NOK | EUR | USD

Få nøyaktig, lavt strømforbruk innendørs poring av eiendeler i sanntid ved hjelp av Bluetooth retningspeiling (direction finding)

Av Bill Giovino

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Fabrikker, lagre og produksjonsanlegg bruker i økende grad merker (tags) for å utføre sporing av eiendeler i sanntid. Dataene er deretter vanligvis integrert i et egnet IIoT-lagerstyringssystem (Industrial Internet of Things) for å tillate fjernsporing av eiendeler. Problemet er at, bortsett fra NFC, er de fleste sporingsløsninger avhengige av merker (tags) som kjører på batterier, noe som krever at strømforbruket holdes så lavt som mulig. I tillegg kan noen av løsningene være upålitelige og unøyaktige når de brukes innendørs.

GPS-merker er for eksempel upålitelige innendørs, spesielt i stål- og betongbygninger. Klassiske Bluetooth-plasseringssystemer (lokaliseringssystemer) er basert på informasjon fra RSSI-indikatoren (received signal strength indicator), som – selv om den er nyttig, ofte ikke oppfyller utviklernes krav til nøyaktighet. Det som trengs er en pålitelig trådløs sporing av eiendeler som er kostnadseffektiv, nøyaktig og batteridrevet som kan brukes innendørs, men som likevel muliggjør lang batterilevetid.

For å møte disse utfordringene vil denne artikkelen beskrive Bluetooth 5.1 retningspeilingsprotokollen (Direction Finding-protokollen) og hvordan den fungerer. Artikkelen vil deretter introdusere en kostnadseffektiv Bluetooth-modul fra Silicon Labs som støtter denne protokollen og viser hvordan den kan oppfylle både kravene til nøyaktighets og lavt energiforbruk for et IIoT-lagerkontrollsystem.

Hva er sporing av eiendeler og hvorfor er det nødvendig for IIoT?

Avanserte IIoT-lagerstyringssystemer krever sanntidssporing av eiendeler over skyen, fra hvor som helst i verden. Store lagre som lagrer produkter og utstyr med høy verdi, kan kreve eiendelsmerker for lokalisering (location asset tags) for lagerkontroll og tyverisikring. Dette gjør det mulig for lagerarbeidere i tillegg til automatisert plukkeutstyr å raskt og effektivt finne en vare og forberede den for forsendelse. For lagerstyring kan eksistensen og plasseringen av eiendeler enkelt bestemmes og spesifiseres for regelmessige statusrapporter. Dette er en mer pålitelig metode for å gi lagerstatus enn manuell gjennomgang av fraktmanifester som sporer innkommende og utgående eiendeler.

I tillegg til IIoT-lagerstyringssystemer brukes sanntidssporing av eiendeler i tyverisikringssystemer. Hvis en vare på et lager ikke er planlagt for forsendelse, kan IIoT-systemet sende sikkerhetsvarsler hvis den spores nær en utgang. Plassering av eiendeler i sanntid kan også fremskynde service og levering i en tid hvor levering neste dag raskt utvikler seg til forventninger om levering samme dag.

For sporing av eiendeler i volum må posisjonsmerket (location tag) være kostnadseffektivt og ha lang batterilevetid. NFC-tagger bruker ikke batterier, men krever at mottakeren er innenfor 20 cm fra merket, noe som begrenser egnetheten. GPS-sporingsenheter er upålitelige innendørs, da satellittsporingssignalene kan blokkeres, spesielt av stål- og betongkonstruksjoner.

En populær løsning for sporing av eiendeler er avhengig av lokaliseringsfunksjon fra Bluetooths nettvarde (beacon). Dette sporer plasseringen av en tagg ved å sammenligne en referansesignalstyrke kodet i nettvarde-meldingen (beacon message) med signalstyrken til det mottatte signalet. Nettvardens (beacon) plassering trianguleres deretter ved hjelp av tre eller flere mottakere for å få en tilnærming av nettvardens plassering. Denne tilnærmingen gir imidlertid ikke den presisjonen som kreves for lagerstyringssystemer. I tillegg kan lokaliseringsnøyaktigheten påvirkes av endringer i fuktighet, så vel som av bevegelige gjenstander som gaffeltrucker, arbeidere og dører.

Bluetooth-retningspeiling

Løsningen er Bluetooth-retningssøk, en funksjon som er inkludert i Bluetooth 5.1-spesifikasjonen.

Bluetooth-retningspeiling triangulerer plasseringen av et batteridrevet eiendelsmerke (asset tag) basert på faseendringen av det mottatte signalet ved to eller flere antenner. Som et resultat er den nøyaktig til mindre enn én meter og er en kostnadseffektiv løsning for lokaliseringssporing som kan brukes pålitelig innendørs, samtidig som den muliggjør flere års drift fra et enkelt knappcellebatteri.

I Bluetooth-retningspeiling legges et nytt signal kalt en kontinuerlig toneutvidelse (CTE) til standard Bluetooth-reklamepakke. CTE er en kontinuerlig tone sendt over en frekvens beregnet til å være Bluetooth-frekvensen + 250 Hz. Fordi CTE er uavhengig av de vanlige Bluetooth-meldingspakkene, forstyrrer eller forsinker den ikke disse pakkene. Dette gjør det mulig for mottakerantennene å oppnå en kontinuerlig, uavbrutt utbedring i sanntid, noe som løser problemet med lokaliseringssporing i sanntid.

Ankomstvinkel og utgangsvinkel

Bluetooth-retningspeiling bruker to typer faseforskyvninger, antennebaserte mekanismer for lokaliseringsdeteksjon, referert til som ankomstvinkel (AoA) og utgangsvinkel (AoD) (figur 1). AoA brukes når eksterne systemer må holde oversikt over individuelle merker (tags). Et eiendelsmerke som inneholder en kompatibel Bluetooth 5.1-modul eller nyere, sender en CTE. En Bluetooth-mottaker i basestasjonen med to antenner mottar det ankommende signalet. Mottakeren bruker faseforskjellen mellom de to samplede signalene mottatt av antennene til å beregne avstanden til eiendelsmerket via triangulering.

Skjema over AoA- og AoD-metoder for å finne retning (klikk for å forstørre)Figur 1: I AoA-metoden for retningssøking (venstre) sender et eiendelsmerke signalet til en Bluetooth AoA-basestasjonslokalisator som måler signalets ankomstvinkel ved to eller flere antenner for å bestemme merkets plassering. Med AoD-metoden (til høyre) sender Bluetooth-basestasjoner nettvarder (beacons) til eiendelsmerkene, som beregner sin egen posisjon. (Bildekilde: Silicon Labs)

For å unngå samplingsfeil på grunn av alias-effekt (aliasing), må avstanden mellom de to mottakerantennene tilsvare bølgelengden til Nyquist-frekvensen til det mottatte signalet, som er bølgelengden til det mottatte signalet delt på to. Et Bluetooth-signal på ca. 2,4 gigahertz (GHz) tilsvarer en bølgelengde på 12,5 cm, så avstanden mellom de to antennene må være 6,25 cm eller mindre. Ved hjelp av faseforskjellen mellom signalene ved de to antennene, den kjente faste avstanden mellom de to antennene og den kjente konfigurasjonen av de to antennene – kan avstanden til eiendelsmerket beregnes.

Hvis en ekstra antennemottakerenhet brukes med to antenner av samme konfigurasjon som den første enheten, kan den nøyaktige plasseringen av eiendelsmerket for lokalisering i tredimensjonale rom bestemmes.

AoD-metoden brukes når eiendelsmerket må holde oversikt over sin egen plassering. I AoD-metoden er taggen Bluetooth-mottakeren og basestasjonen med flere antenner er Bluetooth-senderen. Basestasjonen overfører en CTE fra hver antenne. Mottakerens firmware kjenner antall antenner, den kjente faste avstanden mellom hver antenne, den kjente konfigurasjonen av de flere antennene, og bruker faseforskjellene mellom de mottatte signalene til å beregne sin egen plassering.

For et IIoT-lagerkontrollsystem på et lager ville de batteridrevne eiendelskodene som er festet til bokser eller beholdere bruke AoA, mens gaffeltrucker eller automatisert plukk- og pakkeutstyr ville bruke AoD. Gaffeltrucker og annet automatisert plukk- og pakkeutstyr er tunge og ikke batteribevisste, slik at de kan overføre sin plassering via Wi-Fi til IIoT-hovedhubben. Alt dette kan spores i sanntid i et IIoT-skygrensesnitt.

Bluetooth-retningspeiling med lavt energiforbruk

For utrustninger med Bluetooth 5.2-retningspeiling med lavt energiforbruk med lav effekt har Silicon Labs introdusert BGM220 Bluetooth-modulfamilien, som er spesifisert for å gi en 10-års batterilevetid på ett enkelt knappcellebatteri med lang levetid. BGM220PC22HNA2-versjonen er en Bluetooth 5.2 transceivermodul med et fysisk størrelse på 12,9 x 15,0 mm og en høyde (profil) på 2,2 mm (figur 2). Den krever en strømforsyning på 1,8–3,8 volt, noe som gjør den egnet for anvendelser som kan utløse litiummyntceller med lang levetid på 3,0 volt, samt større oppladbare litium-ion-celler på 3,6 volt (Li-ion) for mobile forbrukerenheter. Den kan brukes i temperaturer på -40 °C til +105 °C, noe som gjør den spesielt egnet til tøffe miljøer som fabrikker og industrilagre.

Bilde av Silicon Labs BGM220PC22HNA2 er en kompakt Bluetooth 5.2-modulFigur 2: BGM220PC22HNA2 er en kompakt Bluetooth 5.2-modul som støtter Bluetooth-retningspeiling i opptil 10 år på et knappcellebatteri med lang levetid. (Bildekilde: Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2-radioen opererer i 2,4 GHz-båndet og gir 8 desibel per 1 milliwatt (mW) (dBm). Modulen omfatter alle nødvendige frakoblingskondensatorer og induktorer, i tillegg til 38,4 megahertz (MHz) og 32,768 kilohertz (kHz) oscillatorer og en integrert keramisk brikkeantenne (chip-antenne) (figur 3). Modulen er basert på en Arm® Cortex®-M33-kjerne støttet av 512 kilobyte (Kbyte) flash og 32 Kbyte RAM.

Skjema over Silicon Labs sin BGM220PC22HNA2 Bluetoothmodul (klikk for å forstørre)Figur 3: BGM220PC22HNA2 Bluetooth-modulen har alt som trengs for å støtte et frittstående merke (tag) for Bluetooth-retningspeiling, inkludert en 2,4 GHz-radio, minne, en Arm Cortex-M33-prosessor og en A-D-omformer (ADC). (Bildekilde: Silicon Labs)

Ekstrautstyr som er tilgjengelig for fastvaretilpasning inkluderer en 76,9 kilosamples per sekund (kSPS) 16-bits analog-til-digital-omformer (ADC) som også kan konfigureres til å fungere som en 12-bits 1000 kSPS ADC. Opptil 24 I/O-pinner (inngang-/utgangspinner) er tilgjengelig for firmwaretilpasning. Fire 16-biters timere og en 32-biters timer er tilgjengelige for timing av firmwarehendelser. To I2C-grensesnitt kan få tilgang til eksternt periferiutstyr. BGM220P inkluderer også to multifunksjonelle USART-er som kan konfigureres uavhengig som en UART, SPI, smartkort-grensesnitt, IrDA, eller I2S. Dette tillater fleksibilitet i valget av serielle grensesnitt mens pinntallet senkes.

Når du bruker BGM220PC22HNA2 i et eiendelsmerke for Bluetooth-retningspeiling, bør utrustningen kun bruke de nødvendige periferiutstyrene, og slå av strømmen til de ubrukte enhetene for å forlenge batterilevetiden. En minimal konfigurasjon av eiendelsmerker inneholder bare BGM220PC22HNA2 med et 3.0-volts batteri i et hus (av annet materiale enn metall) som ikke forstyrrer overføringen av Bluetooth-signaler. Eksterne brytere kan kobles til I/O-pinner (inngangs-/utgangspinner) for oppstartstilpasning, for eksempel innstilling av identifikasjon av individuelle koder. En eller flere eksterne lysdioder kan festes, men konstruktører må være forsiktige her da hver lysdiode er en ekstra forbruker på batteriet. Ideelt sett vil lysdiodene bare brukes under konfigurasjon.

Utvikling av programmer for retningspeiling med Bluetooth

For applikasjonsutvikling med Bluetooth-retningspeiling lever Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module-oppstartssettet (figur 4). Den inkluderer et plugin-radiokort som er et bærerkort for en BGM220P-modul. I midten av kortet er en 128 x 128 LCD-skjerm, vist som viser Silicon Labs-logoen med ytterligere tekst.

Under LCD-skjermen er det to firmware-programmerbare trykknapper. LCD-skjermen kan brukes under utvikling til å vise statusinformasjon, og trykknappene for å kontrollere firmwareflyten. Feilsøking støttes over USB-kontakten. Ytterligere kontakter er tilgjengelige for å støtte Silicon Labs energiovervåkingsprogramvare, slik at applikasjonen kan finjusteres for bare å trekke den minimale strømmen som behøves.

Bilde av Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P-startsettFigur 4: SLWSTK6103A BGM220P-startsettet inneholder alt som trengs for å utvikle firmware for en BGM220P-modul for å støtte Bluetooth-retningspeiling (Bildekilde: Silicon Labs)

SLWSTK6103A har også en temperatur- og fuktighetssensor. For et eiendelsmerke (tag) for Bluetooth-retningspeiling kan miljøsensorer kobles til et I2C-grensesnitt for å overvåke forholdene rundt eiendelsmerket og sende et varsel over Bluetooth hvis forholdene overskrider forhåndsprogrammerte terskler. Ytterligere I/O- og perifere pinner føres ut til stiftlist-kontakter. Startsettet kan drives av en ekstern USB-tilkobling eller et myntcellebatteri.

Konklusjon

Sporing av eiendeler i sanntids i IIoT lagerstyringssystemer krever en nøyaktig, pålitelig og kostnadseffektiv løsning med liten størrelse og lavt energiforbruk. Som vist, kan retningssporingsfunksjonen i Bluetooth 5.1-spesifikasjonen raskt integreres i et eiendelsmerke ved hjelp av «hyllevare»-moduler for å gi den nødvendige graden av sanntidssporingsfunksjon og ytelse.

Ytterligere lesning

  1. Bruk Bluetooth 5.1-aktiverte plattformer for nøyaktig sporing av eiendeler og innendørs posisjonering – Del 1
  2. Bruk en avansert Bluetooth 5.2 SoC til å bygge sikre IoT-enheter med lavt energiforbruk

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 skribenten

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 denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører