Tracciabilità patrimoniale accurata e a basso consumo in tempo reale in ambienti interni utilizzando la funzione di radiogoniometria Bluetooth

Le fabbriche, i magazzini e gli impianti di produzione utilizzano sempre più spesso i tag per il tracciamento in tempo reale della posizione delle risorse. I dati vengono poi tipicamente integrati in un adeguato sistema di controllo dell'inventario di Internet delle cose industriale (IIoT) basato sul cloud per la tracciabilità delle risorse da remoto. Il problema è che, a parte l'NFC, la maggior parte delle soluzioni di tracciabilità patrimoniale dipende da tag che funzionano a batteria, il che obbliga a mantenere il consumo energetico ai livelli più bassi possibili. Inoltre, alcune soluzioni possono essere inaffidabili e imprecise se utilizzate in ambienti interni.

Ad esempio, i tag GPS sono inaffidabili all'interno, in particolare negli edifici in acciaio e cemento armato. I classici sistemi di localizzazione Bluetooth si basano sulle informazioni dell'indicatore dell'intensità del segnale ricevuto (RSSI) che, pur essendo utili, spesso non soddisfano i requisiti di precisione dei progettisti. Ciò che serve è una soluzione affidabile, economica e precisa, alimentata a batteria per la tracciabilità delle risorse wireless, che possa essere utilizzata in ambienti interni ma che offra una lunga durata della batteria.

Per rispondere a queste sfide, questo articolo descrive il protocollo Bluetooth 5.1 Direction Finding e il suo funzionamento. L'articolo introdurrà poi un modulo Bluetooth economico di Silicon Labs che supporta questo protocollo e mostra come può soddisfare sia la precisione sia i requisiti di bassa potenza di un sistema di controllo inventariale IIoT.

Che cos'è la tracciabilità delle risorse e perché è necessaria per l'IIoT?

I sistemi avanzati di controllo inventariale IIoT richiedono il monitoraggio in tempo reale delle risorse dal cloud in qualsiasi parte del mondo. I grandi magazzini che ospitano prodotti e attrezzature di alto valore possono richiedere l'apposizione di tag di localizzazione per il controllo inventariale e come ausilio antifurto. Ciò consente agli addetti al magazzino e alle attrezzature di prelievo automatico di individuare un articolo in modo rapido ed efficiente e di prepararlo per la spedizione. Per la gestione dell'inventario, l'esistenza e l'ubicazione delle risorse possono essere facilmente determinate e dettagliate per rapporti periodici sullo stato attuale. Questo è un metodo più affidabile per fornire lo stato dell'inventario rispetto alla revisione manuale dei manifesti di spedizione che tengono traccia delle risorse in entrata e in uscita.

Oltre ai sistemi di gestione dell'inventario IIoT, nei sistemi antifurto viene utilizzato il tracciamento della posizione in tempo reale delle risorse. Se un articolo in un magazzino non è previsto per la spedizione, il sistema IIoT può avvisare la sicurezza se viene rintracciato in prossimità di un'uscita. La localizzazione delle risorse in tempo reale può anche accelerare il servizio e la consegna in un'epoca in cui la consegna il giorno successivo si sta rapidamente evolvendo verso aspettative di consegna in giornata.

Per la tracciabilità delle risorse a volume, il tag di localizzazione deve essere conveniente e avere una batteria di lunga durata. I tag NFC non utilizzano batterie, ma richiedono che il ricevitore si trovi a meno di 20 cm dal tag, limitandone l'utilità. I localizzatori GPS non sono affidabili all'interno, poiché i segnali di localizzazione satellitare possono essere bloccati, in particolare da strutture in acciaio e cemento armato.

Una soluzione di tracciabilità patrimoniale molto diffusa si basa sulla funzione di posizione del radiofaro Bluetooth. Questa insegue la posizione di un tag confrontando l'intensità di un segnale di riferimento codificato nel messaggio del radiofaro con l'intensità del segnale ricevuto. La posizione del radiofaro viene quindi triangolata utilizzando tre o più ricevitori per ottenere un'approssimazione della posizione del radiofaro. Tuttavia, questo approccio non fornisce la precisione richiesta per i sistemi di gestione dell'inventario. Inoltre, la precisione della posizione può essere influenzata da variazioni di umidità, così come da oggetti in movimento ad esempio carrelli elevatori, operai e porte.

Radiogoniometria Bluetooth

La soluzione è la radiogoniometria Bluetooth, una caratteristica inclusa nella specifica Bluetooth 5.1.

La radiogoniometria Bluetooth triangola la posizione di un tag alimentato a batteria in base allo spostamento di fase del segnale ricevuto presso due o più antenne. Di conseguenza, è preciso entro un metro ed è una soluzione di tracciamento della posizione a basso costo che può essere utilizzata in modo affidabile all'interno, consentendo al tempo stesso anni di funzionamento con una singola batteria a bottone.

Nella radiogoniometria Bluetooth, un nuovo segnale chiamato estensione di tono continuo (CTE) viene aggiunto al pacchetto pubblicitario Bluetooth standard. Il CTE è un tono continuo inviato su una frequenza calcolata pari alla frequenza Bluetooth + 250 Hz. Poiché il CTE è indipendente dai normali pacchetti di messaggi Bluetooth, non interferisce o ritarda questi pacchetti. Ciò permette alle antenne riceventi di ottenere una correzione continua e ininterrotta in tempo reale, risolvendo il problema del tracciamento della posizione in tempo reale.

Angolo di arrivo e angolo di partenza

La radiogoniometria Bluetooth utilizza due tipi di spostamento di fase, i meccanismi di rilevamento della posizione basati sull'antenna, denominati angolo di arrivo (AoA) e angolo di partenza (AoD) (Figura 1). AoA viene utilizzato quando i sistemi esterni devono tener traccia di singoli tag. Un tag di risorsa contenente un modulo Bluetooth 5.1 compatibile o successivo trasmette un CTE. Un ricevitore Bluetooth nella stazione base con due antenne riceve il segnale in arrivo. Il ricevitore utilizza la differenza di fase tra i due segnali campionati ricevuti dalle antenne per calcolare, tramite triangolazione, la distanza dal tag della risorsa.

Figura 1: Nel metodo di radiogoniometria AoA (a sinistra), un tag di risorsa trasmette il suo segnale a un localizzatore di stazione base AoA Bluetooth che misura l'angolo di arrivo del segnale a due o più antenne per determinare la posizione del tag. Con il metodo AoD (a destra), le stazioni base Bluetooth trasmettono i radiofari ai tag di risorsa che calcolano la propria posizione. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Per evitare errori di campionamento dovuti all'aliasing, la distanza tra le due antenne riceventi deve corrispondere alla lunghezza d'onda della frequenza di Nyquist del segnale ricevuto, ossia alla lunghezza d'onda del segnale ricevuto divisa per due. Un segnale Bluetooth di circa 2,4 GHz corrisponde a una lunghezza d'onda di 12,5 cm, quindi la distanza tra le due antenne deve essere al massimo di 6,25 cm. Utilizzando la differenza di fase tra i segnali delle due antenne, la distanza fissa nota tra le due antenne e la configurazione nota delle due antenne, si può calcolare la distanza del tag della risorsa.

Se si usa un'unità ricevente ad antenna aggiuntiva con due antenne della stessa configurazione della prima unità, si può determinare l'esatta posizione del tag nello spazio 3D.

Il metodo AoD viene utilizzato quando il tag di risorsa deve tener traccia della propria posizione. Nel metodo AoD, il tag è il ricevitore Bluetooth e la stazione base con antenne multiple è il trasmettitore Bluetooth. La stazione base trasmette un CTE da ogni antenna. Il firmware del ricevitore conosce il numero di antenne, la distanza fissa nota tra ogni antenna, la configurazione nota delle antenne multiple e utilizza le differenze di fase tra i segnali ricevuti per calcolare la propria posizione.

Per un sistema di controllo dell'inventario IIoT in un magazzino, i tag delle risorse alimentati a batteria affissi alle scatole o ai contenitori utilizzerebbero AoA, mentre i carrelli elevatori a forche o le attrezzature robotizzate di pick-and-pack utilizzerebbero AoD. I carrelli elevatori e le altre attrezzature robotizzate di pick-and-pack sono pesanti e non sono dotati di batteria, quindi possono trasmettere la loro posizione via Wi-Fi all'hub IIoT principale. Tutto questo può essere monitorato in tempo reale da un'interfaccia cloud IIoT.

Moduli di radiogoniometria Bluetooth a basso consumo

Per le applicazioni di radiogoniometria Bluetooth 5.2 a basso consumo, Silicon Labs ha introdotto la famiglia di moduli Bluetooth BGM220, specificata per fornire una batteria della durata di 10 anni su una singola batteria a bottone. La versione BGM220PC22HNA2 è un modulo transceiver Bluetooth 5.2 con un ingombro di 12,9 x 15,0 mm e un profilo di 2,2 mm (Figura 2). Richiede un'alimentazione da 1,8 a 3,8 V, il che lo rende adatto per applicazioni che possono funzionare con batterie a bottone al litio da 3,0 V a lunga durata, così come batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-ion) più grandi da 3,6 V per dispositivi mobili consumer. Può funzionare da -40 a +105 °C ed è quindi particolarmente adatto per ambienti difficili come fabbriche e magazzini industriali.

Figura 2: BGM220PC22HNA2 è un modulo compatto Bluetooth 5.2 che supporta la radiogoniometria Bluetooth per un massimo di 10 anni su una singola batteria a bottone a lunga durata. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

La radio di BGM220PC22HNA2 funziona nella banda dei 2,4 GHz e le uscite sono a 8 dB riferiti a 1 milliwatt (mW) (dBm). Il modulo comprende tutti i necessari condensatori di disaccoppiamento e induttori, nonché gli oscillatori da 38,4 MHz e 32,768 kHz e un'antenna in chip ceramico integrata (Figura 3). Il modulo si basa su un core Arm® Cortex®-M33 supportato da 512 kB di flash e 32 kB di RAM.

Figura 3: Il modulo Bluetooth BGM220PC22HNA2 ha tutto l'occorrente per supportare un tag radiogoniometrico Bluetooth autonomo, inclusi una radio a 2,4 GHz, memoria, un processore Arm Cortex-M33 e un ADC. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Le periferiche disponibili per la personalizzazione del firmware includono un convertitore analogico/digitale (ADC) a 16 bit a 16 ksps che può anche essere configurato per funzionare come ADC a 12 bit e 1.000 ksps. Sono disponibili fino a 24 pin I/O per la personalizzazione del firmware. Sono anche disponibili quattro timer a 16 bit e un timer a 32 bit per la temporizzazione degli eventi firmware. Due interfacce I²C danno accesso alle periferiche esterne. BGM220P comprende anche due USART multifunzione configurabili indipendentemente come interfaccia UART, SPI, smart card, IrDA o I²S. Ciò offre flessibilità nella selezione delle interfacce seriali, riducendo il numero di pin.

Quando si utilizza BGM220PC22HNA2 in un tag di risorsa radiogoniometrico Bluetooth, l'applicazione dovrebbe utilizzare solo le periferiche necessarie e spegnere l'alimentazione a quelle inutilizzate per prolungare la durata della batteria. Una configurazione minima del tag di risorsa prevede solo il modulo BGM220PC22HNA2 con una batteria da 3,0 V in un alloggiamento non metallico che non interferisce con la trasmissione dei segnali Bluetooth. Gli interruttori esterni possono essere collegati ai pin I/O per la personalizzazione dell'avvio, come l'impostazione dell'identificazione dei singoli tag. Si potrebbero collegare uno o più LED esterni, ma è bene fare attenzione, perché ogni LED incide sul consumo della batteria. Idealmente i LED dovrebbero essere utilizzati solo durante la configurazione.

Sviluppo di applicazioni con radiogoniometria Bluetooth

Per lo sviluppo di applicazioni con radiogoniometria Bluetooth, Silicon Labs fornisce lo starter kit per modulo Bluetooth Gecko Wireless BGM220P SLWSTK6103A (Figura 4). Include una scheda radio plug-in, che è una scheda portante per un modulo BGM220P. Al centro della scheda vi è un display LCD 128x128, che mostra il logo di Silicon Labs con testo aggiuntivo.

Sotto il display LCD sono presenti due pulsanti programmabili tramite firmware. Il display LCD può essere usato durante lo sviluppo per visualizzare le informazioni di stato e i pulsanti per controllare il flusso del firmware. Il debug è supportato tramite il connettore USB. Sono disponibili connettori aggiuntivi per supportare il software di monitoraggio dell'energia di Silicon Labs, che consente all'applicazione di essere messa a punto per assorbire solo la minima potenza necessaria.

Figura 4: Lo starter kit SLWSTK6103A BGM220P contiene tutto l'occorrente per sviluppare il firmware di un modulo BGM220P e supportare la radiogoniometria Bluetooth. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

SLWSTK6103A ha anche un sensore di temperatura e umidità. Per un tag di risorsa radiogoniometrico Bluetooth, si possono collegare sensori ambientali a un'interfaccia I²C per monitorare le condizioni che circondano il tag e trasmettere un avviso via Bluetooth se tali condizioni superano le soglie preprogrammate. Ulteriori I/O e pin periferici sono disponibili per i connettori della basetta. Lo starter kit può essere alimentato da una connessione USB esterna o da una batteria a bottone.

Conclusione

La tracciabilità in tempo reale delle risorse nei sistemi di gestione dell'inventario IIoT richiede una soluzione accurata, affidabile ed economica che sia piccola e a basso consumo energetico. Come mostrato, la funzione di radiogoniometria nella specifica Bluetooth 5.1 può essere rapidamente integrata in un tag di risorsa utilizzando moduli di serie e fornire il livello richiesto di capacità e prestazioni per il tracciamento della posizione in tempo reale.

Ulteriori letture

1. Usare piattaforme abilitate per Bluetooth 5.1 per la precisione della tracciabilità delle risorse e della localizzazione indoor - Parte 1
2. Usare un SoC Advanced Bluetooth 5.2 per realizzare dispositivi IoT sicuri a basso consumo