Slik kan Bluetooth AoA og AoD raskt dras nytte av for innendørs logistikksporing

Sporing av ressurser i sanntid i lagerhus og fabrikker, er et viktig aspekt ved Industri 4.0. Ulike teknologier er tilgjengelige for distribusjon av sanntidsposisjonsstjenester (RTLS – Real-Time Location Services) for sporing av eiendeler og forbedring av logistikksystemer. GPS (Global Positioning System) er mye brukt for utendørs RTLS-implementeringer, men signalene er ikke alltid tilgjengelige inne i bygninger. Wi-Fi er et annet valg, men det har en tendens til å ha begrenset nøyaktighet, krever betydelig strøm og kan være kostbart å distribuere. Radiofrekvensidentifikasjon (RFID) har lav effekt og god nøyaktighet, men har en tendens til å være kostbart. Industri 4.0 RTLS-installasjoner bruker i økende grad teknikker for Bluetooth 5.1-retningspeiling, fordi de kombinerer innendørs presisjonsposisjonering med lavt strømforbruk, lave kostnader for Bluetooth-maskinvare og lave kostnader for distribusjoner.

Det kan være fristende for utviklere å konstruere Bluetooth RTLS-systemer fra bunnen av. Det er dessverre en utfordring å anskaffe radiofrekvensens (RF) IQ-informasjon (IQ – in-phase, quadrature) for dataene relatert til innfallsvinkel (AoA – angle-of-departure) og utgangsvinkel (AoD – angle-of-departure) som kreves for å beregne posisjonen til en transceiver fra RF-signalet, og krever integrering av flere antenner. Selv om AoA- og AoD-dataene kan innhentes, kan posisjonsberegninger kompliseres av mange faktorer, for eksempel flerveisforplantning, signalpolarisering, forplantningsforsinkelser, jitter, støy, med mer, før posisjonen til elementet som spores kan fastsettes nøyaktig.

I stedet kan konstruktører bruke trådløse Bluetooth-systemer på brikker (SoC – system on chip), RF-moduler og antenner for bruk i Industri 4.0 RTLS-konstruksjoner. Denne artikkelen gjennomgår ytelseskompromissene for de ulike RTLS-teknologiene og beskriver hvordan Bluetooth AoA- og AoD-posisjon implementeres. Den presenterer deretter Bluetooth SoC-er og RF-moduler som inkluderer programvaren som trengs for å raskt implementere AoA- og AoD-basert RTLS, samt relaterte antenner fra Silicon Labs og u-blox. Det presenteres også evalueringssett som kan fremskynde tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet.

De mest brukte innendørs RTLS-teknologiene implementeres ved hjelp av Wi-Fi og Bluetooth (tabell 1):

• Wi-Fi-fingeravtrykkregistrering bruker en database med posisjon og basestasjons-ID (BSSID) for hvert Wi-Fi-aksesspunkt (AP) i en bygning. Et eiendelsmerke skanner Wi-Fi-omgivelsene og rapporterer listen over Wi-Fi-AP-er og deres tilknyttede signalstyrker. Databasen fra undersøkelsen brukes deretter til å estimere merkets sannsynlige posisjon. Denne teknikken støtter ikke RTLS med høy nøyaktighet.
• Wi-Fi-flyvetid (ToF – Time of Flight) er mer nøyaktig. Den måler tiden det tar for Wi-Fi-signaler å reise mellom enheter. ToF krever tett distribusjon av AP-er for å forbedre nøyaktigheten til RTLS. Både ToF og fingeravtrykkregistrering har høye enhetskostnader og store energibehov.
• Mottatt signalstyrke-indikator (RSSI – received signal strength indicator) for Bluetooth støtter RTLS ved å gjøre det mulig for enheter å fastsette deres omtrentlige avstand fra nærliggende Bluetooth-nettvarder ved å sammenligne den mottatte signalstyrken med kjente nettvardeposisjoner. RSSI bruker mindre energi og er billigere enn Wi-Fi-fingeravtrykkregistrering eller -ToF, men har begrenset nøyaktighet. Nøyaktigheten kan reduseres ytterligere av miljøfaktorer som fuktighetsnivåer og roboter, eller folk som beveger seg rundt i et anlegg og forstyrrer Bluetooth-signalnivåene.
• Bluetooth AoA er den nyeste og mest nøyaktige innendørs RTLS-teknologien. I tillegg til å gi høy nøyaktighet, bruker den relativt lite strøm og har lav pris. Den er imidlertid mer komplisert å implementere sammenlignet med de andre alternativene.

Tabell 1: Innendørs RTLS kan implementeres ved å bruke diverse Wi-Fi- og Bluetooth-teknikker som har kompromisser mellom nøyaktighet, strømforbruk og kostnader. (Tabellkilde: u-blox)

Bluetooth AoA, og relaterte AoD, RTLS-løsninger er avhengige av antennematriser for å estimere posisjonen til en eiendel (figur 1). I en AoA-løsning sender eiendelen et spesifikt retningspeilende signal fra én enkel antenne. Mottakerenheten har en antennematrise og måler signalfaseforskjellen mellom de forskjellige antennene forårsaket av de forskjellige avstandene til hver antenne fra eiendelen. Mottakerenheten innhenter IQ-informasjon ved å veksle mellom de aktive antennene i matrisen. IQ-data brukes deretter til å beregne posisjonen til eiendelen. I en AoD-løsning sender lokaliseringsnettvarden, som posisjonen blir fastsatt for, signalet ved å bruke flere antenner i en matrise, og mottakerenheten har én enkel antenne. Mottakerenheten bruker flere signaler for å fastsette IQ-dataene og estimere posisjonen. AoA brukes ofte til å spore posisjonen til eiendeler, mens AoD er den foretrukne teknikken for å gjøre det mulig for roboter å fastsette hvor de er i et anlegg med god nøyaktighet og lav latenstid.

Figur 1: Antennematriser danner grunnlaget for Bluetooth AoA og AoD RTLS-implementeringer. (Bildekilde: Silicon Labs)

Det grunnleggende konseptet for AoA-basert RTLS-sporing er enkelt: Θ = arccos x ((faseforskjell x bølgelengde) / (2π x avstand mellom antennene)) (figur 2). Realistiske implementeringer er mer kompliserte og må ta hensyn til signalforplantningsforsinkelser forårsaket av miljømessige variabler, flerveissignaler, varierende signalpolarisering og andre faktorer. Når antenner brukes i en matrise kan de også oppleve gjensidig kopling og påvirke hverandres responser. Til slutt kan det være ganske utfordrende å utvikle algoritmene som trengs for å ta hensyn til alle disse variablene og effektivt implementere dem i en tidskritisk løsning i et ressursbegrenset innebygd miljø. Heldigvis for utviklere inkluderer komplette Bluetooth AoA- og AoD-løsninger IQ-datainnhenting og forbehandling, flerveis komponentundertrykkelse, kompensasjon for miljøfaktorer og gjensidig kopling mellom antenner.

Figur 2: Ligningen for å fastsette AoA (øverst til høyre) bruker faseforskjellen for de ankommende signalene, signalbølgelengden og avstanden mellom tilstøtende antenner. (Bildekilde: u-blox)

SoC-er for Bluetooth AoA og AoD

Utviklere kan bruke SoC-er som EFR32BG22C222F352GN32-C fra Silicon Labs til å implementere Bluetooth 5.2-nettverk og AoA og AoD. Denne SoC-en er en del av EFR32BG22 Wireless Gecko-familien som inkluderer en 32-bits Arm® Cortex®-M33-kjerne med en maksimal driftsfrekvens på 76,8 MHz pluss en energieffektiv radiokjerne på 2,4 GHz med lavt strømforbruk i aktiv og passiv tilstand (dvalemodus), og en integrert effektforsterker med en overføringseffekt (TX) på opptil 6 desibel-meter (dBm) i en kapsling på 4 × 4 × 0,85 mm (QFN32) (figur 3). De inkluderer sikker oppstart med RoT og sikker laster (RTSL – root of trust and secure loader). Ytterligere sikkerhetsfunksjoner inkluderer kryptografisk akselerasjon på maskinvarenivå for AES128/256, SHA-1, SHA-2 (opptil 256-bits), ECC (opptil 256-bits), ECDSA og ECDH, og en sann generator for tilfeldige tall (TRNG – true random number generator) som oppfyller NIST SP800-90 og AIS-31. I tillegg, avhengig av modellen, har disse SoC-ene opptil 512 kB flashminne og 32 kB RAM, og de er tilgjengelige i QFN40-kapslinger på 5 × 5 × 0,85 mm og TQFN32-kapslinger på 4 × 4 × 0,30 mm, i tillegg til en QFN32.

Figur 3: EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth SoC-er som støtter AoA og AoD, er tilgjengelige i en QFN32-kapsling på 4 × 4 × 0,85 mm (Bildekilde: Silicon Labs)

Det trådløse proffsettet BG22-RB4191A inneholder et retningspeilende radiokort basert på den 2,4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC-en, og en antennematrise som er optimalisert for nøyaktig posisjonspeiling som kan fremskynde utviklingen av Bluetooth 5.1-baserte RTLS-konstruksjoner ved å bruke AoA- og AoD-protokoller (figur 4). Hovedkortet har flere verktøy som gir enkel evaluering og utvikling av trådløse konstruksjoner, deriblant:

• Integrert J-Link-feilsøker for programmering og feilsøking på målenheten via Ethernet eller USB
• Strøm- og spenningsmålinger i sanntid ved å bruke den avanserte energiovervåkeren
• Virtuelt COM-portgrensesnitt gir en seriellportforbindelse via Ethernet eller USB
• Pakkesporingsgrensesnitt gir feilsøkingsinformasjon om mottatte og sendte trådløse datapakker

Figur 4: Det trådløse proffsettet BG22-RB4191A med EFR32BG22 Wireless Gecko SoC-en og en antennematrise kan fremskynde utviklingen av AoA og AoD RTLS-konstruksjoner. (Bildekilde: Silicon Labs)

Moduler for Bluetooth AoA og AoD

u-blox tilbyr Bluetooth-moduler med og uten integrerte antenner som støtter AoA og AoD. For konstruksjoner som drar nytte av en modul uten noen integrert antenne, kan konstruktører bruke NINA-B41x-serien, for eksempel NINA-B411-01B, som er basert på Nordic Semiconductor sin nRF52833-IC (figur 5). Disse modulene inkluderer en integrert RF-kjerne og Arm® Cortex®-M4 med en flytetallsprosessor (floating point processor), og den fungerer i alle Bluetooth 5.1-moduser, inkludert AoA og AoD. Med et driftstemperaturområde fra –40 til +105 grader Celsius (°C), er disse modulene godt egnet for RTLS-konstruksjoner i industrimiljøer. Inngangsspenningsområdet på 1,7 til 3,6 V gjør dem også nyttige i encellede batteridrevne systemer.

Figur 5: Moduler i NINA-B41x-serien støtter kompakte RTLS-løsninger som bruker eksterne antenner. (Bildekilde: DigiKey)

NINA-B40x-serien fra u-blox, for eksempel NINA-B406-00B, inkluderer en intern kretskortbaneantenne integrert i modulkretskortet på 10 x 15 x 2,2 mm (figur 6). NINA-B406-moduler kan levere opptil +8 dBm utgangseffekt. I tillegg til støtte for Bluetooth 5.1-moduser, som omfatter AoA og AoD, støtter disse modulene 802.15.4 (Thread og Zigbee) og Nordic sine proprietære 2,4 GHz-protokoller, slik at konstruktører kan standardisere på én enkel modul for et bredt spekter av IoT-enhetskonstruksjoner.

Figur 6: AoA- og AoD-konstruksjoner som drar nytte av en integrert antenne kan bruke modulene i NINA-B40x-serien. (Bildekilde: DigiKey)

For å fremskynde tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet kan konstruktører bruke XPLR-AOA-1-utforskersettet fra u-blox, som muliggjør eksperimentering med Bluetooth 5.1-retningspeiling og støtte for AoA- og AoD-funksjoner. Dette utforskersettet inkluderer et merke og et antennekort med en NINA-B411 Bluetooth LE-modul (figur 7). Merket er bygget rundt en NINA-B406 Bluetooth-modul og inneholder programvare som sender ut Bluetooth 5.1-reklamemeldinger. Antennekortet er konstruert for å motta meldingene og anvende en vinkelkalkuleringsalgoritme for å fastsette retningen til merket. Vinklene kalkuleres i to dimensjoner ved å bruke antennematrisen på kortet.

Figur 7: XPLR-AOA-1-utforskersettet inkluderer et merke (venstre) og et antennekort (høyre) for å støtte evaluering av Bluetooth AoA og AoD. (Bildekilde: u-blox)

Fleksibiliteten til XPLR-AOA-1-settet gjør det mulig for konstruktører å utforske en rekke bruksområder, for eksempel:

• Detektere om en gjenstand nærmer seg en dør
• Aktivere et kamera for å følge en eiendel som beveger seg i et rom
• Spore varer som passerer gjennom en port eller forbi et bestemt sted
• Unngå kollisjoner mellom roboter eller automatiserte veiledede kjøretøy

I tillegg kan et mer komplekst posisjoneringssystem opprettes ved å bruke flere XPLR-AOA-1-sett og triangulere retningene fra tre eller flere antennekort.

Sammendrag

Bluetooth AoA og AoD kan gi nøyaktige og kostnadseffektive RTLS-implementeringer for Industri 4.0. Konstruktører som kan velge fra SoC-er og moduler som inkluderer programvaren som trengs for å raskt implementere den komplekse programvaren som kreves for å distribuere Bluetooth AoA og AoD. Disse SoC-ene og modulene er optimalisert for lavt strømforbruk for å støtte batteridrevne lokaliseringsmerker og er konstruert for å fungere i tøffe industrimiljøer.