Nauwkeurige, energiezuinige real-time asset-tracking binnenshuis met behulp van Bluetooth-richting zoeken

Fabrieken, magazijnen en productiefaciliteiten maken steeds vaker gebruik van tags om de locatie van activa in real-time te volgen. De gegevens worden dan meestal geïntegreerd in een geschikt industrieel internet van de dingen in de cloud (IIoT) voorraadbeheersysteem om het volgen van de activa op afstand mogelijk te maken. Het probleem is dat, afgezien van NFC, de meeste asset tracking oplossingen afhankelijk zijn van tags die werken op batterijen, wat vereist dat het stroomverbruik zo laag mogelijk wordt gehouden. Bovendien kunnen sommige oplossingen onbetrouwbaar en onnauwkeurig zijn bij gebruik binnenshuis.

Zo zijn bijvoorbeeld GPS-tags binnenshuis onbetrouwbaar, vooral in stalen en betonnen gebouwen. Klassieke Bluetooth-locatiesystemen zijn gebaseerd op ontvangen signaalsterkte-indicator (RSSI) informatie, die weliswaar nuttig is, maar vaak niet voldoet aan de nauwkeurigheidseisen van de ontwerpers. Wat nodig is, is een betrouwbare, kosteneffectieve, nauwkeurige, op batterijen werkende, draadloze asset tracking oplossing die binnenshuis kan worden gebruikt en toch een lange levensduur van de batterij mogelijk maakt.

Om aan deze uitdagingen tegemoet te komen, zal dit artikel het Bluetooth 5.1 Direction Finding protocol beschrijven en hoe het werkt. Het artikel introduceert dan een kosteneffectieve Bluetooth-module van Silicon Labs die dit protocol ondersteunt en laat zien hoe het kan voldoen aan zowel de nauwkeurigheids- als de laagvermogenseisen van een IIoT inventarisatiecontrolesysteem.

Wat is asset tracking en waarom is het nodig voor het IIoT?

Geavanceerde IIoT-voorraadbeheersystemen vereisen het in real time volgen van activa vanuit de cloud, waar ook ter wereld. Grote magazijnen waar hoogwaardige producten en apparatuur worden opgeslagen, kunnen locatiegebonden assetlabels nodig hebben voor voorraadbeheer en hulp bij diefstal. Hierdoor kunnen zowel menselijke magazijnmedewerkers als geautomatiseerde orderverzamelapparatuur een artikel snel en efficiënt lokaliseren en klaarmaken voor verzending. Voor het voorraadbeheer kunnen het bestaan en de locatie van de activa gemakkelijk worden bepaald en gespecificeerd voor regelmatige statusrapporten. Dit is een betrouwbaardere methode om de voorraadstatus te bepalen dan het handmatig controleren van verzendmanifesten die inkomende en uitgaande goederen volgen.

Naast IIoT voorraadbeheersystemen wordt in anti-diefstalsystemen gebruik gemaakt van realtime locatietracering van activa. Als een artikel in een magazijn niet is ingepland voor verzending, kan het IIoT systeem de beveiliging waarschuwen als het in de buurt van een uitgang wordt gevolgd. Realtime locatie van de activa kan ook de service en levering versnellen in een tijdperk waarin de levering van de volgende dag snel evolueert naar de verwachtingen van de levering op dezelfde dag.

Voor het volgen van activa in volume, moet de tag van de activaplaats rendabel zijn en een lange levensduur van de batterij hebben. NFC-tags gebruiken geen batterijen, maar vereisen dat de ontvanger zich binnen 20 centimeter (cm) van de tag bevindt, wat de bruikbaarheid ervan beperkt. GPS-trackers zijn binnenshuis onbetrouwbaar omdat de satellietvolgsignalen kunnen worden geblokkeerd, met name door stalen en betonnen constructies.

Een populaire oplossing voor het opsporen van activa is gebaseerd op de bakenlocatiefunctie van Bluetooth. Dit traceert de locatie van een tag door een referentiesignaalsterkte, gecodeerd in het bakenbericht, te vergelijken met de signaalsterkte van het ontvangen signaal. De locatie van het baken wordt vervolgens met behulp van drie of meer ontvangers driehoeksmeting uitgevoerd om een benadering van de locatie van het baken te krijgen. Deze aanpak biedt echter niet de precisie die nodig is voor voorraadbeheersystemen. Bovendien kan de nauwkeurigheid van de locatie worden beïnvloed door veranderingen in de luchtvochtigheid, maar ook door het verplaatsen van objecten zoals vorkheftrucks, werknemers en deuren.

Bluetooth-richtingbepaling

De oplossing is het vinden van de Bluetooth-richting, een functie die is opgenomen in de Bluetooth 5.1-specificatie.

Het vinden van de Bluetooth-richting bepaalt de locatie van een batterijgevoede asset-tag op basis van de faseverschuiving van het ontvangen signaal bij twee of meer antennes. Als gevolg daarvan is het nauwkeurig tot op minder dan een meter (m) en is het een kosteneffectieve oplossing voor locatietracering die binnenshuis betrouwbaar kan worden gebruikt, terwijl het ook nog eens mogelijk is om jarenlang op een enkele muntcelbatterij te werken.

In de Bluetooth-richting vinden, wordt een nieuw signaal, genaamd een continue toonuitbreiding (CTE), toegevoegd aan het standaard Bluetooth-reclamepakket. De CTE is een continue toon die wordt verzonden over een frequentie die wordt berekend als de Bluetooth-frequentie + 250 Hz. Omdat de CTE onafhankelijk is van de gewone Bluetooth-berichtenpakketten, worden deze pakketten niet verstoord of vertraagd. Hierdoor kunnen de ontvangstantennes een continue, ononderbroken fixatie in real time verkrijgen, waardoor het probleem van real-time locatietracering wordt opgelost.

Hoek van aankomst en hoek van vertrek

Voor het vinden van de Bluetooth-richting worden twee soorten faseverschuivingen gebruikt, namelijk op de antenne gebaseerde mechanismen voor plaatsbepaling, aangeduid als de aankomsthoek (AoA) en de vertrekhoek (AoD) (Afbeelding 1). AoA wordt gebruikt wanneer externe systemen individuele tags moeten bijhouden. Een assettag met een compatibele Bluetooth 5.1- of latere module zendt een CTE uit. Een Bluetooth-ontvanger in het basisstation met twee antennes ontvangt het aankomende signaal. De ontvanger gebruikt het faseverschil tussen de twee bemonsterde signalen die door de antennes worden ontvangen om via triangulatie de afstand tot de assettag te berekenen.

Afbeelding 1: In de AoA-methode voor het vinden van de richting (links), zendt een asset tag zijn signaal uit naar een Bluetooth AoA-basisstationlocator die de aankomsthoek van het signaal meet bij twee of meer antennes om de locatie van de tag te bepalen. Met de AoD-methode (rechts) zenden Bluetooth-basisstations bakens naar de asset-tags die hun eigen positie berekenen. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Om bemonsteringsfouten als gevolg van aliasing te voorkomen, moet de afstand tussen de twee ontvangstantennes overeenkomen met de golflengte van de Nyquist-frequentie van het ontvangen signaal, dat is de golflengte van het ontvangen signaal gedeeld door twee. Een Bluetooth-signaal van ongeveer 2,4 gigahertz (GHz) komt overeen met een golflengte van 12,5 cm, dus de afstand tussen de twee antennes moet 6,25 cm of minder zijn. Met behulp van het faseverschil tussen de signalen op de twee antennes, de bekende vaste afstand tussen de twee antennes en de bekende configuratie van de twee antennes, kan de afstand tot de assettag worden berekend.

Als een extra antenneontvangstunit wordt gebruikt met twee antennes van dezelfde configuratie als de eerste unit, kan de exacte locatie van de assettag in de 3D-ruimte worden bepaald.

De AoD-methode wordt gebruikt wanneer de asset tag zijn eigen locatie moet bijhouden. Bij de AoD-methode is de tag de Bluetooth-ontvanger en het basisstation met meerdere antennes de Bluetooth-zender. Het basisstation zendt een CTE uit van elke antenne. De firmware van de ontvanger kent het aantal antennes, de bekende vaste afstand tussen elke antenne, de bekende configuratie van de meerdere antennes en gebruikt de faseverschillen tussen de ontvangen signalen om zijn eigen locatie te berekenen.

Voor een IIoT voorraadbeheersysteem in een magazijn zouden de op batterijen werkende asset tags die aan dozen of containers zijn bevestigd, AoA gebruiken, terwijl vorkheftrucks of geautomatiseerde pick-and-pack-apparatuur AoD zouden gebruiken. Vorkheftrucks en andere automatische pick-and-pack-apparatuur zijn zwaar en niet batterij-bewust, zodat ze hun locatie via Wi-Fi kunnen doorgeven aan de belangrijkste IIoT-hub. Dit alles is real-time te volgen in een IIoT-cloudinterface.

Low-power Bluetooth-richtingzoekende modules

Voor low-power Bluetooth 5.2 direction finding-toepassingen heeft Silicon Labs de BGM220 Bluetooth-module-familie geïntroduceerd, die is gespecificeerd om een 10-jarige batterijlevensduur te bieden op een enkele, duurzame muntcel. De BGM220PC22HNA2-versie is een Bluetooth 5.2 zendontvangermodule met een voetafdruk van 12,9 x 15,0 millimeter (mm) en een profiel van 2,2 mm (Afbeelding 2). Het vereist een 1,8 tot 3,8 volt voeding, waardoor het geschikt is voor toepassingen die kunnen lopen uit lange levensduur 3,0 volt lithium-munt cellen, evenals grotere oplaadbare 3,6 volt lithium-ion (Li-ion) cellen voor de consument mobiele apparaten. Het kan werken boven -40°C tot +105°C, waardoor het bijzonder geschikt is voor ruwe omgevingen zoals fabrieken en industriële magazijnen.

Afbeelding 2: De BGM220PC22HNA2 is een compacte Bluetooth 5.2-module die het vinden van de Bluetooth-richting ondersteunt voor maximaal 10 jaar op een enkele batterij met een lange levensduur. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

De radio van de BGM220PC22HNA2 werkt in de 2,4 GHz-band en levert 8 decibel aan 1 milliwatt (mW) (dBm). De module bevat alle noodzakelijke ontkoppelingscondensatoren en inductoren, evenals 38,4 megahertz (MHz) en 32,768 kilohertz (kHz) oscillatoren en een geïntegreerde keramische chip-antenne (Afbeelding 3). De module is gebaseerd op een Arm® Cortex®-M33 kern die wordt ondersteund door 512 kilobytes (Kbytes) aan flash en 32 Kbytes aan RAM.

Afbeelding 3: De BGM220PC22HNA2 Bluetooth-module heeft alles wat nodig is om een zelfstandige Bluetooth-richtingzoekende assettag te ondersteunen, inclusief een 2,4 GHz-radio, geheugen, een Arm Cortex-M33-processor en een ADC. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Randapparatuur die beschikbaar is voor firmware-aanpassing omvat een 76,9 kilosamples per seconde (kSPS) 16-bits analoog-digitaal converter (ADC) die ook kan worden geconfigureerd om te werken als een 12-bits 1.000 kSPS ADC. Er zijn maximaal 24 I/O-pennen beschikbaar voor het aanpassen van de firmware. Er zijn vier 16-bits timers en één 32-bits timer beschikbaar voor het timen van firmware-events. Twee I²C-interfaces hebben toegang tot externe randapparatuur. De BGM220P bevat ook twee multifunctionele USART's die onafhankelijk van elkaar kunnen worden geconfigureerd als UART, SPI, smartcardinterface, IrDA of I²S. Dit laat flexibiliteit toe in de keuze van de seriële interfaces terwijl het aantal pinnen wordt verlaagd.

Bij gebruik van de BGM220PC22HNA2 in een Bluetooth-richting vindende asset-tag, moet de toepassing alleen de nodige randapparatuur gebruiken en de stroom naar de ongebruikte uitschakelen om de levensduur van de batterij te verlengen. Een minimale asset tag-configuratie zou alleen de BGM220PC22HNA2 bevatten met een 3,0 volt batterij in een niet-metalen behuizing die de overdracht van Bluetooth-signalen niet stoort. Externe schakelaars kunnen worden aangesloten op I/O-pennen voor het aanpassen van de boot, zoals het instellen van de identificatie van individuele tags. Er kunnen één of meer externe LED's worden bevestigd, maar de ontwerpers moeten hier voorzichtig zijn, want elke LED is een extra verbruiker op de batterij. Idealiter worden de LED's alleen tijdens de configuratie gebruikt.

Ontwikkelen van Bluetooth-richtingzoektoepassingen

Voor de ontwikkeling van toepassingen met het vinden van de Bluetooth-richting biedt Silicon Labs de SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module Starter Kit (Afbeelding 4). Het bevat een insteekbare radioplaat die een draagkaart is voor een BGM220P-module. In het midden van het bord bevindt zich een 128 x 128 LCD-display, waarop het logo van Silicon Labs met extra tekst wordt weergegeven.

Onder het LCD-display bevinden zich twee firmware-programmeerbare drukknoppen. Het LCD-scherm kan tijdens de ontwikkeling worden gebruikt om statusinformatie weer te geven en de drukknoppen om de firmwarestroom te regelen. Debugging wordt ondersteund via de USB-aansluiting. Er zijn extra connectoren beschikbaar om de energiemonitoringsoftware van Silicon Labs te ondersteunen, zodat de toepassing kan worden verfijnd om slechts het minimaal benodigde vermogen op te nemen.

Afbeelding 4: De SLWSTK6103A BGM220P starterskit bevat alles wat nodig is om firmware te ontwikkelen voor een BGM220P-module ter ondersteuning van het vinden van de Bluetooth-richting. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

De SLWSTK6103A heeft ook een temperatuur- en vochtigheidssensor. Voor een Bluetooth-richtingstag kunnen omgevingssensoren worden aangesloten op een I²C-interface om de omstandigheden rond de activatag te controleren en een waarschuwing via Bluetooth te verzenden als de omstandigheden de voorgeprogrammeerde drempels overschrijden. Extra I/O- en periferiepennen worden naar de hoofdconnectoren gebracht. De starterskit kan worden gevoed via een externe USB-aansluiting of een muntcelbatterij.

Conclusie

Real-time asset tracking in IIoT voorraadbeheersystemen vereist een nauwkeurige, betrouwbare, kosteneffectieve oplossing die klein en laag vermogen is. Zoals afgebeeld, kan de richtingbepalingsfunctie in de Bluetooth 5.1-specificatie snel worden geïntegreerd in een activamarkering met behulp van kant-en-klare modules om de vereiste mate van real-time locatievolgingsvermogen en -prestaties te bieden.

Verder lezen

1. Gebruik Bluetooth 5.1-geschikte platforms voor het nauwkeurig volgen van activa en indoor positionering - deel 1
2. Gebruik een geavanceerde Bluetooth 5.2 SoC om veilige apparaten met een laag energieverbruik te bouwen