7. decembra, 2020

Usmeritev k industriji z novo funkcijo za določanje položaja

Revija logo rutronik - Usmeritev k industriji z novo funkcijo za določanje položaja

Jedrna specifikacija (angl. Core Specification) 5.1 za tehnologijo Bluetooth vključuje funkcijo za določanje položaja, s katero je mogoče prepoznati smer, določitev položaja pa je zdaj mogoča s točnostjo nekaj centimetrov. S številnimi izboljšavami za različne scenarije pri avtomatizaciji in storitve določanja položaja v zaprtih prostorih bo tehnologija Bluetooth tudi v prihodnje aktualna izbira za zahtevne načine uporabe v industriji.

Pri najnovejši generaciji tehnologije Bluetooth Low Energy z jedrno specifikacijo 5.1 (na voljo tukaj) je združenje Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) utrlo pot za še natančnejše storitve določanja položaja na podlagi široko razširjenega standarda Bluetooth. Podjetje ABI Research predvideva, da bo leta 2023 prodanih do 431 mio. izdelkov, ki bodo podpirali storitve za določanje položaja s tehnologijo Bluetooth [Bluetooth Market Update 2019].

 

Že znana možnost za določitev razdalje na podlagi vrednosti RSSI dobiva z novo jedrno specifikacijo funkcijo za določanje položaja, s katero je mogoče določiti smer, od koder prihaja signal. To omogoča zelo natančno določanje položaja s točnostjo nekaj centimetrov in prinaša tako za potrošnike kot tudi za industrijo številne nove možnosti.

 

Rešitve za približevanje in sistemi za določanje položaja

Storitve za določanje položaja, ki temeljijo na tehnologiji Bluetooth, lahko ločimo na rešitve za približevanje in sisteme za določanje položaja (slika 1). Prve so pogosto preproste aplikacije, s katerimi približno ugotavljamo razdaljo med dvema medsebojno dosegljivima napravama Bluetooth, pogosto pametnima telefonoma. Tipični načini uporabe rešitev za približevanje so že zdaj v uporabi za zanimivosti (angl. Point of Interest – POI), na primer v maloprodajnih trgovinah in muzejih: Ko se obiskovalec približa zanimivosti, dobi podrobne informacije o predmetu, ki ga opazuje. Tudi številne iskalne funkcije za vsakodnevno uporabljene predmete temeljijo na rešitvah za približevanje. Pri teh načinih uporabe se obesek z oddajnikom (angl. Beacon Tag) vgradi na iskani predmet (ključe, paleto …) in ga nato lahko poiščemo s pametnim telefonom.

 

V drugi kategoriji so sistemi za določanje položaja, ki določajo položaj posameznih predmetov v zaprtem sistemu, tj. jasno zamejenem območju, na primer skladišču, muzeju ali čakalnici letališča. Najpogostejši načini uporabe so sistemi za določanje položaja v realnem času (angl. Real-Time Location Systems – RTLS) in sistemi za določanje položaja v zaprtih prostorih (angl. Indoor Positioning Systems – IPS).

 

Sistemi RTLS omogočajo sledenje več osebam ali predmetom, opremljenim z ustrezno oznako, znotraj zaprtega sistema. Primerni so na primer za določanje in spremljanje položaja opreme, palet ali oseb v skladišču.

 

1 1 300x91 - Usmeritev k industriji z novo funkcijo za določanje položaja

[Slika 1: Storitve za določanje položaja s tehnologijo Bluetooth]

Sistemi za določanje položaja v zaprtih prostorih so primerljivi s sistemom GPS, le da delujejo tudi v zaprtih prostorih. V ta namen fiksno vgrajeni oddajniki (angl. Locator Beacon) redno oddajajo signale, ki jih sprejema na primer pametni telefon. Ta izračuna svoj relativni položaj iz oddaljenosti do posameznih oddajnikov. Tako se lahko potniki ali obiskovalci na primer laže znajdejo po letališčih ali v nakupovalnih središčih.

 

Do sedaj so vsi sistemi Bluetooth za določanje položaja temeljili na oceni razdalje na podlagi jakosti prejetega signala (angl. Received Signal Strength Indicator – RSSI). Sprejemnik na podlagi referenčne vrednosti in dejansko izmerjene jakosti signala določi oddaljenost od oddajnika s točnostjo nekaj metrov (~ 1–10 m).

 

Polje anten omogoča določanje smeri

Novost pri tehnologiji Bluetooth 5.1 je funkcija določanja smeri (angl. direction finding). Z njo je mogoče poleg oddaljenosti določiti tudi smer signala. Od tega imajo korist tudi klasične rešitve za približevanje, saj je smer signala bistvena informacija, ki na primer močno olajša iskanje predmeta.

 

Za določitev smeri signala mora imeti sprejemnik (kot sprejema, angl. Angle of Arrival – AoA) ali oddajnik (kot oddaje, angl. Angle of Departure – AoD) fiksno polje anten (slika 2). Pri obeh izvedbah se smer signala določi v sprejemniku.

 

1 2 300x151 - Usmeritev k industriji z novo funkcijo za določanje položaja

[Slika 2: Levo: Polje anten je v oddajniku; Desno: Polje anten je v sprejemniku]

Algoritmi za določanje smeri pa niso del jedrne specifikacije Bluetooth 5.1. Uporabljajo lahko triangulacijo enega ali več kotov, ki se določijo glede na AoA ali AoD skupaj z meritvijo razdalje z RSSI. S tem dobimo podatek o položaju, ki je lahko točen na nekaj centimetrov.

 

AoA za sledenje, AoD za navigacijo po zaprtih prostorih

Pri načinu uporabe z AoA ima oddajnik le eno anteno, to je lahko na primer pametni telefon ali preprost obesek. Več fiksno vgrajenih sprejemnikov (angl. Locator), ki so vsi opremljeni s poljem anten, določa smer, od koder sprejemajo signal. Načini uporabe z AoA so posebno primerni za sledenje predmetom (RTLS), na primer pri avtomatizirani proizvodnji ali v skladiščih. Omogočajo tudi še boljšo točnost pri uporabi oddajnika (angl. Beacon) pri zanimivosti (POI).

 

Pri načinu uporabe z AoD ima oddajnik polje anten in signal zaporedoma pošilja s posameznimi antenami. Takrat ima sprejemnik, v prihodnje predvidoma pogosto pametni telefon, eno anteno, ki zaporedoma sprejema različne signale. Če je znan položaj oddajnika, lahko sprejemnik določi svoj položaj glede na oddajnike. To pomeni, da so načini uporabe z AoD posebno primerni za sisteme za določanje položaja (angl. Indoor Positioning Systems – IPS) v zaprtih prostorih, na primer letališčih. Za razliko od dosedanjih sistemov IPS pa uporabnik ne dobi le svojega položaja, ampak tudi podatek o smeri do cilja. Za razliko od načinov uporabe z AoA so načini uporabe z AoD bolj primerni za situacije, ki nadgrajujejo brezpovezavno komunikacijo.

 

Načrtovanje polja anten

Ne glede na uporabljeno metodo sta pomembna dejavnika pri uspešnosti določanja smeri število in razporeditev anten. S preprosto vrsto anten je mogoče določiti le en kot. Bolj kompleksne tridimenzionalne razporeditve omogočajo določitev vodoravnih in navpičnih kotov hkrati. Združenje Bluetooth SIG zaenkrat še ni podalo predpisov ali priporočil za razporeditev anten. Verjetno pa se bo to spremenilo ob objavi dodatnih profilov za nove storitve za določanje položaja.

 

Bluetooth 5.1 ima velik potencial

Z uvedbo najnovejše generacije jedrne specifikacije (angl. Core Specification) 5.1 za tehnologijo Bluetooth, ki vključuje funkcije za določanje položaja, je združenje Bluetooth SIG naredilo velik korak v smeri natančnejših storitev za določanje položaja, ki utegnejo bistveno izboljšati številne scenarije pri uporabi. Izkoriščanje teh potencialov pa zahteva upoštevanje določenih vidikov. Idealen scenarij za uporabo mora na primer čim bolj zmanjšati odboje in motnje zaradi več prenosnih poti. Idealen je zaprt sistem z dovolj velikim številom fiksno vgrajenih dajalnikov položaja, ki imajo vedno neposredno vidno povezavo z obeskom. Za celostno uporabnost navigacije v zaprtih prostorih s pametnimi telefoni bodo morali biti vmesniki Bluetooth 5.1 vgrajeni v vseh sodobnih pametnih telefonih. Poleg tega je treba pri uporabi pametnih telefonov upoštevati polarizacijo, saj na njihovo usmerjenost skoraj ni mogoče vplivati. Zaradi malo razpoložljivega prostora v pametnih telefonih je verjetno, da bo tudi v prihodnje tam na voljo le ena antena. Zato pridejo pametni telefoni v poštev le kot oddajniki za načine uporabe z AoA ali sprejemniki za načine uporabe z AoD.

 

Usmerjeno v prihodnost

Podjetje Nordic Semiconductor je med prvimi proizvajalec, ki ponuja večprotokolni sistem v integriranem vezju (angl. System on Chip – SoC) s podporo za novo jedrno specifikacijo Bluetooth 5.1. Sistem nRF52833 podpira poleg funkcij Bluetooth Direction Finding in Bluetooth Long Range tudi protokole Bluetooth Mesh, 802.15.4, Thread, ANT ter Zigbee, pa tudi lastniške protokole za frekvenčni pas 2,4 GHz. S tem omogoča načine uporabe, ki zagotavljajo merjenje razdalje s točnostjo nekaj centimetrov in določanje smeri. SoC temelji na procesorju ARM Cortex M4F s frekvenco 64 MHz, 512 KB bliskovnega pomnilnika in 128 KB pomnilnika RAM. Poleg tega ponuja še vmesnik USB s hitrostjo 12 Mb/s, vmesnik SPI High-Speed s hitrostjo 32 MHz in izhodno moč 8 dBm. Med drugim ponuja analogne in digitalne vmesnike NFC-A, ADC, UART/SPI/TWI, PWM, I2S ter PDM. Njegova napajalna napetost je lahko v mejah od 1,7 do 5,5 V. nRF52833 lahko deluje v razširjenem temperaturnem območju od –40 do 105 °C.

 

Sistem nRF5340 iz podjetja Nordic je prvi brezžični sistem v integriranem vezju na svetu, ki ima dva procesorja ARM Cortex M33. Ima enako temperaturno območje do 105 °C, poleg tega pa še vmesnik High-Speed USB in 1 MB bliskovnega pomnilnika. Čeprav ima v primerjavi s serijo nRF52 bistveno večjo sprejemno občutljivost, porabi približno 40 % manj toka. Sistem ARM CryptoCell-312 zagotavlja strojno pospeševanje kriptografskih izračunov. Sistem ARM TrustZone zagotavlja zaščitena območja pomnilnika za zaupanja vredno izvajanje (angl. Trusted Execution), zaupanja vredno jedro (angl. Root-of-Trust) in varno shranjevanje ključev (angl. Secure Key Storage). Sistemi SoC nRF52- in nRF53 omogočajo razširitev s sistemom LNA/PA nRF21850, s katerimi lahko dosegajo največje še dovoljene oddajne moči na izhodu za anteno, 100 mW/20 dBm.

 

Viri:

  • Bluetooth 5.1 Core Specification Povezava
  • Enhancing Bluetooth Location Services Povezava
  • A Technical Look at Direction Finding Povezava
  • Bluetooth Market Update 2019, ABI Research Povezava

 

Avtor: Heike Halder, vodja za izdelke, kompetenčno središče za brezžične tehnologije pri podjetju Rutronik

2020_191_28