A Bluetooth-jel beérkezési- és kilépésiszög-mérésének használata beltéri logisztikai nyomkövetéshez

Az Ipar 4.0 esetében fontos szempont a valós idejű eszközkövetés a raktárakban és gyárakban. A valós idejű helyzetmeghatározási szolgáltatások (RTLS, real-time location services) segítségével végzett eszközkövetésre és a logisztikai rendszerek javítására különböző módszerek léteznek. A kültéri valós idejű helyzetmeghatározáshoz elterjedten használják a globális helyzetmeghatározó rendszereket (GPS, global positioning system), de az épületek belsejében a GPS-jelek nem mindig állnak rendelkezésre. Egy másik lehetőség erre a célra a wifi, de az általában korlátozott pontosságú, jelentős energiát igényel, és költséges lehet a kiépítése. A rádiófrekvenciás azonosítás (RFID, radio-frequency identification) kis energiaigényű és elfogadható pontosságú, de általában drága. Az Ipar 4.0-s valós idejű helyzetmeghatározó berendezések egyre inkább a Bluetooth 5.1-re épülő iránymeghatározási technikák felé fordulnak, mert azok ötvözik a nagy pontosságú beltéri helyzetmeghatározást és a kis fogyasztást, valamint a Bluetooth-hardver és a kiépítés alacsony költségeit.

A fejlesztők számára csábító lehet a bluetoothos valós idejű helyzetmeghatározó rendszerek nulláról való megtervezése. Sajnos, az adó-vevő helyzetének a rádiófrekvenciás (RF) adatokból való kiszámításához szükséges beérkezésiszög- (AoA, angle of arrival) és kilépésiszög-adatok (AoD, angle of departure) rádiófrekvenciás azonos fázisú és negyedhullámnyi (90°) eltérésű (IQ, quadrature) adatainak megszerzése komoly feladatot jelent, és több antenna összeépítését igényli. Még ha a beérkezési- és kilépésiszög-adatok megszerezhetők is, a helyzetmeghatározási számításokat számos tényező – többek között a többutas terjedés, a jel polarizációja, a terjedési késleltetések, a nem kielégítő szinkronizáció miatti jelremegés, a zaj és más tényezők – nehezítheti, mielőtt a követett elem helyét pontosan meg lehetne határozni.

Ehelyett a tervezők használhatnak az Ipar 4.0-s valós idejű helyzetmeghatározó eszközökbe szánt egylapkás Bluetooth vezeték nélküli rendszereket (SoC, system on a chip), rádiós modulokat és antennákat. Ez a cikk röviden áttekinti a különböző használható valós idejű helyzetmeghatározási módszerek teljesítménybeli kompromisszumait, és leírja, hogyan valósul meg a Bluetooth-helyzetmeghatározás a beérkezési és a kilépési szög mérése segítségével. Ezután ismerteti a beérkezési és a kilépési szögön alapuló valós idejű helyzetmeghatározás gyors megvalósításához szükséges szoftvereket tartalmazó egylapkás Bluetooth-rendszereket és rádiós modulokat, valamint a Silicon Labs és a u-blox ezen feladatra megfelelő antennáit. Bemutat a cikk olyan fejlesztőkészleteket is, amelyekkel tovább csökkenthető a piacra kerülési idő.

A leggyakrabban használt beltéri valós idejű helyzetmeghatározási módszerek wifit vagy Bluetoothot használnak (1. táblázat):

• A wifi-ujjlenyomatgyűjtés (Wi-Fi fingerprinting) egy olyan adatbázist használ, amely tartalmazza az épületben található valamennyi wifihozzáférési pont (AP, access point) helyét és bázisállomás-azonosítóját (BSSID). Az eszközcímke megvizsgálja a wifikörnyezetet, és jelenti a wifihozzáférési pontok listáját és az egyes hozzáférési pontok jelerősségét. A rendszer ezután a felméréssel kapott adatbázist használja fel a címke valószínű helyének becsléséhez. Ez a módszer nem tesz lehetővé nagy pontosságú valós idejű helyzetmeghatározást.
• A wifi-jeláthaladási idő (ToF, time of flight) használata pontosabb ennél. Ez azt méri, hogy mennyi idő alatt jutnak el a wifijelek egyik eszközről a másikra. A jeláthaladási idő mérése a valós idejű helyzetmeghatározás pontosságának javítása érdekében sűrűn kiépített hozzáférési pontokat igényel. Mind a jeláthaladási idő mérése, mind az ujjlenyomatgyűjtés nagy eszközköltséggel és energiaigénnyel jár.
• A vett Bluetooth-jelerősség mérése (RSSI, received signal strength indicator) úgy teremti meg a valós idejű helyzetmeghatározás lehetőségét, hogy lehetővé teszi az eszközök számára, hogy a vett jelerősséget és az ismert jeladók helyzetét összevetve meghatározzák a közeli Bluetooth-jeladóktól való hozzávetőleges távolságukat. A vett jelerősség mérése kevesebb energiát használ és olcsóbb, mint a wifi-ujjlenyomatgyűjtés és a jeláthaladási idő elemzése, de a pontossága korlátozott. A pontosságot tovább csökkenthetik olyan környezeti tényezők, mint a páratartalom és a közelben működő robotok, valamint a létesítményben mozgó emberek, amelyek/akik belezavarnak a Bluetooth-jelszintekbe.
• A Bluetooth-jel beérkezési szögének mérése (Bluetooth AoA) a legújabb és legpontosabb beltéri valós idejű helyzetmeghatározási módszer. Amellett, hogy nagy pontosságot tesz lehetővé, viszonylag kevés energiát fogyaszt, és kis költségű. A többi megoldáshoz képest azonban bonyolultabb a megvalósítása.

1. táblázat: A beltéri valós idejű helyzetmeghatározás különböző, a pontosság, a fogyasztás és a költségek közötti különféle kompromisszumot kínáló, wifit vagy Bluetoothot használó módszerekkel valósítható meg (táblázat: u-blox)

A Bluetooth-jel beérkezési szögét és a kapcsolódó kilépési szöget mérő valós idejű helyzetmeghatározási módszerek antennatömböket használnak az eszköz helyzetének megbecsléséhez (1. ábra). A beérkezési szöget mérő módszer esetén az eszköz egyetlen antennáról küld egy meghatározott iránykereső jelet. A vevőkészülék egy antennatömbbel van felszerelve, és méri a különböző antennák közötti jelfáziskülönbségeket, amelyeket az egyes antennáknak az eszköztől való eltérő távolsága okoz. A vevőkészülék a negyedhullám-eltérési adatokat a tömb aktív antennái között kapcsolgatva állapítja meg. A negyedhullám-eltérési adatokat ezután az eszköz helyének kiszámítására használja a rendszer. A kilépési szöget mérő módszernél a helyzetmeghatározó jeladó, amelyhez képest a helyzetmeghatározás történik, több egy tömbbe foglalt antennával adja a jelet, a vevő pedig egyetlen antennával veszi azt. A vevőkészülék több jelet használ a negyedhullám-eltérési adatok meghatározására és a helyzet megbecslésére. A beérkezési szög (AoA) mérését az eszközök helyzetének követésére használják gyakrabban, míg a kilépési szög (AoD) mérését inkább arra, hogy a robotok nagy pontossággal és kis késleltetéssel tudják meghatározni, hogy hol vannak a létesítményen belül.

1. ábra: A Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének mérésén alapuló valós idejű helyzetmeghatározási módszerek alapját antennatömbök képezik (kép: Silicon Labs)

A beérkezési szög mérésén alapuló valós idejű helyzetmeghatározásos helyzetkövetés alapelve egyszerű: Θ = arc cos ((fáziskülönbség × hullámhossz)/(2 π × az antennák közötti távolság)) (2. ábra). A tényleges megvalósítások bonyolultabbak, és figyelembe kell venniük a környezeti változók, a többutas jelek, a változó jelpolarizáció és egyéb tényezők által okozott jelterjedési késéseket. Ezenkívül ha az antennákat tömbben használják, kölcsönös csatolás jöhet köztük létre, és befolyásolhatják egymás válaszát. Végül pedig nagy kihívást jelenthet az összes ilyen változó figyelembevételéhez szükséges algoritmusok kifejlesztése és hatékony megvalósítása egy erőforrás-korlátozott beágyazott környezetben használt időkritikus megoldásban. A fejlesztők szerencséjére a Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének mérésén alapuló kész megoldások tartalmazzák a negyedhullám-eltérési adatok gyűjtését és előfeldolgozását, a többutas összetevők elnyomását, valamint az antennák közötti kölcsönös csatolás és a környezeti tényezők kompenzálását.

2. ábra: A beérkezési szög meghatározására szolgáló egyenlet (jobbra fent) a beérkező jelek fáziskülönbségét, a jel hullámhosszát és a szomszédos antennák közötti távolságot használja (kép: u-blox)

Egylapkás rendszerek a Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének mérésére

A fejlesztők a Bluetooth 5.2 hálózatépítéshez, valamint a jel beérkezési és kilépési szöge mérésének megvalósítására használhatnak olyan egylapkás rendszereket, mint a Silicon Labs cég EFR32BG22C222F352GN32-C jelű eszköze. Ez az egylapkás rendszer az EFR32BG22 vezeték nélküli Gecko termékcsalád része, amely egy 76,8 MHz legnagyobb üzemi frekvenciájú, 32 bites ARM® Cortex®-M33 magot, valamint egy kis üzemi és alvó állapotbeli áramfelvételű 2,4 GHz-es energiatakarékos rádiós magot és egy akár 6 dBm (decibelméter) adási (TX, transmit) teljesítményű beépített teljesítményerősítőt tartalmaz egy 4 mm × 4 mm × 0,85 mm méretű QFN32 tokban (3. ábra). Az eszköz megbízhatósági alapponttal és biztonságos rendszerbetöltővel (RTSL, root of trust and secure loader) támogatott biztonságos rendszerindításra képes. A további biztonsági funkciók közé tartozik az AES128/256, az SHA-1, az SHA-2 (256 bitesig), az ECC (256 bitesig), az ECDSA és az ECDH hardveres titkosítás gyorsítása, valamint a NIST SP800-90 szabványnak megfelelő, AIS-31-kompatibilis valódi véletlenszám-generátor (TRNG, true random number generator). Ezenkívül ezek az egylapkás rendszerek típustól függően akár 512 kB flash- és 32 kB RAM memóriával is el vannak látva, és a QFN32 mellett 5 mm × 5 mm × 0,85 mm-es QFN40 és 4 mm × 4 mm × 0,30 mm-es TQFN32 tokban is beszerezhetőek.

3. ábra: Az EFR32BG22 jelű vezeték nélküli Gecko egylapkás Bluetooth-rendszerek, amelyek lehetővé teszik a beérkezési és a kilépési szög mérését, 4 mm × 4 mm × 0,85 mm méretű QFN32 tokban kaphatóak (kép: Silicon Labs)

A szakembereknek szánt BG22-RB4191A vezeték nélküli fejlesztőkészlet a 2,4 GHz-es EFR32BG22 vezeték nélküli Gecko egylapkás rendszeren alapuló iránykereső rádiós lapkát és egy pontos iránykeresésre optimalizált antennatömböt tartalmaz, és felgyorsíthatja a beérkezési és a kilépési szög mérésére szolgáló protokollokat használó Bluetooth 5.1 alapú valós idejű helyzetmeghatározó eszközök fejlesztését (4. ábra). Az alaplap számos eszközzel fel van szerelve a vezeték nélküli készülékek egyszerű kiértékeléséhez és fejlesztéséhez, köztük a következőkkel:

• Beépített J-Link hibakereső a céleszköz Etherneten vagy USB-n keresztül történő programozásához és hibakereséséhez
• Valós idejű áram- és feszültségmérés a fejlett energiafigyelővel
• A virtuális COM port soros portos kapcsolatot biztosít Etherneten és USB-n keresztül.
• A csomagkövető illesztőfelület hibakeresési adatokat szolgáltat a fogadott és továbbított vezeték nélküli adatcsomagokról

4. ábra: A szakembereknek szánt, az EFR32BG22 vezeték nélküli Gecko egylapkás rendszerrel és egy antennatömbbel ellátott BG22-RB4191A vezeték nélküli fejlesztőkészlet felgyorsíthatja a beérkezési és a kilépési szög mérésével végzett valós idejű helyzetmeghatározó eszközök fejlesztését (kép: Silicon Labs)

A Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögét mérő modulok

A u-blox beépített antennával és anélkül is kínál a jel beérkezési és kilépési szögének mérését lehetővé tevő Bluetooth-modulokat. Az olyan készülékekhez, amelyeknél a beépített antenna nélküli modul az előnyös, a tervezők használhatják a NINA-B41x sorozat tagjait, például a NINA-B411-01B típust, amely a Nordic Semiconductor cég nRF52833 jelű IC-jén alapul (5. ábra). Ezek a modulok beépített rádiófrekvenciás magot és lebegőpontos processzorral ellátott ARM® Cortex®-M4 processzort tartalmaznak, és az összes Bluetooth 5.1 üzemmódban működnek, beleértve a beérkezési és a kilépési szög mérését is. A –40 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománynak köszönhetően ezek a modulok kimondottan alkalmasak ipari környezetben használandó valós idejű helyzetmeghatározó eszközökhöz. Emellett az 1,7 V és 3,6 V közötti bemenőfeszültség-tartomány jól használhatóvá teszi őket az egycellás akkumulátorral működő rendszerekben is.

5. ábra: A NINA-B41x sorozatú modulok külső antennákat használó kis méretű valós idejű helyzetmeghatározó eszközök készítését teszik lehetővé (kép: DigiKey)

A u-blox cég NINA-B40x sorozatának tagjai – például a NINA-B406-00B – a modul 10 mm × 15 mm × 2,2 mm méretű nyomtatott áramköri lapjának vezetőcsíkjaként kialakított belső antennát tartalmaznak (6. ábra). A NINA-B406 modulok akár +8 dBm kimenőteljesítményt is képesek leadni. A Bluetooth 5.1 üzemmódok, köztük a beérkezési és a kilépési szög mérésének támogatása mellett ezek a modulok képesek használni a 802.15.4 (Thread és Zigbee) protokollt és a Nordic saját fejlesztésű 2,4 GHz-es protokollját, lehetővé téve a tervezők számára, hogy ugyanazt a modult használják a dolgok internetére kapcsolódó (IoT-) sokféle eszközhöz.

6. ábra: Azokhoz a beérkezési és kilépési szög mérésére szolgáló eszközökhöz, amelyeknél előnyös a beépített antenna, használhatók a NINA-B40x sorozat moduljai (kép: DigiKey)

A piacra kerülési idő lerövidítése érdekében a tervezők használhatják a u-blox cég XPLR-AOA-1 fejlesztőkészletét, amely lehetővé teszi a Bluetooth 5.1 iránykereső funkciójával, valamint a beérkezési és a kilépési szög mérésének használatával való kísérletezést. Ez a fejlesztőkészlet egy címkét és egy NINA-B411 Bluetooth LE (kis fogyasztású Bluetooth, Bluetooth Low Energy) modullal ellátott antennakártyát tartalmaz (7. ábra). A címke egy NINA-B406 Bluetooth-modul köré épül, és tartalmaz egy Bluetooth 5.1 helyzetmeghatározó üzenetek küldésére alkalmas szoftvert is. Az antennakártyát úgy tervezték, hogy fogadja az üzeneteket, és egy szögszámítási algoritmust használva meghatározza a címke irányát. A szögek kiszámítása két dimenzióban történik a kártyán lévő antennatömb segítségével.

7. ábra: Az XPLR-AOA-1 fejlesztőkészlet egy címkét (balra) és egy a Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének kiértékelését lehetővé tevő antennakártyát (jobbra) tartalmaz (kép: u-blox)

Az XPLR-AOA-1 készlet rugalmassága lehetővé teszi a tervezők számára, hogy különféle megoldásokkal kísérletezzenek, például:

• annak érzékelése, ha egy tárgy közeledik az ajtóhoz
• a helyiségben mozgó eszközt követő kamera engedélyezése
• egy kapun áthaladó vagy egy adott hely mellett elhaladó áruk nyomon követése
• a robotok vagy automata irányított járművek ütközésének elkerülése

Ezenkívül több XPLR-AOA-1 készlet felhasználásával és három vagy több antennakártya irányainak háromszögelésével összetettebb helyzetmeghatározó rendszereket is létre lehet hozni.

Összegzés

Az Ipar 4.0-s eszközöket tervező mérnökök a Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének mérésével pontos és költségtakarékos valós idejű helyzetmeghatározó készülékeket hozhatnak létre, mert olyan egylapkás rendszerek és modulok közül választhatnak, amelyek tartalmazzák mindazokat az elemeket, amelyek a Bluetooth-jel beérkezési és kilépési szögének méréséhez elengedhetelen bonyolult szoftverek gyors létrehozásához szükségesek. Ezek az egylapkás rendszerek és modulok kis fogyasztásra vannak optimalizálva, hogy támogassák az akkumulátoros helyzetmeghatározó címkék használatát, és zord ipari környezetben való működésre lettek tervezve.