รับการติดตามทรัพย์สินในร่มแบบเรียลไทม์ที่แม่นยำและใช้พลังงานต่ำโดยใช้การค้นหาทิศทางโดยใช้บลูทูธ

โรงงานคลังสินค้าและโรงงานผลิตมีการใช้แท็กมากขึ้นในการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์ของทรัพย์สิน จากนั้นข้อมูลจะถูกรวมเข้ากับระบบควบคุมสินค้าคงคลัง Industrial Internet of Things (IIoT) บนคลาวด์ที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถติดตามทรัพย์สินระยะไกลได้ ปัญหาคือนอกเหนือจาก NFC แล้วโซลูชันการติดตามทรัพย์สินส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับแท็กที่ทำงานโดยใช้แบตเตอรี่ซึ่งต้องใช้พลังงานให้น้อยที่สุด นอกจากนี้วิธีแก้ปัญหาบางอย่างอาจไม่น่าเชื่อถือและไม่ถูกต้องเมื่อใช้ภายในอาคาร

ตัวอย่างเช่น แท็ก GPS เป็นสิ่งที่ไม่น่าเชื่อถือในอาคารโดยเฉพาะในอาคารเหล็กและคอนกรีต ระบบตำแหน่งบลูทูธ แบบคลาสสิกใช้ข้อมูลตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณ (RSSI) ที่ได้รับซึ่งมักจะไม่เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำของนักออกแบบ สิ่งที่จำเป็นคือโซลูชันการติดตามทรัพย์สินแบบไร้สายที่เชื่อถือได้ประหยัดค่าใช้จ่ายถูกต้องและใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ซึ่งสามารถใช้ในอาคารได้ แต่ยังช่วยให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนาน

เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านี้บทความนี้จะอธิบายถึงโปรโตคอลการค้นหาทิศทาง Bluetooth 5.1 และวิธีการทำงาน จากนั้นบทความจะแนะนำโมดูลบลูทูธ ที่คุ้มค่าจาก Silicon Labs ที่รองรับโปรโตคอลนี้และแสดงให้เห็นว่าสามารถตอบสนองทั้งความแม่นยำและความต้องการพลังงานต่ำของระบบควบคุมสินค้าคงคลัง IIoT ได้อย่างไร

การติดตามทรัพย์สินคืออะไรและเหตุใดจึงจำเป็นสำหรับ IIoT?

ระบบควบคุมสินค้าคงคลัง IIoT ขั้นสูงต้องการการติดตามทรัพย์สินแบบเรียลไทม์จากคลาวด์ทุกที่ในโลก คลังสินค้าขนาดใหญ่ที่จัดเก็บผลิตภัณฑ์และอุปกรณ์มูลค่าสูงอาจต้องใช้แท็กสินทรัพย์ตำแหน่งสำหรับการควบคุมสินค้าคงคลังและความช่วยเหลือในการป้องกันการโจรกรรม สิ่งนี้ช่วยให้พนักงานคลังสินค้าที่เป็นมนุษย์ตลอดจนอุปกรณ์หยิบจับอัตโนมัติสามารถค้นหาสินค้าได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพและเตรียมความพร้อมสำหรับการจัดส่ง สำหรับการจัดการสินค้าคงคลังการมีอยู่และตำแหน่งของสินทรัพย์สามารถกำหนดได้อย่างง่ายดายและแยกรายการสำหรับรายงานสถานะปกติ นี่เป็นวิธีที่น่าเชื่อถือกว่าในการระบุสถานะสินค้าคงคลังมากกว่าการตรวจสอบรายการจัดส่งด้วยตนเองที่ติดตามทรัพย์สินขาเข้าและขาออก

นอกจากระบบการจัดการสินค้าคงคลัง IIoT แล้วการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์ของทรัพย์สินยังใช้ในระบบป้องกันการโจรกรรม หากสินค้าในคลังสินค้าไม่ได้ถูกกำหนดไว้สำหรับการจัดส่งระบบ IIoT สามารถแจ้งเตือนความปลอดภัยได้หากมีการติดตามใกล้ทางออก ตำแหน่งของสินทรัพย์แบบเรียลไทม์ยังสามารถเร่งการบริการและการจัดส่งในยุคที่การจัดส่งในวันถัดไปมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วไปสู่ความคาดหวังของการจัดส่งในวันเดียวกัน

สำหรับการติดตามเนื้อหาในปริมาณแท็กตำแหน่งของเนื้อหาต้องคุ้มค่าและมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน แท็ก NFC ไม่ใช้แบตเตอรี่ แต่กำหนดให้ตัวรับสัญญาณอยู่ห่างจากแท็กไม่เกิน 20 เซนติเมตร (cm) ซึ่งจำกัดความเป็นประโยชน์ ตัวติดตาม GPS นั้นไม่น่าเชื่อถือในอาคารเนื่องจากสัญญาณติดตามดาวเทียมสามารถปิดกั้นได้โดยเฉพาะโครงสร้างเหล็กและคอนกรีต

โซลูชันการติดตามทรัพย์สินยอดนิยมอาศัยคุณสมบัติตำแหน่งบีคอนของบลูทูธ สิ่งนี้ติดตามตำแหน่งของแท็กโดยการเปรียบเทียบความแรงของสัญญาณอ้างอิงที่เข้ารหัสในข้อความบีคอนกับความแรงของสัญญาณของสัญญาณที่ได้รับ จากนั้นตำแหน่งบีคอนจะถูกกำหนดตำแหน่งโดยใช้ตัวรับสัญญาณตั้งแต่สามตัวขึ้นไปเพื่อหาค่าประมาณของตำแหน่งของบีคอน อย่างไรก็ตามแนวทางนี้ไม่ได้ให้ความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับระบบการจัดการสินค้าคงคลัง นอกจากนี้ความแม่นยำของตำแหน่งอาจได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของความชื้นเช่นเดียวกับการเคลื่อนย้ายสิ่งของเช่นรถยกคนงานและประตู

การค้นหาทิศทางบลูทูธ

วิธีแก้ปัญหาคือการค้นหาทิศทางบลูทูธ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่รวมอยู่ในข้อกำหนด Bluetooth 5.1

การค้นหาทิศทางของบลูทูธ จะระบุตำแหน่งของแท็กสินทรัพย์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่โดยอิงตามการเลื่อนเฟสของสัญญาณที่ได้รับที่เสาอากาศตั้งแต่สองตัวขึ้นไป ด้วยเหตุนี้จึงมีความแม่นยำน้อยกว่าหนึ่งเมตร (m) และเป็นโซลูชันการติดตามตำแหน่งที่คุ้มค่าซึ่งสามารถใช้งานภายในอาคารได้อย่างน่าเชื่อถือในขณะที่ใช้งานแบตเตอรี่แบบเหรียญเดียวได้นานหลายปี

ในการค้นหาทิศทางบลูทูธ สัญญาณใหม่ที่เรียกว่าการขยายโทนเสียงต่อเนื่อง (CTE) จะถูกเพิ่มลงในแพ็กเก็ตโฆษณาบลูทูธมาตรฐาน CTE เป็นโทนเสียงต่อเนื่องที่ส่งผ่านความถี่ที่คำนวณได้ว่าเป็นความถี่บลูทูธ + 250 Hz เนื่องจาก CTE ไม่ขึ้นอยู่กับแพ็กเก็ตข้อความบลูทูธ ทั่วไปจึงไม่รบกวนหรือทำให้แพ็กเก็ตเหล่านี้ล่าช้า สิ่งนี้ช่วยให้เสาอากาศรับสัญญาณได้รับการแก้ไขที่ต่อเนื่องไม่สะดุดแบบเรียลไทม์แก้ปัญหาการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์

มุมของขาเข้าและมุมออก

การค้นหาทิศทางด้วยบลูทูธ ใช้การกะระยะสองประเภทกลไกการตรวจจับตำแหน่งตามเสาอากาศซึ่งเรียกว่ามุมมาถึง (AoA) และมุมออก (AoD) (รูปที่ 1) AoA ใช้เมื่อระบบภายนอกต้องติดตามแต่ละแท็ก แท็กเนื้อหาที่มีโมดูลบลูทูธ 5.1 หรือใหม่กว่าที่ใช้งานร่วมกันเพื่อออกอากาศ CTE เครื่องรับบลูทูธในสถานีฐานที่มีเสาอากาศสองเสารับสัญญาณขาเข้า เครื่องรับใช้ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณตัวอย่างทั้งสองที่ได้รับโดยเสาอากาศเพื่อคำนวณผ่านการหาตำแหน่งระยะทางไปยังแท็กสินทรัพย์

รูปที่ 1: ในวิธีการหาทิศทางของ AoA (ซ้าย) แท็กเนื้อหาจะออกอากาศสัญญาณไปยังตัวระบุตำแหน่งสถานีฐานบลูทูธ AoA ซึ่งจะวัดมุมการมาถึงของสัญญาณที่เสาอากาศตั้งแต่สองเสาขึ้นไปเพื่อระบุตำแหน่งของแท็ก ด้วยวิธี AoD (ขวา) สถานีฐานบลูทูธจะส่งบีคอนไปยังแท็กสินทรัพย์ซึ่งคำนวณตำแหน่งของตัวเอง (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

เพื่อป้องกันข้อผิดพลาดในการสุ่มตัวอย่างเนื่องจากการกำหนดนามแฝงระยะห่างระหว่างเสาอากาศรับสัญญาณทั้งสองจะต้องสอดคล้องกับความยาวคลื่นของความถี่ Nyquist ของสัญญาณที่ได้รับซึ่งเป็นความยาวคลื่นของสัญญาณที่ได้รับหารด้วยสอง สัญญาณบลูทูธ ประมาณ 2.4 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) สอดคล้องกับความยาวคลื่น 12.5 cm ดังนั้นระยะห่างระหว่างเสาอากาศทั้งสองจะต้องไม่เกิน 6.25 cm การใช้ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณที่เสาอากาศสองเสาระยะห่างคงที่ที่ทราบระหว่างเสาอากาศทั้งสองและการกำหนดค่าที่ทราบของเสาอากาศทั้งสองทำให้สามารถคำนวณระยะทางไปยังแท็กสินทรัพย์

หากใช้หน่วยรับเสาอากาศเพิ่มเติมกับเสาอากาศสองเสาที่มีการกำหนดค่าเดียวกันกับหน่วยแรกสามารถกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของแท็กเนื้อหาในพื้นที่ 3 มิติได้

วิธี AoD ใช้เมื่อแท็กเนื้อหาต้องติดตามตำแหน่งของตัวเอง ในวิธี AoD แท็กคือตัวรับสัญญาณบลูทูธ และสถานีฐานที่มีเสาอากาศหลายตัวคือตัวส่งสัญญาณบลูทูธ สถานีฐานส่ง CTE จากเสาอากาศแต่ละตัว เฟิร์มแวร์เครื่องรับทราบจำนวนเสาอากาศระยะทางคงที่ที่ทราบระหว่างเสาอากาศแต่ละตัวการกำหนดค่าเสาอากาศหลายอันที่ทราบและใช้ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณที่ได้รับเพื่อคำนวณตำแหน่งของตัวเอง

สำหรับระบบควบคุมสินค้าคงคลัง IIoT ในคลังสินค้าแท็กสินทรัพย์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่ติดอยู่กับกล่องหรือตู้คอนเทนเนอร์จะใช้ AoA ในขณะที่รถยกหรืออุปกรณ์หยิบและแพ็คอัตโนมัติจะใช้ AoD รถยกและอุปกรณ์หยิบและแพ็คอัตโนมัติอื่น ๆ เป็นงานหนักและไม่คำนึงถึงแบตเตอรี่ดังนั้นจึงสามารถส่งตำแหน่งผ่าน Wi-Fi ไปยังฮับ IIoT หลักได้ ทั้งหมดนี้สามารถติดตามได้แบบเรียลไทม์ในอินเทอร์เฟซระบบคลาวด์ IIoT

โมดูลค้นหาทิศทางบลูทูธ พลังงานต่ำ

สำหรับแอปพลิเคชั่นค้นหาทิศทาง Bluetooth 5.2 ที่ใช้พลังงานต่ำ Silicon Labs ได้เปิดตัวBGM220 ตระกูลโมดูลบลูทูธ ซึ่งระบุไว้เพื่อให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ 10 ปีสำหรับเซลล์แบบเหรียญที่มีอายุการใช้งานยาวนานเพียงเซลล์เดียว ที่ BGM220PC22HNA2 เวอร์ชันคือโมดูลตัวรับส่งสัญญาณ Bluetooth 5.2 ที่มีขนาด 12.9 x 15.0 millimeters (mm) and a profile of 2.2 mm (รูปที่ 2) ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ 1.8 ถึง 3.8 โวลต์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่สามารถปิดเซลล์เหรียญลิเธียม 3.0 โวลต์ที่มีอายุการใช้งานยาวนานรวมถึงเซลล์ลิเธียมไอออน (Li-ion) ขนาด 3.6 โวลต์ที่ชาร์จใหม่ได้สำหรับอุปกรณ์พกพาสำหรับผู้บริโภค สามารถทำงานได้มากกว่า -40°C ถึง + 105°C ทำให้เหมาะอย่างยิ่งกับสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายเช่นโรงงานและคลังสินค้าอุตสาหกรรม

รูปที่ 2: BGM220PC22HNA2 เป็นโมดูลบลูทูธ 5.2 ขนาดกะทัดรัดที่รองรับการค้นหาทิศทางบลูทูธ นานถึง 10 ปีสำหรับแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญที่มีอายุการใช้งานยาวนานเพียงก้อนเดียว (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

วิทยุของ BGM220PC22HNA2 ทำงานในย่านความถี่ 2.4 GHz และเอาต์พุต 8 เดซิเบลที่อ้างอิงถึง 1 มิลลิวัตต์ (mW) (dBm) โมดูลนี้ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำแบบแยกส่วนที่จำเป็นทั้งหมดเช่นเดียวกับออสซิลเลเตอร์ 38.4 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และ 32.768 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) และเสาอากาศชิปเซรามิกในตัว (รูปที่ 3) โมดูลขึ้นอยู่กับไฟล์Arm® คอร์Cortex®-M33 รองรับแฟลช 512 กิโลไบต์ (Kbytes) และ RAM 32 Kbytes

รูปที่ 3: โมดูลบลูทูธ BGM220PC22HNA2 มีทุกสิ่งที่จำเป็นเพื่อรองรับแท็กสินทรัพย์ทิศทางบลูทูธ ในตัวซึ่งรวมถึงวิทยุ 2.4 GHz หน่วยความจำโปรเซสเซอร์ Arm Cortex-M33 และ ADC (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

อุปกรณ์ต่อพ่วงที่สามารถปรับแต่งเฟิร์มแวร์ได้ ได้แก่ 76.9 กิโลตัวอย่างต่อวินาที (kSPS) ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) 16 บิตที่สามารถกำหนดค่าให้ทำงานเป็น ADC ขนาด 12 บิต 1,000 kSPS มีพิน I/O สูงสุด 24 พิน สำหรับการปรับแต่งเฟิร์มแวร์ ตัวจับเวลา 16 บิตสี่ตัวและตัวจับเวลา 32 บิตหนึ่งตัวพร้อมใช้งานสำหรับเหตุการณ์เฟิร์มแวร์จับเวลา สอง I²อินเทอร์เฟซ C สามารถเข้าถึงอุปกรณ์ต่อพ่วงภายนอกได้ BGM220P ยังมี USART มัลติฟังก์ชั่นสองตัวที่สามารถกำหนดค่าได้อย่างอิสระเป็น UART, SPI, อินเทอร์เฟซสมาร์ทการ์ด, IrDA หรือ I²S สิ่งนี้ช่วยให้มีความยืดหยุ่นในการเลือกอินเทอร์เฟซแบบอนุกรมในขณะที่ลดจำนวนพิน

เมื่อใช้ BGM220PC22HNA2 ในทิศทางบลูทูธ เพื่อค้นหาแท็กสินทรัพย์แอปพลิเคชันควรใช้เฉพาะอุปกรณ์ต่อพ่วงที่จำเป็นและปิดเครื่องที่ไม่ได้ใช้งานเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ การกำหนดค่าแท็กสินทรัพย์ขั้นต่ำจะมีเฉพาะ BGM220PC22HNA2 ที่มีแบตเตอรี่ 3.0 โวลต์ในตัวเครื่องที่ไม่ใช่โลหะซึ่งไม่รบกวนการส่งสัญญาณบลูทูธ สวิตช์ภายนอกสามารถเชื่อมต่อกับพิน I/O สำหรับการปรับแต่งการบูตเช่นการตั้งค่าการระบุแท็กแต่ละแท็ก สามารถติด LED ภายนอกได้อย่างน้อยหนึ่งดวง แต่นักออกแบบต้องระวังตรงนี้เนื่องจากไฟ LED แต่ละดวงจะทำให้แบตเตอรี่หมด ตามหลักการแล้ว LED จะถูกใช้ในระหว่างการกำหนดค่าเท่านั้น

การพัฒนาแอพพลิเคชั่นค้นหาทิศทางบลูทูธ

สำหรับการพัฒนาแอปพลิเคชันด้วยการค้นหาทิศทางบลูทูธ Silicon Labs ให้บริการSLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module Starter Kit (รูปที่ 4) ประกอบด้วยบอร์ดวิทยุปลั๊กอินที่เป็นบอร์ดพาหะสำหรับโมดูล BGM220P ตรงกลางบอร์ดมีหน้าจอ LCD ขนาด 128 x 128 ซึ่งแสดงโลโก้ Silicon Labs พร้อมข้อความเพิ่มเติม

ด้านล่างจอแสดงผล LCD มีปุ่มกดที่ตั้งโปรแกรมเฟิร์มแวร์ได้สองปุ่ม สามารถใช้ LCD ในระหว่างการพัฒนาเพื่อแสดงข้อมูลสถานะและปุ่มกดเพื่อควบคุมการไหลของเฟิร์มแวร์ รองรับการดีบักผ่านขั้วต่อ USB มีตัวเชื่อมต่อเพิ่มเติมเพื่อรองรับซอฟต์แวร์ตรวจสอบพลังงานของ Silicon Labs ทำให้แอปพลิเคชันสามารถปรับแต่งเพื่อดึงพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นเท่านั้น

รูปที่ 4: ชุดสตาร์ท SLWSTK6103A BGM220P มีทุกสิ่งที่จำเป็นในการพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับโมดูล BGM220P เพื่อรองรับการค้นหาทิศทางบลูทูธ (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

SLWSTK6103A ยังมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิและความชื้น สำหรับทิศทางบลูทูธ ในการค้นหาแท็กสินทรัพย์เซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อมอาจติดอยู่กับ I²อินเทอร์เฟซ C เพื่อตรวจสอบเงื่อนไขโดยรอบแท็กสินทรัพย์และส่งการแจ้งเตือนผ่านบลูทูธ หากเงื่อนไขเกินเกณฑ์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้า I/O และพินอุปกรณ์ต่อพ่วงเพิ่มเติมจะถูกนำออกไปที่ขั้วต่อส่วนหัว ชุดสตาร์ทสามารถใช้พลังงานจากการเชื่อมต่อ USB ภายนอกหรือแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญ

สรุป

การติดตามทรัพย์สินแบบเรียลไทม์ในระบบการจัดการสินค้าคงคลัง IIoT ต้องการโซลูชันที่ถูกต้องเชื่อถือได้ประหยัดต้นทุนซึ่งมีขนาดเล็กและใช้พลังงานต่ำ ดังที่แสดงไว้คุณลักษณะการค้นหาทิศทางในข้อมูลจำเพาะ Bluetooth 5.1 สามารถรวมเข้ากับแท็กสินทรัพย์ได้อย่างรวดเร็วโดยใช้โมดูลนอกชั้นวางเพื่อให้ระดับความสามารถและประสิทธิภาพการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์ที่ต้องการ

อ่านเพิ่มเติม

1. ใช้แพลตฟอร์มที่เปิดใช้งาน Bluetooth 5.1 สำหรับการติดตามทรัพย์สินที่แม่นยำและการวางตำแหน่งในอาคาร - ตอนที่ 1
2. ใช้ Advanced Bluetooth 5.2 SoC เพื่อสร้างอุปกรณ์ IoT พลังงานต่ำที่ปลอดภัย