כיצד למנף במהירות Bluetooth‏ AoA ו-AoD עבור מעקב לוגיסטיקה ביישומי פנים

מעקב נכסים בזמן-אמת במחסנים ובמפעלים הוא היבט חשוב של Industry 4.0. קיימות טכנולוגיות שונות עבור פריסת שירותי מיקום בזמן-אמת (RTLS) עבור מעקב נכסים ושיפור מערכות לוגיסטיקה. מערכות מיקום גלובליות (GPS) נמצאות בשימוש נרחב עבור יישומי חוץ של RTLS, אך בתוך מבנים האותות לא תמיד זמינים. Wi-Fi הוא בחירה נוספת, אבל הוא נוטה להיות בעל דיוק מוגבל, דורש הספק משמעותי ויכול להיות יקר לפריסה. זיהוי תדר רדיו (RFID) הוא בהספק נמוך ובעל דיוק טוב אך נוטה להיות יקר. התקנות Industry 4.0 RTLS פונות יותר ויותר לטכניקות איתור-כיוון של Bluetooth 5.1 מכיוון שהן משלבות מיקום פנים בדיוק גבוה ובנוסף צריכת הספק נמוכה, עלות נמוכה של חומרת Bluetooth ועלות נמוכה של פריסות.

זה יכול להיות מפתה עבור מפתחים לתכנן מערכות Bluetooth RTLS מאפס. למרבה הצער, השגת הפרטים של תדר הרדיו (RF) בפאזה וברביעוני (Quadrature‏) (IQ) של נתוני זווית-ההגעה (AoA) וזווית-היציאה (AoD), הנדרשים כדי לחשב את המיקום של מקמ"ש מתוך אות RF, היא מאתגרת ודורשת שילוב של מספר אנטנות. גם אם ניתן לקלוט את נתוני AoA ו-AoD, חישובי המיקום יכולים להיות מסובכים עקב גורמים רבים, כולל התפשטות רבת-נתיבים, קיטוב האות, שיהויי התפשטות, ריצוד, רעש ועוד, לפני שניתן לקבוע במדויק את מיקום הפריט שאחריו עוקבים.

במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות למערכות אלחוט Bluetooth על שבבים (SoCs), מודולי RF ואנטנות לשימוש ביישומי Industry 4.0 RTLS. מאמר זה סוקר בקצרה את פשרות הביצועים של אפשרויות טכנולוגיית RTLS השונות, ומתאר כיצד ממומשת קביעת מיקום AoA‏ ו-AoD‏ באמצעות Bluetooth‏. לאחר מכן הוא מציג רכיבי Bluetooth SoC ומודולי RF הכוללים את התוכנה הדרושה עבור מימוש מהיר של RTLS‏ מבוסס-AoA‏ ו-AoD , כמו גם האנטנות המלוות של Silicon Labs‏ ו-u-blox‏. מוצגות גם ערכות הערכה היכולות לזרז עוד יותר את זמן היציאה לשוק.

טכנולוגיות RTLS ליישומי פנים הנפוצות ביותר ממומשות באמצעות Wi-Fi ו-Bluetooth (טבלה 1):

• זיהוי טביעת-האצבע של Wi-Fi משתמש במסד נתונים של המיקום והמזהה (ID‏) של תחנת הבסיס (BSSID‏) של כל נקודת גישה (AP) של Wi-Fi בבניין. תג נכס סורק את סביבת ה-Wi-Fi ומדווח על רשימת נקודות ה-Wi-Fi ועוצמת האותות המשויכת להם. מסד הנתונים מתוך סקר זה משמש לאחר מכן להערכת המיקום הסביר של התג. טכניקה זו אינה תומכת ב-RTLS עם דיוק גבוה.
• חישוב זמן טיסה (ToF) הוא מדויק יותר. הוא מודד את הזמן שלוקח לאותות Wi-Fi לעבור בין ההתקנים. חישוב ToF דורש פריסה צפופה של APs כדי לשפר את הדיוק של RTLS. גם לחישוב ToF וגם לזיהוי טביעת-האצבע יש עלויות התקן גבוהות ודרישות אנרגיה גבוהות.
• מחוון עוצמת האות הנקלט של Bluetooth‏ (RSSI‏) תומך ב-RTLS בכך שהוא מאפשר להתקנים לקבוע את המרחק המשוער שלהם ממשואות Bluetooth סמוכות על ידי השוואת עוצמת האות הנקלט עם מיקומי המשואות המוכרים. RSSI משתמש בפחות אנרגיה ובעלות נמוכה יותר מאשר חישוב טביעת-האצבע של Wi-Fi או ToF, אך יש לו דיוק מוגבל. הדיוק שלו יכול להיות מופחת עוד יותר על ידי גורמים סביבתיים כמו רמות לחות ורובוטים, או אנשים שמסתובבים במתקן ומפריעים לרמות האות של ה-Bluetooth‏.
• Bluetooth AoA‏ היא טכנולוגיית RTLS ליישומי פנים החדשה והמדויקת ביותר. בנוסף להשגת דיוק גבוה, הטכנולוגיה משתמשת בצריכת הספק מועטה יחסית והיא בעלות נמוכה. עם זאת, היא מורכבת יותר למימוש בהשוואה לחלופות האחרות.

טבלה 1: ניתן לממש RTLS ביישומי פנים באמצעות טכניקות שונות של Wi-Fi ו-Bluetooth עם פשרות בין דיוק, צריכת הספק ועלות. (מקור הטבלה: u-blox‏)

ב-Bluetooth‏ AoA‏ ו-AoD‏, RTLS מסתמך על מערכי אנטנות כדי להעריך את מיקומו של נכס (איור 1). בפתרון AoA, הנכס שולח אות מציאת כיוון ספציפי מאנטנה אחת. להתקן הקולט יש מערך אנטנות ומודד את הפרש פאזות האותות בין האנטנות השונות הנגרם על ידי המרחקים השונים של כל אנטנה מהנכס. ההתקן הקולט משיג מידע IQ על ידי מיתוג בין האנטנות הפעילות במערך. נתוני ה-IQ משמשים לאחר מכן לחישוב מיקום הנכס. בפתרון AoD, משואה האיתור שאליה נקבע המיקום משדרת את האות באמצעות מספר אנטנות במערך ולהתקן הקולט יש אנטנה אחת. ההתקן הקולט משתמש במספר אותות כדי לקבוע את נתוני ה-IQ ולהעריך את מיקומו. AoA משמש לעתים קרובות למעקב אחר מיקום הנכסים, בעוד AoD היא הטכניקה המועדפת כדי לאפשר לרובוטים לקבוע היכן הם נמצאים במתקן עם דיוק טוב ושיהוי נמוך.

איור 1: מערכי אנטנות מהווים את הבסיס למימושי Bluetooth AoA ו-AoD RTLS. (מקור התמונה: Silicon Labs)

הרעיון הבסיסי עבור מעקב RTLS מבוסס-AoA הוא פשוט: Θ = arccos x ((הפרש פאזה x אורך גל) / (π ‏2 x המרחק בין האנטנות)) (איור 2). מימושים בעולם האמיתי הם מסובכים יותר וצריכים לקחת בחשבון שיהויי התפשטות אותות הנגרמים על ידי משתנים סביבתיים, אותות רבי-נתיבים, קיטוב אותות משתנה וגורמים אחרים. בנוסף, כאשר משתמשים באנטנות במערך, הן יכולות לחוות צימוד הדדי ולהשפיע אחת על התגובות של האחרת. לבסוף, זה יכול להיות די מאתגר לפתח את האלגוריתמים הדרושים כדי להביא בחשבון את כל המשתנים הללו ולממש אותם ביעילות בפתרון קריטי-בזמן בסביבה משובצת מוגבלת-משאבים. למזלם של המפתחים, פתרונות Bluetooth‏ AoA ו-AoD שלמים כוללים איסוף וקדם-עיבוד של נתוני IQ, שיכוך רכיבי ריבוי-נתיבים, פיצוי על גורמים סביבתיים וצימוד הדדי בין אנטנות.

איור 2: המשוואה לקביעת ה-AoA (מימין למעלה) משתמשת בהפרש הפאזה בין האותות המגיעים, אורך גל האות והמרחק בין אנטנות סמוכות. (מקור התמונה: u-blox)

רכיבי SoC‏ עבור Bluetooth‏ AoA‏ ו-AoD‏

המפתחים יכולים לפנות ל-SoCs כגון EFR32BG22C222F352GN32-C‏ של Silicon Labs כדי לממש רשתות Bluetooth 5.2 ו-AoA ו-AoD. SoC זה הוא חלק ממשפחת EFR32BG22 Wireless Gecko הכוללת ליבת Arm® Cortex®-M33‏ Bit‏-32‏ עם תדר פעולה מקסימלי של 76.8 מגה-הרץ ובנוסף ליבת רדיו חסכונית-באנרגיה של 2.4 גיגה-הרץ עם זרמי אופן אקטיבי ואופן ושינה נמוכים ומגבר הספק משולב עם הספק שידור (TX) של עד 6 דציבלים מטר (dBm) במארז QFN32 בגודל 4 × 4 × 0.85 מילימטר (מ"מ) (איור 3). הם כוללים אתחול מאובטח עם Root of Trust ו-Secure Loader‏ (RTSL). מאפייני אבטחה נוספים כוללים מאיץ קריפטוגרפיה בחומרה עבור AES128/256, SHA-1, SHA-2 (עד ‎256-Bit‏), ECC (עד ‎256-Bit‏), ECDSA ו-ECDH, ומחולל מספרים אקראיים אמיתיים (TRNG) התואם עם NIST SP800-90 ו-AIS-31. בנוסף, בהתאם לדגם, ל-SoCs הללו יש זיכרון Flash‏ של עד KB‏ 512‏ וזיכרון RAM של KB‏ 32‏, והם זמינים במארזי QFN40 בגודל 5 × 5 × 0.85 מ"מ ו-TQFN32‏ בגודל 4 × 4 × 0.30 מ"מ, בנוסף ל-QFN32‏.

איור 3: EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth SoCs התומכים ב-AoA ו-AoD זמינים במארז QFN32 בגודל 4 × 4 × 0.85 מ"מ (מקור התמונה: Silicon Labs)

הערכה המקצועית לאלחוט BG22-RB4191A‏ כוללת לוח רדיו לאיתור כיוון המבוסס על EFR32BG22 Wireless Gecko SoC‏ GHz‏ 2.4‏ ומערך אנטנות מותאם למציאת כיוון מדויק היכול להאיץ את הפיתוח של יישומי RTLS מבוססי Bluetooth 5.1 באמצעות פרוטוקולי AoA ו-AoD (איור 4). ללוח הראשי יש מספר כלים להערכה ופיתוח קלים של יישומי אלחוט, כולל:

• מאתר באגים מובנה של J-Link לתכנות וניפוי באגים בהתקן המטרה דרך Ethernet או USB
• מדידות זרם ומתח בזמן-אמת באמצעות מנטר האנרגיה המתקדם
• ממשק יציאת COM וירטואלית מספק חיבור יציאה טורית דרך Ethernet או USB
• ממשק מעקב אחר מנות (Packets‏) מספק מידע על ניפוי באגים על מנות נתוני אלחוט שנקלטו ושודרו

איור 4: הערכה המקצועית לאלחוט BG22-RB4191A עם EFR32BG22 Wireless Gecko SoC ומערך אנטנות יכולים להאיץ את הפיתוח של יישומי RTLS‏ AoA ו-AoD‏. (מקור התמונה: Silicon Labs)

מודולים עבור Bluetooth‏ AoA ו-AoD

u-blox מציעה מודולי Bluetooth‏ עם ובלי אנטנות משולבות התומכות ב-AoA וב-AoD. עבור יישומים הנהנים ממודול ללא אנטנה משולבת, המתכננים יכולים לפנות לסדרת NINA-B41x, כגון NINA-B411-01B‏, המבוססת על ה-nRF52833 IC‏ של Nordic Semiconductor‏ (איור 5). מודולים אלו כוללים ליבת RF משולבת ו-Arm® Cortex®-M4 עם מעבד נקודה צפה, והם פועלים בכל אופני Bluetooth 5.1, כולל AoA ו-AoD. עם תחום טמפרטורות פעולה של 40- עד 105+ מעלות צלזיוס (C‏°‏), מודולים אלה מתאימים היטב עבור יישומי RTLS בסביבות תעשייתיות. יתר על כן, תחום מתחי הכניסה שלהם של 1.7 עד 3.6 וולט הופך אותם לשימושיים במערכות מוזנות-סוללה חד-תאית.

איור 5: מודולי סדרות NINA-B41x תומכים בפתרונות RTLS קומפקטיים המשתמשים באנטנות חיצוניות. (מקור התמונה: DigiKey)

סדרות NINA-B40x של u-blox, כגון ה-NINA-B406-00B‏, כוללות אנטנה פנימית העשויה מפסים מוליכים PCB המשולבת בתוך ה-PCB של המודול בגודל של ‎10 x 15 x 2.2‏ מ"מ (איור 6). מודולי NINA-B406 יכולים לספק עד dBm‏ 8‏+ של הספק יציאה. בנוסף לתמיכה באופני Bluetooth 5.1, כולל AoA ו-AoD, מודולים אלה תומכים ב-802.15.4 (Thread ו-Zigbee) ובפרוטוקולי GHz‏ 2.4‏ קנייניים של Nordic‏, המאפשרים למתכננים לבצע סטנדרטיזציה על מודול יחיד עבור מגוון רחב של תכני התקני IoT.

איור 6: יישומי AoA ו-AoD הנהנים מאנטנה משולבת יכולים להשתמש במודולי סדרות NINA-B40x. (מקור התמונה: DigiKey)

כדי לקצר את זמן היציאה לשוק, המתכננים יכולים להשתמש בערכת Explorer‏ XPLR-AOA-1‏ של u-blox המאפשרת התנסות עם מאפיין זיהוי הכיוון של Bluetooth 5.1 ותמיכה בפונקציות AoA ו-AoD. ערכת Explorer‏ זו כוללת תג ולוח אנטנה עם מודול NINA-B411 Bluetooth LE‏ (איור 7). התג בנוי סביב מודול Bluetooth NINA-B406 וכולל תוכנה לשליחת הודעות פרסום Bluetooth 5.1. לוח האנטנה מתוכנן לקבל את ההודעות ולהפעיל אלגוריתם חישוב זווית כדי לקבוע את כיוון התג. הזוויות מחושבות בשני ממדים באמצעות מערך האנטנות שעל הלוח.

איור 7: ערכת Explorer‏ XPLR-AOA-1 כוללת תג (משמאל) ולוח אנטנה (מימין) לתמיכה בהערכה של Bluetooth AoA ו-AoD. (מקור התמונה: u-blox)

הגמישות של ערכת XPLR-AOA-1 מאפשרת למתכננים לחקור מגוון של יישומים, כגון:

• זיהוי אם עצם מתקרב לדלת
• מאפשר למצלמה לעקוב אחר נכס נע בחדר
• מעקב אחר סחורה העוברת בשער או על פני עמדה מסוימת
• מניעת התנגשויות בין רובוטים או כלי רכב מונחים אוטומטית

בנוסף, ניתן ליצור מערכת מיקום מורכבת יותר באמצעות מספר ערכות XPLR-AOA-1 ושילוב הכיוונים משלושה או יותר לוחות אנטנות.

סיכום

Bluetooth‏ AoA ו-AoD יכולים לספק יישומי RTLS מדויקים, יעילים וחסכוניים עבור Industry 4.0. המתכננים יכולים לבחור מתוך SoCs ומודולים הכוללים את התוכנה הדרושה עבור מימוש מהיר של התוכנה המורכבת הנדרשת לפריסת Bluetooth‏ AoA ו-AoD. ה-SoCs והמודולים הללו מותאמים לצריכת הספק נמוכה כדי לתמוך בתגי מיקום מוזני-סוללה ותוכננו לפעול בסביבות תעשייתיות קשות.