Schnelle Nutzung von Bluetooth AoA und AoD für die Positionsbestimmung in Innenräumen

Die Bestandsüberwachung in Echtzeit in Lagern und Fabriken ist ein wichtiger Aspekt von Industrie 4.0. Für den Einsatz von Echtzeit-Lokalisierungsdiensten (Real-Time Location Services, RTLS) zur Bestandsüberwachung und zur Verbesserung von Logistiksystemen stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Globale Positionierungssysteme (GPS) werden häufig für RTLS-Implementierungen im Freien verwendet, aber die Signale sind innerhalb von Gebäuden nicht immer verfügbar. Wi-Fi ist eine weitere Möglichkeit, aber die Genauigkeit ist in der Regel begrenzt, der Stromverbrauch ist hoch und die Einrichtung kann kostspielig sein. Die Radiofrequenz-Identifikation (RFID) ist stromsparend und hat eine hohe Genauigkeit, ist aber in der Regel teuer. RTLS-Installationen für Industrie 4.0 wenden sich zunehmend Bluetooth-5.1-Peiltechniken zu, da sie hochpräzise Innenraumpositionierung mit geringem Stromverbrauch, niedrigen Kosten für Bluetooth-Hardware und geringen Kosten für die Bereitstellung kombinieren.

Es kann verlockend sein, Bluetooth-RTLS-Systeme von Grund auf neu zu entwickeln. Leider ist es schwierig, die Phasen- und Quadratur-Informationen der Einfalls- (AoA) und Austrittswinkel (AoD) zu erhalten, die für die Berechnung der Position eines Transceivers aus dem HF-Signal erforderlich sind, und erfordert die Integration mehrerer Antennen. Selbst wenn die AoA- und AoD-Daten erfasst werden können, können die Standortberechnungen durch zahlreiche Faktoren wie Mehrwegeausbreitung, Signalpolarisation, Ausbreitungsverzögerungen, Jitter, Rauschen usw. erschwert werden, bevor der Standort des georteten Objekts genau bestimmt werden kann.

Stattdessen können Bluetooth-Funksysteme auf Chips (SoCs), HF-Module und Antennen für den Einsatz in RTLS-Anwendungen für Industrie 4.0 verwendet werden. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Performancekompromisse der verschiedenen RTLS-Technologien und beschreibt, wie die Bluetooth-AoA- und -AoD-Ortung implementiert wird. Dann werden Bluetooth-SoCs und HF-Module vorgestellt, die die Software enthalten, die für eine schnelle Implementierung von AoA- und AoD-basiertem RTLS erforderlich ist, sowie die entsprechenden Antennen von Silicon Labs und u-blox. Es werden auch Evaluierungskits vorgestellt, die die Markteinführung weiter beschleunigen können.

Die am häufigsten verwendeten RTLS-Technologien für Innenräume werden mit Wi-Fi und Bluetooth implementiert (Tabelle 1):

• Das Wi-Fi-Fingerprinting verwendet eine Datenbank mit dem Standort und der Basisstations-ID (BSSID) jedes Wi-Fi-Zugangspunkts (AP) in einem Gebäude. Ein Asset-Tag scannt die Wi-Fi-Umgebung und meldet die Liste der Wi-Fi-Zugangspunkte und deren Signalstärke. Anhand der Daten aus der Erhebung wird dann die wahrscheinliche Position des Tags geschätzt. Diese Technik unterstützt kein hochpräzises RTLS.
• Das Wi-Fi-Laufzeitverfahren (ToF, Time-of-Flight) ist genauer. Es misst die Zeit, die Wi-Fi-Signale für die Übertragung zwischen Geräten benötigen. ToF erfordert einen dichten Einsatz von Zugangspunkten, um die Genauigkeit von RTLS zu verbessern. Sowohl ToF als auch Fingerprinting haben hohe Gerätekosten und einen hohen Energiebedarf.
• Der Bluetooth-Empfangsstärkeindikator (RSSI) unterstützt RTLS, indem er es den Geräten ermöglicht, ihre ungefähre Entfernung zu nahe gelegenen Bluetooth-Baken zu bestimmen, indem sie die empfangene Signalstärke mit bekannten Bakenpositionen vergleichen. RSSI verbraucht weniger Energie und ist kostengünstiger als Wi-Fi-Fingerprinting oder ToF, hat aber eine begrenzte Genauigkeit. Die Genauigkeit kann durch Umgebungsfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Roboter oder Personen, die sich in einer Einrichtung bewegen und die Bluetooth-Signalpegel stören, weiter verringert werden.
• Bluetooth AoA ist die neueste und genaueste RTLS-Technologie für den Innenbereich. Es bietet nicht nur eine hohe Genauigkeit, sondern verbraucht auch relativ wenig Strom und ist kostengünstig. Im Vergleich zu den anderen Alternativen ist sie jedoch komplexer in der Umsetzung.

Tabelle 1: RTLS für Innenräume kann mit verschiedenen Wi-Fi- und Bluetooth-Techniken implementiert werden, die Kompromisse zwischen Genauigkeit, Stromverbrauch und Kosten bieten. (Tabellenquelle: u-blox)

Bluetooth AoA und verwandte AoD-RTLS-Lösungen stützen sich auf Antennengruppen, um die Position eines Objekts zu schätzen (Abbildung 1). Bei einer AoA-Lösung sendet die Anlage ein spezifisches Peilsignal von einer einzigen Antenne aus. Das Empfangsgerät verfügt über eine Antennengruppe und misst die Signalphasendifferenz zwischen den verschiedenen Antennen, die durch die unterschiedlichen Abstände der einzelnen Antennen zum Objekt verursacht wird. Das Empfangsgerät erhält die IQ-Informationen durch Umschalten zwischen den aktiven Antennen des Arrays. Die IQ-Daten werden dann zur Berechnung des Standorts des Objekts verwendet. Bei einer AoD-Lösung sendet das Ortungsgerät, zu dem der Standort bestimmt werden soll, das Signal mit mehreren Antennen in einem Array aus, während das Empfangsgerät über eine einzige Antenne verfügt. Das Empfangsgerät verwendet mehrere Signale, um die IQ-Daten zu ermitteln und seine Position zu schätzen. AoA wird häufig für die Verfolgung der Position von Objekten verwendet, während AoD die bevorzugte Technik ist, die es Robotern ermöglicht, ihren Standort in einer Anlage mit guter Genauigkeit und geringer Latenz zu bestimmen.

Abbildung 1: Antennen-Arrays bilden die Grundlage für Bluetooth-AoA- und AoD-RTLS-Implementierungen. (Bildquelle: Silicon Labs)

Das Grundkonzept für die AoA-basierte RTLS-Verfolgung ist einfach: Θ = arccos((Phasendifferenz x Wellenlänge) / (2 π x Abstand zwischen den Antennen)) (Abbildung 2). Reale Implementierungen sind komplizierter und müssen Signalausbreitungsverzögerungen berücksichtigen, die durch Umgebungsvariablen, Mehrwegsignale, unterschiedliche Signalpolarisation und andere Faktoren verursacht werden. Wenn Antennen in einem Array angeordnet werden, stören sie aufgrund der gegenseitigen Kopplung beispielsweise ihre Reaktionen. Schließlich kann es eine ziemliche Herausforderung sein, die Algorithmen zu entwickeln, die erforderlich sind, um all diese Variablen zu berücksichtigen und sie effizient in einer zeitkritischen Lösung in einer ressourcenbeschränkten eingebetteten Umgebung zu implementieren. Zum Glück umfassen komplette Bluetooth-AoA- und AoD-Lösungen die Erfassung und Vorverarbeitung von IQ-Daten, die Unterdrückung von Mehrwegkomponenten, die Kompensation von Umweltfaktoren und die gegenseitige Kopplung von Antennen.

Abbildung 2: Die Gleichung zur Bestimmung des AoA (oben rechts) verwendet die Phasendifferenz der ankommenden Signale, die Signalwellenlänge und den Abstand zwischen benachbarten Antennen. (Bildquelle: u-blox)

SoCs für Bluetooth AoA und AoD

Es können SoCs wie der EFR32BG22C222F352GN32-C von Silicon Labs verwendet werden, um Bluetooth-5.2-Netzwerke sowie AoA und AoD zu implementieren. Dieser SoC ist Teil der Wireless-Gecko-Familie EFR32BG22, die einen 32-Bit Arm®-Cortex®-M33-Kern für 76,8 MHz maximale Betriebsfrequenz sowie einen energieeffizienten 2,4-GHz-Funkkern mit niedrigen Aktiv- und Ruhestromstärken und einen integrierten Leistungsverstärker mit bis zu 6 Dezibelmeter (dBm) Sendeleistung in einem 4 × 4 × 0,85 Millimeter (mm) großen QFN32-Gehäuse umfasst (Abbildung 3). Sicheres Booten mit Root-of-Trust und Secure Loader (RTSL) Zu den weiteren Sicherheitsmerkmalen gehören die kryptografische Hardware-Beschleunigung für AES128/256, SHA-1, SHA-2 (bis zu 256 Bit), ECC (bis zu 256 Bit), ECDSA und ECDH sowie ein echter Zufallszahlengenerator (TRNG), der mit NIST SP800-90 und AIS-31 kompatibel ist. Darüber hinaus verfügen diese SoCs je nach Modell über bis zu 512 kB Flash und 32 kB RAM und sind neben einem QFN32-Gehäuse auch in den Größen 5 × 5 × 0,85 mm QFN40 und 4 × 4 × 0,30 mm TQFN32 erhältlich.

Abbildung 3: Die Wireless-Gecko-Bluetooth-SoCs EFR32BG22, die AoA und AoD unterstützen, sind in einem QFN32-Gehäuse der Größe 4 × 4 × 0,85 mm erhältlich (Bildquelle: Silicon Labs)

Das Wireless-Pro-Kit BG22-RB4191A enthält eine Funkpeilplatine, die auf dem Wireless-Gecko-SoC EFR32BG22 für 2,4 GHz basiert, und ein Antennen-Array, das für eine genaue Peilung optimiert ist und die Entwicklung von Bluetooth-5.1-basierten RTLS-Anwendungen mit AoA- und AoD-Protokollen beschleunigen kann (Abbildung 4). Die Hauptplatine verfügt über mehrere Tools für die einfache Evaluierung und Entwicklung von drahtlosen Anwendungen, darunter:

• Integrierter J-Link-Debugger für Programmierung und Debugging auf dem Zielgerät über Ethernet oder USB
• Strom- und Spannungsmessungen in Echtzeit mit dem erweiterten Energiemonitor
• Virtuelle COM-Port-Schnittstelle für eine serielle Verbindung über Ethernet oder USB
• Die Paketverfolgungsschnittstelle liefert Debug-Informationen über empfangene und gesendete Wireless-Datenpakete

Abbildung 4: Das Wireless-Pro-Kit BG22-RB4191A mit dem Wireless-Gecko-SoC EFR32BG22 und einem Antennen-Array kann die Entwicklung von AoA- und AoD-RTLS-Anwendungen beschleunigen. (Bildquelle: Silicon Labs)

Module für Bluetooth AoA und AoD

u-blox bietet Bluetooth-Module mit und ohne integrierte Antennen an, die AoA und AoD unterstützen. Für Anwendungen, die von einem Modul ohne integrierte Antenne profitieren, kann die Serie NINA-B41x verwendet werden, wie z.B. das NINA-B411-01B, das auf dem IC nRF52833 von Nordic Semiconductor basiert (Abbildung 5). Diese Module enthalten einen integrierten HF-Kern und einen Arm®-Cortex®-M4 mit Fließkommaprozessor und arbeiten in allen Bluetooth-5.1-Modi, einschließlich AoA und AoD. Mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +105 Grad Celsius (°C) sind diese Module gut für RTLS-Anwendungen in industriellen Umgebungen geeignet. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihres Eingangsspannungsbereichs von 1,7 V bis 3,6 V für batteriebetriebene Systeme mit einer Zelle geeignet.

Abbildung 5: Die Module der Serie NINA-B41x unterstützen kompakte RTLS-Lösungen, die externe Antennen verwenden. (Bildquelle: DigiKey)

Die Serie NINA-B40x von u-blox, wie z.B. das NINA-B406-00B, enthält eine interne Leiterbahnantenne, die in die 10 x 15 x 2,2 mm grosse Modulleiterplatte integriert ist (Abbildung 6). Die NINA-B406-Module können eine Ausgangsleistung von bis zu +8 dBm liefern. Zusätzlich zur Unterstützung von Bluetooth-5.1-Modi, einschließlich AoA und AoD, unterstützen diese Module 802.15.4 (Thread und Zigbee) und Nordic-eigene 2,4-GHz-Protokolle, so dass ein einziges Modul für eine breite Palette von IoT-Gerätedesigns verwendet werden kann.

Abbildung 6: AoA- und AoD-Anwendungen, die von einer integrierten Antenne profitieren, können die Module der Serie NINA-B40x verwenden. (Bildquelle: DigiKey)

Um eine kürzere Markteinführungszeit zu erreichen, kann das Explorerkit XPLR-AOA-1 von u-blox verwendet werden, das Experimente mit der Bluetooth-5.1-Peilfunktion und der Unterstützung von AoA- und AoD-Funktionen ermöglicht. Dieses Explorerkit enthält einen Tag und eine Antennenplatine mit einem NINA-B411-Modul für Bluetooth LE (Abbildung 7). Der Tag besteht aus einem Bluetooth-Modul NINA-B406 und enthält eine Software zum Senden von Bluetooth-5.1-Werbebotschaften. Die Antennenplatine ist so konzipiert, dass sie die Nachrichten empfängt und einen Algorithmus zur Winkelberechnung anwendet, um die Richtung zum Tag zu bestimmen. Die Winkel werden in zwei Dimensionen mit Hilfe der Antennengruppe auf der Platine berechnet.

Abbildung 7: Das Explorerkit XPLR-AOA-1 enthält ein Tag (links) und eine Antennenplatine (rechts), um die Evaluierung von Bluetooth AoA und AoD zu unterstützen. (Bildquelle: u-blox)

Die Flexibilität des XPLR-AOA-1 ermöglicht es, eine Vielzahl von Anwendungen zu erforschen, wie z. B:

• Erkennen, ob sich ein Objekt einer Tür nähert
• Aktivieren einer Kamera zur Verfolgung eines sich in einem Raum bewegenden Objekts
• Verfolgung von Waren, die ein Tor oder eine bestimmte Stelle passieren
• Vermeidung von Kollisionen zwischen Robotern oder fahrerlosen Transportsystemen

Darüber hinaus kann ein komplexeres Positionierungssystem mit mehreren XPLR-AOA-1 und der Triangulation der Richtungen von drei oder mehr Antennenplatinen erstellt werden.

Zusammenfassung

Bluetooth AoA und AoD können genaue und kostengünstige RTLS-Implementierungen für Industrie 4.0 ermöglichen. Es können SoCs und Module ausgewählt werden, die die erforderliche Software enthalten, um die komplexe Software, die für die Bereitstellung von Bluetooth AoA und AoD erforderlich ist, schnell zu implementieren. Diese SoCs und Module sind für einen geringen Stromverbrauch optimiert, um batteriebetriebene Ortungs-Tags zu unterstützen, und sind für den Betrieb in rauen Industrieumgebungen ausgelegt.