วิธีใช้ประโยชน์จาก Bluetooth AoA และ AoD อย่างรวดเร็วสำหรับการติดตามโลจิสติกส์ภายในอาคาร

การติดตามทรัพย์สินตามเวลาจริงในคลังสินค้าและโรงงานเป็นสิ่งสำคัญของอุตสาหกรรม 4.0 มีเทคโนโลยีที่หลากหลายสำหรับการปรับใช้ Real-Time Location Services (RTLS) สำหรับการติดตามสินทรัพย์และปรับปรุงระบบลอจิสติกส์ Global Positioning Systems (GPS) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งาน RTLS กลางแจ้ง แต่สัญญาณจะไม่สามารถใช้ได้ภายในอาคารเสมอไป Wi-Fi เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง แต่มักมีความแม่นยำจำกัด ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก และอาจมีค่าใช้จ่ายสูงในการปรับใช้ การระบุด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RFID) ใช้พลังงานต่ำและมีความแม่นยำดี แต่มักจะมีราคาแพง การติดตั้ง Industry 4.0 RTLS กำลังหันมาใช้เทคนิคการค้นหาทิศทาง Bluetooth 5.1 มากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากการรวมตำแหน่งในร่มที่มีความแม่นยำสูงบวกกับการใช้พลังงานต่ำ ฮาร์ดแวร์ Bluetooth ต้นทุนต่ำ และต้นทุนการปรับใช้ต่ำ

อาจดึงดูดให้นักพัฒนาออกแบบระบบ Bluetooth RTLS ตั้งแต่เริ่มต้น ขออภัย การได้รับข้อมูลในเฟสของคลื่นความถี่วิทยุ (RF) และข้อมูลพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (IQ) ของข้อมูลมุมที่มาถึง (AoA) และมุมของทิศทางออก (AoD) ที่จำเป็นในการคำนวณตำแหน่งของตัวรับส่งสัญญาณจากสัญญาณ RF เป็นสิ่งที่ท้าทายและต้องการการรวมเสาอากาศหลายตัวเข้าด้วยกัน แม้ว่าจะสามารถบันทึกข้อมูล AoA และ AoD ได้ แต่การคำนวณตำแหน่งอาจซับซ้อนได้ด้วยปัจจัยหลายอย่าง รวมถึงการแพร่กระจายหลายเส้นทาง โพลาไรเซชันของสัญญาณ ความล่าช้าในการแพร่กระจาย ความกระวนกระวายใจ สัญญาณรบกวน และอื่นๆ ก่อนที่จะสามารถระบุตำแหน่งของรายการที่กำลังติดตามได้อย่างแม่นยำ

นักออกแบบสามารถหันไปใช้ระบบไร้สาย Bluetooth บนชิป (SoCs) โมดูล RF และเสาอากาศเพื่อใช้ในแอปพลิเคชัน Industry 4.0 RTLS แทน บทความนี้ทบทวนการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพของตัวเลือกเทคโนโลยี RTLS ต่างๆ โดยสังเขป และอธิบายวิธีนำตำแหน่ง Bluetooth AoA และ AoD ไปใช้ จากนั้นจะนำเสนอ Bluetooth SoCs และโมดูล RF ซึ่งรวมถึงซอฟต์แวร์ที่จำเป็นสำหรับการนำ AoA และ AoD-based RTLS ไปใช้อย่างรวดเร็ว ตลอดจนเสาอากาศที่เกี่ยวข้องจากซิลิคอนแล็บส์ และคุณ-blox . นอกจากนี้ยังมีการนำเสนอชุดการประเมินที่สามารถเร่งเวลาในการออกสู่ตลาดอีกด้วย

เทคโนโลยี RTLS ในอาคารที่ใช้บ่อยที่สุดนั้นถูกนำไปใช้โดยใช้ Wi-Fi และ Bluetooth (ตารางที่ 1):

• ลายนิ้วมือ Wi-Fi ใช้ฐานข้อมูลตำแหน่งและ ID สถานีฐาน (BSSID) ของจุดเชื่อมต่อ Wi-Fi (AP) แต่ละจุดในอาคาร แท็กสินทรัพย์จะสแกนสภาพแวดล้อม Wi-Fi และรายงานรายการ Wi-Fi AP และความแรงของสัญญาณที่เกี่ยวข้อง จากนั้นฐานข้อมูลจากแบบสำรวจจะถูกใช้เพื่อประเมินตำแหน่งที่เป็นไปได้ของแท็ก เทคนิคนี้ไม่รองรับ RTLS ที่มีความแม่นยำสูง
• Wi-Fi เวลาบิน (ToF) มีความแม่นยำมากขึ้น โดยจะวัดเวลาที่สัญญาณ Wi-Fi ใช้ในการเดินทางระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ ToF ต้องการการติดตั้ง AP ที่หนาแน่นเพื่อปรับปรุงความแม่นยำของ RTLS ทั้ง ToF และลายนิ้วมือมีราคาอุปกรณ์สูงและต้องการพลังงานสูง
• ตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ Bluetooth (RSSI) รองรับ RTLS โดยเปิดใช้งานอุปกรณ์เพื่อกำหนดระยะทางโดยประมาณจากบีคอน Bluetooth ที่อยู่ใกล้เคียงโดยเปรียบเทียบความแรงของสัญญาณที่ได้รับกับตำแหน่งบีคอนที่รู้จัก RSSI ใช้พลังงานน้อยกว่าและมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าลายนิ้วมือ Wi-Fi หรือ ToF แต่มีความแม่นยำจำกัด ความแม่นยำสามารถลดลงได้อีกจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ระดับความชื้นและหุ่นยนต์ หรือผู้คนที่เคลื่อนไหวไปมาในอาคารและรบกวนระดับสัญญาณบลูทูธ
• บลูทูธ เอโอเอ เป็นเทคโนโลยี RTLS ภายในอาคารใหม่ล่าสุดและแม่นยำที่สุด นอกจากจะให้ความแม่นยำสูงแล้ว ยังใช้พลังงานค่อนข้างน้อยและมีค่าใช้จ่ายต่ำอีกด้วย อย่างไรก็ตาม การดำเนินการนี้ซับซ้อนกว่าเมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นๆ

ตารางที่ 1: Indoor RTLS สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้เทคนิค Wi-Fi และ Bluetooth ต่างๆ ที่ให้ความสมดุลระหว่างความแม่นยำ การใช้พลังงาน และต้นทุน (แหล่งที่มาของตาราง: u-blox)

Bluetooth AoA และโซลูชัน AoD, RTLS ที่เกี่ยวข้องใช้อาร์เรย์เสาอากาศเพื่อประเมินตำแหน่งของสินทรัพย์ (รูปที่ 1) ในโซลูชัน AoA สินทรัพย์จะส่งสัญญาณการค้นหาทิศทางเฉพาะจากเสาอากาศเดียว อุปกรณ์รับสัญญาณมีอาร์เรย์เสาอากาศและวัดความแตกต่างของเฟสสัญญาณระหว่างเสาอากาศต่างๆ ที่เกิดจากระยะห่างที่แตกต่างกันของเสาอากาศแต่ละอันจากสินทรัพย์ อุปกรณ์รับข้อมูล IQ โดยการสลับระหว่างเสาอากาศที่ใช้งานอยู่ในอาร์เรย์ ข้อมูล IQ จะใช้ในการคำนวณตำแหน่งของสินทรัพย์ ในโซลูชัน AoD บีคอนระบุตำแหน่งซึ่งระบุตำแหน่งจะส่งสัญญาณโดยใช้เสาอากาศหลายเสาในอาร์เรย์ และอุปกรณ์รับจะมีเสาอากาศเดียว อุปกรณ์รับสัญญาณใช้สัญญาณหลายตัวเพื่อกำหนดข้อมูล IQ และประเมินตำแหน่ง AoA มักใช้ในการติดตามตำแหน่งของสินทรัพย์ ในขณะที่ AoD เป็นเทคนิคที่นิยมใช้เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถระบุตำแหน่งที่อยู่ในสถานที่ได้ด้วยความแม่นยำที่ดีและเวลาแฝงต่ำ

รูปที่ 1: อาร์เรย์เสาอากาศเป็นพื้นฐานสำหรับการใช้งาน Bluetooth AoA และ AoD RTLS (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

แนวคิดพื้นฐานสำหรับการติดตาม RTLS แบบ AoA นั้นตรงไปตรงมา: Θ = arccos x ((ความแตกต่างของเฟส x ความยาวคลื่น) / (2 π x ระยะห่างระหว่างเสาอากาศ)) (รูปที่ 2) การใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นซับซ้อนกว่าและจำเป็นต้องคำนึงถึงความล่าช้าในการแพร่กระจายสัญญาณที่เกิดจากตัวแปรด้านสิ่งแวดล้อม สัญญาณหลายเส้นทาง โพลาไรเซชันของสัญญาณที่แตกต่างกัน และปัจจัยอื่นๆ นอกจากนี้ เมื่อใช้เสาอากาศในอาร์เรย์ พวกเขาอาจสัมผัสได้ถึงการมีเพศสัมพันธ์ร่วมกันและส่งผลต่อการตอบสนองของกันและกัน ประการสุดท้าย การพัฒนาอัลกอริทึมที่จำเป็นในการพิจารณาตัวแปรเหล่านี้ทั้งหมดอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายและนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพในโซลูชันที่มีความสำคัญต่อเวลาในสภาพแวดล้อมฝังตัวที่มีทรัพยากรจำกัด โชคดีสำหรับนักพัฒนา โซลูชัน Bluetooth AoA และ AoD ที่สมบูรณ์ประกอบด้วยการรวบรวมและประมวลผลข้อมูล IQ ล่วงหน้า การยับยั้งส่วนประกอบหลายเส้นทาง การชดเชยปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม และการต่อพ่วงร่วมกันระหว่างเสาอากาศ

รูปที่ 2: สมการสำหรับกำหนด AoA (บนขวา) ใช้ความแตกต่างของเฟสของสัญญาณที่มาถึง ความยาวคลื่นของสัญญาณ และระยะห่างระหว่างเสาอากาศที่อยู่ติดกัน (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

SoC สำหรับ Bluetooth AoA และ AoD

นักพัฒนาสามารถหันไปใช้ SoC เช่นEFR32BG22C222F352GN32-C จาก Silicon Labs เพื่อใช้เครือข่าย Bluetooth 5.2 และ AoA และ AoD SoC นี้เป็นส่วนหนึ่งของตระกูล EFR32BG22 Wireless Gecko ที่มีคอร์ Arm® Cortex®-M33 แบบ 32 บิตที่มีความถี่การทำงานสูงสุด 76.8 MHz บวกกับคอร์วิทยุประหยัดพลังงาน 2.4 GHz ที่มีกระแสแอ็คทีฟและสลีปต่ำ และเพาเวอร์แอมป์ในตัวที่มี กำลังส่ง (TX) สูงสุด 6 เดซิเบลเมตร (dBm) ในแพ็คเกจ QFN32 ขนาด 4 × 4 × 0.85 มม. (มม.) (รูปที่ 3) ซึ่งรวมถึงการบู๊ตอย่างปลอดภัยด้วย root of trust และตัวโหลดที่ปลอดภัย (RTSL) คุณสมบัติด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม ได้แก่ การเร่งความเร็วการเข้ารหัสด้วยฮาร์ดแวร์สำหรับ AES128/256, SHA-1, SHA-2 (สูงสุด 256 บิต), ECC (สูงสุด 256 บิต), ECDSA และ ECDH และตัวสร้างตัวเลขสุ่มจริง (TRNG) สอดคล้องกับ NIST SP800-90 และ AIS-31 นอกจากนี้ ขึ้นอยู่กับรุ่น SoC เหล่านี้มีแฟลชสูงสุด 512 kB และ RAM 32 kB และมีจำหน่ายในแพ็คเกจ 5 × 5 × 0.85 มม. QFN40 และ 4 × 4 × 0.30 มม. TQFN32 นอกเหนือจาก QFN32

รูปที่ 3: EFR32BG22 Wireless Gecko Bluetooth SoCs ที่รองรับ AoA และ AoD มีอยู่ในแพ็คเกจ QFN32 ขนาด 4 × 4 × 0.85 มม. (ที่มาของภาพ: Silicon Labs)

เดอะBG22-RB4191A ชุดโปรไร้สายประกอบด้วยบอร์ดวิทยุค้นหาทิศทางที่ใช้ 2.4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC และแผงเสาอากาศที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการค้นหาทิศทางที่แม่นยำ ซึ่งสามารถเพิ่มความเร็วการพัฒนาแอปพลิเคชัน RTLS ที่ใช้ Bluetooth 5.1 โดยใช้โปรโตคอล AoA และ AoD (รูปที่ 4) เมนบอร์ดมีเครื่องมือมากมายสำหรับการประเมินและพัฒนาแอพพลิเคชั่นไร้สายที่ง่ายดาย รวมถึง:

• ดีบักเกอร์ J-Link ออนบอร์ดสำหรับตั้งโปรแกรมและแก้จุดบกพร่องบนอุปกรณ์เป้าหมายผ่านอีเธอร์เน็ตหรือ USB
• การวัดกระแสและแรงดันตามเวลาจริงโดยใช้ตัวตรวจสอบพลังงานขั้นสูง
• อินเทอร์เฟซพอร์ต COM เสมือนให้การเชื่อมต่อพอร์ตอนุกรมผ่านอีเธอร์เน็ตหรือ USB
• อินเทอร์เฟซการติดตามแพ็คเก็ตให้ข้อมูลดีบักเกี่ยวกับแพ็กเก็ตข้อมูลไร้สายที่ได้รับและส่ง

รูปที่ 4: ชุดโปรไร้สาย BG22-RB4191A พร้อม EFR32BG22 Wireless Gecko SoC และชุดเสาอากาศสามารถเร่งการพัฒนาแอปพลิเคชัน AoA และ AoD RTLS (แหล่งรูปภาพ: Silicon Labs)

โมดูลสำหรับ Bluetooth AoA และ AoD

u-blox นำเสนอโมดูลบลูทูธที่มีและไม่มีเสาอากาศในตัวที่รองรับ AoA และ AoD สำหรับการใช้งานที่ได้รับประโยชน์จากโมดูลที่ไม่มีเสาอากาศในตัว นักออกแบบสามารถหันไปใช้ซีรีส์ NINA-B41x เช่นนีน่า-B411-01B อ้างอิงจาก Nordic SemiconductornRF52833 ไอซี (รูปที่ 5) โมดูลเหล่านี้ประกอบด้วยแกน RF ในตัวและ Arm® Cortex®-M4 พร้อมตัวประมวลผลจุดลอยตัว และทำงานในโหมด Bluetooth 5.1 ทั้งหมด รวมถึง AoA และ AoD ด้วยช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ -40 ถึง +105 องศาเซลเซียส (°C) โมดูลเหล่านี้จึงเหมาะสำหรับการใช้งาน RTLS ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม นอกจากนี้ ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 1.7 ถึง 3.6 V ทำให้มีประโยชน์ในระบบที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เซลล์เดียว

รูปที่ 5: โมดูลซีรีส์ NINA-B41x รองรับโซลูชัน RTLS ขนาดกะทัดรัดที่ใช้เสาอากาศภายนอก (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ซีรีส์ NINA-B40x จาก u-blox เช่นนีน่า-B406-00B รวมถึงเสาอากาศติดตาม PCB ภายในที่รวมอยู่ในโมดูล PCB ขนาด 10 x 15 x 2.2 มม. (รูปที่ 6) โมดูล NINA-B406 สามารถส่งกำลังขับได้สูงสุด +8 dBm นอกเหนือจากการรองรับโหมด Bluetooth 5.1 ซึ่งรวมถึง AoA และ AoD แล้ว โมดูลเหล่านี้ยังรองรับโปรโตคอล 802.15.4 (Thread และ Zigbee) และโปรโตคอล 2.4 GHz ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของนอร์ดิก ทำให้นักออกแบบสามารถสร้างมาตรฐานในโมดูลเดียวสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ IoT ที่หลากหลาย

รูปที่ 6: แอปพลิเคชัน AoA และ AoD ที่ได้รับประโยชน์จากเสาอากาศในตัวสามารถใช้โมดูลซีรีส์ NINA-B40x ได้ (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

เพื่อเร่งเวลาออกสู่ตลาด นักออกแบบสามารถใช้XPLR-AOA-1 ชุดสำรวจจาก u-blox ที่ช่วยให้สามารถทดลองคุณสมบัติการค้นหาทิศทางของ Bluetooth 5.1 และรองรับฟังก์ชัน AoA และ AoD ชุดสำรวจนี้ประกอบด้วยแท็กและบอร์ดเสาอากาศพร้อมโมดูล NINA-B411 Bluetooth LE (รูปที่ 7) แท็กนี้สร้างขึ้นจากโมดูลบลูทูธ NINA-B406 และมีซอฟต์แวร์สำหรับส่งข้อความโฆษณาบลูทูธ 5.1 บอร์ดเสาอากาศได้รับการออกแบบมาเพื่อรับข้อความและใช้อัลกอริธึมการคำนวณมุมเพื่อกำหนดทิศทางของแท็ก มุมถูกคำนวณในสองมิติโดยใช้อาร์เรย์ของเสาอากาศบนกระดาน

รูปที่ 7: ชุดสำรวจ XPLR-AOA-1 ประกอบด้วยแท็ก (ซ้าย) และแผงเสาอากาศ (ขวา) เพื่อรองรับการประเมิน Bluetooth AoA และ AoD (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

ความยืดหยุ่นของชุด XPLR-AOA-1 ช่วยให้นักออกแบบสามารถสำรวจการใช้งานที่หลากหลาย เช่น:

• ตรวจจับว่ามีวัตถุเข้าใกล้ประตูหรือไม่
• การเปิดใช้งานกล้องเพื่อติดตามทรัพย์สินที่เคลื่อนไหวในห้อง
• ติดตามสินค้าที่ผ่านประตูหรือผ่านตำแหน่งเฉพาะ
• หลีกเลี่ยงการชนกันระหว่างหุ่นยนต์หรือยานพาหนะที่มีระบบนำทางอัตโนมัติ

นอกจากนี้ยังสามารถสร้างระบบกำหนดตำแหน่งที่ซับซ้อนมากขึ้นได้โดยใช้ชุด XPLR-AOA-1 หลายชุด และกำหนดทิศทางจากแผงเสาอากาศสามแผงขึ้นไป

สรุป

Bluetooth AoA และ AoD สามารถให้การใช้งาน RTLS ที่แม่นยำและคุ้มค่าสำหรับ Industry 4.0 นักออกแบบที่สามารถเลือกจาก SoC และโมดูลที่มีซอฟต์แวร์ที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นต่อการปรับใช้ Bluetooth AoA และ AoD ได้อย่างรวดเร็ว SoC และโมดูลเหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้พลังงานต่ำเพื่อรองรับแท็กระบุตำแหน่งที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ และได้รับการออกแบบมาให้ทำงานในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง