooth-hardware og lave omkostninger til implementering.

Det kan være fristende for udviklere at designe Bluetooth RTLS-systemer fra bunden. Desværre er det en udfordring at få radiofrekvens (RF) i fase og kvadratur (IQ) information om ankomstvinklen (AoA) og afgangsvinklen (AoD), som er nødvendig for at beregne en transceivers position ud fra RF-signalet, og det kræver integration af flere antenner. Selv hvis AoA- og AoD-dataene kan opfanges, kan placeringsberegningerne kompliceres af mange faktorer, herunder multipath-formidling, signalpolarisering, spredningsforsinkelser, jitter, støj og meget mere, før placeringen af det objekt, der spores, kan bestemmes nøjagtigt.

I stedet kan designere henvende sig til trådløse Bluetooth-systemer på chips (SoC'er), RF-moduler og antenner til brug i Industry 4.0 RTLS-applikationer. I denne artikel gennemgås kort de forskellige RTLS-teknologiers afvejninger af ydeevne og beskrives det, hvordan Bluetooth AoA- og AoD-positionering implementeres. Derefter præsenteres Bluetooth SoC'er og RF-moduler, der indeholder den software, der er nødvendig for hurtigt at implementere AoA- og AoD-baseret RTLS, samt relaterede antenner fra Silicon Labs og u-blox. Der præsenteres også evalueringssæt, der kan fremskynde markedsføringen yderligere.

De mest almindeligt anvendte indendørs RTLS-teknologier implementeres ved hjælp af Wi-Fi og Bluetooth (tabel 1):

• Wi-Fi-fingeraftryk anvender en database med placering og base stations-ID (BSSID) for hvert Wi-Fi-adgangspunkt (AP) i en bygning. Et aktivmærke scanner Wi-Fi-miljøet og rapporterer listen over Wi-Fi-AP'er og deres tilknyttede signalstyrker. Databasen fra undersøgelsen bruges derefter til at estimere den sandsynlige position for mærket. Denne teknik understøtter ikke RTLS med høj præcision.
• Wi-Fi Time of Flight (ToF ) er mere nøjagtig. Den måler den tid, det tager for Wi-Fi-signaler at rejse mellem enheder. ToF kræver en tæt udrulning af AP'er for at forbedre RTLS' nøjagtighed. Både ToF- og fingeraftryksmåling har høje apparatomkostninger og et stort energikrav.
• Bluetooth RSSI-indikatoren (received signal strength indicator ) understøtter RTLS ved at gøre det muligt for enhederne at bestemme deres omtrentlige afstand til nærliggende Bluetooth-baketter ved at sammenligne den modtagne signalstyrke med kendte positioner for baketter. RSSI bruger mindre energi og er billigere end Wi-Fi-fingerprinting eller ToF, men den har begrænset nøjagtighed. Dens nøjagtighed kan yderligere reduceres af miljøfaktorer som f.eks. fugtighedsniveauer og robotter eller mennesker, der bevæger sig rundt i et anlæg og forstyrrer Bluetooth-signalniveauerne.
• Bluetooth AoA er den nyeste og mest præcise indendørs RTLS-teknologi. Ud over at give høj nøjagtighed bruger den relativt lidt strøm og er billig. Det er dog mere kompliceret at implementere i forhold til de andre alternativer.

Tabel 1: Indendørs RTLS kan implementeres ved hjælp af forskellige Wi-Fi- og Bluetooth-teknikker, der giver et kompromis mellem nøjagtighed, strømforbrug og omkostninger. (Kilde til tabellen: u-blox)

Bluetooth AoA- og relaterede AoD-løsninger, RTLS-løsninger er afhængige af antennerækker til at estimere et aktivs position (figur 1). I en AoA-løsning sender aktivet et specifikt pejlesignal fra en enkelt antenne. Modtageenheden har et antennerækken og måler signalfasedifferencen mellem de forskellige antenner, som skyldes de forskellige afstande mellem hver antenne og aktivet. Modtageren får IQ-informationer ved at skifte mellem de aktive antenner i rækken. IQ-dataene bruges derefter til at beregne aktivets placering. I en AoD-løsning sender lokaliseringsfyret, som lokaliseringsstedet skal bestemmes til, signalet ved hjælp af flere antenner i en række, og modtagerenheden har en enkelt antenne. Den modtagende enhed bruger flere signaler til at bestemme IQ-dataene og vurdere dens position. AoA bruges ofte til at spore aktivers position, mens AoD er den foretrukne teknik til at gøre det muligt for robotter at bestemme, hvor de befinder sig i et anlæg med god nøjagtighed og lav latenstid.

Figur 1: Antennerækker danner grundlaget for Bluetooth AoA- og AoD RTLS-implementeringer. (Billedkilde: Silicon Labs)

Det grundlæggende koncept for AoA-baseret RTLS-sporing er ligetil: Θ = arccos x ((faseforskel x bølgelængde) / (2 π x afstand mellem antennerne)) (Figur 2). Implementeringer i den virkelige verden er mere komplicerede og skal tage højde for signaludbredelsesforsinkelser forårsaget af miljøvariabler, multipath-signaler, varierende signalpolarisering og andre faktorer. Når antennerne anvendes i en række, kan de desuden opleve gensidig kobling og påvirke hinandens responser. Endelig kan det være en stor udfordring at udvikle de algoritmer, der er nødvendige for at tage hensyn til alle disse variabler og effektivt implementere dem i en tidskritisk løsning i et ressourcebegrænset indlejret miljø. Heldigvis for udviklerne omfatter komplette Bluetooth AoA- og AoD-løsninger IQ-dataindsamling og -forbehandling, undertrykkelse af multipath-komponenter, kompensation for miljøfaktorer og gensidig kobling mellem antenner.

Figur 2: Ligningen til bestemmelse af AoA (øverst til højre) anvender fasedifferencen mellem de indkommende signaler, signalbølgelængden og afstanden mellem tilstødende antenner. (Billedkilde: u-blox)

SoC'er til Bluetooth AoA og AoD

Udviklere kan henvende sig til SoC'er som EFR32BG22C222F352GN32-C fra Silicon Labs for at implementere Bluetooth 5.2-netværk og AoA og AoD. Denne SoC er en del af EFR32BG22 Wireless Gecko-familien, der omfatter en 32-bit Arm® Cortex®-M33-kerne med en maksimal driftsfrekvens på 76,8 MHz samt en energieffektiv 2,4 GHz-radiokerne med lav aktiv- og dvale-strøm og en integreret effektforstærker med op til 6 dBm (6 decibelmeter) sendeeffekt (TX) i en QFN32-pakning på 4 × 4 × 0,85 mm (4 × 4 × 0,85 millimeter) (figur 3). De omfatter sikker opstart med root of trust og sikker loader (RTSL). Yderligere sikkerhedsfunktioner omfatter hardware-kryptografisk acceleration for AES128/256, SHA-1, SHA-2 (op til 256-bit), ECC (op til 256-bit), ECDSA og ECDH samt en TRNG-generator (True Random Number Generator), der er i overensstemmelse med NIST SP800-90 og AIS-31. Derudover har disse SoC'er, afhængigt af modellen, op til 512 kB flash og 32 kB RAM og fås i QFN40- og TQFN32-pakker på 5 × 5 × 5 × 0,85 mm og 4 × 4 × 0,30 mm ud over QFN32.

Figur 3: EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth SoC'er, der understøtter AoA og AoD, fås i en 4 × 4 × 0,85 mm QFN32-pakke (Billedkilde: Silicon Labs)

BG22-RB4191A wireless pro kit indeholder et pejle-radiokort baseret på 2,4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC og et antennemæssigt array optimeret til præcis pejling, der kan fremskynde udviklingen af Bluetooth 5.1-baserede RTLS-applikationer ved hjælp af AoA- og AoD-protokoller (figur 4). Mainboardet har flere værktøjer til nem evaluering og udvikling af trådløse applikationer, herunder:

• Onboard J-Link debugger til programmering og debugging på målenheden via Ethernet eller USB
• Måling af strøm og spænding i realtid ved hjælp af den avancerede energimåler
• Virtuel COM-port-interface giver en seriel portforbindelse via Ethernet eller USB
• Grænsefladen til sporing af pakker giver debug-informationer om modtagne og transmitterede trådløse datapakker

Figur 4: BG22-RB4191A wireless pro kit med EFR32BG22 Wireless Gecko SoC og et antennerækken kan fremskynde udviklingen af AoA- og AoD RTLS-applikationer. (Billedkilde: Silicon Labs)

Moduler til Bluetooth AoA og AoD

u-blox tilbyder Bluetooth-moduler med og uden integrerede antenner, der understøtter AoA og AoD. For applikationer, der har fordel af et modul uden integreret antenne, kan designere henvende sig til NINA-B41x-serien, f.eks. NINA-B411-01B, der er baseret på Nordic Semiconductors nRF52833 IC (figur 5). Disse moduler omfatter en integreret RF-kerne og Arm® Cortex®-M4 med en floating point-processor og fungerer i alle Bluetooth 5.1-tilstande, herunder AoA og AoD. Med et driftstemperaturområde fra -40 til +105 grader Celsius (°C) er disse moduler velegnede til RTLS-applikationer i industrielle miljøer. Desuden gør deres indgangsspændingsområde på 1,7 til 3,6 V dem anvendelige i batteridrevne systemer med en enkeltcellebatteri.

Figur 5: Modulerne i NINA-B41x-serien understøtter kompakte RTLS-løsninger, der bruger eksterne antenner. (Billedkilde: DigiKey)

NINA-B40x-serien fra u-blox, som f.eks. NINA-B406-00B, omfatter en intern PCB-sporantenne integreret i modulets PCB på 10 x 15 x 2,2 mm (Figur 6). NINA-B406-moduler kan levere en udgangseffekt på op til +8 dBm. Ud over understøttelse af Bluetooth 5.1-tilstande, herunder AoA og AoD, understøtter disse moduler 802.15.4-protokoller (Thread og Zigbee) og nordiske egne 2,4 GHz-protokoller, hvilket gør det muligt for designere at standardisere et enkelt modul til en lang række IoT-enhedsdesigns.

Figur 6: AoA- og AoD-applikationer, der har fordel af en integreret antenne, kan bruge modulerne i NINA-B40x-serien. (Billedkilde: DigiKey)

For at fremskynde markedsføringen kan designere bruge XPLR-AOA-1 explorer-kittet fra u-blox, der giver mulighed for at eksperimentere med Bluetooth 5.1 retningsbestemmelsesfunktionen og understøttelse af AoA- og AoD-funktioner. Dette opdagelsessæt indeholder et tag og et antennekort med et NINA-B411 Bluetooth LE-modul (Figur 7). Tagget er bygget op omkring et NINA-B406 Bluetooth-modul og indeholder software til at sende Bluetooth 5.1-reklamebeskeder. Antennekortet er designet til at modtage beskederne og anvende en algoritme til beregning af vinkler for at bestemme tagets retning. Vinklene beregnes i to dimensioner ved hjælp af antennerne på kortet.

Figur 7: XPLR-AOA-1-undersøgelsessættet omfatter et tag (til venstre) og et antennekort (til højre) til støtte for evaluering af Bluetooth AoA og AoD. (Billedkilde: u-blox)

Fleksibiliteten i XPLR-AOA-1-sættet gør det muligt for designere at udforske en række forskellige anvendelser, f.eks:

• Registrering af, om en genstand nærmer sig en dør
• Aktivering af et kamera til at følge et aktiv, der bevæger sig i et rum
• Sporing af varer, der passerer gennem en port eller forbi en bestemt position
• Undgå kollisioner mellem robotter eller automatiserede guidede køretøjer

Derudover kan der oprettes et mere komplekst positioneringssystem ved hjælp af flere XPLR-AOA-1-sæt og ved at triangulere retningerne fra tre eller flere antennekort.

Sammenfatning

Bluetooth AoA og AoD kan give nøjagtige og omkostningseffektive RTLS-implementeringer til Industri 4.0. Designere, der kan vælge mellem SoC'er og moduler, der indeholder den software, der er nødvendig for hurtigt at implementere den komplekse software, der kræves for at implementere Bluetooth AoA og AoD. Disse SoC'er og moduler er optimeret til lavt strømforbrug for at understøtte batteridrevne lokationsmærker og er designet til at fungere i barske industrielle miljøer.