Få precis, realistisk realtidsspårning inomhus med hjälp av Bluetooth-riktningssökning

Fabriker, lager och tillverkningsanläggningar använder i allt högre grad taggar för att utföra lokal spårning av artiklar i realtid. Uppgifterna integreras sedan vanligtvis i ett lämpligt molnbaserat lagerstyrsystem för industriellt sakernas internet (IIoT), för att möjliggöra artikelspårning fjärrledes. Problemet är att, förutom NFC, de flesta artikelspårningslösningar är beroende av taggar som körs på batterier, vilket kräver att energiförbrukningen hålls så låg som möjligt. Dessutom kan vissa av lösningarna vara otillförlitliga och oprecisa när de används inomhus.

Exempelvis är GPS-taggar otillförlitliga inomhus, särskilt i stål- och betongbyggnader. Klassiska Bluetooth-lokaliseringssystem är baserade på information om mottagen signalstyrka (RSSI), som, även om det är användbart, ofta inte uppfyller utvecklarnas noggrannhetskrav. Vad som behövs är en tillförlitlig, kostnadseffektiv, precis, batteridriven trådlös artikelspårningslösning som kan användas inomhus men ändå ger lång batteritid.

För att möta dessa utmaningar kommer denna artikel beskriva Bluetooth 5.1 Direction Finding-protokollet och hur det fungerar. Artikeln introducerar sedan en kostnadseffektiv Bluetooth-modul från Silicon Labs som stödjer detta protokoll och visar hur det kan uppfylla både kraven på noggrannhet och strömsnålhet för ett IIoT-lagersystem.

Vad är artikelspårning (ibland kallat tillgångsspårning) och varför behövs det för IIoT?

Avancerade IIoT-system för lagerförvaltning kräver realtidsspårning av artiklar var som helst i världen tilgängligt från molnet. Stora lager som lagrar högkvalitativa produkter och utrustning, kan behöva artikeltaggar på platsen för lagerstyrning och stöldskyddssyften. Detta gör det möjligt för lagermedarbetare eller automatiserad plockutrustning att snabbt och effektivt lokalisera en artikel och förbereda den för frakt. För lagerförvaltning kan existensen och lokaliseringen av artiklar enkelt bestämmas och detaljredovisas i regelbundna statusrapporter. Detta är en mer tillförlitlig metod för att tillhandahålla lagerstatus än att manuellt att granska fraktsedlar som spårar inkommande och utgående artiklar.

Förutom IIoT-lagerförvaltningssystem används lokal spårning av artiklar i realtid i stöldskyddssystem. Om en artikel i ett lager inte är planerad för utleverans, kan IIoT-systemet varna säkerhetspersonal om att den spårats nära en utgång. Lokalisering av artiklar i realtid kan också påskynda service och leverans i en tid där leverans nästa dag snabbt leder till förväntningar om leverans samma dag.

För artikelspårning i större volymer måste artikeltaggen vara kostnadseffektiv och ha lång batteritid. NFC-taggar använder inte batterier men kräver att mottagaren ska vara inom 20 centimeter (cm) från taggen, vilket begränsar deras användbarhet. GPS-spårare är opålitliga inomhus eftersom satellitspårningssignalerna kan blockeras, särskilt av stål- och betongkonstruktioner.

En populär lösning för artikelspårning bygger på Bluetooth:s funktion för sändarfyrplacering. Detta spårar platsen för en tagg genom att jämföra en referenssignalstyrka, som är kodad i sändarfyrmeddelandet, med signalstyrkan hos den mottagna signalen. Fyrplatsen trianguleras sedan med tre eller flera mottagare för att få en approximation av fyrens plats. Detta tillvägagångssätt ger dock inte den precision som krävs för lagerförvaltningssystem. Dessutom kan platsnoggrannheten påverkas av fuktförändringar samt av rörliga föremål som gaffeltruckar, arbetare och dörrar.

Bluetooth-riktningssökning

Lösningen är Bluetooth-riktningssökning, en funktion som ingår i Bluetooth 5.1-specifikationen.

Bluetooth-riktningssökning triangulerar platsen för en batteridriven artikeltagg baserat på fasförskjutningen för den mottagna signalen vid två eller flera antenner. Därigenom har den en precision ned till en meter och är en kostnadseffektiv spårningslösning som är pålitlig att användas inomhus, samtidigt som många års drift möjliggörs med ett enda knappcellsbatteri.

I Bluetooth-riktningssökning läggs en ny signal som kallas en kontinuerlig tonförlängning (CTE) till i det vanliga Bluetooth-aviseringspaketet. CTE är en kontinuerlig ton som skickas över en frekvens som beräknas till Bluetooth-frekvensen + 250 Hz. Eftersom CTE är oberoende av de vanliga Bluetooth-meddelandepaketen, stör det inte eller fördröjer dessa paket. Detta gör det möjligt för mottagarantennerna att få en kontinuerlig, oavbruten åtgärd i realtid, vilket löser problemet med lokal spårning i realtid.

Infallsvinkel och utfallsvinkel

Bluetooth-riktningssökning använder två typer av fasförskjutning, antennbaserade mekanismer för lokaliseringsdetektering, kallade infallsvinkel (AoA) och utfallsvinkel (AoD) (figur 1). Infallsvinkeln används när externa system måste hålla reda på enskilda taggar. En artikeltagg som innehåller en kompatibel Bluetooth 5.1 eller senare modul sänder en CTE. En Bluetooth-mottagare i basstationen med två antenner tar emot den inkommande signalen. Mottagaren använder fasskillnaden mellan de två samplade signalerna som mottas av antennerna för att beräkna avståndet till artikeltaggen via triangulering.

Figur 1: I infallsvinkelmetoden för riktningssökning (till vänster) sänder en tillgångstagg sin signal till en Bluetooth-basstationslokaliserare som mäter signalens infallsvinkel vid två eller flera antenner för att bestämma taggens plats. Med utfallsvinkelmetoden (höger) sänder Bluetooth-basstationen ut sändarfyrsignaler till artikeltaggarna som beräknar sin egen position. (Bildkälla: Silicon Labs)

För att förhindra samplingsfel på grund av aliaseffekter måste avståndet mellan de två mottagande antennerna motsvara våglängden för Nyquist-frekvensen för den mottagna signalen, vilket är den mottagna signalens våglängd/2. En Bluetooth-signal på cirka 2,4 GHz ger en våglängd på 12,5 cm, så avståndet mellan de två antennerna måste vara 6,25 cm eller mindre. Genom att använda fasskillnaden mellan signalerna vid de två antennerna, det kända fasta avståndet mellan de två antennerna och den kända konfigurationen för de två antennerna, kan avståndet till artikeltaggen beräknas.

Om en extra antennmottagarenhet används med två antenner med samma konfiguration som den första enheten, kan den exakta placeringen av artikeltaggen i det tredimensionella rummet bestämmas.

AoD-metoden används när artikeltaggen måste hålla reda på sin egen plats. I AoD-metoden är taggen Bluetooth-mottagaren och basstationen med flera antenner är Bluetooth-sändaren. Basstationen sänder en CTE från varje antenn. Mottagarens firmware känner till antalet antenner, det kända fasta avståndet mellan varje antenn, den kända konfigurationen för antennerna och använder fasskillnaderna mellan de mottagna signalerna för att beräkna sin egen plats.

För ett IIoT-lagersystem i en lageranläggning, skulle de batteridrivna tillgångsmärkena som fästes på lådor eller containrar använda AoA, medan gaffeltruckar eller automatiserad plock- och förpackningsutrustning skulle använda AoD. Gaffeltruckar och annan automatiserad plock- och förpackningsutrustning är kraftiga och inte batterikänsliga, så de kan överföra sin plats via Wi-Fi till huvud-IIoT-hubben. Allt detta kan spåras i realtid i ett IIoT-molngränssnitt.

Strömsnåla Bluetooth-riktningssökningsmoduler med låg effekt

För strömsnåla tillämpningar med Bluetooth 5.2-riktningssökning har Silicon Labs tagit fram Bluetooth-modulfamiljen BGM220, som är specificerad för att ge 10 års batteritid med ett enda långlivat knappcellsbatteri. BGM220PC22HNA2-versionen är en Bluetooth 5.2-sändtagarmodul med dimensionerna 12,9 x 15,0 mm och en höjdprofil på 2,2 mm (figur 2). Den behöver strömförsörjning på 1,8-3,8 volt, vilket gör den lämplig för tillämpningar som kan drivas med 3,0 volts litiumknappceller med lång livslängd, samt större uppladdningsbara 3,6 volts litiumjonceller (Li-ion) för mobila konsumentapparater. Den fungerar mellan -40 och +105 °C, vilket gör den särskilt lämpad i hårda miljöer som fabriker och industrilager.

Figur 2: BGM220PC22HNA2 är en kompakt Bluetooth 5.2-modul som stöder Bluetooth-riktningssökning i upp till tio år på ett enda långlivat knappcellsbatteri. (Bildkälla: Silicon Labs)

Radion på BGM220PC22HNA2:s fungerar i 2,4 GHz-bandet och matar ut 8 decibel vid 1 mW (dBm). Modulen innehåller alla nödvändiga avkopplingskondensatorer och induktorer, samt 38,4 MHz- och 32,768 kHz-oscillatorer och en integrerad keramisk chipantenn (figur 3). Modulen bygger på en Arm® Cortex®-M33-kärna som stöds av 512 Kbyte flash och 32 Kbyte RAM.

Figur 3: Bluetooth-modulen BGM220PC22HNA2 har allt som behövs för att stödja en fristående artikeltagg för Bluetooth-riktningssökning, inklusive en 2,4 GHz-radio, minne, en Arm Cortex-M33-processor och en A/D-omvandlare. (Bildkälla: Silicon Labs)

Kringutrustning som är tillgänglig för firmwareanpassning inkluderar en 76,9 kHz 16-bitars A/D-omvandlare som också kan konfigureras för att köras som en 12-bitars 1 MHz A/D-omvandlare. Upp till 24 I/O-stift är tillgängliga för firmwareanpassning. Fyra 16-bitars timers och en 32-bitars timer finns för timing av firmware-händelser. Två I²C-gränssnitt kan kommunicera med extern kringutrustning. BGM220P innehåller också två multifunktionella USART-enheter som kan konfigureras oberoende som ett UART-, SPI-, smart card-, IrDA- eller I²S-gränssnitt. Detta möjliggör flexibilitet i valet av seriella gränssnitt samtidigt som stiftantalet sänks.

Om du använder BGM220PC22HNA2 i en artikeltagg för Bluetooth-riktningssökning, bör applikationen bara använda strikt nödvändig kringutrustning och stänga av strömmen till enheter som inte används för att förlänga batterilivslängden. En minimal tillgångstaggkonfiguration behöver endast innehålla BGM220PC22HNA2-enheten med ett 3,0 volts batteri i ett icke-metalliskt hölje som inte stör överföringen av Bluetooth-signaler. Externa omkopplare kan anslutas till I/O-stift för boot-anpassning, t.ex. för att ställa in identifieringen av enskilda taggar. En eller flera externa lysdioder kan anslutas, men konstruktörerna måste vara uppmärksamma här eftersom varje lysdiod är en extra belastning på batteriet. Helst ska lysdioderna bara användas under konfigurationen.

Utveckla applikationer med Bluetooth-riktningssökning

För applikationsutveckling med Bluetooth-riktningsökning, erbjuder Silicon Labs startmodulen SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth (figur 4). Den innehåller ett plug-in-radiokort som är ett bärarkort för en BGM220P-modul. I mitten av kortet finns en 128 x 128 LCD-skärm, som visar Silicon Labs-logotypen och annan text.

Under LCD-skärmen finns två programmerbara tryckknappar. LCD-skärmen kan användas under utveckling för att visa statusinformation och tryckknappar för att styra firmwareflödet. Felsökning stöds via USB-kontaktdonet. Fler kontaktdon finns tillgängliga för att stödja Silicon Labs mjukvara för energiövervakning, vilket gör att enheten kan finjusteras till att endast dra minsta möjliga effekt.

Figur 4: startpaketet SLWSTK6103A BGM220P innehåller allt som behövs för att utveckla firmware för en BGM220P-modul som stödjer Bluetooth-riktningssökning. (Bildkälla: Silicon Labs)

SLWSTK6103A har också en temperatur- och fuktighetssensor. För en Bluetooth-riktningssökningstagg kan miljösensorer anslutas till ett I²C-gränssnitt för att övervaka förhållandena kring artikeltaggen och sända en varning via Bluetooth om förhållandena överstiger förprogrammerade trösklar. Ytterligare I/O- och kringkretsar kommunicerar via stiftlister. Startmodulen kan drivas med en extern USB-anslutning eller ett knappcellsbatteri.

Slutsats

Realtidsspårning av artiklar i IIoT-lagerförvaltningssystem kräver en exakt, tillförlitlig och kostnadseffektiv lösning som är liten och strömsnål. Som vi visat kan riktningssökfunktionen i Bluetooth 5.1-specifikationen snabbt integreras i en artikeltagg med hjälp av standardmoduler för att ge den erforderliga graden av positionsspårningsförmåga och prestanda i realtid.

Vidare läsning

1. Använd Bluetooth 5.1-aktiverade plattformar för exakt artikelspårning och inomhuspositionering - Del 1
2. Använd ett avancerat Bluetooth 5.2-systemchip för att bygga säkra och strömsnåla IoT-enheter