השיגו מעקב נכסים מדויק בזמן-אמת ובהספק נמוך ביישומי פנים באמצעות איתור כיוון Bluetooth‏

מפעלים, מחסנים ומתקני ייצור משתמשים יותר ויותר בתגים לביצוע מעקב בזמן-אמת אחר מיקום נכסים. הנתונים משולבים בדרך כלל במערכת בקרת מלאי מתאימה מבוססת-ענן מסוג אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT) כדי לאפשר מעקב אחר נכסים מרוחקים. הבעיה היא שמלבד NFC, מרבית פתרונות מעקב נכסים תלויים בתגים הפועלים על סוללות הדורשים שמירה על צריכת הספק נמוכה ככל האפשר. בנוסף, חלק מהפתרונות עלולים להיות לא-אמינים ולא-מדויקים כאשר משתמשים בהם ביישומי פנים.

לדוגמה, תגי GPS אינם אמינים ביישומי פנים, במיוחד בבנייני פלדה ובטון. מערכות מיקום Bluetooth קלאסיות מבוססות על נתונים של מחוון עוצמת האות הנקלט (RSSI), שלמרות שהוא שימושי, אינו עומד לעיתים קרובות בדרישות הדיוק של המתכננים. מה שנחוץ הוא פתרון מעקב נכסים אלחוטי אמין, מדויק, מוזן-סוללה ועם יחס עלות-תועלת מיטבי שניתן להשתמש בו ביישומי פנים אך עדיין מאפשר חיי סוללה ארוכים.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, מאמר זה יתאר את פרוטוקול איתור כיוון Bluetooth 5.1 וכיצד הוא פועל. לאחר מכן המאמר יציג מודול Bluetooth חסכוני מבית Silicon Labs התומך בפרוטוקול זה ומראה כיצד הוא יכול לעמוד הן בדיוק והן בדרישות ההספק הנמוך של מערכת בקרת מלאי IIoT.

מה זה מעקב נכסים ומדוע הוא נדרש עבור ה- IIoT?

מערכות בקרת מלאי IIoT מתקדמות דורשות מעקב בזמן-אמת אחר נכסים מהענן בכל מקום בעולם. מחסנים גדולים המאחסנים מוצרים וציוד בעלי ערך גבוה עשויים לדרוש תגי מיקום נכסים לצורך בקרת מלאי וסיוע נגד גניבה. זה מאפשר לעובדי מחסן אנושיים כמו גם לציוד איסוף אוטומטי לאתר פריט במהירות וביעילות ולהכין אותו למשלוח. לצורך ניהול מלאי, ניתן לקבוע ולפרט את קיומם ומיקומם של הנכסים עבור דוחות סטטוס סדירים. זוהי שיטה אמינה יותר לדיווח על סטטוס המלאי לעומת סקירה ידנית של תעודות משלוח העוקבות אחרי נכסים נכנסים ויוצאים.

מלבד מערכות ניהול מלאי IIoT, נעשה שימוש במעקב אחר מיקום נכסים במערכות נגד גניבה. אם פריט במחסן אינו מתוזמן למשלוח, מערכת IIoT יכולה להזהיר את אנשי האבטחה אם המעקב מזהה אותו קרוב לאחת היציאות. מיקום נכסים בזמן-אמת יכול גם להאיץ את השירות וההספקה בעידן שבו ההספקה-למחרת-היום מתפתחת במהירות לציפיות להספקה-באותו-היום.

עבור מעקב נכסים בנפח גדול, תגי מיקום הנכסים חייבים להיות עם יחס עלות-תועלת מיטבי ועם חיי סוללה ארוכים. תגי NFC אינם משתמשים בסוללות, אך מחייבים שהמקלט יהיה בטווח של 20 סנטימטרים (ס"מ) מהתג, מה שמגביל את השימושיות שלהם. עוקבי GPS אינם אמינים ביישומי פנים מכיוון שאותות המעקב הלווייניים עלולים להיחסם, במיוחד על ידי מבני פלדה ובטון.

פתרון פופולרי למעקב נכסים מסתמך על מאפיין מיקום משואות ה- Bluetooth. הוא עוקב אחר מיקום התג על ידי השוואת עוצמת אות הייחוס המקודד בתוך הודעת המשואה לעוצמת האות של האות הנקלט. לאחר מכן מתבצעת טריאנגולציית מיקום המשואות באמצעות שלושה או יותר מקלטים כדי להשיג קירוב של מיקום המשואה. עם זאת, גישה זו אינה מספקת את הדיוק הנדרש עבור מערכות ניהול מלאי. בנוסף, דיוק המיקום יכול להיות מושפע משינויים בלחות, כמו גם מאובייקטים נעים כמו מלגזות, עובדים ודלתות.

איתור כיוון Bluetooth‏

הפיתרון הוא איתור כיוון Bluetooth‏, מאפיין הכלול במפרט Bluetooth 5.1‏.

איתור כיוון Bluetooth‏ מבצע טריאנגולציה של מיקום תגי נכסים מוזני-סוללה על סמך היסט הפאזה של האות הנקלט בשתי אנטנות או יותר. כתוצאה מכך הדיוק שלו הוא של פחות ממטר אחד והוא פתרון מעקב מיקום עם יחס עלות-תועלת מיטבי שניתן להשתמש בו בצורה אמינה ביישומי פנים, תוך שהוא מאפשר שנים של פעולה מסוללת תא כפתור אחת.

באיתור כיוון Bluetooth‏, אות חדש הנקרא Continuous Tone Extension‏ (CTE) מתווסף למנת (Packet) הפרסום של ה- Bluetooth‏. ה- CTE הוא צליל רצוף הנשלח על פני תדר המחושב לפי תדר ה- Bluetooth‏ + Hz‏ 250‏. מכיוון שה- CTE אינו תלוי במנות (Packets‏) ההודעות הרגילות של ה- Bluetooth, הוא אינו מפריע או מעכב את המנות הללו. זה מאפשר לאנטנות הקולטות להשיג התאמה רצופה ללא-הפרעות בזמן-אמת, ופותר את בעיית מעקב המיקום בזמן-אמת.

זווית ההגעה וזווית היציאה

איתור כיוון Bluetooth‏ משתמש בשני סוגים של היסט פאזה, שהם מנגנוני גילוי היסט פאזה מבוססי-אנטנה, הנקראים זווית ההגעה (AoA‏) וזווית היציאה (AoD‏) (איור 1‏). ה- AoA משמש כאשר מערכות חיצוניות צריכות לעקוב אחר תגים בודדים. תג נכס המכיל מודול תואם Bluetooth 5.1‏ או מאוחר יותר משדר CTE‏. מקלט Bluetooth עם שתי אנטנות שבתחנת הבסיס קולט את האות המגיע. המקלט משתמש בהפרש הפאזה בין שני האותות שנקלטו באנטנות ונדגמו כדי לחשב באמצעות טריאנגולציה את המרחק לתג הנכס.

איור 1: בשיטת AoA לאיתור הכיוון (משמאל), תג נכס משדר את האות שלו לממקם בתחנת בסיס Bluetooth AoA המודד את זווית ההגעה של האות בשתי אנטנות או יותר כדי לקבוע את מיקום התג. בשיטת AoD (מימין), תחנות בסיס Bluetooth משדרות משואות לתגי הנכסים המחשבים את המיקום שלהם עצמם. (מקור התמונה: Silicon Labs)

כדי למנוע שגיאות דגימה עקב Aliasing, המרחק בין שתי האנטנות הקולטות חייב להתאים לאורך הגל של תדר Nyquist של האות הנקלט, שהוא אורך הגל של האות הנקלט מחולק בשניים. אות Bluetooth של כ- 2.4 גיגה-הרץ (GHz) מתאים לאורך גל של 12.5 ס"מ, כך שהמרחק בין שתי האנטנות חייב להיות 6.25 ס"מ או פחות. על סמך הפרש פאזה בין האותות בשתי האנטנות, המרחק הקבוע הידוע בין שתי האנטנות והתצורה הידועה של שתי האנטנות, ניתן לחשב את המרחק לתג הנכס.

אם משתמשים ביחידת אנטנת קליטה נוספת עם שתי אנטנות באותה תצורה כמו היחידה הראשונה, ניתן לקבוע את המיקום המדויק של תג הנכס במרחב 3D‏.

שיטת AoD משמשת כאשר תג הנכס חייב לעקוב אחר מיקומו שלו עצמו. בשיטת AoD, התג הוא מקלט ה- Bluetooth ותחנת הבסיס עם מספר אנטנות היא משדר ה- Bluetooth. תחנת הבסיס משדרת CTE מכל אנטנה. קושחת המקלט יודעת את מספר האנטנות, את המרחק הקבוע הידוע בין כל אנטנה ואת התצורה הידועה של מספר האנטנות, ומשתמשת בהפרשי פאזה בין האותות שנקלטו כדי לחשב את המיקום שלו עצמו.

עבור מערכת בקרת מלאי IIoT במחסן, תגי הנכסים מוזני-סוללה המוצמדים לתיבות או למכולות ישתמשו ב- AoA, בעוד שמלגזות או ציוד ליקוט-ואריזה אוטומטי ישתמשו ב- AoD. מלגזות וציוד ליקוט-ואריזה אוטומטי אחר מיועדים עבור פעולה מאומצת ולכן הם אינם רגישים לאורך חיי הסוללות, כך שהם יכולים לשדר את מיקומם באמצעות Wi-Fi לרכזת ה- IIoT הראשית. ניתן לעקוב אחר כל אלו בזמן-אמת בממשק ענן IIoT.

מודולי איתור כיוון Bluetooth‏ בהספק נמוך

עבור יישומי איתור כיוון Bluetooth 5.2 בהספק נמוך, Silicon Labs הציגה את משפחת מודולי Bluetooth‏ BGM220‏, במפרט המספק חיי סוללה של 10 שנים על סוללת תא-כפתור אחת עם משך חיים ארוך. גרסת BGM220PC22HNA2 היא מודול מקלט Bluetooth 5.2 עם חתימת-שטח של ‎12.9 x 15.0‏ מילימטרים (מ"מ) ופרופיל של 2.2 מ"מ (איור 2). הוא דורש ספק-כוח של 1.8 עד 3.8 וולט, ההופך אותו למתאים עבור יישומים המסוגלים לפעול מתאי כפתור ליתיום 3.0 וולט עם משך חיים ארוך, כמו גם תאי ליתיום-יון (Li-Ion) של 3.6 וולט נטענים גדולים יותר עבור התקנים ניידים לצרכנים. הוא יכול לפעול בתחום של 40°C- עד 105°C+, ההופך אותו למתאים במיוחד לסביבות קשות כגון מפעלים ומחסנים תעשייתיים.

איור 2: ה- BGM220PC22HNA2 הוא מודול Bluetooth 5.2 קומפקטי התומך באיתור כיוון Bluetooth עם עד 10 שנים על סוללת תא כפתור אחת עם משך חיים ארוך. (מקור התמונה: Silicon Labs)

הרדיו של BGM220PC22HNA2 פועל בפס התדרים GHz‏ 2.4‏ ומפיק 8 דציבלים המתייחסים ל- 1 מיליוואט (mW‏) (dBm‏). המודול כולל את כל הקבלים והמשרנים הנחוצים לביטול-צימוד (Decoupling), כמו גם מתנדים של 38.4 מגה-הרץ (MHz) ו- 32.768 קילו-הרץ (kHz‏) ואנטנת שבב קרמי משולבת (איור 3). המודול מבוסס על ליבת Cortex®-M33‏ ®Arm‏ הנתמכת על ידי 512 קילו-בייט (Kbytes‏) של זיכרון Flash‏ ו-Kbytes‏ 32 של זיכרון RAM.

איור 3: למודול ה- Bluetooth‏ BGM220PC22HNA2‏ יש את כל הנחוץ לתמיכה בתגי נכסים לאיתור כיוון Bluetooth עצמאי, כולל רדיו ‎2.4 GHz, זיכרון, מעבד Arm Cortex-M33 וממיר ADC. (מקור התמונה: Silicon Labs)

רכיבים היקפיים הזמינים עבור התאמה-מיוחדת של הקושחה כוללים ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) ‎16-Bit‏ של 76.9 קילו-דגימות לשנייה (kSPS‏), שניתן להגדיר את תצורתו לפעולה כממיר ADC‏ Bit‏-12‏ של kSPS‏ 1,000. ישנם עד 24 פיני I/O עבור התאמה-מיוחדת של הקושחה. ארבעה קוצבי-זמן ‎16-Bit‏ וקוצב-זמן Bit‏-32‏ אחד זמינים עבור אירועי קושחה. שני ממשקי C‏^2‏I‏ יכולים לגשת לרכיבים היקפיים חיצוניים. ה- BGM220P כולל גם שני רכיבי USART רבי-פונקציות הניתנים להגדרה באופן בלתי-תלוי כ- UART, SPI, ממשק כרטיס חכם, IrDA או S‏^2‏I‏. זה מאפשר גמישות בבחירת ממשקים טוריים תוך הורדת מספר הפינים.

כאשר משתמשים ב- BGM220PC22HNA2 בתגי נכסים לאיתור כיוון Bluetooth, היישום צריך להשתמש רק ברכיבים ההיקפיים הנחוצים, ולהדמים את הספקת-הכוח לאלו שאינם בשימוש כדי להאריך את חיי הסוללה. תצורה מינימלית של תג נכסים תכלול רק את ה- BGM220PC22HNA2 עם סוללת 3.0 וולט במארז לא-מתכתי שאינו מפריע לשידור אותות Bluetooth. ניתן לחבר מתגים חיצוניים לפיני ה- I/O‏ עבור התאמה-מיוחדת של האתחול כמו הגדרת זיהוי תגים בודדים. ניתן לחבר נורת LED אחת או יותר חיצונית, אך המתכננים צריכים להיזהר כאן מכיוון שכל נורת LED מהווה עומס נוסף על הסוללה. באופן אידיאלי, נורות ה- LED ישמשו רק במהלך הגדרת התצורה.

פיתוח יישומי איתור כיוון Bluetooth‏

לצורך פיתוח יישומים עם איתור כיוון Bluetooth‏, Silicon Labs מספקת את ערכת ההתחלה של מודול Bluetooth‏ Wireless Gecko‏ BGM220P‏ SLWSTK6103A‏ (איור 4‏). הערכה כוללת לוח רדיו נתקע שהיא לוח נושא עבור מודול BGM220P. במרכז הלוח יש צג LCD של 128‏ x‏ 128‏, המוצגת עם לוגו Silicon Labs עם טקסט נוסף.

מתחת לצג ה- LCD ישנם שני לחצנים ניתנים-לתכנות-קושחה. ניתן להשתמש ב- LCD במהלך הפיתוח להצגת נתוני סטטוס והלחצנים לבקרת זרימת הקושחה. ניפוי באגים נתמך באמצעות מחבר ה- USB. קיימים מחברים נוספים לתמיכה בתוכנת ניטור האנרגיה מבית Silicon Labs, המאפשרת כיוונון-עדין של היישום כדי לצרוך רק את ההספק ההמינימלי הנחוץ.

איור 4‏: ערכת ההתחלה BGM220P‏ SLWSTK6103A‏ מכילה את כל הדרוש לפיתוח קושחה עבור מודול BGM220P‏ לתמיכה באיתור כיוון Bluetooth‏. (מקור התמונה: Silicon Labs)

ל- SLWSTK6103A יש גם חיישן טמפרטורה ולחות. עבור תגי נכסים לאיתור כיוון Bluetooth‏, ניתן לחבר חיישני סביבה לממשק C‏^2‏I‏ לניטור התנאים סביב תגי הנכסים ולשדר התרעה דרך ה- Bluetooth עם התנאים חורגים מהספים המתוכנתים-מראש. פיני I/O‏ ורכיבים היקפיים נוספים נגישים דרך מחברי פסי-פינים. הספקת-הכוח עבור ערכת ההתחלה היא באמצעות חיבור USB‏ או סוללת תא כפתור.

סיכום

מעקב נכסים בזמן-אמת במערכות ניהול מלאי IIoT דורש פתרון מדויק, אמין עם יחס עלות-תועלת מיטבי שהוא קטן ובהספק נמוך. כפי שהוצג, ניתן לשלב במהירות את מאפיין איתור הכיוון של מפרט Bluetooth 5.1 בתוך תג נכס באמצעות מודולים מן-המדף כדי לספק את הדרגה הנדרשת של יכולות וביצועי מעקב מיקום בזמן-אמת.

לקריאה נוספת

1. השימוש בפלטפורמות מאופשרות-Bluetooth 5.1 עבור מעקב נכסים ומיקום מדויקים ביישומי פנים - חלק 1
2. השימוש ב- Bluetooth 5.2 SoC מתקדם לבניית התקני IoT מאובטחים בהספק נמוך