Präzise, stromsparende Echtzeit-Bestandsüberwachung in Innenräumen per Bluetooth-Peilung

In Fabriken, Lagern und Produktionsstätten werden zunehmend Tags eingesetzt, um eine Echtzeitortung von Beständen durchzuführen. Die Daten werden dann typischerweise in ein entsprechendes Cloud-basiertes IIoT-Bestandsüberwachungssystem (IIoT: Industrial Internet of Things, industrielles Internet der Dinge) integriert, um die Fernortung von Beständen zu ermöglichen. Das Problem ist, dass abgesehen von NFC die meisten Bestandsüberwachungslösungen auf Tags angewiesen sind, die mit Batterien betrieben werden, was einen möglichst geringen Stromverbrauch erfordert. Außerdem können einige der Lösungen bei der Verwendung in Innenräumen unzuverlässig und ungenau sein.

Zum Beispiel sind GPS-Tags in Innenräumen unzuverlässig, insbesondere in Stahl- und Betongebäuden. Klassische Bluetooth-Ortungssysteme basieren auf Informationen zur Empfangsstärke (RSSI), die zwar nützlich sind, aber oft nicht den Genauigkeitsanforderungen der Entwickler entsprechen. Benötigt wird eine zuverlässige, kostengünstige, genaue und batteriebetriebene Lösung für die drahtlose Bestandsüberwachung, die in Innenräumen eingesetzt werden kann und dennoch eine lange Batterielebensdauer ermöglicht.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wird in diesem Artikel das Bluetooth-5.1-Peilungsprotokoll und seine Funktionsweise beschrieben. Der Artikel stellt dann ein kostengünstiges Bluetooth-Modul von Silicon Labs vor, das dieses Protokoll unterstützt und zeigt, wie es sowohl die Anforderungen an die Genauigkeit als auch an den geringen Stromverbrauch eines IIoT-Bestandskontrollsystems erfüllen kann.

Was ist Bestandsüberwachung und warum wird es für das IIoT benötigt?

Moderne IIoT-Bestandskontrollsysteme erfordern eine Echtzeitüberwachung von Beständen aus der Cloud an jedem Ort der Welt. Große Lagerhäuser, in denen hochwertige Produkte und Geräte gelagert werden, benötigen möglicherweise Ortungs-Tags für die Bestandsüberwachung und als Diebstahlschutz. So können sowohl menschliche Lagerarbeiter als auch automatisierte Kommissioniergeräte einen Artikel schnell und effizient orten und für den Versand vorbereiten. Für die Bestandsverwaltung können die Existenz und der Standort von Produkten einfach ermittelt und für regelmäßige Statusberichte aufgeschlüsselt werden. Dies ist eine zuverlässigere Methode zur Bereitstellung des Bestandsstatus als die manuelle Überprüfung von Versandmanifesten, die ein- und ausgehende Bestände verfolgen.

Neben IIoT-Bestandsverwaltungssystemen wird die Echtzeitortung von Beständen in Diebstahlsicherungssystemen eingesetzt. Wenn ein Artikel in einem Lager nicht für den Versand vorgesehen ist, kann das IIoT-System den Sicherheitsdienst alarmieren, wenn er in der Nähe eines Ausgangs geortet wird. Die Echtzeitortung von Beständen kann auch den Service und die Lieferung in einer Zeit beschleunigen, in der die Lieferung am nächsten Tag immer mehr zur Erwartung einer Lieferung am selben Tag wird.

Für die Bestandsüberwachung in großen Stückzahlen muss der Tag kostengünstig sein und eine lange Batterielebensdauer haben. NFC-Tags verwenden keine Batterien, erfordern aber, dass sich der Empfänger innerhalb von 20 Zentimetern (cm) vom Tag befindet, was ihre Nützlichkeit einschränkt. GPS-Tracker sind in Innenräumen unzuverlässig, da die Signale der Satellitenortung vor allem durch Stahl- und Betonstrukturen blockiert werden können.

Eine beliebte Lösung für die Verfolgung von Beständen basiert auf der Baken-Ortungsfunktion von Bluetooth. Dieser verfolgt den Standort eines Tags, indem er eine in der Bakennachricht kodierte Referenzsignalstärke mit der Signalstärke des empfangenen Signals vergleicht. Der Standort der Bake wird dann mit drei oder mehr Empfängern trianguliert, um einen Näherungswert für den Standort der Bake zu erhalten. Dieser Ansatz bietet jedoch nicht die für Bestandsverwaltungssysteme erforderliche Präzision. Darüber hinaus kann die Ortungsgenauigkeit durch Änderungen der Luftfeuchtigkeit sowie durch sich bewegende Objekte wie Gabelstapler, Arbeiter und Türen beeinträchtigt werden.

Bluetooth-Peilung

Die Lösung ist die Bluetooth-Peilung, eine Funktion, die in der Bluetooth-5.1-Spezifikation enthalten ist.

Die Bluetooth-Peilung trianguliert den Standort eines batteriebetriebenen Tags basierend auf der Phasenverschiebung des empfangenen Signals an zwei oder mehr Antennen. Das Ergebnis ist eine Genauigkeit von weniger als einem Meter (m) und eine kosteneffiziente Lösung zur Standortbestimmung, die zuverlässig in Innenräumen eingesetzt werden kann und gleichzeitig einen jahrelangen Betrieb mit einer einzigen Knopfzellenbatterie ermöglicht.

Bei der Bluetooth-Peilung wird dem Standard-Bluetooth-Werbepaket ein neues Signal namens „Continuous Tone Extension“ (CTE) hinzugefügt. Das CTE ist ein Dauerton, der über eine Frequenz gesendet wird, die der Bluetooth-Frequenz + 250 Hz entspricht. Da das CTE unabhängig von den regulären Bluetooth-Nachrichtenpaketen ist, stört oder verzögert es diese Pakete nicht. Dadurch können die Empfangsantennen einen kontinuierlichen, ununterbrochenen Fix in Echtzeit erhalten, wodurch das Problem der Echtzeitortung gelöst wird.

Einfallswinkel und Austrittswinkel

Die Bluetooth-Peilung verwendet zwei Arten von phasenverschobenen, antennenbasierten Ortungsmechanismen, die als Einfallswinkel (AoA) und Austrittswinkel (AoD) bezeichnet werden (Abbildung 1). AoA wird verwendet, wenn externe Systeme den Überblick über einzelne Tags behalten müssen. Ein Tag, das ein kompatibles Modul mit Bluetooth 5.1 oder höher enthält, sendet ein CTE. Ein Bluetooth-Empfänger in der Basisstation mit zwei Antennen empfängt das ankommende Signal. Der Empfänger verwendet die Phasendifferenz zwischen den beiden abgetasteten Signalen, die von den Antennen empfangen werden, um über Triangulation die Entfernung zum Tag zu berechnen.

Abbildung 1: Bei der AoA-Peilungsmethode (links) sendet ein Tag sein Signal an eine Bluetooth-AoA-Basisstation, die den Eintrittswinkel des Signals an zwei oder mehr Antennen misst, um den Standort des Tags zu bestimmen. Bei der AoD-Methode (rechts) senden Bluetooth-Basisstationen Baken-Signale an die Tags, die ihre eigene Position berechnen. (Bildquelle: Silicon Labs)

Um Abtastfehler aufgrund von Aliasing zu vermeiden, muss der Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen der Wellenlänge der Nyquist-Frequenz des empfangenen Signals entsprechen, also der Wellenlänge des empfangenen Signals geteilt durch zwei. Ein Bluetooth-Signal von ca. 2,4 Gigahertz (GHz) entspricht einer Wellenlänge von 12,5 cm, daher muss der Abstand zwischen den beiden Antennen 6,25 cm oder weniger betragen. Anhand der Phasendifferenz zwischen den Signalen an den beiden Antennen, dem bekannten festen Abstand zwischen den beiden Antennen und der bekannten Konfiguration der beiden Antennen kann die Entfernung zum Tag berechnet werden.

Wenn eine zusätzliche Antennenempfangseinheit mit zwei Antennen der gleichen Konfiguration wie die erste Einheit verwendet wird, kann die genaue Position des Tags im 3D-Raum bestimmt werden.

Die AoD-Methode wird verwendet, wenn das Tag seinen eigenen Standort verfolgen muss. Bei der AoD-Methode ist der Tag der Bluetooth-Empfänger und die Basisstation mit mehreren Antennen ist der Bluetooth-Sender. Die Basisstation sendet von jeder Antenne ein CTE. Die Empfänger-Firmware kennt die Anzahl der Antennen, den bekannten festen Abstand zwischen den einzelnen Antennen und die bekannte Konfiguration der Antennen und verwendet die Phasendifferenzen zwischen den empfangenen Signalen, um ihren eigenen Standort zu berechnen.

Für ein IIoT-Bestandskontrollsystem in einem Lager würden die batteriebetriebenen Tags, die an Kisten oder Behältern angebracht sind, AoA verwenden, während Gabelstapler oder automatisierte Aufnahme- und Verpackungsgeräte AoD verwenden würden. Gabelstapler und andere automatisierte Aufnahme- und Verpackungsgeräte sind hoch belastbar und nicht batteriebetrieben, sodass sie ihren Standort über Wi-Fi an den zentralen IIoT-Hub übertragen können. All dies kann in einer IIoT-Cloud-Schnittstelle in Echtzeit nachverfolgt werden.

Stromsparende Bluetooth-Peilungsmodule

Für stromsparende Bluetooth-5.2-Peilanwendungen hat Silicon Labs die Bluetooth-Modulfamilie BGM220 vorgestellt, die für eine 10-jährige Batterielebensdauer mit einer einzigen langlebigen Knopfzelle spezifiziert ist. Die Version BGM220PC22HNA2 ist ein Bluetooth-5.2-Transceivermodul mit einem Footprint von 12,9 x 15,0 Millimetern (mm) und einem Profil von 2,2 mm (Bild 2). Es benötigt eine Spannungsversorgung von 1,8 bis 3,8 Volt und eignet sich daher für Anwendungen, die mit langlebigen 3,0-Volt-Lithium-Knopfzellen betrieben werden können, sowie für größere wiederaufladbare 3,6-Volt-Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) für mobile Verbrauchergeräte. Es kann bei Temperaturen von -40 °C bis +105 °C betrieben werden und ist damit besonders für raue Umgebungen wie Fabriken und Industrielager geeignet.

Abbildung 2: Das BGM220PC22HNA2 ist ein kompaktes Bluetooth-5.2-Modul, das die Bluetooth-Peilung bis zu 10 Jahre lang mit einer einzigen langlebigen Knopfzellenbatterie unterstützt. (Bildquelle: Silicon Labs)

Das Funkgerät des BGM220PC22HNA2 arbeitet im 2,4-GHz-Band und liefert 8 Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt (mW) (dBm). Das Modul enthält alle notwendigen Entkopplungskondensatoren und Induktivitäten sowie Oszillatoren für 38,4 Megahertz (MHz) und 32,768 Kilohertz (kHz) und eine integrierte Keramik-Chipantenne (Abbildung 3). Das Modul basiert auf einem Arm®-Cortex®-M33-Kern, der von 512 Kilobyte (KByte) Flash und 32 KByte RAM unterstützt wird.

Abbildung 3: Das Bluetooth-Modul BGM220PC22HNA2 verfügt über alles, was für einen eigenständigen Bluetooth-Peilsender benötigt wird, einschließlich 2,4-GHz-Funk, Speicher, Arm-Cortex-M33-Prozessor und ADC. (Bildquelle: Silicon Labs)

Zu den für Firmware-Anpassungen verfügbaren Peripheriekomponenten gehört ein 16-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) mit 76,9 Kilosamples pro Sekunde (kS/s), der auch für den Betrieb als 12-Bit-ADC mit 1000 kS/s konfiguriert werden kann. Bis zu 24 I/O-Pins sind für die Anpassung der Firmware verfügbar. Für das Timing von Firmware-Ereignissen stehen vier 16-Bit-Timer und ein 32-Bit-Timer zur Verfügung. Zwei I²C-Schnittstellen können auf externe Peripherie zugreifen. Der BGM220P enthält außerdem zwei Multifunktions-USARTs, die unabhängig voneinander als UART, SPI, Smartcard-Schnittstelle, IrDA oder I²S konfiguriert werden können. Dies ermöglicht Flexibilität bei der Auswahl der seriellen Schnittstellen bei gleichzeitiger Verringerung der Pinanzahl.

Bei Verwendung des BGM220PC22HNA2 in einem Bluetooth-Peilsender sollte die Anwendung nur die notwendige Peripherie verwenden und die nicht verwendeten Geräte abschalten, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Eine minimale Tag-Konfiguration würde nur den BGM220PC22HNA2 mit einer 3,0-Volt-Batterie in einem nichtmetallischen Gehäuse enthalten, das die Übertragung von Bluetooth-Signalen nicht beeinträchtigt. Externe Schalter können an I/O-Pins angeschlossen werden, um z. B. die Identifikation einzelner Tags einzustellen. Es könnten eine oder mehrere externe LEDs angebracht werden, aber die Entwickler müssen hier vorsichtig sein, da jede LED eine zusätzliche Belastung für die Batterie darstellt. Idealerweise werden die LEDs nur während der Konfiguration verwendet.

Entwicklung von Bluetooth-Peilanwendungen

Für die Entwicklung von Anwendungen mit Bluetooth-Peilung bietet Silicon Labs das BGM220P Wireless Gecko Bluetooth Module Starter Kit SLWSTK6103A an (Abbildung 4). Es enthält eine steckbare Funkplatine, die eine Trägerplatine für ein BGM220P-Modul ist. In der Mitte der Platine befindet sich ein 128 x 128 Pixel großes LCD-Display, auf dem das Silicon-Labs-Logo mit zusätzlichem Text angezeigt wird.

Unterhalb des LCD-Displays befinden sich zwei per Firmware programmierbare Drucktasten. Das LCD kann während der Entwicklung zur Anzeige von Statusinformationen und die Drucktasten zur Steuerung des Firmware-Flusses verwendet werden. Das Debugging wird über den USB-Anschluss unterstützt. Zusätzliche Anschlüsse sind verfügbar, um die Energieüberwachungssoftware von Silicon Labs zu unterstützen, so dass die Anwendung feinabgestimmt werden kann, um nur den minimal benötigten Strom zu verbrauchen.

Abbildung 4: Das BGM220P-Starterkit SLWSTK6103A enthält alles, was für die Entwicklung von Firmware für ein BGM220P-Modul zur Unterstützung der Bluetooth-Peilung benötigt wird. (Bildquelle: Silicon Labs)

Das SLWSTK6103A verfügt außerdem über einen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor. Bei einem Bluetooth-Peilsender können Umgebungssensoren an eine I²C-Schnittstelle angeschlossen werden, um die Bedingungen in der Umgebung des Senders zu überwachen und einen Alarm über Bluetooth zu senden, wenn die Bedingungen vorprogrammierte Schwellenwerte überschreiten. Zusätzliche I/O- und Peripherie-Pins sind auf Stiftleisten herausgeführt. Das Starterkit kann über einen externen USB-Anschluss oder eine Knopfzelle mit Strom versorgt werden.

Fazit

Die Echtzeit-Bestandsüberwachung in IIoT-Bestandsverwaltungssystemen erfordert eine genaue, zuverlässige und kostengünstige Lösung, die klein ist und wenig Strom verbraucht. Wie gezeigt, kann die Peilungsfunktion der Bluetooth-5.1-Spezifikation mit Hilfe von handelsüblichen Modulen schnell in einen Tag integriert werden, um das erforderliche Maß an Echtzeit-Ortungsfähigkeit und -Performance bereitzustellen.

Weiterführende Literatur

1. Verwendung von Bluetooth-5.1-aktivierten Plattformen für präzise Bestandsverfolgung und die Positionsbestimmung in Innenräumen - Teil 1
2. Verwenden Sie ein hochentwickeltes Bluetooth-5.2-SoC, um sichere IoT-Geräte mit niedriger Leistungsaufnahme zu entwickeln