Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2020_289_13

Brezžično merjenje je lahko kritičen dejavnik pri omogočanju avtomatiziranega sledenja stikom. Tako je mogoče identificirati in analizirati izbruhe nalezljivih bolezni, kot je COVID-19, ki se lahko prenašajo s tesnim stikom. Običajne metode merjenja z energijsko učinkovito tehnologijo Bluetooth (BLE) lahko teoretično zagotovijo natančne podatke, vendar lahko na natančnost vplivajo praktične omejitve prenosa radiofrekvenčnih (RF) signalov. Ker potreba po bolj učinkovitih metodah narašča, da se omeji širjenje bolezni COVID-19, razvijalci iščejo alternative običajnim metodam, da bi lahko zagotovili maksimalno natančnost, ob tem pa še vedno izravnava stroške in enostavnost razvoja.

Za zadovoljitev teh potreb je podjetje Dialog Semiconductor razvilo programsko rešitev, ki izkorišča trenutno razpoložljivo in uvedeno tehnologijo in infrastrukturo BLE. Ko se jo v podjetju uvede kot programsko nadgradnjo naprav BLE s sistemom na čipu (SoC), rešitev omogoča bolj natančno, radarju podobno brezžično merjenje.

Ta članek opisuje, kako deluje sledenje stikom. Nato predstavi Bluetooth naprave in sprejemno programsko opremo podjetja Dialog Semiconductor, ki ponujajo bolj natančno rešitev za uvedbo natančnega brezžičnega merjenja, ki je potrebno za sledenje stikom in druge vrste uporabe zaznavanja bližine.

Zakaj je sledenje stikom bistvenega pomena za obvladovanje bolezni COVID-19?

Omejevanje širjenja nalezljivih bolezni je temelj epidemiologije in je še posebno ključnega pomena pri upravljanju zdravja prebivalstev, ki se soočajo z novim virusom, kot je hudi akutni respiratorni sindrom koronavirus 2 (SARS-CoV-2), ki povzroča bolezen COVID-19. Eno od najbolj učinkovitih orodij za zmanjšanje izbruhov je uporaba praks sledenja stikom.
Sledenje stikom se zdi načeloma precej preprosto: identificiranje in obveščanje posameznikov, ki so nedavno bili v neposredni bližini nalezljive kužne osebe in so morda okuženi tudi sami. V praksi je potek dela za sledenje stikom precej zapleten in se običajno zanaša na veliko število delavcev na primeru, ki opravijo razgovor z okuženimi posamezniki in obvestijo ter nudijo pomoč tistim, za katere morda obstaja tveganje kasnejše okužbe (slika 1). Ko ti obveščeni posamezniki nadalje omejijo svoj stik z drugimi, se veriga prenosa virusa prekine.

Potreba po hitri identifikaciji in obveščanju o morebitni okužbi je še posebej pomembna za COVID-19, saj si v tem primeru raziskovalci še vedno prizadevajo v celoti razumeti njegove načine prenosa in okuženja. Dejansko so bila osnovna, medicinsko relevantna dejstva o bolezni COVID-19 razvita šele relativno pred kratkim. Tako so na primer nekaj mesecev po identifikaciji virusa SARS-CoV-2 epidemiologi potrdili, da je možno, da virus prenašajo okužene osebe, ki še ne kažejo simptomov bolezni COVID-19 [Furukawa]1.

Na osnovi razumevanja, da je možna ta vrsta asimptomatskega prenosa, je zgodnje sledenje stikom postalo najpomembnejše za upočasnitev širjenja pandemije COVID-19. Orodje na osnovi preglednice COVIDTracer ameriškega Centra za nadzor in preprečevanje bolezni, ki uporablja metodo standardnega epidemiološkega modeliranja, prikazuje vpliv zgodnjega sledenja stikom na vsakodnevnih primerih v reprezentativni populaciji 100.000 posameznikov (slika 2).

Kot je prikazano na sliki 2, se lahko potek izbruha bistveno razlikuje glede na izbiro ene od treh različnih strategij sledenja stikom:

• strategija: Začetek sledenja stikom s posameznikom šele po tem, ko je posameznik že kazal simptome bolezni COVID-19 (v tem modelu 7 dni po okužbi na podlagi raziskovalnih študij).
• strategija: Začetek sledenja stikom tako, ko okuženi posameznik prvič pokaže znake simptomov (6 dni po okužbi).
• strategija: Začetek sledenja stikom takoj, ko preizkus za COVID-19 identificira okuženega posameznika, a preden ta posameznik kaže simptome (4 dnevi po okužbi, ko asimptomatski prenos postane mogoč glede na raziskovalne študije).

Tudi, kadar se sledenje stikom začne takoj, ko posameznik postane kužen (3. strategija), lahko število delavcev na primeru, ki so potrebni za izvajanje sledenja stikom, hitro naraste. CDC-jev model prikazuje rast osebja, potrebnega za v povprečju 5 stikov na primer okuženega posameznika (»spodnja« na sliki 3) in za v povprečju 20 stikov na primer (»zgornja« na sliki 3).

Dvojne zahteve po čim zgodnejšem sledenju stikom in ustrezni velikosti osebja sta gonilo prizadevanj za iskanje tehnoloških rešitev za identifikacijo in kontaktiranje posameznikov, ki so morda bili v neposredni bližini z okuženim posameznikom. Namesto, da bi od okuženih posameznikov zahtevali, da si zapomnijo stike, in da delavci na primeru sledijo tem stikom, lahko ustrezna tehnološka rešitev samodejno zabeleži primere neposredne bližine z drugimi, ki morda uporabljajo isto tehnologijo. Ta pristop lahko dejansko ponudi četrto strategijo, ki lahko retroaktivno sproži sledenje stikom s posamezniki, ki so jih okuženi srečali na dan 0, ko, kot kažejo zdravstvene raziskave, so se okuženi posamezniki sami okužili z boleznijo od drugega okuženega posameznika. Kot je prikazano na zgornjih slikah, lahko zgodnje obveščanje stikov dramatično splošči krivulje tako vsakodnevnih primerov kot zahtevanega osebja.
Zaradi njene široke razpoložljivosti v pametnih telefonih in drugih osebnih mobilnih elektronskih napravah je Bluetooth tehnologija takoj postala prva izbira za avtomatizirano sledenje stikom. Hitro se je izkazala kot temelj za mobilne aplikacije, ki se jih v sodelovanju razvijajo proizvajalci, zdravstvene skupine in državne organizacije. Vendar pa so v študijah učinkovitosti teh aplikacij omejitve Bluetooth tehnologije vodile v rezultate, ki so razočarali.

Zakaj je avtomatizirano sledenje stikom z Bluetooth tehnologijo razočaralo?

Načeloma se za Bluetooth tehnologijo zdi, da je idealna rešitev za avtomatizirano sledenje stikom. Njena vseprisotnost zagotavlja široko razpoložljivost kot platforma za dostavo, njene zmožnosti pa na videz izpolnjujejo osnovne zahteve za mobilne aplikacije, namenjene beleženju primerov neposredne bližine z drugimi posamezniki, ki uporabljajo isto tehnologijo.

Beleženje primerov stika zahteva vsaj dva kosa informacije: razdalja do stika in določen globalno enoličen ID, povezan s stikom. Ta enoličen ID, ki je običajno uveden kot pogosto spreminjajoča se naključna vrednost, uporablja programska oprema aplikacije na visoki ravni, da obvesti stik, ob enem pa ohranja zasebnost s pomočjo različnih metod, ki presegajo okvire tega članka.

Protokol oglaševanja Bluetooth ponuja obstoječ mehanizem za izpolnitev teh osnovnih zahtev. Protokol oglaševanja, ki je zagotovljen kot standardna funkcija skladov Bluetooth protokola, napravi omogoča občasno prenašanje majhnih koristnih vsebin, kot je enolični ID, ob minimalni porabi električne energije. Naprava, ki prejme paket protokola oglaševanja, prejme tudi vrednost indikatorja moči prejetega signala (RSSI), ki jo večina brezžičnih radijskih podsistemov posreduje kot relativno merilo moči signala v razponu od 0 do 100 ali z drugo zgornjo omejitvijo, ki jo določi proizvajalec naprave.

V teoriji se s tem, ko se razdalja med oddajnikom in sprejemnikom povečuje, se radijska moč pri sprejemniku zmanjšuje sorazmerno z razdaljo na kvadrat. V skladu s tem se vrednost RSSI gladko in monotono zmanjšuje.

V praksi se lahko razmerje med RSSI in razdaljo močno razlikuje kot je pred leti opozorila [Gao]2 organizacija, ki nadzoruje razvoj Bluetooth tehnologije, Bluetooth Special Interest Group (SIG). Odboj, blokiranje in motnje lahko bistveno spremenijo moč signala. Posledično se lahko razmerje med RSSI in razdaljo razlikuje od enega vzorca do drugega, tudi če oddajnik in sprejemnik ostaneta na istem mestu. V nedavni študiji učinkovitosti vrednosti RSSI Bluetooth tehnologije za sledenje stikom so raziskovalci ugotovili, da se lahko vrednost RSSI dviguje ali spušča brez spreminjanja fizične razdalje med oddajnikom in sprejemnikom glede na to, kako so uporabniki držali svoje telefone, in ali so jih blokirali s svojimi telesi ali pa glede na način, kako so se radijski signali odbijali, so bili blokirani ali pa so jih absorbirale okoliške strukture [Leith]3.

Raziskovalci so uporabili različne strategije, da bi poskusili izravnali spremenljivost vrednosti RSSI. Poleg preprostega izračunavanja povprečne vrednosti več meritev RSSI vrednosti so v poskusih, kako izboljšati točnost meritev razdalje s pomočjo RSSI, uporabili različne metode filtriranja, a to ni bilo preveč uspešno. Drugi predlogi za sledenje stikom so predlagali uporabo drugih radijskih tehnologij, kot je ultraširokopasovna tehnologija (UWB), vendar za razliko od Bluetooth tehnologije te tehnologije niso tako vseprisotne, kot bi to bilo potrebno, da se doseže takojšnjo široko uporabo aplikacija za avtomatizirano sledenje stikom pri obvladovanju izbruhov bolezni COVID-19.

V nasprotju s tem podjetje Dialog Semiconductor ponuja programsko rešitev, ki je zasnovana za preprosto nadgradnjo njenih strojnih Bluetooth rešitev in ki zagotavlja natančni brezžično merjenje, potrebno za učinkovito sledenje stikom.

Nadgradnja sistema na Bluetooth čipu za natančno sledenje stikom
Komplet za razvoj programske opreme (SDK) Wireless Ranging (WiRa) podjetja Dialog Semiconductor deluje z družino naprav SoC BLE DA1469x in zadovoljuje potrebo po natančnem merjenju z obstoječo Bluetooth tehnologijo. SoC BLE naprave podjetja Dialog Semiconductor, ki so zasnovane tako, da izpolnjujejo zahteve širokega spektra mobilnih izdelkov, integrirajo procesor ARM Cortex-M33 in celoten radijski Bluetooth 5 podsistem z lastnim krmilnikom na osnovi ARM Cortex-M0+ in celovitim naborom integriranih zunanjih naprav (slika 4).

Kot pri vseh Bluetooth združljivih platformah družina izdelkov DA1469x podjetja Dialog Semiconductor podpira standardne načine oglaševanja, ki so osnova tehnologijam oddajnika, ki se uporablja za zagotavljanje za lokacijo specifičnih sporočil na maloprodajnih lokacijah. S kompletom za razvoj programske opreme WiRa pa lahko razvijalci uvedejo radarju podoben protokol, ki je zmožen doseči stopnjo natančnosti merjenja, ki ni na voljo s samo običajnimi vrednostmi RSSI Bluetooth tehnologije. Kar je najpomembneje je, da je to dodatno zmožnost mogoče uvesti na obstoječih napravah, ki temeljijo na DA1469x.

V tem izboljšanem pristopu za brezžično merjenje Bluetooth naprave izvedejo protokol DTE (Dialog Tone Exchange) (slika 5).

V tem protokolu se Bluetooth naprave povezujejo v paru s pomočjo običajnih BLE Central in Peripheral vlog. Naprava Central izda zahtevo za zagon DTE, kar povzroči, da se obe napravi sinhronizirata in nato v obdobju nedejavnosti BLE preneseta DTE ton za določen čas trajanja in pri v naprej določenem naboru frekvenc. Radijski podsistem vsake naprave pa izvede vzorčenje visoke ločljivosti prejetega tonskega rafala in zagotovi izhodni signal v fazi in kvadraturi (IQ). Z vzorci IQ vsaka naprava izračuna fazo za vsako frekvenco rafala (imenovano »atom«), kar proizvede frekvenčni profil, ki je specifičen za to napravo.

Po izmenjavi za napravo specifičnega frekvenčnega profila z nasprotno napravo vsaka naprava uporabi te podatke za izračun razdalje s pomočjo ene od dveh metod, ki jih podpira komplet za razvoj programske opreme WiRa. V primeru metode inverzne hitre Fourierjeve transformacije (IFFT) izračuni IFFT preoblikujejo podatke frekvenčnega profila v časovno domeno in preslikajo časovno zakasnitev, povezano z vrhuncem impulznega odziva v meritev razdalje.

V primeru metode, osnovane na fazi, izračuni uporabljajo fazne podatke na atom obeh naprav, da najdejo fazne razlike. S temi rezultati izračuni preslikajo povprečno fazno razliko v razdaljo (D) v metrih (m) v skladu z enačbo 1:

 

 

c = hitrost svetlobe v metrih na sekundo (m/s)
∆jn = fazna razlika v radianih
∆jn = frekvenčna razlika v hercih (Hz)
N = število atomov

Čeprav so osnovni mehanizmi in izračuni precej zapleteni, podjetje Dialog Semiconductor raziskovalcem omogoča preprosto ocenjevanje tega pristopa in uvedbo lastnih zasnov. Razvijalci lahko komplet za razvoj brezžičnega merjenja DA14695 podjetja Dialog Semiconductor (DA14695-00HQDEVKT-RANG) priključijo v USB vrata osebnega računalnika in takoj začnejo raziskovati funkcionalnost brezžičnega merjenja s pomočjo vzorca programske opreme.

Plošča kompleta za brezžično merjenje, ki temelji na Dialog Semiconductor DA14695 BLE SoC, služi kot učinkovita platforma za uvedbo programske opreme po meri z nadgradnjo vzorca programske opreme ali z uporabo rutin storitve brezžičnega merjenja WiRa SDK v prilagojenih programskih aplikacijah.

Poleg kompleta za razvoj programske opreme (SDK) WiRa Dialog Semiconductor zagotavlja vzorec paketa programske opreme za omejevanje fizičnih stikov, ki uvaja izboljšano brezžično merjenje z DTE in zagotavlja nabor povezanih programskih rutin, vključno z metodami merjenja razdalje tako na osnovi IFFT kot faze. Rutina izračuna na osnovi faze cwd_calc_distance(), prikazana na Seznamu 1, je enostavna uvedba zgoraj prikazane enačbe za merjenje razdalje na osnovi faze.

Seznam 1: Ta rutina izračuna je enostavna uvedba zgoraj prikazane enačbe za merjenje razdalje na osnovi faze. (Vir kode: Dialog Semiconductor)

float cwd_calc_distance(float *init_phase_atom, float *refl_phase_atom)
{
float *dd_phi = d_phi; /* reuse d_phi, or: float dd_phi[CWD_N_ATOM_MAX-1];*/
float dd_phi_mean;
int i;

for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom; i++)
{
/* phase "difference" between initiator and 
responder */
d_phi[i] = init_phase_atom[i] + refl_phase_atom[i];

if (i != 0)
{
/* phase difference between neighboring frequencies */
dd_phi[i-1] = d_phi[i] - d_phi[i-1];
}
}

unwrap_phase(dd_phi, cwd_parm.n_atom - 1, 1);

/* average dd_phi */
dd_phi_mean = 0;
for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom - 1; i++)
{
dd_phi_mean += dd_phi[i];
}
dd_phi_mean = dd_phi_mean / (cwd_parm.n_atom - 1);

dd_phi_mean = wrap_to_two_pi(dd_phi_mean - CWD_PHASE_OFFSET);

/* distance */
return (dd_phi_mean * CWD_C_AIR/(4 * M_PI * cwd_parm.f_step * 1e6));
}

Zaključek
Brezžično merjenje je lahko kritičen dejavnik pri omogočanju avtomatiziranega sledenja stikom, ki je v pomoč pri identifikaciji izbruhov nalezljivih bolezni, kot je COVID-19, vendar običajni protokoli Bluetooth niso zanesljivi pri zagotavljanju zahtevanih natančnih meritev razdalje.

Za rešitev te težave programska rešitev podjetja Dialog Semiconductor ponuja bolj natančno, radarju podobno rešitev brezžičnega merjenja, ki jo je mogoče uvesti kot programsko nadgradnjo za sisteme, ki temeljijo na napravah s sistemom na čipu in energijsko učinkovito Bluetooth tehnologijo. Ta pristop izboljša natančnost, ob tem pa omejuje stroške ter omogoča hitro postavitev na trenutno aktivnih napravah.

Bibliografija:

• 1. [Furukawa]
  Evidence Supporting Transmission of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 While Presymptomatic or Asymptomatic
• 2. [Gao]
  Proximity and RSSI
• 3. [Leith]
  Coronavirus Contact Tracing: Evaluating The Potential Of Using Bluetooth Received Signal Strength For Proximity Detection https://www.scss.tcd.ie/Doug.Leith/pubs/bluetooth_rssi_study.pdf

www.digikey.com