GPS technologie není v interiéru spolehlivá, jelikož v ocelových a betonových budovách dochází k utlumení GPS signálu. Lokalizační systémy založené na měření velikosti Bluetooth signálu (RSSI) nedosahují požadované přesnosti. Řešením je použití speciální technologie pro lokalizaci uvnitř budovy, která je spolehlivá, nákladově efektivní a dostatečně přesná. Takovou technologií může být Bluetooth 5.1. Direction Finding Protocol, která používá bateriově napájené tagy. Díky velmi nízké spotřebě jsou tagy schopné dosáhnout požadované životnosti.

V tomto článku si popíšeme již zmiňovanou technologii Bluetooth 5.1 Direction Finding Protocol. Představíme si cenově výhodný modul s touto technologií od společnosti Silicon Labs. Díky tomuto modulu lze všechny vlastnosti protokolu ověřit v praxi a na základě získaných zkušeností navrhnout příslušnou aplikaci.

Sledování zboží v průmyslu

Pokročilé systémy řízení zásob vyžadují sledování aktiv kdekoli na světě. Každá společnost ocení mít aktuální informace o množství zboží v jednotlivých skladech. Tato informace zefektivňuje celý proces vyskladnění, ať se jedná o automatizované vychystávání zboží pomocí robotů nebo o sklad, kde pracují skladníci.

Sledování zboží je důležitou součástí prevence proti krádežím. Pokud není zboží označeno pro výdej a dostane se do prostoru, kde nemá být, je okamžitě informován nadřazený systém o této události. Podmínkou je, že každé zboží musí mít na sobě čip, který slouží právě pro sledování. Tento čip musí být levný a pokud je aktivní, musí mít dlouhou živostnost baterie.

NFC tagy patří mezi pasivní metody sledování zboží. To znamená, že ke své činnosti nepotřebují baterii. Jejich nevýhoda je, že přijímač musí být umístěn ve vzdálenosti do 20 cm od detekovaného zboží. Další možností je použití GPS trackerů, ale tato metoda není vhodná k nasazení v interiérech. Signály satelitního sledování jsou blokovány ocelovými a betonovými konstrukcemi.

Poslední dobou se v tomto oboru prosazuje technologie Bluetooth 5.1. Tagy se umísťují na sledované zboží. Princip je založen na porovnání síly referenčního signálu zakódovaného ve zprávě se silou přijímaného signálu. Poté dohází ke trianglulaci pomocí tří nebo více přijímačů, aby se dosáhlo lokalizace příslušného tagu. Přesnost ale může být ovlivněna změnami vlhkosti, pohybujícími se objekty, jako jsou vysokozdvižné vozíky, pracovníci nebo dveře.

Určení polohy pomocí technologie Bluetooth

Funkce Bluetooth direction finding je zahrnutá ve specifikaci Bluetooth 5.1. Pomocí triangulace dochází k lokalizaci tagu na základě získaných informací o fázovém posunu přijímaného signálu ze dvou nebo více antén. Pomocí tohoto řešení lze dosáhnout přesnosti menší než jeden metr. Jedná se o efektivní řešení sledování polohy zboží v interiéru, kde jednotlivé tagy napájené knoflíkovou baterií jsou schopny provozu několik let.

Při určování polohy pomocí Bluetooth je do standardního advertising paketu přidán nový signál zvaný Continuous Tone Extension - CTE. CTE je nepřetržitý tón odesílaný přes frekvenci vypočítanou jako frekvence Bluetooth + 250 Hz. Protože CTE je nezávislý na běžných paketech, neruší ani nezdržuje je. Tím získají přijímající antény nepřetržitou informaci. Díky tomu je tato technologie vhodná pro sledování polohy v reálném čase.

Metody sledování polohy

Sledování polohy pomocí technologie Bluetooth používá dva typy fázového posuvu. Angle of Arrival (AoA) a Angle of Departure (AoD) (obrázek 1). Metoda AoA se používá tehdy, kdy základna monitoruje polohu jednotlivých tagů. Tag obsahuje modul Bluetooth 5.1 nebo novější a vysílá CTE signál. Tento signál se přijímá v základnové stanici pomocí dvou antén a základnová stanice použije fázový rozdíl mezi dvěma vzorkovanými signály k výpočtu vzdálenosti k tagu pomocí triangulace.

Obrázek 1: V metodě AoA (vlevo) vysílá tag svůj signál do základnové stanice Bluetooth, který měří úroveň příchozího signálu na dvou nebo více anténách k určení polohy tagu. Pomocí metody AoD (vpravo) vysílají základnové stanice Bluetooth pakety na tagy, které samy vypočítávají svou vlastní polohu. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Aby se zabránilo chybám vzorkování v důsledku aliasingu, vzdálenost mezi dvěma přijímacími anténami musí odpovídat vlnové délce Nyquistovy frekvence přijímaného signálu. To znamená, že vlnová délka přijímaného signálu je dělena dvěma. Bluetooth používá frekvenci přibližně 2,4 GHz, a to odpovídá vlnové délce 12,5 cm. Takže vzdálenost mezi dvěma anténami musí být minimálně 6,25 cm. Pomocí fázového rozdílu mezi signály na dvou anténách, známé pevné vzdálenosti mezi dvěma anténami a známého rozložení antén v prostoru lze vypočítat vzdálenost k příslušnému tagu. Pokud se použijí tři antény lze přesně lokalizovat tag v 3D prostoru.

Metoda AoD se používá tehdy, kdy tag musí sledovat své vlastní umístění. V metodě AoD je tag jako přijímač Bluetooth a základnová stanice s více anténami je vysílač. Základnová stanice vysílá signál CTE z každé antény. Firmware přijímače zná počet antén, zná pevnou vzdálenost mezi každou anténou, zná rozložení antén v prostoru a používá fázové rozdíly mezi přijímanými signály k výpočtu své vlastní polohy.

Pro systém řízení zásob ve skladu by aktivní tagy umístěné na krabicích nebo na kontejnerech používaly metodu AoA. Zatímco vysokozdvižné vozíky nebo automatizované zařízení pro vyskladnění by používaly metodu AoD. Vysokozdvižné vozíky mohou přenášet svou polohu prostřednictvím Wi-Fi do cloudové služby, a díky tomu lze vše sledovat v reálném čase v uživatelském rozhraní.

Nízkoenergetické Bluetooth moduly

Společnost Silicon Labs nabízí rodinu modulů Bluetooth BGM220, která je navržena tak, aby poskytovala 10 letou výdrž baterie na jednu knoflíkovou baterii. Modul BGM220PC22HNA2 je Bluetooth 5.2. transceiver o rozměrech 12,9 x 15,0 x 2,2 mm (obrázek 2).

Pro svou činnost vyžaduje napájecí zdroj o velikosti 1,8 až 3,8 V. Tomuto rozmezí napájecího napětí vyhovuje běžná 3,0 V lithiová knoflíková baterie i dobíjecí 3,6 V lithium-iontová (Li-ion) baterie 3,6 V. Modul je schopen pracovat při teplotách od -40 °C do + 105 °C. Díky tomu je vhodný do drsného prostředí, jako jsou továrny a průmyslové sklady.

Obrázek 2: BGM220PC22HNA2 je kompaktní modul, který podporuje technologii Bluetooth 5.2 a je schopen pracovat po dobu 10 let na jednu knoflíkovou baterii. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2 pracuje v pásmu 2,4 GHz s výkonem 8 dBm. Modul obsahuje všechny potřebné oddělovací kondenzátory a induktory, oscilátor 38,4 MHz a 32,768 kHz a integrovanou keramickou anténu (obrázek 3). Modul je založen na jádru Arm Cortex-M33 podporovaném 512 Kbytes Flash a 32 Kbytes RAM pamětí.

Obrázek 3: Modul Bluetooth BGM220PC22HNA2 má všechny potřebné komponenty integrovány, včetně rádiového čipu 2,4 GHz, paměti, procesoru Arm Cortex-M33 a ADC převodníku. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Modul disponuje 16bitovým analogově-digitálním převodníkem (ADC) o rychlosti 76,9 kSPS, který lze také nakonfigurovat tak, aby fungoval jako 12bitový ADC převodník s rozlišením 1 000 kSPS. K dispozici je také 24 I / O piny. Pro časování lze využít čtyři 16bitové časovače a jeden 32bitový časovač. Dvě rozhraní I²C mají přístup k externím periferiím. BGM220P obsahuje dvě multifunkční rozhraní USART, která mohou být nezávisle konfigurována jako UART, SPI, rozhraní smartcard, IrDA nebo I²S. Tím je zaručená obrovská flexibilita.

Pokud je BGM220PC22HNA2 použit v tagu, měla by aplikace používat pouze nezbytné periferie a nepoužité periferie by měli být vypnuty, aby se prodloužila životnost baterie. Minimální konfigurace tagu obsahuje pouze BGM220PC22HNA2 modul s 3,0 voltovou baterií v nekovovém pouzdře, aby nedocházelo k rušení signálu Bluetooth. Ke vstupům / výstupům lze připojit externí konfigurační přepínače pro nastavení identifikace jednotlivých tagů. Lze připojit externí LED diody pro indikaci jednotlivých stavů, ale musí se k tomuto přistupovat opatrně, jelikož každá LED dioda výrazně snižuje životnost baterie. V ideálním případě se LED diody použijí pouze během konfigurace nebo zavádění tagu do instalace.

Vývojový kit pro lokalizaci zboží pomocí Bluetooth

Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module Starter Kit (obrázek 4) obsahuje zásuvnou rádiovou desku, která je nosnou deskou pro modul BGM220P. Uprostřed desky je LCD displej 128 x 128 px, na kterém je zobrazeno logo Silicon Labs s dalším textem.

Pod LCD displejem jsou dvě programovatelná tlačítka. LCD lze během vývoje použít k zobrazení potřebných informací a tlačítka k vyvolání různých akcí. Ladění je umožněno přes USB konektor. K dispozici jsou další konektory, které podporují software od Silicon Labs pro monitorování spotřebovávané energie. To umožňuje jemné vyladění aplikace tak, aby její spotřeba klesla na minimální hodnotu.

Obrázek 4: Vývojový kit SLWSTK6103A BGM220P obsahuje vše potřebné k vývoji aplikace s modulem BGM220P pro lokalizaci  předmětů pomocí technologie Bluetooth. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

SLWSTK6103A je osazen čidlem teploty a vlhkosti. V Bluetooth aktivním tagu mohou být pomocí rozhraní I²C připojeny senzory prostředí, které monitorují podmínky obklopující tag a jsou schopny vyslat alarm přes Bluetooth, pokud dojde k překročení před-programované prahové hodnoty. Vývojový kit lze napájet pomocí USB konektoru nebo knoflíkové baterie.

Závěr

Sledování aktiv v reálném čase vyžaduje přesné, spolehlivé řešení, které má nízkou spotřebu.To splňuje technologie Bluetooth 5.1, která je integrována do modulů od společnosti Silicon Labs.

Další informace

• Use Bluetooth 5.1-Enabled Platforms for Precise Asset Tracking and Indoor Positioning - Part 1
• Use an Advanced Bluetooth 5.2 SoC to Build Secure Low Power IoT Devices

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Giovino.