Pozycjonowanie wewnątrz budynków przy zastosowaniu techniki AoA

© u-blox

Opracowana jako integralna część standardu Bluetooth 5.1, funkcja wyszukiwania kierunku Bluetooth może stać się technologią, która zapewni precyzję pozycjonowania w środowiskach wewnętrznych na skalę masową. Funkcja direction finding w Bluetooth umożliwia wykrycie położenia osoby lub rzeczy w stosunku do jednego lub kilku, zwykle stałych, punktów kontrolnych. Już sama idea sposobu zbierania danych wyjściowych jest ogromnym ulepszeniem w porównaniu z poprzednim rozwiązaniem, które wykorzystywało wskaźnik siły odebranego sygnału (received signal strength indicator, RSSI) do dostarczania zgrubnego oszacowania odległości oddzielającej znacznik od punktu kontrolnego, bez dostarczania jakichkolwiek informacji o kierunku nadejścia sygnału.

Funkcja wyznaczania kierunku w Bluetooth wykorzystuje technologię kąta przybycia (angle-of-arrival, AoA) do obliczenia kąta, pod jakim sygnał RF przesyłany przez ruchomy znacznik trafia do punktu kontrolnego: funkcja realizowana jest poprzez pomiar niewielkich  różnic fazowych przychodzącego sygnału zgłoszeniowego Bluetooth w układzie wielu anten, pełniących rolę punktów kontrolnych. u-blox przetestował tę technologię w swoim biurze w Malmö w Szwecji, używając modułu Bluetooth 5.1 podłączonego do zestawu anten stanowiących punkty kontrolne, a także ruchomego znacznika z modułem Bluetooth 5.1. Poniższy film przedstawia przebieg eksperymentu:

Jak widać na filmie, moduł wyposażony w serwonapęd dokłądnie śledzi w czasie rzeczywistym poruszający się znacznik. Sam znacznik składa się z płytki aplikacyjnej u-blox, zawierającej energooszczędny moduł u-blox NINA-B406 Bluetooth 5.1, oparty na chipsecie Nordic nRF52833. W zastosowanej w eksperymencie konfiguracji znacznik transmituje komunikaty Bluetooth o zasięgu około dziesięciu metrów, ale istnieje możliwość wysyłania sygnału również na znacznie większe odległości.

Sygnały o częstotliwości radiowej są odbierane przez płytkę antenową u‑blox z energooszczędnym modułem Bluetooth NINA-B411, wyposażonym w oprogramowanie do wyszukiwania kierunku u‑blox. Moduł antenowy zawiera pięć krzyżowo spolaryzowanych anten, które określają kąt przychodzącego sygnału w płaszczyźnie poziomej i pionowej, a także zestaw  diod LED do wizualizacji oszacowania kąta w czasie rzeczywistym.

Następnie moduł antenowy generuje strumień danych zawierający oszacowany kąt, wartość wskaźnika siły odbieranego sygnału (RSSI), identyfikator znacznika, jak również inne wartości. Oszacowania kąta są następnie wykorzystywane do sterowania serwomechanizmem zamontowanym na obrotowym uchwycie, co umożliwia stałe namierzanie poruszającego się znacznika w czasie rzeczywistym.

Poniższy rysunek ilustruje, w jaki sposób zespoły anten określają kierunek przychodzących sygnałów RF za pomocą wyszukiwania kierunku opartego na kącie przybycia (AoA). Sygnały nadawane przez ruchomy znacznik trafiają na każdą pojedynczą antenę, która tworzy wieloantenowy układ odniesienia z niewielkim przesunięciem fazowym w stosunku do pozostałych. Przyjmując pewne założenia dotyczące propagacji sygnału RF, niewielkie różnice fazowe obserwowane na każdej antenie można wykorzystać do obliczenia kąta nadejścia sygnału ze znacznika:

© u-blox

Wdrożenie algorytmów wymaganych do przełożenia różnic fazowych na dane wyjściowe kąta może stanowić istotne wyzwanie dla deweloperów, którzy nie mają doświadczenia w opracowywaniu firmware o krytycznym znaczeniu funkcji czasu. Aby uprościć opracowywanie rozwiązań wyznaczania kierunków i przyspieszyć wprowadzanie produktów na rynek, u-blox opracował  oprogramowanie do zastosowania w aplikacjach  łączności bezprzewodowej. Oferuje ono programistom łatwy w użyciu interfejs poleceń API, umożliwiający obliczanie kąta bezpośrednio na module u-blox NINA-B411, obsługujący  gromadzenie i wstępne przetwarzanie danych RF oraz tłumiący elementy wielościeżkowe na każdej antenie, nie wymagający jednocześnie  procesu pisania oprogramowania.

Aplikacje AoA

Kiedy u-blox zaczął pracować z funkcją direction finding Bluetooth, postrzegał ją jako kolejny krok w kierunku tworzenia systemów precyzyjnego pozycjonowania w pomieszczeniach. Jednak w miarę postępów prac firma zdawała sobie sprawę, że istnieje niezliczona ilość sposobów wykorzystania tej technologii. Można ją na przykład wykorzystać do zbudowania kamery, która podąża za oznaczonym celem, po prostu montując kamerę na serwomechanizmie, tak jak w eksperymencie przedstawionym na filmie. Zdolność technologii do określenia, po której stronie punktu odniesienia znajduje się znacznik może być wykorzystana do opracowania systemów kontroli dostępu dla budynków mieszkalnych, komercyjnych i przemysłowych a montowany na pojazdach może służyć do wdrażania systemów unikania kolizji. Lista potencjalnych aplikacji jest na pewno jeszcze bardzo długa!

Źródło: © u-blox, 'How we built our Bluetooth direction finding demo'