Come sfruttare Bluetooth AoA e AoD per la tracciabilità della logistica in ambienti interni

La tracciabilità in tempo reale delle risorse nei magazzini e nelle fabbriche è un aspetto importante dell'Impresa 4.0. Sono disponibili diverse tecnologie per l'implementazione di servizi di localizzazione in tempo reale (RTLS) per la tracciabilità delle risorse e il miglioramento dei sistemi logistici. I sistemi di posizionamento globale (GPS) sono ampiamente utilizzati per le implementazioni RTLS all'aperto, ma i segnali non sono sempre disponibili all'interno degli edifici. Il Wi-Fi è un'altra scelta, ma tende ad avere una precisione limitata, richiede una notevole potenza e può essere costoso da implementare. L'identificazione in radiofrequenza (RFID) ha bassa potenza e una buona precisione, ma tende a essere costosa. Le installazioni RTLS dell'Impresa 4.0 si stanno sempre più orientando verso le tecniche di radiogoniometria Bluetooth 5.1 perché combinano il posizionamento al chiuso ad alta precisione con il basso consumo energetico, il basso costo dell'hardware Bluetooth e il basso costo delle installazioni.

Gli sviluppatori possono cadere nella tentazione di progettare sistemi RTLS Bluetooth da zero. Purtroppo, ottenere le informazioni di radiofrequenza (RF) in fase e in quadratura (IQ) dell'angolo di arrivo (AoA) e dell'angolo di partenza (AoD), necessarie per calcolare la posizione di un transceiver dal segnale RF, è difficile e richiede l'integrazione di più antenne. Anche se è possibile acquisire i dati AoA e AoD, il calcolo della posizione può essere complicato da numerosi fattori, tra cui la propagazione per cammini multipli, la polarizzazione del segnale, i ritardi di propagazione, il jitter, il rumore e altro, prima di poter determinare con precisione la posizione dell'oggetto tracciato.

I progettisti possono invece rivolgersi ai System-on-Chip (SoC) wireless Bluetooth, ai moduli RF e alle antenne per l'utilizzo nelle applicazioni RTLS dell'Impresa 4.0. Questo articolo esamina brevemente i compromessi prestazionali di varie tecnologie RTLS e descrive come viene implementata la localizzazione Bluetooth AoA e AoD. Presenta quindi i SoC Bluetooth e i moduli RF che includono il software necessario per implementare rapidamente RTLS basati su AoA e AoD, nonché le relative antenne di Silicon Labs e u-blox. Vengono inoltre presentati alcuni kit di valutazione che possono accelerare ulteriormente il time-to-market.

Le tecnologie RTLS per interni più utilizzate sono quelle che utilizzano Wi-Fi e Bluetooth (Tabella 1):

• Il fingerprinting Wi-Fi utilizza un database con la posizione e l'ID della stazione base (BSSID) di ogni punto di accesso Wi-Fi (AP) in un edificio. Un tag esegue la scansione dell'ambiente Wi-Fi e riporta l'elenco degli AP Wi-Fi e le relative intensità di segnale. Il database risultante viene quindi utilizzato per stimare la probabile posizione dell'etichetta. Questa tecnica non supporta RTLS ad alta precisione.
• Il tempo di volo (ToF) Wi-Fi è più preciso. Misura il tempo necessario ai segnali Wi-Fi per viaggiare tra i dispositivi. Il ToF richiede una distribuzione densa di AP per migliorare la precisione di RTLS. Sia il ToF che il fingerprinting hanno costi elevati per i dispositivi e requisiti energetici elevati.
• L'indicatore dell'intensità del segnale ricevuto (RSSI) Bluetooth supporta RTLS consentendo ai dispositivi di determinare la distanza approssimativa dai radiofari Bluetooth vicini, confrontando la potenza del segnale ricevuto con le posizioni note dei radiofari. RSSI consuma meno energia e ha un costo inferiore rispetto al fingerprinting o al ToF Wi-Fi, ma ha una precisione limitata. La sua precisione può essere ulteriormente ridotta da fattori ambientali, come i livelli di umidità e i robot, o da persone che si spostano all'interno di una struttura e interferiscono con i livelli del segnale Bluetooth.
• AoA Bluetooth è la tecnologia RTLS per interni più recente e precisa. Oltre a fornire un'elevata precisione, consuma relativamente poca energia ed è a basso costo. Tuttavia, è più complessa da implementare rispetto alle altre alternative.

Tabella 1: RTLS al chiuso può essere implementato utilizzando varie tecniche Wi-Fi e Bluetooth che offrono compromessi tra precisione, consumo energetico e costo. (Tabella per gentile concessione di u-blox)

Le soluzioni RTLS AoA e AoD Bluetooth correlate si basano su array di antenne per stimare la posizione di una risorsa (Figura 1). In una soluzione AoA, la risorsa invia un segnale specifico di ricerca della direzione da una singola antenna. Il dispositivo ricevente è dotato di un array di antenne e misura la differenza di fase del segnale tra le varie antenne causata dalle diverse distanze di ciascuna antenna dalla risorsa. Il dispositivo ricevente ottiene le informazioni IQ commutando tra le antenne attive dell'array. I dati IQ vengono quindi utilizzati per calcolare la posizione della risorsa. In una soluzione AoD, il radiofaro di localizzazione che sta determinando la posizione trasmette il segnale utilizzando più antenne in un array e il dispositivo ricevente ha una singola antenna. Il dispositivo ricevente utilizza più segnali per determinare i dati IQ e stimare la propria posizione. AoA è spesso utilizzato per tracciare la posizione delle risorse, mentre AoD è la tecnica preferita per consentire ai robot di determinare la loro posizione in una struttura con una buona precisione e una bassa latenza.

Figura 1: Gli array di antenne costituiscono la base delle implementazioni RTLS AoA e AoD Bluetooth. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il concetto di base per la tracciabilità RTLS basato su AoA è semplice: Θ = arccos x ((differenza di fase x lunghezza d'onda) / (2 π x distanza tra le antenne)) (Figura 2). Le implementazioni nel mondo reale sono più complicate e devono tenere conto dei ritardi di propagazione del segnale causati da variabili ambientali, segnali multipercorso, polarizzazione variabile del segnale e altri fattori. Inoltre, quando le antenne sono utilizzate in un array, possono subire un accoppiamento reciproco e influenzare le risposte reciproche. Infine, può essere piuttosto impegnativo sviluppare gli algoritmi necessari per tenere conto di tutte queste variabili e implementarli in modo efficiente in una soluzione critica in termini di tempo in un ambiente embedded con risorse limitate. Fortunatamente per gli sviluppatori, le soluzioni AoA e AoD Bluetooth complete includono la raccolta e la pre-elaborazione dei dati IQ, la soppressione dei componenti multipercorso, la compensazione dei fattori ambientali e l'accoppiamento reciproco tra le antenne.

Figura 2: L'equazione per determinare l'AoA (in alto a destra) utilizza la differenza di fase dei segnali in arrivo, la lunghezza d'onda del segnale e la distanza tra le antenne adiacenti. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

SoC per AoA e AoD Bluetooth

Gli sviluppatori possono rivolgersi a SoC come EFR32BG22C222F352GN32-C di Silicon Labs per implementare la rete Bluetooth 5.2 e le funzioni AoA e AoD. Questo SoC fa parte della famiglia EFR32BG22 Wireless Gecko, che comprende un core ARM® Cortex®-M33 a 32 bit con frequenza operativa massima di 76,8 MHz, un core radio a 2,4 GHz a basso consumo energetico con correnti attive e di sospensione ridotte e un amplificatore di potenza integrato con potenza di trasmissione (TX) fino a 6 dBm in un contenitore QFN32 di 4 × 4 × 0,85 mm (Figura 3). Includono l'avvio protetto con Root of Trust and Secure Loader (RTSL). Altre caratteristiche di sicurezza includono l'accelerazione crittografica hardware per AES128/256, SHA-1, SHA-2 (fino a 256 bit), ECC (fino a 256 bit), ECDSA e ECDH e un generatore di numeri casuali reali (TRNG) conforme a NIST SP800-90 e AIS-31. Inoltre, a seconda del modello, questi SoC hanno fino a 512 kB di flash e 32 kB di RAM e sono disponibili in contenitori QFN40 di 5 × 5 × 0,85 mm e TQFN32 di 4 × 4 × 0,30 mm, oltre a un QFN32.

Figura 3: I SoC Bluetooth EFR32BG22 Wireless Gecko supportano AoA e AoD e sono disponibili in un contenitore QFN32 di 4 × 4 × 0,85 mm (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il kit wireless pro BG22-RB4191A comprende una scheda radio per la radiogoniometria basata sul SoC EFR32BG22 Wireless Gecko a 2,4 GHz e un array di antenne ottimizzato per la radiogoniometria accurata che può accelerare lo sviluppo di applicazioni RTLS basate su Bluetooth 5.1 che utilizzano i protocolli AoA e AoD (Figura 4). La scheda madre offre diversi strumenti per facilitare la valutazione e lo sviluppo di applicazioni wireless, tra cui:

• Debugger J-Link integrato per la programmazione e il debug sul dispositivo di destinazione tramite Ethernet o USB
• Misurazioni di corrente e tensione in tempo reale grazie al monitor di energia avanzato
• L'interfaccia della porta COM virtuale fornisce una connessione alla porta seriale tramite Ethernet o USB.
• L'interfaccia di tracciamento dei pacchetti fornisce informazioni di debug sui pacchetti di dati wireless ricevuti e trasmessi.

Figura 4: Il kit wireless pro BG22-RB4191A con il SoC EFR32BG22 Wireless Gecko e un array di antenne può accelerare lo sviluppo di applicazioni RTLS AoA e AoD. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Moduli per AoA e AoD Bluetooth

u-blox offre moduli Bluetooth con e senza antenne integrate che supportano AoA e AoD. Per le applicazioni che traggono vantaggio da un modulo senza antenna integrata, i progettisti possono rivolgersi alla serie NINA-B41x, come il modello NINA-B411-01B, basato sul CI nRF52833 di Nordic Semiconductor (Figura 5). Questi moduli includono un core RF integrato e ARM® Cortex®-M4 con processore in virgola mobile e funzionano in tutte le modalità Bluetooth 5.1, comprese AoA e AoD. Con un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +105 °C, questi moduli sono particolarmente adatti per le applicazioni RTLS in ambienti industriali. Inoltre, l'intervallo della tensione di ingresso da 1,7 a 3,6 V li rende utili nei sistemi alimentati da batterie a cella singola.

Figura 5: I moduli serie NINA-B41x supportano soluzioni RTLS compatte che utilizzano antenne esterne. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La serie NINA-B40x di u-blox, come il modello NINA-B406-00B, include un'antenna stampata su PCB interna integrata nel modulo PCB da 10 x 15 x 2,2 mm (Figura 6). I moduli NINA-B406 possono erogare fino a +8 dBm di potenza di uscita. Oltre al supporto delle modalità Bluetooth 5.1, tra cui AoA e AoD, questi moduli supportano i protocolli 802.15.4 (Thread e Zigbee) e il protocollo proprietario Nordic a 2,4 GHz, così che i progettisti possano standardizzare un singolo modulo per un'ampia gamma di progetti di dispositivi IoT.

Figura 6: Le applicazioni AoA e AoD che beneficiano di un'antenna integrata possono utilizzare i moduli serie NINA-B40x. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Per accelerare il time-to-market, i progettisti possono utilizzare il kit di esplorazione XPLR-AOA-1 di u-blox, che consente di sperimentare la funzione di rilevamento della direzione Bluetooth 5.1 e il supporto delle funzioni AoA e AoD. Il kit comprende un tag e una scheda antenna con un modulo Bluetooth LE NINA-B411 (Figura 7). Il tag si basa su un modulo Bluetooth NINA-B406 e include un software per l'invio di messaggi pubblicitari Bluetooth 5.1. La scheda dell'antenna è progettata per ricevere i messaggi e applicare un algoritmo di calcolo dell'angolo per determinare la direzione del tag. Gli angoli vengono calcolati in due dimensioni utilizzando l'array di antenne sulla scheda.

Figura 7: Il kit di esplorazione XPLR-AOA-1 comprende un tag (a sinistra) e una scheda antenna (a destra) per supportare la valutazione di AoA e AoD Bluetooth. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

La flessibilità del kit XPLR-AOA-1 consente ai progettisti di esplorare molte applicazioni, ad esempio:

• Rilevare se un oggetto si sta avvicinando a una porta
• Abilitare una telecamera a seguire un risorsa in movimento in una stanza
• Tracciare le merci che attraversano un cancello o superano una posizione specifica
• Evitare le collisioni tra robot o veicoli a guida automatizzata

Inoltre, è possibile creare un sistema di posizionamento più complesso utilizzando diversi kit XPLR-AOA-1 e triangolando le direzioni di tre o più schede d'antenna.

Conclusione

AoA e AoD Bluetooth possono fornire implementazioni RTLS accurate ed economiche per l'Impresa 4.0. I progettisti possono scegliere tra SoC e moduli che includono il software necessario per implementare rapidamente il complesso software richiesto per la distribuzione di AoA e AoD Bluetooth. Questi SoC e moduli sono ottimizzati per il basso consumo energetico per supportare tag di localizzazione alimentati a batteria e sono progettati per funzionare in ambienti industriali difficili.