Como aproveitar rapidamente o AoA e AoD Bluetooth para rastreamento logístico de ambientes internos

O rastreamento de ativos em tempo real em armazéns e fábricas é um aspecto importante da Indústria 4.0. Várias tecnologias estão disponíveis para a implantação de Serviços de Localização em Tempo Real (RTLS) para rastreamento de ativos e melhoria dos sistemas logísticos. Os Sistemas de Posicionamento Global (GPS) são amplamente utilizados para implementações RTLS ao ar livre, mas os sinais nem sempre estão disponíveis dentro dos edifícios. O Wi-Fi é outra opção, mas tende a ter precisão limitada, requer potência significativa e pode ser dispendioso de ser implantado. A identificação por radiofrequência (RFID) é de baixa potência e tem boa precisão, mas tende a ser cara. As instalações RTLS da indústria 4.0 estão se voltando cada vez mais para as técnicas de localização de direções Bluetooth 5.1, porque combinam posicionamento interno de alta precisão mais baixo consumo de energia, baixo custo de hardware Bluetooth e baixo custo de implantações.

Pode ser tentador para os desenvolvedores projetar sistemas Bluetooth RTLS a partir do zero. Infelizmente, a obtenção das informações de radiofrequência (RF) em fase e quadratura (IQ) dos dados de ângulo de chegada (AoA) e ângulo de partida (AoD) necessários para calcular a posição de um transceptor a partir do sinal de RF é um desafio e requer a integração de múltiplas antenas. Mesmo que os dados AoA e AoD possam ser capturados, os cálculos de localização podem ser complicados por inúmeros fatores, incluindo propagação multicaminhos, polarização de sinal, atrasos de propagação, jitter, ruídos e muito mais, antes que a localização do item a ser rastreado possa ser determinada com precisão.

Em vez disso, os projetistas podem recorrer a sistemas sem fio Bluetooth sobre chips (SoCs), módulos de RF e antenas para uso em aplicações RTLS da indústria 4.0. Este artigo analisa brevemente as contrapartidas de desempenho das várias opções de tecnologia RTLS e descreve como a localização AoA e AoD do Bluetooth é implementada. Em seguida, apresenta módulos SoCs Bluetooth e de RF que incluem o software necessário para implementar rapidamente o RTLS baseado em AoA e AoD, bem como antenas relacionadas da Silicon Labs e u-blox. Também são apresentados kits de avaliação que podem agilizar ainda mais o tempo de colocação no mercado.

As tecnologias RTLS de ambiente interno mais utilizadas são implementadas utilizando Wi-Fi e Bluetooth (Tabela 1):

• A impressão digital do Wi-Fi usa um banco de dados da localização e da identificação da estação base (BSSID) de cada ponto de acesso (AP) Wi-Fi em um edifício. Uma etiqueta de ativos varre o ambiente Wi-Fi e relata a lista de APs Wi-Fi e suas forças de sinal associadas. O banco de dados da pesquisa é então usado para estimar a posição provável da etiqueta. Esta técnica não suporta RTLS de alta precisão.
• O tempo de vôo (ToF) Wi-Fi é mais preciso. Ele mede o tempo que leva para que os sinais Wi-Fi viajem entre dispositivos. O ToF exige uma implantação densa de APs para melhorar a precisão do RTLS. Tanto o ToF quanto a impressão digital têm altos custos de dispositivos e altas demandas de energia.
• O indicador de intensidade do sinal recebido (RSSI) por Bluetooth suporta RTLS, permitindo que os dispositivos determinem sua distância aproximada a partir dos beacons de Bluetooth próximos, comparando a intensidade do sinal recebido com as posições conhecidas dos beacons. O RSSI usa menos energia e tem um custo menor do que a impressão digital do Wi-Fi ou ToF, mas sua precisão é limitada. Sua precisão pode ser ainda menor por fatores ambientais, tais como níveis de umidade e robôs, ou pessoas que se movimentam em torno de uma instalação e interferem com os níveis de sinal do Bluetooth.
• O AoA Bluetooth é a mais nova e mais precisa tecnologia RTLS para ambientes internos. Além de proporcionar alta precisão, utiliza relativamente pouca energia e é de baixo custo. Entretanto, é mais complexa de implementar em comparação com as outras alternativas.

Tabela 1: O RTLS pode ser implementado em ambientes internos utilizando várias técnicas de Wi-Fi e Bluetooth que proporcionam contrapartidas entre precisão, consumo de energia e custo. (Fonte da tabela: u-blox)

As soluções RTLS, AoA Bluetooth e AoD relacionado contam com matrizes de antenas para estimar a posição de um ativo (Figura 1). Em uma solução AoA, o ativo envia um sinal específico de localização de direção a partir de uma única antena. O dispositivo receptor tem uma matriz de antenas e mede a diferença de fase do sinal, entre as várias antenas, causada pelas diferentes distâncias de cada antena em relação ao ativo. O dispositivo receptor obtém informações de quadratura, IQ, ao alternar entre as antenas ativas na matriz. Os dados de IQ são então usados para calcular a localização do ativo. Em uma solução AoD, o beacon localizador para a qual o local está sendo determinado transmite o sinal usando várias antenas em uma matriz e o dispositivo receptor tem uma única antena. O dispositivo receptor utiliza múltiplos sinais para determinar os dados de IQ e estimar sua posição. O AoA é frequentemente usado para rastrear a posição dos ativos, enquanto o AoD é a técnica preferida para permitir que os robôs determinem onde eles estão em uma instalação com boa precisão e baixa latência.

Figura 1: Matrizes de antenas formam a base para implementações RTLS, AoA e AoD Bluetooth. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

O conceito básico para rastreamento RTLS baseado em AoA é simples: Θ = arccos x ((diferença de fase x comprimento de onda) / (2 π x distância entre as antenas)) (Figura 2). As implementações no mundo real são mais complicadas e precisam considerar os atrasos na propagação de sinais causados por variáveis ambientais, sinais multicaminhos, polarização variável do sinal e outros fatores. Além disso, quando as antenas são utilizadas em uma matriz, elas podem experimentar um acoplamento mútuo e afetar as respostas uma da outra. Finalmente, pode ser bastante desafiador desenvolver os algoritmos necessários para levar todas essas variáveis em conta e implementá-las eficientemente em uma solução de tempo crítico em um ambiente com recursos limitados. Felizmente para os desenvolvedores, as soluções completas de AoA e AoD Bluetooth incluem coleta e pré-processamento de dados IQ, supressão de componentes multicaminhos, compensação por fatores ambientais e acoplamento mútuo entre antenas.

Figura 2: A equação para determinar a AoA (superior direita) usa a diferença de fase dos sinais de chegada, o comprimento de onda do sinal e a distância entre as antenas adjacentes. (Fonte da imagem: u-blox)

SoCs para AoA e AoD Bluetooth

Os desenvolvedores podem recorrer aos SoCs como o EFR32BG22C222F352GN32-C da Silicon Labs para implementar a rede Bluetooth 5.2 e AoA e AoD. Este SoC faz parte da família Wireless Gecko EFR32BG22 que inclui um núcleo Arm® Cortex®-M33 de 32 bits com frequência máxima de operação de 76,8 MHz mais um núcleo de rádio de 2,4 GHz com eficiência energética e baixas correntes ativas e de suspensão e um amplificador de potência integrado com até 6 decibéis (dBm) de potência de transmissão (TX) em um invólucro QFN32 de 4 × 4 × 0,85 milímetros (mm) (Figura 3). Eles incluem inicialização segura com raiz de confiança e carregador seguro (RTSL). Recursos adicionais de segurança incluem aceleração criptográfica de hardware para AES128/256, SHA-1, SHA-2 (até 256 bits), ECC (até 256 bits), ECDSA e ECDH, além de um gerador de números aleatórios verdadeiros (TRNG) compatível com NIST SP800-90 e AIS-31. Além disso, dependendo do modelo, estes SoCs têm até 512 kB de flash e 32 kB de RAM, e estão disponíveis em invólucros QFN40 de 5 × 5 × 0,85 mm e TQFN32 de 4 × 4 × 0,30 mm, além de um QFN32.

Figura 3: Os SoCs de Bluetooth Wireless Gecko EFR32BG22 que suportam AoA e AoD estão disponíveis em um invólucro QFN32 de 4 × 4 × 0,85 mm (Fonte da imagem: Silicon Labs)

O kit profissional sem fio BG22-RB4191A inclui uma placa de rádio de localização de direção baseada no SoC Wireless Gecko EFR32BG22 de 2,4 GHz e uma matriz de antenas otimizada para encontrar a direção exata, que pode agilizar o desenvolvimento de aplicações RTLS baseadas em Bluetooth 5.1 usando os protocolos AoA e AoD (Figura 4). A placa principal tem várias ferramentas para fácil avaliação e desenvolvimento de aplicações sem fio, inclusive:

• Depurador J-Link integrado para programação e depuração no dispositivo de destino via Ethernet ou USB
• Medições de corrente e tensão em tempo real usando o monitor avançado de energia
• A interface de porta COM virtual fornece uma conexão de porta serial via Ethernet ou USB
• A interface de rastreamento de pacotes fornece informações de depuração sobre pacotes de dados sem fio recebidos e transmitidos

Figura 4: O kit profissional sem fio BG22-RB4191A com o SoC Wireless Gecko EFR32BG22 e uma matriz de antenas pode agilizar o desenvolvimento das aplicações RTLS, AoA e AoD. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

Módulos para AoA e AoD Bluetooth

A u-blox oferece módulos Bluetooth com e sem antenas integradas que suportam AoA e AoD. Para aplicações que se beneficiam de um módulo sem uma antena integrada, os projetistas podem recorrer à série NINA-B41x, como a NINA-B411-01B, baseada no CI nRF52833 da Nordic Semiconductor (Figura 5). Estes módulos incluem um núcleo RF integrado e Arm® Cortex®-M4 com um processador de ponto flutuante e operam em todos os modos Bluetooth 5.1, incluindo AoA e AoD. Com uma faixa de temperatura de operação de -40 a +105 graus Celsius (°C), estes módulos são bem adequados para aplicações RTLS em ambientes industriais. Além disso, sua faixa de tensão de entrada de 1,7 a 3,6 V os torna úteis em sistemas alimentados por bateria de célula única.

Figura 5: Os módulos da série NINA-B41x suportam soluções compactas de RTLS que utilizam antenas externas. (Fonte da imagem: DigiKey)

A série NINA-B40x da u-blox, como a NINA-B406-00B, inclui uma antena interna de trilha PCI integrada na PCI do módulo de 10 x 15 x 2,2 mm (Figura 6). Os módulos NINA-B406 podem fornecer até +8 dBm de potência de saída. Além do suporte aos modos Bluetooth 5.1, incluindo AoA e AoD, estes módulos suportam os protocolos proprietários de 2,4 GHz da Nordic e 802.15.4 (Thread e Zigbee), permitindo que os projetistas padronizem em um único módulo para uma ampla gama de projetos de dispositivos IoT.

Figura 6: Aplicações AoA e AoD que se beneficiam de uma antena integrada podem utilizar os módulos da série NINA-B40x. (Fonte da imagem: DigiKey)

Para agilizar o tempo de comercialização, os projetistas podem usar o kit de exploração XPLR-AOA-1 da u-blox que permite a experimentação com o recurso de localização de direção Bluetooth 5.1 e o suporte às funções AoA e AoD. Este kit de exploração inclui uma etiqueta e uma placa de antena com um módulo NINA-B411 Bluetooth LE (Figura 7). A etiqueta é construída em torno de um módulo Bluetooth NINA-B406 e inclui software para enviar mensagens publicitárias via Bluetooth 5.1. A placa da antena é projetada para receber as mensagens e aplicar um algoritmo de cálculo de ângulo para determinar a direção da etiqueta. Os ângulos são calculados em duas dimensões utilizando a matriz de antenas na placa.

Figura 7: O kit de exploração XPLR-AOA-1 inclui uma etiqueta (esquerda) e uma placa de antena (direita) para dar suporte a avaliação do AoA e AoD Bluetooth. (Fonte da imagem: u-blox)

A flexibilidade do kit XPLR-AOA-1 permite aos projetistas explorar uma variedade de aplicações, como por exemplo:

• Detectar se um objeto está se aproximando de uma porta
• Permitir que uma câmera acompanhe um ativo em movimento em uma sala
• Rastrear mercadorias passando por um portão ou por uma posição específica
• Evitar colisões entre robôs ou veículos guiados automatizados

Além disso, um sistema de posicionamento mais complexo pode ser criado usando vários kits XPLR-AOA-1 e triangulando as direções a partir de três ou mais placas de antena.

Resumo

O AoA e AoD Bluetooth podem fornecer implementações RTLS precisas e econômicas para a indústria 4.0. Os projetistas podem selecionar desde SoCs e módulos, que incluem o software necessário para implementar rapidamente o algoritmo complexo exigido para a execução do AoA e AoD Bluetooth. Estes SoCs e módulos são otimizados para baixo consumo de energia para suportar etiquetas de localização alimentadas por bateria e são projetados para operar em ambientes industriais adversos.