Systemy lokalizacyjne oparte o BLE

Funkcja BDF stanowi bardzo znaczący dodatek do arsenału możliwości Bluetooth Low Energy. Uważamy, że może mieć podobny wpływ na pozycjonowanie w pomieszczeniach, jaki swojego czasu wywarł GPS w przypadku pozycjonowania na zewnątrz. W skali makro, GPS zasadniczo zmienił świat podróżowania i śledzenia samochodów, ludzi i przedmiotów. BDF Bluetooth może mieć podobny wpływ na skalę mikro, tj. wewnątrz budynków i posesji. Bluetooth Direction Finding oferuje nowe możliwości zastosowań systemów lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS), od logistyki i magazynowania po bezpieczeństwo wartościowych aktywów w szpitalach i fabrykach.

Sukces beaconów Bluetooth

Usługi lokalizacyjne wykorzystujące Bluetooth LE są dostępne od kilku lat dzięki wprowadzeniu beaconów. Urządzenia te zgłaszać bliskość między obiektami, na przykład bliskość klienta do stanowiska odprawy linii lotniczych.

Podejście do pomiarów w przypadku beaconów opiera się na wskaźniku mocy odbieranego sygnału (Received Signal Strength Indication, RSSI), który monitoruje siłę sygnału radiowego źródła. Podejście RSSI jest funkcjonalne, chociaż … przypomina malowanie szerokim pędzlem. RSSI dostarcza tylko informacje o odległości, podczas gdy kąt przybycia (Angle-of-Arrival, AoA) i kąt odejścia (Angle-of-Departure, AoD) zapewniają również precyzję kierunku. AoA i AoD wykorzystują fazę odbieranego sygnału, a nie tylko jego moc. Dzięki rozwiązaniom opartym na RSSI otrzymuje się odpowiedź ‘jest gdzieś blisko’, natomiast stosując AoA lub AoD otrzymuje się informację ‘jest dokładnie tam’.

Jak to działa, czyli zabawa w kąty

Podstawą funkcji znajdowania kierunku w Bluetooth 5.1. są koncepcje Angle of Arrival (AoA) i Angle of Departure (AoD).

W podejściu AoA, nadajnik przesyła określony pakiet wyszukiwania kierunku przy użyciu tylko jednej anteny, natomiast odbiornik ma wiele anten (układ lub matrycę anten). Sygnały przychodzące ze znacznika docierają do tych anten z bardzo niewielkimi przesunięciami czasowymi względem siebie. Przesunięcia fazy sygnału obserwowane na tych antenach są próbkowane jako składowe IQ sygnału. Następnie, przy użyciu skojarzonych algorytmów w odbiorniku, próbki te dostarczą dokładnych informacji o lokalizacji.

Ta metoda jest idealna dla systemów lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) używanych do śledzenia zasobów i ludzi, niezależnie od tego, czy chodzi o lokalizowanie sprzętu i pracowników w magazynie, czy też urządzeń medycznych i pacjentów w szpitalu.

Podejście AoD odwraca cały scenariusz. Nadajnik wysyła pakiety określające kierunek podczas multipleksowania między aktywnymi antenami w swoim układzie anten. Aby dokonać dokładnego próbkowania IQ na własnej antenie, a następnie wykonać obliczenia lokalizacji, odbiornik odbiera te pakiety na swojej pojedynczej antenie. Musi mieć jednak wcześniejszą wiedzę na temat układu anten używanego przez nadajnik.

Ta metoda jest idealna w przypadku systemów pozycjonowania w pomieszczeniach (IPS), takich jak znajdowanie drogi w miejscach publicznych; lotniskach, stacjach kolejowych, muzeach i stadionach. AoD można również wykorzystać w następnej generacji systemów informacyjnych punktów zainteresowania (PoI) (np. atrakcjach turystycznych), czy w handlu detalicznym.

Rysunek 1: Podejście AoA (lewa strona) oraz AoD (prawa strona). © Nordic Semiconductor

Podstawowa architektura projektu

Projekt produktu oparty na technologii Bluetooth Direction Finding musi mieć dwa elementy: nadajnik i odbiornik. W metodzie AoA nadajnik jest zwykle tani i prosty. Przykładem układu, który może służyć jako jego podstawa jest SoC od Nordic Semiconductor nRF52811.

Odbiornik, który może być zamontowany na suficie lub na ścianie, odbiera sygnał za pomocą układu antenowego, uruchamia algorytm obliczania kąta odbieranego sygnału. Odbiornik może wykorzystywać chmurę, zapewniającą silnik pozycjonujący lub dalej przetwarzającą  zebrane dane.

W metodzie AoD odbiornik odpowiada za uruchomienie wymagającego skomplikowanych obliczeń algorytmu obliczania kierunku odbieranego sygnału. Natomiast nadajnik musi mieć zestaw anten, aby przesyłać informacje AoD na wielu antenach.

Realistyczne oczekiwania

Większość ludzi zgodziła by się z twierdzeniem, że dokładne pozycjonowanie w pomieszczeniach to fantastyczna funkcja. Należy jednak wykazać nieco ostrożności. Opisywany system opiera się na transmisji fal radiowych, w przypadku których nie ma się bezpośredniej kontroli nad ścieżkami, jakie pokonują między nadajnikiem a odbiornikiem.

Im mniej przeszkód i prostsza droga LoS (Line-of-Sight), tym lepszą uzyskuje się dokładność. Gdy sygnały odbijają się od ścian, szafek, okien i ludzi, wpływa to na fazę i siłę sygnału, wprowadzając mniejsze lub większe błędy. Mimo tych obostrzeń, jest to wyrafinowane rozwiązanie do znajdowania kierunku, a testy wykazały, że sprawdza się nawet w dość trudnych sytuacjach.

Krótko mówiąc, technologia ta musi zostać przetestowana w realnych warunkach pod kątem jej zastosowania, co powinno dać dobre wyobrażenie o jej przydatności w Twoim produkcie.

Typowe aplikacje

Jak wspomniano, osiągnięcie większej dokładności jest bardziej prawdopodobne w otwartym, niezatłoczonym środowisku. Jako pierwszy przykład wykorzystania AoA można przytoczyć system lokalizacji w czasie rzeczywistym na stadionie. W takim przypadku odbiornik należałoby prawdopodobnie umieścić powyżej boiska lub sceny, aby mógł on odbierać transmisje z innych urządzeń. Układ taki byłby bardzo ‘otwarty’, co przy pionowo ustawionych siedzeniach, zapewniłoby dobre właściwości LoS i efektywne warunki pracy. W sieci można odnaleźć demo autorstwa Quuppy, w którym taki system śledzi fińskich hokeistów i krążek hokejowy w czasie rzeczywistym podczas finałów Hockey League! Firma Quuppa wykorzystuje układy SoC firmy Nordic Semiconductor jako główny element wyznaczający kierunek w wielu swoich produktach.

RTLS może być używany w szerokim zakresie aplikacji, począwszy od logistyki i magazynowania, po bezpieczeństwo wartościowych aktywów w szpitalach i fabrykach. W takich obiektach można mieć wiele odbiorników (lokalizatorów) podłączonych do układu lokalizacyjnego, określającego ich położenia. RTLS może pomóc zwiększyć produktywność, drastycznie skracając czas potrzebny do zlokalizowania ważnych zasobów.

Rysunek 2: Podstawowa struktura systemy RTLS. © Nordic Semiconductor

Schemat znajdowania drogi w pomieszczeniach

System precyzyjnego odnajdywania drogi w pomieszczeniach można też oprzeć na koncepcji AoD. Urządzenie odbiorcze, takie jak smartfon, mogłoby odbierać sygnały z zamontowanych nadajników i określać swoją dokładną lokalizację wewnątrz budynku. Dzięki takiej usłudze lokalizacyjnej, uruchomionej np. na lotnisku, wiedzielibyśmy dokładnie, jak dotrzeć do bramki naszego lotu najkrótszą drogą, bez względu na to, gdzie się aktualnie znajdujemy.

Wreszcie, niezwykle pożądanym przypadkiem użycia takiego systemu jest znajdowanie lokalizacji człowieka w sytuacjach awaryjnych. Jako przykładu użyjemy dużego centrum handlowego lub kompleksu biurowego z dostępnymi odpowiednimi urządzeniami lokalizacyjnymi, obejmującymi wszystkie obszary. W przypadku pożaru, system taki dostarczałby służbom ratunkowym bardzo dokładnych informacji na temat każdego, kto może przebywać w budynku. Pozwoliłoby to załogom ratunkowym dostać się bezpośrednio do zagubionych osób bez metodycznego przeszukiwania kompleksu, unikając jednocześnie niepotrzebnych dywagacji, czy ktoś nadal jest uwięziony w środku, oszczędzając tym samym cenne minuty.

Jako lider rynku technologii Bluetooth Low Energy, Nordic Semiconductor jest zaangażowany w oferowanie projektantom najnowszych funkcji, włączonych do specyfikacji. Tak też dzieje się w przypadku funkcji Bluetooth Direction Finding. Opracowano wiele układów SoC, obsługujących funkcję BDF, od bogatego w funkcje dwurdzeniowego nRF5340 po ekonomiczny nRF52811. Wszystkie z nich są wieloprotokołowymi SoC z obsługą wyszukiwania kierunku z AoA i AoD, stanowiąc fascynującą opcję tworzenia aplikacji lokalizacyjnych.

Żródło: © Nordic Semiconductor