Hoe snel Bluetooth AoA en AoD te gebruiken voor het volgen van logistiek binnenshuis

Het in real time volgen van activa in magazijnen en fabrieken is een belangrijk aspect van Industrie 4.0. Er zijn verschillende technologieën beschikbaar voor het inzetten van Real-Time Location Services (RTLS) voor het volgen van activa en het verbeteren van logistieke systemen. Global Positioning Systems (GPS) worden veel gebruikt voor de implementatie van RTLS buitenshuis, maar binnen gebouwen zijn de signalen niet altijd beschikbaar. Wi-Fi is een andere keuze, maar de nauwkeurigheid is beperkt, er is veel vermogen voor nodig en het kan duur zijn om het in te zetten. Radio-frequency identification (RFID) is energiezuinig en heeft een goede nauwkeurigheid, maar is over het algemeen duur. Industrie 4.0 RTLS-installaties maken steeds meer gebruik van Bluetooth 5.1 richtingbepalingstechnieken omdat deze zeer nauwkeurige indoor positionering combineren met een laag energieverbruik, lage kosten van de Bluetooth-hardware en lage installatiekosten.

Het kan verleidelijk zijn voor ontwikkelaars om Bluetooth RTLS-systemen vanaf nul te ontwerpen. Helaas is het verkrijgen van de in-phase and quadrature (IQ) informatie van de radio frequency (RF) van de hoek-van-aankomst (AoA) en hoek-van-vertrek (AoD) die nodig is om de positie van een zendontvanger uit het RF-signaal te berekenen een uitdaging en vereist het de integratie van meerdere antennes. Zelfs als de AoA- en AoD-gegevens kunnen worden vastgelegd, kunnen locatieberekeningen worden bemoeilijkt door talrijke factoren, waaronder multipadpropagatie, signaalpolarisatie, propagatievertragingen, jitter, ruis, en meer, voordat de locatie van het te volgen voorwerp nauwkeurig kan worden bepaald.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot draadloze Bluetooth-systemen op chips (SoC's), RF-modules en antennes voor gebruik in Industrie 4.0 RTLS-toepassingen. Dit artikel bespreekt kort de prestatieafwegingen van de verschillende RTLS-technologieën en beschrijft hoe Bluetooth AoA- en AoD-locatie wordt geïmplementeerd. Vervolgens worden Bluetooth SoC's en RF-modules gepresenteerd die de software bevatten die nodig is om snel op AoA en AoD gebaseerde RTLS te implementeren, evenals gerelateerde antennes van Silicon Labs en u-blox. Ook worden evaluatiesets gepresenteerd die de time-to-market verder kunnen versnellen.

De meest gebruikte indoor RTLS-technologieën worden geïmplementeerd met behulp van Wi-Fi en Bluetooth (Tabel 1):

• Wi-Fi fingerprinting maakt gebruik van een database met de locatie en base station ID (BSSID) van elk Wi-Fi access point (AP) in een gebouw. Een asset tag scant de Wi-Fi omgeving en rapporteert de lijst van Wi-Fi AP's en hun bijbehorende signaalsterkte. De database van het onderzoek wordt dan gebruikt om de waarschijnlijke positie van de tag te schatten. Deze techniek ondersteunt geen hoognauwkeurige RTLS.
• Wi-Fi Time of Flight (ToF) is nauwkeuriger. Het meet de tijd die Wi-Fi-signalen nodig hebben om tussen apparaten te reizen. ToF vereist een dichte opstelling van AP's om de nauwkeurigheid van RTLS te verbeteren. Zowel ToF als fingerprinting hebben hoge apparaatkosten en een hoge energiebehoefte.
• De Bluetooth received signal strength indicator (RSSI) ondersteunt RTLS door apparaten in staat te stellen hun afstand tot nabijgelegen Bluetooth-bakens bij benadering te bepalen door de ontvangen signaalsterkte te vergelijken met bekende bakenposities. RSSI gebruikt minder energie en is goedkoper dan Wi-Fi fingerprinting of ToF, maar heeft een beperkte nauwkeurigheid. De nauwkeurigheid ervan kan verder worden verminderd door omgevingsfactoren zoals vochtigheid en robots, of mensen die in een faciliteit rondlopen en het Bluetooth-signaal verstoren.
• Bluetooth AoA is de nieuwste en meest nauwkeurige indoor RTLS-technologie. Naast een hoge nauwkeurigheid verbruikt het relatief weinig stroom en is het goedkoop. In vergelijking met de andere alternatieven is de uitvoering ervan echter ingewikkelder.

Tabel 1: Indoor RTLS kan worden geïmplementeerd met behulp van diverse Wi-Fi- en Bluetooth-technieken die compromissen bieden tussen nauwkeurigheid, energieverbruik en kosten. (Bron tabel: u-blox)

Bluetooth AoA en verwante AoD, RTLS-oplossingen vertrouwen op antenne-arrays om de positie van een goed te schatten (Afbeelding 1). Bij een AoA-oplossing zendt het object een specifiek richtingssignaal uit vanaf één antenne. Het ontvangtoestel heeft een antenne-array en meet het signaalfaseverschil tussen de verschillende antennes, veroorzaakt door de verschillende afstanden van elke antenne tot het goed. Het ontvangende apparaat verkrijgt IQ-informatie door te schakelen tussen de actieve antennes in de array. De IQ-gegevens worden dan gebruikt om de locatie van het goed te berekenen. Bij een AoD-oplossing zendt het opsporingsbaken waarnaar de locatie wordt bepaald het signaal uit met behulp van meerdere antennes in een array en heeft het ontvangende apparaat één antenne. Het ontvangende apparaat gebruikt meerdere signalen om de IQ-gegevens te bepalen en zijn positie te schatten. AoA wordt vaak gebruikt om de positie van bedrijfsmiddelen te bepalen, terwijl AoD de voorkeur geniet om robots in staat te stellen te bepalen waar zij zich in een faciliteit bevinden, met een goede nauwkeurigheid en een lage latentie.

Afbeelding 1: Antenne-arrays vormen de basis voor Bluetooth AoA en AoD RTLS-implementaties. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Het basisconcept voor op AoA gebaseerde RTLS-tracking is eenvoudig: Θ = arccos x ((faseverschil x golflengte) / (2 π x afstand tussen de antennes)) (Afbeelding 2). Implementaties in de echte wereld zijn ingewikkelder en moeten rekening houden met signaalvoortplantingsvertragingen veroorzaakt door omgevingsvariabelen, multipathsignalen, variërende signaalpolarisatie en andere factoren. Wanneer antennes in een array worden gebruikt, kunnen zij bovendien onderlinge koppeling ondervinden en elkaars respons beïnvloeden. Ten slotte kan het een hele uitdaging zijn om de algoritmen te ontwikkelen die nodig zijn om met al deze variabelen rekening te houden en ze efficiënt toe te passen in een tijdskritische oplossing in een ingebedde omgeving met beperkte middelen. Gelukkig voor ontwikkelaars omvatten complete Bluetooth AoA- en AoD-oplossingen IQ-gegevensverzameling en -voorverwerking, onderdrukking van multipadcomponenten, compensatie voor omgevingsfactoren en onderlinge koppeling tussen antennes.

Afbeelding 2: De vergelijking voor het bepalen van de AoA (rechtsboven) maakt gebruik van het faseverschil van de binnenkomende signalen, de signaalgolflengte en de afstand tussen aangrenzende antennes. (Bron afbeelding: u-blox)

SoC's voor Bluetooth AoA en AoD

Ontwikkelaars kunnen zich wenden tot SoC's zoals de EFR32BG22C222F352GN32-C van Silicon Labs om Bluetooth 5.2-netwerken en AoA en AoD te implementeren. Deze SoC maakt deel uit van de EFR32BG22 Wireless Geck- familie die een 32-bit Arm® Cortex®-M33-kern bevat met een maximale werkfrequentie van 76,8 MHz plus een 2,4 GHz energie-efficiënte radiokern met lage actieve en slaapstromen en een geïntegreerde vermogensversterker met maximaal 6-decibel meter (dBm) zendvermogen (TX) in een 4 × 4 × 0,85 millimeter (mm) QFN32-pakket (Afbeelding 3). Zij omvatten veilig opstarten met root of trust en secure loader (RTSL). Extra beveiligingsfuncties zijn onder meer hardware-cryptografische versnelling voor AES128/256, SHA-1, SHA-2 (tot 256-bit), ECC (tot 256-bit), ECDSA en ECDH, en een true random number generator (TRNG) die voldoet aan NIST SP800-90 en AIS-31. Bovendien hebben deze SoC's, afhankelijk van het model, tot 512 kB flash en 32 kB RAM, en zijn ze beschikbaar in 5 × 5 × 0,85 mm QFN40, en 4 × 4 × 0,30 mm TQFN32-pakket, naast een QFN32.

Afbeelding 3: EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth SoC's die AoA en AoD ondersteunen zijn beschikbaar in een 4 × 4 × 0,85 mm QFN32-pakket (Bron afbeelding: Silicon Labs).

De BG22-RB4191A draadloze pro kit bevat een richtingsbepalende radiokaart gebaseerd op de 2,4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC en een antenne-array geoptimaliseerd voor nauwkeurige richtingbepaling die de ontwikkeling van op Bluetooth 5.1 gebaseerde RTLS-toepassingen met AoA- en AoD-protocollen kan versnellen (Afbeelding 4). Het moederbord heeft verschillende hulpmiddelen voor eenvoudige evaluatie en ontwikkeling van draadloze toepassingen, waaronder:

• Ingebouwde J-Link debugger voor programmeren en debuggen op het doelapparaat via Ethernet of USB
• Real-time stroom- en spanningsmetingen met behulp van de geavanceerde energiemonitor
• Virtuele COM-poortinterface biedt een seriële poortverbinding via Ethernet of USB
• Pakkettraceerinterface biedt debuginformatie over ontvangen en verzonden draadloze gegevenspakketten

Afbeelding 4: De BG22-RB4191A draadloze pro kit met de EFR32BG22 Wireless Gecko SoC en een antenne-array kan de ontwikkeling van AoA en AoD RTLS-toepassingen versnellen. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Modules voor Bluetooth AoA en AoD

u-blox biedt Bluetooth-modules met en zonder geïntegreerde antennes die AoA en AoD ondersteunen. Voor toepassingen die baat hebben bij een module zonder geïntegreerde antenne kunnen ontwerpers terecht bij de NINA-B41x-serie, zoals de NINA-B411-01B, gebaseerd op het Nordic Semiconductor nRF52833-IC (Afbeelding 5). Deze modules bevatten een geïntegreerde RF-kern en Arm® Cortex®-M4 met een floating point-processor en werken in alle Bluetooth 5.1 modi, inclusief AoA en AoD. Met een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +105 graden Celsius (°C) zijn deze modules zeer geschikt voor RTLS-toepassingen in industriële omgevingen. Bovendien maakt hun ingangsspanningsbereik van 1,7 tot 3,6 V hen nuttig in systemen met ééncellige batterijen.

Figuur 5: Modules uit de NINA-B41x-serie ondersteunen compacte RTLS-oplossingen die gebruik maken van externe antennes. (Bron afbeelding: DigiKey)

De NINA-B40x-serie van u-blox, zoals de NINA-B406-00B, bevat een interne PCB-spoorantenne die geïntegreerd is in de moduleprint van 10 x 15 x 2,2 mm (Afbeelding 6). NINA-B406-modules kunnen tot +8 dBm uitgangsvermogen leveren. Naast ondersteuning voor Bluetooth 5.1 modi, inclusief AoA en AoD, ondersteunen deze modules 802.15.4 (Thread en Zigbee) en Nordic eigen 2,4 GHz protocollen, waardoor ontwerpers kunnen standaardiseren op een enkele module voor een breed scala aan IoT-apparaatontwerpen.

Afbeelding 6: AoA- en AoD-toepassingen die baat hebben bij een geïntegreerde antenne kunnen de modules van de NINA-B40x-serie gebruiken. (Bron afbeelding: DigiKey)

Om de time-to-market te versnellen, kunnen ontwerpers de XPLR-AOA-1-explorerkit van u-blox gebruiken waarmee geëxperimenteerd kan worden met de Bluetooth 5.1 direction finding-functie en ondersteuning voor AoA- en AoD-functies. Deze explorerkit omvat een tag en een antennebord met een NINA-B411 Bluetooth LE-module (Afbeelding 7). De tag is gebouwd rond een NINA-B406 Bluetooth-module en bevat software om Bluetooth 5.1-reclameberichten te versturen. De antenneplaat is ontworpen om de berichten te ontvangen en een hoekberekeningsalgoritme toe te passen om de richting van de tag te bepalen. De hoeken worden berekend in twee dimensies met behulp van de reeks antennes op het bord.

Afbeelding 7: De XPLR-AOA-1-explorerkit bevat een tag (links) en een antenneplaat (rechts) ter ondersteuning van de evaluatie van Bluetooth AoA en AoD. (Bron afbeelding: u-blox)

De flexibiliteit van de XPLR-AOA-1 kit stelt ontwerpers in staat een verscheidenheid aan toepassingen te verkennen, zoals:

• Detecteren of een object een deur nadert
• Een camera in staat stellen een goed te volgen dat in een kamer beweegt
• Volgen van goederen die door een poort of langs een specifieke positie gaan
• Het vermijden van botsingen tussen robots of automatisch geleide voertuigen

Daarnaast kan een complexer plaatsbepalingssysteem worden gecreëerd door gebruik te maken van meerdere XPLR-AOA-1-kits en de richtingen van drie of meer antennekaarten te trianguleren.

Samenvatting

Bluetooth AoA en AoD kunnen zorgen voor nauwkeurige en kosteneffectieve RTLS-implementaties voor Industrie 4.0. Ontwerpers die kunnen kiezen uit SoC's en modules die de software bevatten die nodig is om snel de complexe software te implementeren die nodig is om Bluetooth AoA en AoD te implementeren. Deze SoC's en modules zijn geoptimaliseerd voor een laag stroomverbruik ter ondersteuning van batterijgevoede locatietags en zijn ontworpen voor gebruik in zware industriële omgevingen.