EUR | USD

Käytä Bluetooth-suuntahakua tarkkaan, vähävirtaiseen ja reaaliaikaiseen sisätiloihin tarkoitettuun omaisuudenseurantaan

Kirjoittaja Bill Giovino

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Tehtaat, varastot ja tuotantolaitokset käyttävät kasvavassa määrin tunnuksia omaisuuden sijainnin reaaliaikaiseen seurantaan. Tämän jälkeen tiedot integroidaan tyypillisesti sopivaan pilvipohjaiseen IIoT (Industrial Internet of Things) -varastonhallintajärjestelmään, joka mahdollistaa omaisuuden seurannan etänä. Ongelma on se, että NFC-teknologiaa lukuun ottamatta useimmat omaisuudenseurantaratkaisut riippuvat paristoja käyttävistä tunnuksista. Tämä vaatii virrankulutuksen pitämistä mahdollisimman alhaisena. Eräät ratkaisut ovat lisäksi sisätiloissa epäluotettavia ja epätarkkoja.

Esimerkiksi GPS-tunnukset ovat epäluotettavia sisätiloissa, erityisesti teräs- ja betonirakennuksissa. Klassiset Bluetooth-paikannusjärjestelmät perustuvat RSSI (Received Signal Strength Indicator) -informaatioon, mikä on hyödyllistä, mutta joka ei useinkaan täytä suunnittelijan tarkkuusvaatimuksia. Se mitä tarvitaan on luotettava, kustannustehokas, tarkka, paristokäyttöinen langaton omaisuudenseurantaratkaisu, jota voidaan käyttää sisätiloissa ja joka kuitenkin tarjoaa pitkän akkukeston.

Näihin haasteisiin vastaamiseksi tämä artikkeli kuvaa Bluetooth 5.1 -suuntahakuprotokollaa ja sitä miten se toimii. Tämän jälkeen artikkeli esittelee tätä protokollaa tukevan kustannustehokkaan Bluetooth-moduulin yritykseltä Silicon Labs. Artikkelissa näytetään miten moduuli voi vastata sekä tarkkuus- että vähävirtaisuusvaatimuksiin IIoT-varastonhallintajärjestelmässä.

Mitä omaisuudenseuranta on ja miksi sitä tarvitaan IIoT:ssä?

Edistyneet IIoT-varastonhallintajärjestelmät vaativat omaisuuden reaaliaikaista seurantaa pilvessä missä tahansa maailmassa. Suuret varastot, joissa varastoidaan arvokkaita tuotteita ja laitteita, saattavat vaatia sijaintitunnisteita varaston hallintaa ja varkaudenestoa varten. Tämän ansiosta varaston työntekijät sekä automaattiset poimintalaitteet voivat nopeasti ja tehokkaasti paikantaa kohteen ja valmistaa sen lähetystä varten. Varastonhallinnassa omaisuuden paikallaolo ja sijainti voidaan määrittää helposti ja lisätä säännöllisiin statusraportteihin. Tämä on luotettavampi tapa selvittää varastostatus kuin manuaalisesti tarkistaa tulevan ja lähtevän omaisuuden rahtikirjat.

Omaisuuden reaaliaikaista seurantaa käytetään IIoT-varastonhallintajärjestelmen lisäksi myös varkaudenestojärjestelmissä. Jos varastokohdetta ei ole aikataulutettu lähetettäväksi, IIoT-järjestelmä voi hälyttää turvallisuuspalvelun jos kohteen havaitaan olevan lähellä uloskäyntiä. Omaisuuden reaaliaikainen sijainti voi myös nopeuttaa palvelua ja lähetystä aikana, jolloin seuraavan päivän toimituksen odotetaan nopeasti kehittyvän saman päivän toimitukseksi.

Jotta omaisuutta voidaan seurata suuressa mittakaavassa, sijaintitunnisteiden on oltava kustannustehokkaita ja niillä on oltava pitkä akkukesto. NFC-tunnukset eivät käytä paristoja, mutta ne vaativat, että vastaanotin on alle 20 senttimetrin (cm) etäisyydellä tunnuksesta, mikä rajoittaa niiden käytettävyyttä. GPS-seurantalaitteet ovat epäluotettavia sisätiloissa, koska erityisesti teräs- ja betonirakenteet voivat haitata satelliittien seurantasignaaleja.

Eräs suosittu omaisuudenseurantaratkaisu käyttää Bluetoothin majakka-sijaintiominaisuutta. Tämä seuraa tunnuksen sijaintia vertaamalla majakkaviestiin koodattua referenssisignaalivoimakkuutta vastaanotetun signaalin signaalivoimakkuuteen. Tämän jälkeen majakan sijaintipaikka määritetään kolmiomittauksella käyttäen kolmea tai useampaa vastaanotinta. Tämä antaa arvion majakan sijaintipaikasta. Tämä tapa ei kuitenkaan tarjoa varastonhallintajärjestelmissä vaadittavaa tarkkuutta. Lisäksi sijainnin tarkkuuteen vaikuttavat kosteuden muutokset, samoin kuin sellaiset liikkuvat objektit kuten haarukkatrukit, työntekijät ja ovet.

Bluetooth-suuntahaku

Ratkaisu on Bluetooth-suuntahaku, joka on Bluetooth 5.1 -spesifikaation sisältämä ominaisuus.

Bluetooth-suuntahaku määrittää kolmiomittauksella paristokäyttöisen omaisuustunnuksen sijainnin perustuen kahden tai useamman antennin vastaanottamien signaalien vaihe-eroon. Tämän seurauksena sen tarkkuus on alle 1 metri (m) ja se tarjoaa kustannustehokkaan sijainninseurantaratkaisun, jota voidaan luotettavasti käyttää sisätiloissa. Samalla se mahdollistaa vuosien toiminnan yhdellä ainoalla nappiparistolla.

Bluetooth-suuntahaussa tavalliseen Bluetooth-majakkasignaaliin lisätään uusi signaali nimeltä CTE (Continuous Tone Extension). CTE on jatkuva ääni, joka lähetetään taajuudella, joka lasketaan seuraavasti: Bluetooth-taajuus + 250 Hz. Koska CTE on riippumaton tavallisista Bluetooth-viestipaketeista, se ei häiritse niitä eikä viivästytä niitä. Tämän ansiosta vastaanottoantennit voivat ottaa vastaan jatkuvan ja keskeytymättömän yhteyden reaaliajassa, mikä ratkaisee sijainnin reaaliaikaisen seuraamisen ongelman.

Tulokulma ja lähtökulma

Bluetooth-suuntahaku käyttää kahden tyyppistä vaihe-eroa ja antennipohjaista sijainnin tunnistusmekanismia. Näitä kutsutaan nimillä tulokulma (AoA, Angle of Arrival) ja lähtökulma (AoD, Angle of Departure) (kuva 1). AoA-tekniikkaa käytetään kun ulkoisten järjestelmien on seurattava yksittäisiä tunnuksia. Omaisuustunnus, joka sisältää Bluetooth 5.1 -yhteensopivan moduulin, lähettää CTE-signaalia. Kahta antennia käyttävä Bluetooth-vastaanotin ottaa signaalin vastaan tukiasemassa. Vastaanotin käyttää kahden antenneilla vastaanotetun näytteistetyn signaalin vaihe-eroa laskeakseen etäisyyden omaisuustunnukseen kolmiomittauksen avulla.

Kaaviossa suuntahaun menetelmät AoA ja AoD (suurenna klikkaamalla)Kuva 1: Suuntahaun AoA-menetelmässä (vasemmalla) omaisuustunnus yleislähettää signaalinsa Bluetooth AoA -tukiaseman paikantimelle, joka mittaa signaalin tulokulman kahdessa tai useammassa antennissa määrittääkseen tunnuksen sijaintipaikan. AoD-menetelmässä (oikealla) Bluetooth-tukiasemat lähettävät majakkasignaalia omaisuustunnuksille, jotka laskevat oman sijaintipaikkansa. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Laskostumisesta aiheutuvien näytteenottovirheiden estämiseksi kahden vastaanottoantennin välisen etäisyyden on vastattava vastaanotetun signaalin Nyquist-taajuuden aallonpituutta, joka on vastaanotetun signaalin aallonpituus jaettuna kahdella. Noin 2,4 gigahertsin (GHz) Bluetooth-signaali vastaa aallonpituutta 12,5 cm, joten kahden antennin välisen etäisyyden on oltava 6,25 cm tai vähemmän. Etäisyys omaisuustunnukseen voidaan laskea käyttämällä kahden antennin signaalien vaihe-eroa, kahden antennin välistä tiedettyä kiinteää etäisyyttä sekä kahden antennin tiedettyä konfiguraatiota.

Jos lisäantenni-vastaanottoyksikköä käytetään yhdessä kahden antennin kanssa, joiden konfiguraatio on sama kuin ensimmäisen yksikön, omaisuustunnuksen tarkka sijaintipaikka 3D-tilassa voidaan määrittää.

AoD-menetelmää käytetään kun omaisuustunnuksen on seurattava omaa sijaintiaan. AoD-menetelmässä tunnus toimii Bluetooth-vastaanottimena ja useita antenneja käyttävä tukiasema toimii Bluetooth-lähettimenä. Tukiasema lähettää CTE-signaalia kaikilla antenneilla. Vastaanottimen laiteohjelmisto tietää antennien lukumäärän, tiedetyn kiinteän etäisyyden kaikkien antennien välillä sekä antennien tiedetyn konfiguraation ja se käyttää vastaanotettujen signaalien välisiä vaihe-eroja oman sijaintinsa laskemiseen.

Varastossa käytettävässä IIoT-varastonhallintajärjestelmässä laatikoihin tai säiliöihin kiinnitetyt paristokäyttöiset omaisuustunnukset käyttäisivät AoA-menetelmää kun taas haarukkatrukit ja automatisoidut keräily-ja-pakkaus-laitteet käyttäisivät AoD-menetelmää. Haarukkatrukit ja automatisoidut keräily-ja-pakkaus-laitteet on tehty raskaaseen käyttöön eikä niiden akut muodosta ongelmaa, joten ne voivat lähettää sijaintitietonsa Wi-Fin kautta IIoT-pääkeskittimeen. Kaikki tämä voi olla seurattavissa reaaliajassa IIoT-pilvirajapinnan kautta.

Vähävirtaiset Bluetooth-suuntahakumoduulit

Silicon Labs on esitellyt vähävirtaisia Bluetooth 5.2 -suuntahakusovelluksia varten BGM220-Bluetooth-moduuliperheen, jonka luvataan tarjoavan 10 vuoden akkukesto yhdellä ainoalla pitkäkestoisella nappiparistolla. BGM220PC22HNA2-versio on Bluetooth 5.2 -lähetin-vastaanotin-moduuli, joka tarvitsee tilaa vain 12,9 x 15,0 millimetriä (mm) ja jonka korkeus on vain 2,2 mm (kuva 2). Se tarvitsee 1,8–3,8 voltin käyttöjännitteen, minkä ansiosta se sopii sovelluksiin, joissa käytetään pitkäkestoista 3,0 voltin litium-nappiparistoa samoin kuin sovelluksiin, joissa käytetään suurempia uudelleenladattavia 3,6 voltin litiumioni (Li-ion) -kennoja kuluttajamobiililaitteita varten. Laite voi toimia lämpötilassa -40 °C ... +105 °C, minkä ansiosta se sopii erityisen hyvin vaativiin olosuhteisiin, esimerkkinä tehtaat ja teollisuusvarastot.

Kuvassa Silicon Labsin BGM220PC22HNA2, kompakti Bluetooth 5.2 -moduuliKuva 2: BGM220PC22HNA2 on kompakti Bluetooth 5.2 -moduuli, joka tukee Bluetooth-suuntahakua ja joka toimii jopa 10 vuotta yhdellä ainoalla pitkäkestoisella nappiparistolla. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2-piirin radio käyttää 2,4 GHz:n kaistaa ja sen lähtöteho on 8 desibeliä suhteessa 1 milliwattiin (mW) (dBm). Moduuli sisältää kaikki tarvittavat erotuskondensaattorit ja induktiokelat samoin kuin 38,4 megahertsin (MHz) ja 32,768 kilohertsin (kHz) oskillaattorit sekä integroidun keraamisen siruantennin (kuva 3). Moduuli perustuu Arm® Cortex®-M33 -ytimeen ja siinä on 512 kilotavua (KB) flash-muistia ja 32 kilotavua RAM-muistia.

Kaaviossa Silicon Labs BGM220PC22HNA2 Bluetooth -moduuli (suurenna klikkaamalla)Kuva 3: BGM220PC22HNA2 Bluetooth -moduuli sisältää kaiken tarvittavan tukeakseen itsenäistä omaisuustunnusta ja Bluetooth-suuntahakua, mukaan lukien 2,4 GHz:n radio, muisti, Arm Cortex-M33 -prosessori sekä ADC. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Muokatussa laiteohjelmistossa voidaan käyttää oheislaitteena nopeudeltaan 76,9 kilonäytettä per sekunti (kSPS) 16-bittistä AD-muunninta (Analog-to-Digital), joka voidaan myös konfiguroida toimimaan 12 bitin ja 1000 kSPS:n AD-muuntimena. Muokatussa laiteohjelmistossa voidaan käyttää jopa 24 I/O-pinniä. Laiteohjelmiston tapahtumien ajastamisessa voidaan käyttää neljää 16-bittistä ajastinta ja yhtä 32-bittistä ajastinta. Ulkoisia oheislaitteita voidaan käyttää kahden I2C-rajapinnan kautta. BGM220P sisältää myös kaksi monitoimista USART-porttia, jotka voidaan toisistaan riippumatta konfiguroida käyttämään protokollia UART, SPI, älykorttirajapinta, IrDA tai I2S. Tämä tarjoaa joustavuutta sarjaliitäntöjen valintaan sekä laskee pinnien lukumäärää.

Kun BGM220PC22HNA2-piiriä käytetään omaisuustunnuksessa Bluetooth-suuntahaussa, sovelluksen tulisi käyttää ainoastaan tarvittavia oheislaitteita ja sammuttaa kaikki käyttämättömät laitteet akkukeston parantamiseksi. Minimaalinen omaisuustunnuskonfiguraatio sisältäisi ainoastaan BGM220PC22HNA2-piirin 3,0 voltin paristolla ei-metallisessa kotelossa, joka ei häiritse Bluetooth-signaalien kulkua. I/O-pinneihin voidaan kytkeä ulkoiset kytkimet käynnistysvalintoja varten, esimerkkinä yksittäisten tunnusten identifiointiasetukset. Laitteeseen voidaan kytkeä yksi tai useampi ulkoinen ledi, mutta suunnittelijoiden on oltava tässä tarkkoja, koska jokainen ledi on lisäkuorma paristolle. Ideaalisesti ledejä käytettäisiin ainoastaan konfiguroinnin aikana.

Bluetooth-suuntahakua käyttävien sovellusten kehittäminen

Silicon Labs tarjoaa Bluetooth-suuntahakua käyttävien sovellusten kehittämiseen SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module Starter Kit -sarjan (kuva 4). Sarja sisältää plug-in-tyyppisen radiokortin, joka toimii kantajakorttina BGM220P-moduulille. Keskellä korttia on 128 x 128 LCD-näyttö, joka kuvassa näyttää Silicon Labsin logon sekä lisätekstiä.

LCD-näytön alla on kaksi laiteohjelmistolla ohjelmoitavaa painonappia. LCD-näyttöä voidaan käyttää kehitysvaiheessa näyttämään tilatietoja ja painonappeilla voidaan ohjata laiteohjelmiston suoritusta. Virheenkorjaus on tuettua USB-liittimen kautta. Saatavana on lisäliittimiä Silicon Labsin energianseurantaohjelmiston käyttöä varten. Sen avulla sovellusta voidaan hienosäätää niin, että se käyttää mahdollisimman vähän virtaa.

Kuvassa Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P -aloitussarjaKuva 4: SLWSTK6103A BGM220P -aloitussarja sisältää kaiken tarvittavan laiteohjelmiston kehittämiseksi BGM220P-moduulia varten ja Bluetooth-suuntahaun käyttöön. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

SLWSTK6103A tarjoaa myös lämpötila- ja kosteusanturit. Omaisuustunnuksen Bluetooth-suuntahaussa ympäristöanturit voidaan yhdistää I2C-rajapintaan omaisuustunnusta ympäröivien olosuhteiden seuraamiseksi ja hälytyksen lähettämiseksi Bluetoothin kautta jos olosuhteet ylittävät esiasetetut raja-arvot. Muut I/O-pinnit ja oheislaitepinnit tuodaan piirilevyliittimille. Aloitussarjan käyttöjännitteenä voidaan käyttää ulkoista USB-liitäntää tai nappiparistoa.

Yhteenveto

Reaaliaikainen omaisuudenseuranta IIoT-varastonhallintajärjestelmässä vaatii tarkkaa, luotettavaa ja kustannustehokasta ratkaisua, joka on pienikokoinen ja vähävirtainen. Kuten artikkelissa on näytetty, Bluetooth 5.1 -spesifikaation suuntahakuominaisuus voidaan helposti integroida omaisuustunnukseen käyttäen käyttövalmiita moduuleja ja tällä tavoin tarjota vaadittava reaaliaikainen sijainnin seurantamahdollisuus ja vaadittava suorituskyky.

Lisätietoja

  1. Käytä Bluetooth 5.1 -alustoja tarkkaan omaisuudenseurantaan ja paikannukseen sisätiloissa - Osa 1
  2. Rakenna turvallisia vähävirtaisia IoT-laitteita käyttämällä monipuolista Bluetooth 5.2 -järjestelmäpiiriä

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Bill Giovino

Bill Giovino is an Electronics Engineer with a BSEE from Syracuse University, and is one of the few people to successfully jump from design engineer, to field applications engineer, to technology marketing.

For over 25 years Bill has enjoyed promoting new technologies in front of technical and non-technical audiences alike for many companies including STMicroelectronics, Intel, and Maxim Integrated. While at STMicroelectronics, Bill helped spearhead the company’s early successes in the microcontroller industry. At Infineon Bill orchestrated the company’s first microcontroller design wins in U.S. automotive. As a marketing consultant for his company CPU Technologies, Bill has helped many companies turn underperforming products into success stories.

Bill was an early adopter of the Internet of Things, including putting the first full TCP/IP stack on a microcontroller. Bill is devoted to the message of “Sales Through Education” and the increasing importance of clear, well written communications in promoting products online. He is moderator of the popular LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group and speaks B2E fluently.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa