Bluetooth AoA- ja AoD-tekniikoiden hyödyntäminen logistiikan seurannassa sisätiloissa

Varastojen ja tehtaiden reaaliaikainen omaisuuden seuranta on tärkeä osa Teollisuus 4.0 -aloitetta. Omaisuuden seurantaa ja logistiikkajärjestelmien parantamista varten on saatavilla monenlaisia reaaliaikaisia sijaintipalveluteknologioita (Real-Time Location Services, RTLS). Global Positioning System (GPS) ‑paikannusta käytetään usein ulkona, mutta nämä signaalit eivät aina toimi rakennusten sisällä. Wi-Fi on toinen vaihtoehto, mutta sen tarkkuus on yleensä rajallinen, se vaatii merkittävästi virtaa ja sen käyttöönotto voi olla kallista. Radiotaajuinen etätunnistus (Radio-Frequency Identification, RFID) tarvitsee vain vähän virtaa ja tarjoaa hyvän tarkkuuden, mutta se tapaa olla kallis. Teollisuus 4.0 ‑sijaintipalveluasennuksissa käytetään yhä useammin Bluetooth 5.1:n suuntaustekniikoita, koska niissä yhdistyvät tarkka paikantaminen sisätiloissa, matala virrankulutus sekä Bluetooth-laitteiston ja käyttöönoton edullisuus.

Kehittäjille voi olla houkuttelevaa suunnitella Bluetooth-sijaintipalvelujärjestelmä alusta alkaen. Valitettavasti radiotaajuuden (Radio Frequency, RF) tulokulman (Angle-of-Arrival, AoA) ja lähtökulman (Angle-of-Departure, AoD) vaiheen ja kvadratuurin (In-phase and Quadrature, IQ) tietojen saaminen RF-signaalista lähetin-vastaanottimen sijainnin laskemista varten on haastavaa ja vaatii useiden antennien integrointia. Vaikka AoA- ja AoD-tiedot saataisiinkin mitattua, seurattavan kohteen sijainnin tarkkaa laskentaa voivat monimutkaistaa useat tekijät, muun muassa monitie-eteneminen, signaalin polarisaatio, etenemisviiveet, värinä ja kohina.

Sen sijaan suunnittelijat voivat käyttää Teollisuus 4.0 ‑sijaintipalvelusovelluksissa langattomia Bluetooth-järjestelmäpiirejä (System on a Chip, SoC), RF-moduuleja ja antenneja. Tässä artikkelissa tutustutaan lyhyesti eri sijaintipalvelutekniikoiden suorituskykykompromisseihin ja kuvaillaan sijaintipalvelun toteutusta Bluetooth AoA- ja AoD-datan avulla. Tämän jälkeen artikkelissa tarkastellaan Bluetooth-järjestelmäpiirejä ja RF-moduuleja, joissa on tarvittavat ohjelmistot AoA-/AoD-pohjaisen sijaintipalvelun nopeaan toteuttamiseen, sekä tässä käytettäviä Silicon Labsin ja u-bloxin antenneja. Tutustumme myös arviointisarjoihin, jotka voivat nopeuttaa markkinoillepääsyä entisestään.

Yleisimmät sisätiloihin tarkoitetut sijaintipalvelut on toteutettu Wi-Fin ja Bluetoothin avulla (taulukko 1):

• Wi-Fi-sormenjälkitekniikka hyödyntää tietokantaa, joka sisältää rakennuksen kunkin Wi-Fi-tukiaseman sijainnin ja tunnuksen (Base Station ID, BSSID). Omaisuustunnus skannaa Wi-Fi-ympäristön ja generoi luettelon kaikista Wi-Fi-tukiasemista sekä niiden signaalivahvuuksista. Sitten kartoituksessa koottua tietokantaa käytetään tunnuksen todennäköisen sijainnin arviointiin. Tämä tekniikka ei mahdollista tarkkaa reaaliaikaista sijaintipalvelua.
• Sen sijaan Wi-Fi-kulkuaika (Time of Flight, ToF) on tarkempi vaihtoehto. Sillä mitataan Wi-Fi-signaalien kulkuaikaa laitteiden välillä. ToF vaatii tiheän joukon tukiasemia sijaintipalvelun tarkkuuden parantamiseksi. Sekä ToF- että sormenjälkitekniikoilla on korkeat kustannukset ja energiavaatimukset.
• Bluetoothin vastaanotetun signaalin voimakkuuden ilmaisin (Received Signal Strength Indicator, RSSI) tukee sijaintipalvelun toteutusta, sillä sen avulla laitteet voivat määrittää likimääräisen etäisyytensä läheisiin Bluetooth-majakoihin vertaamalla vastaanotetun signaalin vahvuutta majakoiden tunnettuihin sijainteihin. RSSI käyttää vähemmän energiaa ja on halvempi menetelmä kuin Wi-Fi-sormenjälkitekniikka tai ToF, mutta sen tarkkuus on rajallinen. Sen tarkkuutta voivat edelleen heikentää ympäristötekijät, kuten kosteus sekä ympäri laitosta liikkuvat robotit ja ihmiset, jotka häiritsevät Bluetooth-signaalitasoja.
• Bluetooth AoA on uusin ja tarkin sisätilojen sijaintipalvelutekniikka. Se tarjoaa hyvän tarkkuuden edullisesti ja suhteellisen alhaisella virrankulutuksella. Sen toteutus on kuitenkin monimutkaisempaa kuin muiden vaihtoehtojen.

Taulukko 1: Sisätilojen sijaintipalvelut voi toteuttaa erilaisilla Wi-Fi- ja Bluetooth-tekniikoilla, joissa on omat kompromissinsa tarkkuuden, virrankulutuksen ja kustannusten suhteen. (Taulukon lähde: u-blox)

Bluetooth AoA- ja AoD-sijaintipalveluratkaisut tarvitsevat antenniryhmän kohteen sijainnin arviointiin (kuva 1). AoA-ratkaisussa seurattava laite lähettää suuntaussignaalin yhdellä antennilla. Antenniryhmällä varustettu vastaanottava laite mittaa eri antennien väliset signaalivaihe-erot, jotka ovat seurausta seurattavan laitteen ja kunkin antennin välisten etäisyyksien eroista. Vastaanottava laite saa IQ-tiedot vaihtelemalla ryhmän aktiivisia antenneja. Sitten kohteen sijainti lasketaan IQ-tietojen avulla. AoD-ratkaisussa paikannusmajakka, jonka pohjalta sijainti määritetään, lähettää signaalin käyttämällä antenniryhmää, ja vastaanottavassa laitteessa on yksi antenni. Vastaanottava laite käyttää useita signaaleita IQ-tietojen määrittämiseen ja sijainnin arviointiin. AoA-tekniikkaa käytetään usein omaisuuden sijainnin seurantaan, kun taas AoD sopii hyvin menetelmäksi, jolla robotit voivat määrittää oman sijaintinsa laitoksessa tarkasti ja alhaisella viiveellä.

Kuva 1: Antenniryhmät ovat Bluetooth AoA- ja AoD-sijaintipalveluiden perusta. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

AoA-pohjaisen sijaintipalvelun peruskonsepti on yksinkertainen: Θ = arccos x ((vaihe-ero x aallonpituus) / (2 π x antennien välinen etäisyys)) (kuva 2). Tosimaailman toteutukset ovat monimutkaisempia, ja niissä on huomioitava ympäristömuuttujien aiheuttamat signaalien etenemisviiveet, monitie-eteneminen, signaalien vaihteleva polarisaatio ja muita tekijöitä. Lisäksi antenniryhmässä voi esiintyä antennienvälistä keskinäiskytkeytymistä, joka vaikuttaa niiden vasteisiin. Lopuksi voi olla hyvin haastavaa kehittää tarvittavat algoritmit, jotka huomioivat kaikki nämä muuttujat, ja toteuttaa ne aikakriittisessä ratkaisussa upotetussa ympäristössä rajallisilla resursseilla. Kehittäjien onneksi kattavat Bluetooth AoA- ja AoD-ratkaisut sisältävät IQ-tietojen keruun ja esikäsittelyn, monitiekomponenttien poistamisen sekä ympäristötekijöiden ja antennienvälisen keskinäiskytkennän kompensoinnin.

Kuva 2: AoA-määrityksen mahdollistava algoritmi (oikealla ylhäällä) käyttää saapuvien signaalien vaihe-eroja, signaalin aallonpituutta ja vierekkäisten antennien välistä etäisyyttä. (Kuvan lähde: u-blox)

Bluetooth AoA- ja AoD-järjestelmäpiirit

Kehittäjät voivat hyödyntää Bluetooth 5.2 ‑verkon, AoA- ja AoD-tekniikoiden toteutukseen sellaisia järjestelmäpiirejä kuten Silicon Labsin EFR32BG22C222F352GN32-C. Tämä järjestelmäpiiri kuuluu EFR32BG22 Wireless Gecko ‑tuoteperheeseen, ja siinä on jopa 76,8 MHz:n 32-bittinen Arm® Cortex®-M33 ‑ydin, energiatehokas 2,4 GHz:n radioydin matalalla aktiivisen tilan ja lepotilan virrankulutuksella sekä integroitu vahvistin jopa 6 desibelimetrin (dBm) lähetysteholla 4 × 4 × 0,85 mm:n QFN32-kotelossa (kuva 3). Näihin tuotteisiin sisältyy suojattu käynnistys RTSL-teknologialla (Root of Trust and Secure Loader). Lisäsuojausominaisuuksiin kuuluvat AES128-/256-, SHA-1- ja SHA-2-salauksen (jopa 256 bittiä) laitteistopohjainen kiihdytys, ECC (jopa 256 bittiä), ECDSA, ECDH sekä NIST SP800-90- ja AIS-31-vaatimukset täyttävä aito satunnaislukugeneraattori (True Random Number Generator, TRNG). Lisäksi mallista riippuen näissä järjestelmäpiireissä on jopa 512 kt:n Flash-muisti ja 32 kt:n RAM, ja ne ovat saatavilla QFN32-kotelon ohella 5 × 5 × 0,85 mm:n QFN40-kotelolla tai 4 × 4 × 0,30 mm:n TQFN32-kotelolla.

Kuva 3: AoA- ja AoD-tekniikkaa tukevat EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth-järjestelmäpiirit ovat saatavilla 4 × 4 × 0,85 mm:n QFN32-koteloissa (kuvan lähde: Silicon Labs)

BG22-RB4191A Wireless Pro Kit ‑sarja sisältää 2,4 GHz:n EFR32BG22 Wireless Gecko ‑järjestelmäpiiriin pohjautuvan radiosuuntauskortin ja tarkkaan suuntaukseen optimoidun antenniryhmän Bluetooth 5.1 ‑pohjaisten AoA- ja AoD-protokollia käyttävien sijaintipalvelusovellusten kehittämiseksi entistä nopeammin (kuva 4). Pääkortissa on useita langattomien sovellusten arviointia ja kehittämistä helpottavia työkaluja, kuten seuraavat:

• integroitu J-Link-debuggeri kohdelaitteen ohjelmointiin ja virheenkorjaukseen Ethernetin tai USB:n kautta
• reaaliaikaiset virta- ja jännitemittaukset edistyneellä tehomittarilla
• virtuaalinen COM-porttirajapinta sarjaporttiliitäntää varten Ethernetin tai USB:n yli
• pakettienseurantarajapinta, joka tarjoaa vastaanotettujen ja lähetettyjen langattomien tietopakettien virheenkorjaustietoja.

Kuva 4: BG22-RB4191A Wireless Pro Kit ‑sarja, EFR32BG22 Wireless Gecko ‑järjestelmäpiiri ja antenniryhmä nopeuttavat AoA- ja AoD-sijaintipalvelusovellusten kehittämistä. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Bluetooth AoA- ja AoD-moduulit

u-blox tarjoaa AoA- ja AoD-tekniikkaa tukevia Bluetooth-moduuleita sekä integroiduilla antenneilla että ilman. Jos sovelluksessa olisi hyödyllisempi moduuli, jossa ei ole integroitua antennia, suunnittelijat voivat käyttää NINA-B41x-sarjaa, esimerkkinä Nordic Semiconductor nRF52833 ‑piiriin pohjautuva NINA-B411-01B (kuva 5). Näissä moduuleissa on integroitu RF-ydin ja liukulukulaskentaa tukeva Arm® Cortex®-M4 ‑prosessori. Ne tukevat kaikkia Bluetooth 5.1 ‑tiloja, mukaan lukien AoA ja AoD. Näiden moduulien käyttölämpötila-alue on −40…+105 °C, joten ne sopivat hyvin sijaintipalvelusovelluksiin teollisissa ympäristöissä. Lisäksi 1,7–3,6 V:n syöttöjännitealue mahdollistaa niiden käytön yksikennoisilla paristoilla toimivissa järjestelmissä.

Kuva 5: NINA-B41x-sarjan moduulit tukevat ulkoisia antenneja käyttäviä kompakteja sijaintipalveluratkaisuja. (Kuvan lähde: DigiKey)

u-bloxin NINA-B40x-sarjan tuotteisiin, kuten NINA-B406-00B, kuuluu sisäinen piirilevyantenni, joka on integroitu 10 x 15 x 2,2 mm:n piirikorttimoduuliin (kuva 6). NINA-B406-moduulit mahdollistavat jopa +8 dBm:n lähtötehon. Nämä moduulit tukevat Bluetooth 5.1 ‑tiloja, mukaan lukien AoA ja AoD, 802.15.4-tekniikkaa (Thread ja Zigbee) sekä Nordicin valmistajakohtaista 2,4 GHz:n protokollaa. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat käyttää samaa moduulia useissa erilaisissa IoT-laitteissa.

Kuva 6: Jos AoA- ja AoD-sovellukseen halutaan integroitu antenni, siinä voidaan käyttää NINA-B40x-sarjan moduuleita. (Kuvan lähde: DigiKey)

Markkinoillepääsyn nopeuttamiseksi suunnittelijat voivat hyödyntää u-bloxin XPLR-AOA-1-arviointisarjaa, joka tukee AoA- ja AoD-ominaisuuksia ja mahdollistaa Bluetooth 5.1 ‑suuntausominaisuuksien testauksen. Tämä arviointisarja sisältää tunnuksen ja antennikortin, jossa on NINA-B411 Bluetooth LE ‑moduuli (kuva 7). Tunnus pohjautuu NINA-B406-Bluetooth-moduuliin, ja se sisältää ohjelmiston Bluetooth 5.1 ‑ilmoitusviestien lähettämiseksi. Antennikortti on suunniteltu vastaanottamaan viestit ja käyttämään kulmanlaskenta-algoritmia tunnuksen suunnan selvittämiseksi. Kulmat lasketaan kaksiulotteisesti käyttämällä kortin antenniryhmää.

Kuva 7: XPLR-AOA-1-arviointisarja sisältää tunnuksen (vasemmalla) ja antennikortin (oikealla), jotka tukevat Bluetooth AoA- ja AoD-tekniikoiden arviointia. (Kuvan lähde: u-blox)

XPLR-AOA-1-sarjan monipuolisuuden ansiosta suunnittelijat voivat tutustua useisiin eri sovelluksiin, kuten

• ovea lähestyvän kohteen havaitseminen
• liikkuvan kohteen seuranta kameralla huoneessa
• portin läpi tai tietyn paikan ohi kulkevien tavaroiden seuranta
• robottien ja automaattisesti opastettujen ajoneuvojen törmäysten välttäminen.

Lisäksi useamman XPLR-AOA-1-sarjan avulla voidaan luoda monimutkaisempikin paikannusjärjestelmä kolmiomittaamalla suunnat kolmella tai useammalla antennikortilla.

Yhteenveto

Bluetooth AoA- ja AoD-tekniikan avulla voidaan toteuttaa tarkka ja kustannustehokas sijaintipalvelu Teollisuus 4.0 ‑käyttöön. Suunnittelijoille on tarjolla erilaisia järjestelmäpiirejä ja moduuleita, joissa on tarvittavat ohjelmistot Bluetooth AoA- ja AoD-tekniikan monimutkaisiin vaatimuksiin. Nämä järjestelmäpiirit ja moduulit on suunniteltu toimimaan ankarissa teollisuusympäristöissä, ja ne on optimoitu kuluttamaan vähän virtaa, jotta niitä voi hyödyntää paristokäyttöisissä sijaintitunnuksissa.