Hur man snabbt utnyttjar ankomst- och avgångsvinklar för Bluetooth för logistikspårning inomhus

Realtidsspårning av tillgångar i lager och fabriker är en viktig aspekt inom Industry 4.0. Det finns olika tekniker för att använda RTLS-tjänster (Real-Time Location Services) för att spåra tillgångar och förbättra logistiksystemen. GPS används ofta för tillämpningar av RTLS utomhus men signalerna är inte alltid tillgängliga inuti byggnader. WiFi är ett annat alternativ, men det tenderar att ha begränsad noggrannhet, kräver mycket ström och kan vara dyrt att distribuera. RFID (Radio-frequency identification) har låg effekt och god precision, men tenderar att vara dyrt. Installationer med RTLS i Industry 4.0 använder sig allt oftare av teknologier med Bluetooth 5.1 för pejling då den kombinerar hög noggrannhet med låg energiförbrukning vid fastställande av position inomhus, låg kostnad för Bluetooth-hårdvara och låg distributionskostnad.

Det kan vara lockande för utvecklare att utforma RTLS-system med Bluetooth från grunden. Det är dessvärre en utmaning att få fram information om radiofrekvenser (RF) i fas och kvadratur (IQ), de ankomst- och avgångsvinklar (AoA och AoD) som krävs för att utifrån radiofrekvensen beräkna positionen för en transceiver samt att det krävs samordning av flera olika antenner. Även om informationen för ankomst- och avgångsvinklar kan erhållas, kan positionsberäkningarna kompliceras av många faktorer, inklusive flervägsutbredning, signalpolarisering, utbredningsfördröjningar, jitter, brus med mera innan positionen av det föremål som spåras kan fastställas exakt.

Konstruktörer kan istället använda sig av systemkretsar för Bluetooth (SoCs), radiofrekvensmoduler och antenner för användning av RTLS i Industry 4.0. Artikeln går kortfattat igenom kompromisserna med de olika RTLS-teknologierna avseende prestanda och beskriver hur Bluetooth-positionering med ankomst- och avgångsvinklar tillämpas. Därefter presenteras systemkretsar för Bluetooth och radiofrekvensmoduler som innehåller det program som behövs för att snabbt kunna använda RTLS baserat på ankomst- och avgångsvinklar samt relaterade antenner från Silicon Labs och u-blox. Utvärderingssatser som kan påskynda marknadsföringen presenteras också.

De vanligaste tillämpningarna för teknologier med RTLS inomhus är WiFi och Bluetooth (tabell 1):

• WiFi-fingeravtryck använder en databas med position och basstations-ID (BSSID) för varje WiFi-åtkomstpunkt (AP) i en byggnad. Taggen på en tillgång skannar WiFi-miljön och rapporterar en lista över åtkomstpunkter och deras tillhörande signalstyrkor. Databasen från undersökningen används sedan för att uppskatta taggens troliga position. Denna teknologi stöder inte RTLS med hög noggrannhet.
• WiFi ToF (Time of Flight) är mer exakt. Den mäter den tid det tar för WiFi-signaler att färdas mellan enheter. ToF kräver att åtkomstpunkter installeras tätt för att förbättra noggrannheten för RTLS. Både ToF och fingeravtrycket har höga utrustningskostnader och ett högt effektbehov.
• RSSI (Received Signal Strength Indicator) för Bluetooth stöder RTLS genom att göra det möjligt för enheterna att fastställa det ungefärliga avståndet till närliggande Bluetooth-signaler genom att jämföra den mottagna signalstyrkan med positioner från kända signalfyrar. RSSI använder mindre energi och är billigare än WiFi-fingeravtryck eller ToF, men har begränsad noggrannhet. Noggrannheten kan reduceras ytterligare av miljöfaktorer som t.ex. luftfuktighet och robotar, eller människor som rör sig runt i anläggningen och påverkar signalnivåerna för Bluetooth.
• Bluetooth AoA är den senaste och mest exakta teknologin med RTLS för inomhusbruk. Förutom att den ger hög noggrannhet använder den relativt lite ström och är billig. Den är dock mer komplicerad att tillämpa jämfört med de andra alternativen.

Tabell 1: Inomhus kan RTLS användas med hjälp av olika WiFi- och Bluetooth-tekniker som kompromissar mellan noggrannhet, energiförbrukning och kostnad. (Tabellkälla: u-blox)

Ankomstvinklar och relaterade avgångsvinklar för RTSL-lösningar med Bluetooth bygger på antennmatriser för att uppskatta positionen för en tillgång (figur 1). I en lösning med ankomstvinklar sänder en tillgång en specifik pejlingssignal från en enda antenn. Mottagaren har en antennmatris och mäter signalens fasskillnad mellan de olika antennerna som skapas av de olika avstånden mellan respektive antenn och tillgången. Mottagaren får IQ-information genom att växla mellan de aktiva antennerna i matrisen. IQ-informationen används sedan för att beräkna var tillgången befinner sig. I en lösning med avgångsvinkel skickar lokaliseringsfyren, som har en förutbestämd position, signalen med hjälp av flera antenner i en matris och den mottagande enheten har en enda antenn. Den mottagande enheten använder flera signaler för att fastställa IQ-informationen och uppskatta dess position. Ankomstvinkel används ofta för att spåra positionen för tillgångar medan avgångsvinkel är den teknik som föredras för att göra det möjligt för robotar att, med hög noggrannhet och låg latens, fastställa var de befinner sig i en anläggning.

Figur 1: Antennmatriser utgör grunden för RTLS-lösningar med ankomst- och avgångsvinklar för Bluetooth. (Bildkälla: Silicon Labs)

Grundkonceptet för ankomstvinkelbaserad RTLS-spårning är enkel: Θ = arccos x ((fasskillnad x våglängd) / (2 π x avståndet mellan antennerna)) (figur 2). Riktiga tillämpningar är mer komplicerade och måste ta hänsyn till signalfördröjningar som orsakas av miljövariabler, flervägssignaler, varierande signalpolarisering och andra faktorer. När antennerna används i en matris kan de dessutom råka ut för en ömsesidig koppling och påverka varandras svar. Slutligen kan det vara en stor utmaning att utveckla de algoritmer som behövs för att ta hänsyn till alla dessa variabler och effektivt genomföra dem i en tidskritisk lösning i en resursbegränsad, inbäddad, miljö. Turligt nog för utvecklare finns det kompletta lösningar för ankomst- och avgångsvinklar med Bluetooth som inkluderar datainsamling och förbehandling av IQ, dämpning av flersignalskomponenter, utjämnande av miljöfaktorer och ömsesidig koppling mellan antenner.

Figur 2: Ekvationen för att bestämma ankomstvinkeln (överst till höger) använder fasskillnaden mellan de inkommande signalerna, signalens våglängd och avståndet mellan de intilliggande antennerna. (Bildkälla: u-blox)

Bluetooth-systemkretsar för ankomst- och avgångsvinklar

Utvecklare kan använda sig av systemkretsar som t.ex. EFR32BG22C222F352GN32-C från Silicon Labs för att implementera nätverk och avgångs- och ankomstvinklar för Bluetooth 5.2. Systemkretsen ingår i Wireless Gecko-familjen EFR32BG22 och innehåller en 32-bitars Arm® Cortex®-M33-kärna med en maximal driftfrekvens på 76,8 MHz samt en energieffektiv radiokärna på 2,4 GHz med låga aktivitets- och viloströmmar samt en integrerad effektförstärkare med sändningseffekt på upp till 6 dBm i en QFN32-kapsling med måtten 4 × 4 × 0,85 mm (figur 3). De inkluderar säker uppstart med RTSL (Root of Trust and Secure Loader ). Ytterligare säkerhetsfunktioner inkluderar hårdvaruaccelererad kryptografi med AES128/256, SHA-1, SHA-2 (upp till 256-bitar), ECC (upp till 256-bitar), ECDSA och ECDH samt en äkta slumptalsgenerator (TRNG) som uppfyller kraven i NIST SP800-90 och AIS-31. Beroende på modell har systemkretsarna dessutom upp till 512 kB flash och 32 kB RAM och finns i QFN40- och TQFN32-kapslingar med måtten 5 × 5 × 0,85 mm respektive 4 × 4 × 0,30 mm, utöver en QFN32.

Figur 3: Bluetooth-systemkrets för EFR32BG22 Wireless Gecko som stöder ankomst- och avgångsvinklar finns med måtten 4 × 4 × 0,85 mm i en QFN32-kapsling (Bildkälla: Silicon Labs)

Satsen BG22-RB4191A Wireless Pro innehåller ett radiokort med riktningsidentifiering baserat på en 2,4 GHz systemkrets för EFR32BG22 Wireless Gecko och en antennmatris som optimerats för exakt riktningsidentifiering för att påskynda utvecklingen av Bluetooth 5.1-baserade tillämpningar av RTLS som använder protokoll med ankomst- och avgångsvinklar (figur 4). Huvudkortet har flera verktyg för att enkelt utvärdera och utveckla trådlösa tillämpningar, som bland annat:

• Inbyggt J-Link-felsökningsprogram för programmering och felsökning på målenheten via Ethernet eller USB
• Mätning av ström och spänning i realtid med hjälp av den avancerade energimätaren
• Gränssnitt för virtuell COM-port som ger en seriell anslutningsport via Ethernet eller USB.
• Gränssnitt för paketspårning som ger felsökningsinformation om trådlöst mottagna och skickade datapaket.

Figur 4: Satsen BG22-RB4191A wireless pro med systemkretsen EFR32BG22 Wireless Gecko och en antennmatris kan påskynda utvecklingen av RTLS-tillämpningar med ankomst- och avgångsvinklar. (Bildkälla: Silicon Labs)

Moduler för ankomst- och avgångsvinklar med Bluetooth

U-blox erbjuder Bluetooth-moduler med och utan integrerade antenner som har stöd för ankomst- och avgångsvinklar. För tillämpningar som drar nytta av en modul utan integrerad antenn kan konstruktörer använda sig av serien NINA-B41x, som t.ex. NINA-B411-01B, som är baserad på styrkretsen nRF52833 från Nordic Semiconductors (figur 5). Modulerna har en integrerad RF-kärna och en Arm® Cortex®-M4 med en flyttalsprocessor och fungerar i alla Bluetooth 5.1-lägen, inklusive ankomst- och avgångsvinklar. Med ett driftstemperaturområde från -40 till +105 °C är modulerna väl lämpade för RTLS-tillämpningar i industriella miljöer. Därutöver gör deras inspänningsområde på 1,7-3,6 V dem användbara i batteridrivna system med en battericell.

Figur 5: Moduler i serien NINA-B41x som stöder sammansatta RTLS-lösningar med externa antenner. (Bildkälla: DigiKey)

Serien NINA-B40x från u-blox, som t.ex. NINA-B406-00B, har en intern mönsterkortsantenn för spårning som är integrerad i modulens mönsterkort med måtten 10 x 15 x 2,2 mm (figur 6). NINA-B406-moduler kan ge en uteffekt på upp till +8 dBm. Utöver stöd för Bluetooth 5.1-lägen, inklusive ankomst- och avgångsvinklar, stöder dessa moduler 802.15.4 (Thread och Zigbee) och Nordics proprietära 2,4 GHz-protokoll vilket gör det möjligt för konstruktörer att standardisera en enda modul för ett stort utbud av konstruktioner för IoT-enheter.

Figur 6: Tillämpningar med ankomst- och avgångsvinklar som drar nytta av en integrerad antenn kan använda modulerna i serien NINA-B40x. (Bildkälla: DigiKey)

För att påskynda marknadslansering kan konstruktörer använda utvärderingssatsen XPLR-AOA-1 från u-blox som gör det möjligt att testa funktioner och stöd för riktningsidentifiering och ankomst- och avgångsvinklar med Bluetooth 5.1. Utvärderingssatsen innehåller en tagg och ett antennkort med en NINA-B411 Bluetooth LE-modul (figur 7). Taggen är baserad på en NINA-B406 Bluetooth-modul och innehåller programvara för att skicka meddelanden via Bluetooth 5.1. Antennkortet är konstruerat för att ta emot meddelandet och tillämpa en algoritm för vinkelberäkning för att på så sätt fastställa taggens riktning. Vinklarna beräknas i två dimensioner med hjälp av antennmatriserna på kortet.

Figur 7: Utvärderingssatsen XPLR-AOA-1 innehåller en tagg (vänster) och ett antennkort (höger) för att stödja utvärderingen av ankomst- och avgångsvinklar med Bluetooth. (Bildkälla: u-blox)

Flexibiliteten hos XPLR-AOA-1 gör det möjligt för konstruktörer att utforska en mängd olika tillämpningar, till exempel:

• Upptäcka om ett föremål närmar sig en dörr
• Aktivera en kamera för att följa en tillgång som rör sig i ett rum
• Spåra gods som passerar genom en grind eller förbi en specifik position.
• Undvika kollisioner mellan robotar eller automatstyrda fordon.

Man kan dessutom skapa ett mer avancerat positioneringssystem genom att använda flera XPLR-AOA-1 och triangulera riktningarna från tre eller flera antennkort.

Sammanfattning

Ankomst- och avgångsvinklar för Bluetooth kan tillhandahålla exakta och kostnadseffektiva tillämpningar för RTLS i Industry 4.0. Konstruktörer kan välja mellan systemkretsar och moduler som innehåller de program som krävs för att snabbt distribuera det avancerade programmet som behövs för att distribuera ankomst- och avgångsvinklar med Bluetooth. Systemkretsarna och modulerna är optimerade för låg energiförbrukning för att stödja batteridrivna lokaliseringstaggar och är utformade för att fungera i tuffa industriella miljöer.