EUR | USD

Obtenha rastreamento preciso e em tempo real de ativos internos de baixo consumo de energia usando a detecção de direção do Bluetooth

By Bill Giovino

Contributed By Digi-Key's North American Editors

As fábricas, depósitos e instalações de manufatura estão aumentando o uso de etiquetas para desenvolver rastreamento de localização em tempo real dos ativos. Os dados são então integrados normalmente num sistema apropriado de controle de inventário de Internet das Coisas Industrial (IIoT) baseado em nuvem para permitir o rastreamento remoto do ativo. O problema é que, além do NFC, muitas soluções de rastreamento de ativos dependem das etiquetas que operam sob baterias, que necessitam manter o consumo de energia o mais baixo possível. Além disso, algumas das soluções podem ser duvidosas e imprecisas quando usadas em ambientes fechados.

Por exemplo, as etiquetas de GPS não são confiáveis em ambientes fechados, especialmente em edifícios de aço e concreto. Os sistemas clássicos de localização Bluetooth são baseados em informações do indicador de intensidade do sinal recebido (RSSI), que, embora úteis, muitas vezes não atendem aos requisitos de precisão dos projetistas. O que é necessário é uma solução de rastreamento de ativos sem fio, confiável, econômica, precisa e alimentada por bateria que pode ser usada em ambientes internos, além de permitir uma longa vida útil da bateria.

Para enfrentar esses desafios, este artigo descreverá o protocolo de detecção de direção do Bluetooth 5.1 e como ele opera. Depois, o artigo introduzirá um módulo Bluetooth de baixo custo da Silicon Labs que suporta este protocolo e mostra como ele pode atender aos requisitos de precisão e baixo consumo de energia de um sistema de controle de inventário IIoT.

O que é rastreamento de ativos e por que ele é necessário para a IIoT?

Os sistemas avançados de controle de inventário IIoT requerem rastreamento em tempo real de ativos em qualquer lugar do mundo, a partir da nuvem. Grandes depósitos que armazenam produtos e equipamentos de alto valor podem exigir etiquetas de localização de ativos para controle de inventário e assistência antifurto. Isso permite que os funcionários do depósito, bem como o equipamento de coleta automatizado, localizem um item de maneira rápida e eficiente e o preparem para o envio. Para gerenciamento de inventário, a existência e localização de ativos podem ser facilmente determinadas e detalhadas para relatórios de status regulares. Este é um método mais confiável de fornecer o status do inventário do que revisar manualmente os manifestos de remessa que rastreiam os ativos de entrada e saída.

Além dos sistemas de gerenciamento de inventário IIoT, o rastreamento de localização em tempo real de ativos é usado em sistemas antifurto. Se um item em um depósito não estiver agendado para envio, o sistema IIoT pode emitir um alerta de segurança se for rastreado próximo a uma saída. A localização de ativos em tempo real também pode acelerar o serviço e a entrega, em épocas em que a entrega no dia seguinte está rapidamente evoluindo para expectativas de entrega no mesmo dia.

Para rastreamento de ativos em volume, a etiqueta de localização de ativos deve ser econômica e ter bateria de longa duração. As etiquetas NFC não usam baterias, mas exigem que o receptor esteja a 20 centímetros (cm) da etiqueta, o que limita sua utilidade. Os rastreadores GPS não são confiáveis em ambientes fechados, pois os sinais de rastreamento de satélite podem ser bloqueados, principalmente por estruturas de aço e concreto.

Uma solução popular de rastreamento de ativos depende do recurso de localização de beacon do Bluetooth. Isso rastreia a localização de uma etiqueta comparando a intensidade do sinal de referência codificado na mensagem de beacon com a intensidade do sinal recebido. A localização de beacon é então triangulada usando três ou mais receptores para obter uma aproximação da localização de beacon. No entanto, essa abordagem não fornece a precisão necessária para sistemas de gerenciamento de inventário. Além disso, a precisão da localização pode ser afetada por mudanças na umidade, bem como por objetos em movimento, como empilhadeiras, trabalhadores e portas.

Detecção de direção do Bluetooth

A solução é a detecção de direção do Bluetooth, um recurso incluído na especificação do Bluetooth 5.1.

A detecção de direção do Bluetooth triangula a localização de uma etiqueta de ativo alimentada por bateria, com base no deslocamento de fase do sinal recebido em duas ou mais antenas. Como resultado, tem uma precisão de menos de um metro (m) e é uma solução de rastreamento de localização econômica que pode ser usada de forma confiável em ambientes fechados, enquanto permite anos de operação com uma única bateria de célula tipo moeda.

Na detecção de direção do Bluetooth, um novo sinal denominado extensão de tom contínuo (CTE) é adicionado ao pacote padrão de publicidade do Bluetooth. O CTE é um tom contínuo enviado por uma frequência calculada para ser a frequência do Bluetooth + 250 Hz. Como o CTE é independente dos pacotes regulares de mensagens Bluetooth, ele não interfere nem atrasa esses pacotes. Isso permite que as antenas receptoras obtenham uma correção contínua e ininterrupta em tempo real, resolvendo o problema de rastreamento de localização em tempo real.

Ângulo de chegada e ângulo de partida

A detecção de direção do Bluetooth usa dois tipos de deslocamento de fase, mecanismos de detecção de localização baseados em antena, conhecidos como ângulo de chegada (AoA) e ângulo de partida (AoD) (figura 1). O AoA é usado quando os sistemas externos devem rastrear etiquetas individuais. Uma etiqueta de ativo contendo um módulo compatível com Bluetooth 5.1 ou posterior transmite um CTE. Um receptor Bluetooth na estação base com duas antenas recebe o sinal de chegada. O receptor usa a diferença de fase entre os dois sinais amostrados recebidos pelas antenas para calcular por meio de triangulação a distância até a etiqueta do ativo.

Diagrama dos métodos AoA e AoD de detecção de direção (clique para ampliar)Figura 1: no método AoA de detecção de direção (à esquerda), uma etiqueta de ativo transmite seu sinal para um localizador de estação base Bluetooth AoA que mede o ângulo de chegada do sinal em duas ou mais antenas para determinar a localização da etiqueta. Com o método AoD (à direita), as estações bases Bluetooth transmitem beacons para as etiquetas de ativos que calculam sua própria posição. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

Para evitar erros de amostragem devido ao aliasing, a distância entre as duas antenas receptoras deve corresponder ao comprimento de onda da frequência de Nyquist do sinal recebido, que é o comprimento de onda do sinal recebido dividido por dois. Um sinal Bluetooth de aproximadamente 2,4 gigahertz (GHz) corresponde a um comprimento de onda de 12,5 cm, portanto a distância entre as duas antenas deve ser de 6,25 cm ou menos. Usando a diferença de fase entre os sinais nas duas antenas, a distância fixa conhecida entre as duas antenas e a configuração conhecida das duas antenas, a distância até a etiqueta do ativo pode ser calculada.

Se uma unidade adicional de recepção de antena for usada com duas antenas da mesma configuração da primeira unidade, a localização exata da etiqueta do ativo no espaço 3D pode ser determinada.

O método AoD é usado quando a etiqueta do ativo deve manter o rastreamento da sua própria localização. No método AoD, a etiqueta é o receptor Bluetooth e a estação base com várias antenas é o transmissor Bluetooth. A estação base transmite um CTE de cada antena. O firmware do receptor conhece o número de antenas, a distância fixa conhecida entre cada antena, a configuração conhecida das várias antenas e usa as diferenças de fase entre os sinais recebidos para calcular sua própria localização.

Para um sistema de controle de inventário IIoT em um depósito, as etiquetas de ativos, alimentadas por bateria, anexadas a caixas ou contêineres usariam AoA, enquanto empilhadeiras ou equipamentos automatizados de coleta e embalagem usariam AoD. Empilhadeiras e outros equipamentos de coleta e empacotamento automatizados são pesados​e não consomem bateria, portanto podem transmitir sua localização via Wi-Fi para o hub principal IIoT. Tudo isso pode ser rastreado em tempo real em uma interface de nuvem IIoT.

Módulos de detecção de direção Bluetooth de baixo consumo

Para aplicações de detecção de direção Bluetooth 5.2 de baixo consumo, a Silicon Labs introduziu a família de módulos Bluetooth BGM220, que é especificada para fornecer bateria de 10 anos em uma única célula tipo moeda de longa duração. A versão BGM220PC22HNA2 é um módulo transceptor Bluetooth 5.2 com uma pegada de 12,9 x 15,0 milímetros (mm) e um perfil de 2,2 mm (figura 2). Ele requer uma fonte de alimentação de 1,8 a 3,8 volts, tornando-o apropriado para aplicações que podem funcionar com células de lítio de 3,0 volts de longa duração, bem como células maiores recarregáveis de íon-lítio de 3,6 volts (íon-Li) para dispositivos móveis de consumo. Ele pode operar sobre -40 °C a + 105 °C, tornando-o particularmente adequado para ambientes severos, como fábricas e depósitos industriais.

Imagem do Silicon Labs BGM220PC22HNA2 é um módulo compacto Bluetooth 5.2Figura 2: o BGM220PC22HNA2 é um módulo Bluetooth 5.2 compacto que suporta detecção de direção Bluetooth por até 10 anos em uma única bateria de célula tipo moeda de longa duração. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

O rádio do BGM220PC22HNA2 opera na banda de 2,4 GHz e produz 8 decibéis referenciado a 1 miliwatt (mW) (dBm). O módulo inclui todos os capacitores e indutores de desacoplamento necessários, bem como osciladores de 38,4 MHz e 32,768 kHz e uma antena integrada de chip cerâmico (figura 3). O módulo é baseado em um núcleo Arm® Cortex®-M33 suportado por 512 Kbytes de flash e 32 Kbytes de RAM.

Diagrama do módulo Bluetooth da Silicon Labs BGM220PC22HNA2 (clique para ampliar)Figura 3: o módulo Bluetooth BGM220PC22HNA2 tem tudo o que é necessário para oferecer suporte a uma etiqueta de ativo com detecção de direção Bluetooth autônoma, incluindo um rádio de 2,4 GHz, memória, um processador Arm Cortex-M33 e um ADC. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

Os periféricos disponíveis para personalização de firmware incluem um conversor analógico-digital (ADC) de 16 bits e 76,9 quilo-amostragem por segundo (kSPS), que também pode ser configurado para operar como um ADC de 1.000 kSPS de 12 bits. Até 24 pinos de E/S estão disponíveis para personalização de firmware. Quatro temporizadores de 16 bits e um temporizador de 32 bits estão disponíveis para temporizador de eventos de firmware. Duas interfaces I2C podem acessar periféricos externos. O BGM220P também inclui duas USARTs multifuncionais que podem ser configuradas independentemente como UART, SPI, interface de smartcard, IrDA ou I2S. Isso permite flexibilidade na seleção de interfaces seriais, ao mesmo tempo que diminui o número de pinos.

Ao usar o BGM220PC22HNA2 em uma etiqueta de ativo com detecção de direção Bluetooth, a aplicação deve usar apenas os periféricos necessários e desligar os periféricos não usados​para estender a vida útil da bateria. Uma configuração mínima de etiqueta de ativo conteria apenas o BGM220PC22HNA2 com uma bateria de 3,0 volts em um invólucro não metálico, que não interfere na transmissão de sinais Bluetooth. Os interruptores externos podem ser conectados a pinos de E/S para personalização de inicialização, como definir a identificação de etiquetas individuais. Um ou mais LEDs externos podem ser conectados, mas os projetistas precisam ter cuidado aqui, pois cada LED é um dreno adicional da bateria. O ideal é que os LEDs sejam usados apenas durante a configuração.

Desenvolvendo aplicações de detecção de direção Bluetooth

Para o desenvolvimento de aplicação com detecção de direção Bluetooth, a Silicon Labs fornece o kit de inciante de módulo Bluetooth SLWSTK6103A BGM220P Gecko sem fio (figura 4). Inclui uma placa de rádio plug-in que é uma placa portadora para um módulo BGM220P. No centro da placa está um display LCD de 128 x 128, mostrado com a exibição do logotipo da Silicon Labs e texto adicional.

Abaixo do display LCD estão dois pushbuttons programáveis por firmware. O LCD pode ser usado durante o desenvolvimento para exibir informações de status e os pushbuttons para controlar o fluxo de firmware. A depuração é compatível com o conector USB. Conectores adicionais estão disponíveis para oferecer suporte ao software de monitoramento de energia da Silicon Labs, permitindo que a aplicação seja ajustada para consumir apenas a energia mínima necessária.

Imagem do kit de inciante Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220PFigura 4: O kit de iniciante SLWSTK6103A BGM220P contém tudo o que é necessário para desenvolver firmware para um módulo BGM220P suportar a detecção de direção Bluetooth. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

O SLWSTK6103A também possui um sensor de temperatura e umidade. Para uma etiqueta de ativo com detecção de direção Bluetooth, sensores ambientais podem ser anexados a uma interface I2C para monitorar as condições em torno da etiqueta do ativo e transmitir um alerta por Bluetooth se as condições excederem os limites pré-programados. E/S adicionais e pinos periféricos são levados aos conectores de barra de pinos. O kit de iniciante pode ser alimentado por uma conexão USB externa ou uma bateria de célula tipo moeda.

Conclusão

O rastreamento de ativos em tempo real nos sistemas de gerenciamento de inventário IIoT requer uma solução precisa, confiável e econômica que seja pequena e com baixo consumo de energia. Conforme mostrado, o recurso de detecção de direção no Bluetooth 5.1 pode ser rapidamente integrado em uma etiqueta de ativo usando módulos prontos para fornecer o grau necessário de capacidade e desempenho no rastreamento de localização em tempo real.

Leitura adicional

  1. Use plataformas habilitadas para Bluetooth 5.1 para rastreamento preciso de ativos e posicionamento interno - Parte 1
  2. Use um SoC avançado Bluetooth 5.2 para construir dispositivos IoT seguros de baixo consumo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Bill Giovino

Bill Giovino is an Electronics Engineer with a BSEE from Syracuse University, and is one of the few people to successfully jump from design engineer, to field applications engineer, to technology marketing.

For over 25 years Bill has enjoyed promoting new technologies in front of technical and non-technical audiences alike for many companies including STMicroelectronics, Intel, and Maxim Integrated. While at STMicroelectronics, Bill helped spearhead the company’s early successes in the microcontroller industry. At Infineon Bill orchestrated the company’s first microcontroller design wins in U.S. automotive. As a marketing consultant for his company CPU Technologies, Bill has helped many companies turn underperforming products into success stories.

Bill was an early adopter of the Internet of Things, including putting the first full TCP/IP stack on a microcontroller. Bill is devoted to the message of “Sales Through Education” and the increasing importance of clear, well written communications in promoting products online. He is moderator of the popular LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group and speaks B2E fluently.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors