Bluetooth 5.1. využívá pro získání polohy v reálném čase (RTLS) RF fázové a kvadraturní informace AoA (angle-of-arrival) a AoD (angle-of-departure). Výpočet polohy transceiveru z RF signálu je náročný proces a vyžaduje integraci více antén. Tento článek představí Bluetooth SoC a RF moduly, které obsahují software potřebný k rychlé implementaci RTLS na bázi AoA a AoD od Silicon Labs a u-blox.

Mezi nejčastěji používané vnitřní RTLS technologie jsou Wi-Fi a Bluetooth (tabulka 1):

• Wi-Fi fingerprinting využívá databázi polohy a ID základnové stanice (BSSID) každého Wi-Fi přístupového bodu (AP) v budově. Asset tag skenuje prostředí Wi-Fi a hlásí seznam přístupových bodů Wi-Fi a jejich přidruženou sílu signálu. Tyto informace se pak použijí k výpočtu pozice tagu. Tato technika není ale dostatečně přesná.
• Wi-Fi Time of Flight (ToF) je přesnější, jelikož měří dobu, kterou Wi-Fi signály potřebují k přenosu mezi zařízeními. ToF vyžaduje husté rozmístění AP v budově, aby se dosáhlo vyšší přesnosti. ToF i fingerprint jsou energeticky náročné.
• Bluetooth (RSSI) umožňuje zařízením určit jejich přibližnou vzdálenost od Bluetooth beaconů porovnáním síly přijímaného signálu. Bluetooth RSSI využívá méně energie a je levnější než Wi-Fi fingerprint nebo ToF, ale má nižší přesnost. Na přesnost má vliv vlhkost nebo lidé pohybující se mezi zařízeními.
• Bluetooth AoA a AoD je nejnovější a nejpřesnější RTLS technologie. Kromě toho, že poskytuje vysokou přesnost, je energeticky nenáročná. Implementace je však ve srovnání s ostatními alternativami složitější.

Tabulka 1: Vnitřní RTLS lze implementovat pomocí Wi-Fi a Bluetooth, které se liší přesností, spotřebou energie a cenou. (zdroj tabulky: u-blox)

Technologie Bluetooth AoA a AoD pro RTLS využívá anténní pole k výpočtu polohy sledovaného aktiva (obrázek 1). V případě AoA, sledované aktivum vysílá specifický směrový signál z jediné antény. Přijímací zařízení obsahuje anténní pole a měří fázový rozdíl signálu mezi anténami. Tento rozdíl je způsobený různou vzdáleností každé antény od zařízení. Přijímací zařízení získává kvadraturní informace přepínáním mezi anténami. Tyto informace se pak použijí k výpočtu polohy sledovaného aktiva. V případě AoD je tomu přesně naopak. Beacon vysílá signál pomocí více antén a přijímací zařízení má jedinou anténu. Přijímací zařízení používá k určení kvadraturních dat a výpočtu své polohy více signálů.

Obrázek 1: Anténní pole tvoří základ implementací Bluetooth AoA a AoD RTLS. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Základní výpočet polohy na bázi AoA je jednoduchý: Θ = arccos x ((fázový rozdíl x vlnová délka) / (2 π x vzdálenost mezi anténami)) (obrázek 2). Implementace v reálném čase je ale komplikovanější, jelikož se musí počítat se zpožděním šíření signálu způsobeným proměnným prostředí, vícecestnými signály, měnící se polarizací signálu a dalšími faktory. Navíc, když jsou antény vedle sebe, může se projevit vazba mezi nimi a vzájemně se ovlivňovat. Vyvinout algoritmy, které všechny výše zmíněné problémy zohledňují, je náročný proces. Naštěstí jsou tu kompletní řešení Bluetooth AoA a AoD, které zahrnují sběr a předběžné zpracování dat včetně potlačení nežádoucích vlivů.

Obrázek 2: Rovnice pro stanovení AoA (vpravo nahoře) používá fázový rozdíl přicházejících signálů, vlnovou délku signálu a vzdálenost mezi sousedními anténami. (Zdroj obrázku: u-blox)

SoC pro Bluetooth AoA a AoD

K dispozici je SoC EFR32BG22C222F352GN32-C od Silicon Labs, který je součástí rodiny EFR32BG22 Wireless Gecko. SoC obsahuje 32 bitové jádro Arm Cortex®-M33 s maximální pracovní frekvencí 76,8 MHz plus energeticky účinné rádiové 2,4 GHz jádro s integrovaným výkonovým zesilovačem s vysílacím výkonem až 6 dBm. To vše v pouzdře QFN32 o rozměrech 4 x 4 x 0,85 mm (obrázek 3).

Součástí jsou také bezpečnostní funkce jako je bezpečné spouštění, hardwarová kryptografická akcelerace pro AES128/256, SHA-1, SHA-2 (až 256 bitů), ECC (až 256 bitů), ECDSA a ECDH a skutečný generátor náhodných čísel (TRNG) kompatibilní s NIST SP800-90 a AIS-31. Navíc v závislosti na modelu mají tyto SoC až 512 kB flash a 32 kB RAM,

Obrázek 3: Bezdrátové Bluetooth SoC Gecko EFR32BG22, které podporuje AoA a AoD jsou k dispozici v pouzdře o velikosti 4 x 4 x 0,85 mm QFN32 (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Bezdrátová profesionální sada BG22-RB4191A obsahuje rádiovou desku pro vyhledávání směru signálu založenou na 2,4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC a anténní pole optimalizované pro přesné vyhledávání směru, které urychluje vývoj aplikací RTLS založených na Bluetooth 5.1 pomocí AoA a AoD (obrázek 4). Základní deska má několik nástrojů pro snadné hodnocení a vývoj bezdrátových aplikací:

• Integrovaný debugger J-Link pro programování a ladění přes Ethernet nebo USB
• Měření proudu a napětí v reálném čase pomocí pokročilého monitoru energie
• Rozhraní virtuálního COM portu poskytuje připojení sériového portu přes Ethernet nebo USB
• Rozhraní pro sledování paketů poskytuje informace o ladění přijatých a odeslaných bezdrátových datových paketů

Obrázek 4: Bezdrátová profesionální sada BG22-RB4191A s EFR32BG22 Wireless Gecko SoC a anténním polem urychluje vývoj aplikací AoA a AoD RTLS. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Moduly pro Bluetooth AoA a AoD

u-blox nabízí moduly Bluetooth s nebo bez integrovaných antén. Pro aplikace, které využívají modul bez integrované antény, je k dispozici řada NINA-B41x, ve které je modul NINA-B411-01B založený na Nordic Semiconductor nRF52833 IC (obrázek 5). Tyto moduly obsahují integrované RF jádro a Arm Cortex-M4 procesor. S rozsahem provozních teplot od -40 do +105 °C jsou tyto moduly vhodné i pro průmyslové prostředí. Rozsah vstupního napětí se pohybuje od 1,7 do 3,6 V, a proto jsou vhodné pro systémy napájených jednočlánkovými bateriemi.

Obrázek 5: Moduly řady NINA-B41x podporují kompaktní řešení RTLS, která využívají externí antény. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

Řada NINA-B40x od u-blox jako je například NINA-B406-00B obsahuje anténu integrovanou přímo do modulové desky o rozměrech 10 x 15 x 2,2 mm (obrázek 6). Moduly NINA-B406 mají výstupní výkon až +8 dBm. Kromě podpory režimů Bluetooth 5.1 AoA a AoD, podporují také 802.15.4 (Thread a Zigbee) a proprietární 2,4 GHz protokoly Nordic. To umožňuje použití jediného modulu pro širokou škálu zařízení IoT.

Obrázek 6: Řada NINA-B40x obsahuje moduly s integrovanou anténou. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

Pro urychlení uvedení na trh lze využít sadu XPLR-AOA-1 od u-blox, která umožňuje experimentovat s funkcí vyhledávání směru Bluetooth 5.1 a podporou funkcí AoA a AoD. Tato sada obsahuje Bluetooth tag a anténní desku s modulem NINA-B411 Bluetooth LE (obrázek 7). Tag je postaven na modulu Bluetooth NINA-B406 a obsahuje software pro odesílání advertisement zpráv Bluetooth 5.1. Anténní deska je navržena tak, aby přijímala zprávy a aplikovala algoritmus výpočtu úhlu k určení polohy tagu.

Obrázek 7: Sada XPLR-AOA-1 obsahuje tag (vlevo) a desku antény (vpravo) pro podporu vyhodnocení Bluetooth AoA a AoD. (Zdroj obrázku: u-blox)

Flexibilita sady XPLR-AOA-1 umožňuje prozkoumat různé možnosti aplikace:

• Detekce, zda se předmět blíží ke dveřím
• Povolení kamery sledovat aktivum pohybující se v místnosti
• Sledování zboží procházejícího bránou nebo konkrétním místem
• Předcházení kolizím mezi roboty nebo automatizovaně řízenými vozidly

Kromě toho lze vytvořit složitější polohovací systém pomocí několika sad XPLR-AOA-1 a triangulací směrů ze tří nebo více anténních desek.

Závěr

Bluetooth AoA a AoD poskytují přesné a cenově přijatelné řešení RTLS pro Průmysl 4.0. K dispozici jsou SoC moduly, které obsahují software potřebný k rychlé implementaci složitých výpočtů AoA a AoD. Tyto SoC moduly jsou optimalizovány pro nízkou spotřebu a jsou vhodné pro bateriově napájené tagy a jsou navrženy i pro provoz v náročných průmyslových prostředích.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com