Pontos, alacsony fogyasztású, beltéri valós idejű eszközkövetés Bluetooth-alapú irányméréssel

A gyárakban, raktárakban és gyártólétesítményekben egyre inkább címkéket használnak az eszközök valós idejű helykövetésére. Az adatokat ezután általában egy megfelelő felhőalapú ipari tárgyak internete (IIoT) technológiás készletellenőrzési rendszerbe integrálják, hogy lehetővé tegyék a távoli eszközkövetést. A probléma az, hogy az NFC címkéken kívül a legtöbb eszközkövetési megoldás akkumulátorral táplált címkéktől függ, amihez az energiafogyasztást a lehető legalacsonabban kell tartani. Ezenkívül egyes megoldások megbízhatatlanok és pontatlanok lehetnek beltéri használatuk esetén.

A GPS-címkék például nem megbízhatóak beltérben, különösen az acél- és betonépületekben. A klasszikus Bluetooth helymeghatározó rendszerek a vett jel erősségét jelző (RSSI) információkon alapulnak, amelyek ugyan hasznosak, de gyakran nem felelnek meg a tervezők pontossági követelményeinek. Egy megbízható, költséghatékony, pontos, akkumulátorral működő vezeték nélküli eszközkövető megoldásra van szükség, amely beltérben is használható, ugyanakkor hosszú akkumulátor-élettartamot biztosít.

Ezen problémák a Bluetooth 5.1 Direction Finding protokollal kezelhetők, és ez a cikk ezen protokoll leírását és annak működését tartalmazza. Ezután bemutatunk egy ezen protokollt támogató költséghatékony Bluetooth-modult a Silicon Labs-tól, majd azt is, hogyan képes az megfelelni mindazon pontossági és alacsony energiafogyasztási követelményeknek, amelyekre az IIoT-alapú készletellenőrzési rendszereknél van szükség.

Mi az eszközkövetés és miért van arra szükség az IIoT rendszereknél?

A korszerű IIoT készletellenőrzési rendszereknél fontos biztosítani az eszközök felhő alapú valós idejű követhetőségét a világ bármely pontján. A nagy értékű termékeket és berendezéseket tároló óriási raktárakban helymeghatározó eszközökre lehet szükség, amelyekkel a készletek ellenőrizhetők és a lopásgátló rendszerek működése segíthető. Ezeknek köszönhetően a raktárban dolgozó személyek és az automatizált szedőeszközök az árut gyorsan és hatékonyan képesek megtalálni, és azt szállításra előkészíteni. A készletgazdálkodás szempontjából az eszközök megléte és helye könnyen meghatározható és tételesen felsorolható a rendszeres állapotjelentésekhez. Ez megbízhatóbb módszer a készletállapot lekérdezésére, mint a bejövő és kimenő eszközök nyomon követésére szolgáló szállítási jegyzékek kézi ellenőrzése.

Az IIoT-alapú készletgazdálkodási rendszerek mellett a lopásgátló rendszerekben is valós időben követik az eszközök helyét. Ha egy raktárban lévő tételnél nincs egy megadott beütemezett küldési időpont, az IIoT-rendszer riaszthatja a biztonsági szolgálatot, ha a nyomkövető rendszer azt egy kijárat közelében észleli. A valós idejű eszközmeghatározás felgyorsíthatja az ügyfeleknek nyújtott szolgáltatást egy olyan korban, amikor a másnapi kézbesítés helyett már egyre inkább az aznapi kiszállítást várják el.

Sokszámú eszköz követéséhez az eszköz helymeghatározó címkéjének olcsónak kell lennie, hosszú akkumulátor-élettartammal. Az NFC címkék működéséhez nem szükséges akkumulátoros áramforrás, de a vevőegységnek 20 cm-en belül kell lennie a címkétől, így tehát hasznosságuk korlátozott. A GPS nyomkövető rendszerek beltérben nem megbízhatóak, mivel a műholdas nyomkövető jeleket az épület szerkezeti elemei, különösen az acél- és betonszerkezetek blokkolhatják.

Népszerű eszközkövetési megoldás a Bluetooth jeladók helymeghatározó funkciója, ahol a címkék nyomon követésekor a jeladó üzenetébe kódolt referenciajel erősségét összehasonlítják a vett jel erősségével. Ezután a jeladó helyét három vagy több vevő segítségével háromszögelik, hogy megközelítőleg megkapják a jeladó helyzetét. Ezzel a módszerrel azonban a készletkezelési rendszereknél szükséges pontosság nem biztosított. Ezenkívül a helypontosságot befolyásolhatja a páratartalom változása, valamint a mozgó tárgyak, például targoncák, dolgozók és ajtók.

Iránymérés Bluetooth-tal

A megoldás a Bluetooth-alapú iránymérésben rejlik, amely része a Bluetooth 5.1 specifikációknak.

Bluetooth-alapú irányméréskor egy akkumulátorral működő eszközcímke helyzetének meghatározása háromszögeléssel történik, legalább kettő antennán vett jelének fáziseltolódása alapján. Ennek köszönhetően egy méteren belüli pontosság érhető el, és egy beltérben is megbízhatóan használható, egyetlen gombelemmel is évekig működő költséghatékony helymeghatározó megoldást jelent.

Bluetooth-alapú iránymérésnél egy új, CTE (Continuous Tone Extension) nevű jellel bővítik a Bluetooth standard sugárzott üzenetcsomagját. A CTE egy folyamatos hang, amelyet a kiszámított Bluetooth frekvenciához hozzáadott 250 Hz-en küldenek. Mivel a CTE nem függ a normál Bluetooth üzenetcsomagoktól, nem zavarja és nem is késlelteti ezeket a csomagokat. Ez lehetővé teszi a vevő antennák számára a folyamatos, valós idejű és megszakítás nélküli célpontra szegeződést, megoldva a valós idejű helykövetés problémáját.

A beesési és a kilépési szög

Bluetooth-alapú iránymérésnél kettő fáziseltolási, antenna-alapú helymeghatározási módszer létezik: a beesési szög (Angle of Arrival – AoA) és a kilépési szög (Angle of Deparure – AoD) segítségével végzett helymeghatározás (1. ábra). A beesési szög (AoA) figyelésére alapuló módszer akkor használható, ha külső rendszereknek kell nyomon követniük az egyes címkéket. Egy Bluetooth 5.1 kompatibilis vagy attól újabb modult tartalmazó eszköz címkéje egy CTE jelet sugároz. Létezik egy két antennával rendelkező bázisállomás, amelynek Bluetooth-vevője fogadja az érkező jelet. A vevő az antennák által vett két jel közötti fáziskülönbség alapján számítja ki háromszögeléssel az eszköz címkéjétől való távolságot.

1. ábra A beesési szög (AoA) figyelése alapján végzett iránymérésnél (balról) egy eszközcímke jelet sugároz, amelyet egy Bluetooth AoA bázisállomás vételez, és a két vagy több antennával mért jelek beesési szögeit használja fel a címke helyének meghatározásához. A kilépési szöges (AoD) módszernél (jobbról) a Bluetooth bázisállomások ismétlődő jeleket sugároznak az eszközcímkékhez, amelyek alapján azok kiszámítják a saját helyzetüket. (Kép: Silicon Labs)

Az alul-mintavételezésből (aliasing) adódó mintavételi hibák elkerülése érdekében a vevőegység két antennája közötti távolságot hozzá kell igazítani a vett jel Nyquist frekvenciájának hullámhosszához, amely a vett jel hullámhosszának a fele. Egy körülbelül 2,4 GHz-es Bluetooth jel hullámhossza 12,5 cm, tehát a két antenna közötti távolság nem lehet nagyobb 6,25 cm-nél. A két antennával fogadott jelek fáziskülönbsége, a két antenna közötti ismert fix távolság és a két antenna ismert konfigurációja alapján az eszközcímkéhez való távolság kiszámítható.

Ha az előbbi egységet kibővítjük egy további antennával rendelkező vevőegységgel, amelynek antennakonfigurációja azonos az előző kettővel, az eszközcímke pontos helye 3D-s térben is meghatározható.

A kilépési szögre (AoD) alapuló módszert akkor alkalmazzák, amikor az eszközcímkének kell nyomon követnie saját helyzetét. Az AoD módszer esetén a címke a Bluetooth-vevő, a több antennával rendelkező bázisállomás pedig a Bluetooth-adó. A bázisállomás minden antennáról küld egy CTE jelet. A vevőegység firmware-je ismeri az antennák számát, az antennák egymáshoz viszonyított fix távolságát, az antennák konfigurációját, és a vett jelek közötti fáziskülönbségek alapján számítja ki saját helyzetét.

Egy raktárban lévő IIoT-alapú készletellenőrzési rendszernél a dobozokhoz vagy konténerekhez rögzített, akkumulátorral működő eszközcímkék követése az AoA módszerrel történik, míg a targoncák vagy az automatizált kiválogató és csomagoló berendezéseknél az AoD módszert használják. A targoncák és egyéb automatizált kiválogató és csomagoló berendezések erős igénybevételre tervezettek, nagyteljesítményű akkumulátorokkal rendelkeznek, így helyzetüket Wi-Fi-n keresztül továbbíthatják a fő IIoT-csomópontba. Mindez valós időben követhető egy IIoT-alapú felhőfelületen.

Alacsony fogyasztású iránymérő Bluetooth modulok

Az alacsony fogyasztású Bluetooth 5.2 kompatibilis iránymérő alkalmazásokhoz a Silicon Labs a BGM220 jelű Bluetooth modulcsaládját fejlesztette ki, amely egyetlen hosszú élettartamú gombelemmel 10 év akkumulátor-élettartamot biztosít. A BGM220PC22HNA2 jelű elem egy 12,9 x 15,0 mm helyigényű, 2,2 mm magas Bluetooth 5.2 adó-vevő modul (2. ábra). Működéséhez 1,8-3,8 V tápfeszültségre van szükség, így megfelelő a hosszú élettartamú 3,0 V-os lítium gombelemekkel táplált alkalmazásokhoz, valamint a fogyasztói mobileszközöknél használt nagyobb újratölthető, 3,6 V-os lítiumionos (Li-ion) akkukhoz is. Névleges működési hőmérséklettartománya -40°C és +105°C között van, így zord környezetekben, például gyárakban és ipari raktárakban való használatra is különösen alkalmas.

2. ábra A BGM220PC22HNA2 egy kompakt Bluetooth 5.2 modul, amely egyetlen hosszú élettartamú gombelemmel akár 10 évig is használható Bluetooth-alapú iránymérésre. (Kép: Silicon Labs)

A BGM220PC22HNA2 rádiója a 2,4 GHz-es sávban működik, és 8 dBm teljesítményű.  A modul tartalmazza az összes szükséges leválasztó kondenzátort és induktivitást, valamint 38,4 MHz-es és 32,768 kHz-es oszcillátorokat, és egy integrált kerámia chip antennát (3. ábra). A modul egy Arm® Cortex®-M33 magra épül, 512 kbyte flash és 32 kbyte RAM memóriával.

3. ábra A BGM220PC22HNA2 Bluetooth modul tartalmaz mindent, amely egy önálló Bluetooth-alapú iránymérési eszközcímkés rendszer támogatásához kell, beleértve egy 2,4 GHz-es rádiót, memóriát, Arm Cortex-M33 processzort és egy ADC-t. (Kép: Silicon Labs)

A firmware testreszabásához rendelkezésre álló perifériák közé tartozik egy 76,9 kSPS frekvenciájú 16 bites analóg-digitális átalakító (ADC), amely 12 bites, 1000 kSPS ADC-ként is konfigurálható. A firmware-nek saját igényekhez való igazításhoz 24 I/O láb áll rendelkezésre. Négy 16 bites és egy 32 bites időzítőt tartalmaz a firmware események időzítésére. A külső perifériák kettő I²C interfészen keresztül férhetők hozzá. A BGM220P tartalmaz két multifunkciós USART-t is, amelyek egymástól függetlenül UART, SPI, chipkártya interfészként, IrDA vagy I²S adatátvitelre is konfigurálhatók. Ez megfelelő rugalmasságot biztosít a soros interfészek kiválasztását illetően, csökkentve egyidejűleg a lábak számát.

Ha a BGM220PC22HNA2-t egy Bluetooth-alapú iránymérési eszközcímkés rendszerben használják, az alkalmazásnak csak a szükséges perifériákat kell használnia, és az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében ki kell kapcsolni a nem használt eszközök áramellátását. Egy minimális eszközcímkés kialakításban elegendő egyetlen BGM220PC22HNA2, 3,0 V-os akkumulátorral, egy nem fém házban, hogy az ne zavarja a Bluetooth-jelek továbbítását. Egyéni igényre szabott rendszerindításhoz, például különálló címkék azonosításának beállításához az I/O lábakhoz külső kapcsolók csatlakoztathatók. Egy vagy több külső LED is csatlakoztatható, de a tervezőknek körültekintően kell eljárniuk, mivel minden LED tovább terhelést jelent az akkumulátor számára. Ideális esetben a LED-ek használatára csak a konfigurálás során van szükség.

Bluetooth-alapú iránymérő alkalmazások fejlesztése

A Bluetooth-alapú iránymérési alkalmazások fejlesztéséhez a Silicon Labs az SLWSTK6103A jelű BGM220P Wireless Gecko Bluetooth-modulos kezdőkészletet biztosítja (4. ábra). Ez tartalmaz egy dugaszolható rádiókártyát, amely egy BGM220P modul alaplapja. A panel közepén egy 128 x 128 felbontású LCD kijelző található, amelyen egyéb szöveg mellett a Silicon Labs logója is látható.

Az LCD kijelző alatt két firmware-rel programozható nyomógomb található. Fejlesztés során az LCD kijelző állapotinformációk megjelenítésére használható, a nyomógombokkal pedig a firmware működése irányítható. A hibakeresés az USB-csatlakozón keresztül támogatott. További csatlakozók állnak rendelkezésre a Silicon Labs energiafogyasztás-mérő szoftverével való összekapcsoláshoz, amellyel az alkalmazás finomhangolható úgy, hogy minimális áramot fogyasszon.

4. ábra Az SLWSTK6103A BGM220P kezdőkészletben megtalálható minden, ami egy BGM220P modul firmware-ének fejlesztéséhez kell, Bluetooth-alapú iránymérő alkalmazások támogatásához. (Kép: Silicon Labs)

Az SLWSTK6103A rendelkezik egy hőmérséklet- és páratartalom-érzékelővel is. Egy Bluetooth-alapú iránymérési alkalmazásban használt eszközcímkénél környezeti érzékelők csatlakoztathatók egy I ²C interfészhez, hogy figyelemmel kísérjék az eszközcímke körüli külső körülményeket, és hogy riasztást küldjenek Bluetooth-on keresztül az előre beprogramozott küszöbértékek túllépése esetén. További I/O és perifériás lábak a kártyán lévő foglalatokhoz vannak kivezetve. A kezdőkészlet áramellátása külső USB csatlakozón keresztül vagy gombelemmel biztosítható.

Összegzés

Az IIoT-alapú készletkezelő rendszerekben az eszközök valós időben történő követéséhez pontos, megbízható, olcsó, kis méretű és alacsony energiaigényű megoldásokra van szükség. Amint azt bemutattuk, a Bluetooth 5.1 specifikációk iránymérési funkciója készen kapható modulok segítségével könnyen eszközcímkés alkalmazásokba integrálható, és a szükséges fokú valós idejű helymeghatározási képesség és teljesítmény biztosítható.

További olvasnivaló:

1. Bluetooth 5.1 kompatibilis platformok használata pontos eszközkövetéshez és beltéri helymeghatározáshoz - 1. rész
2. Korszerű Bluetooth 5.2 SoC használata biztonságos, alacsony fogyasztású IoT-eszközök megépítéséhez