Cómo aprovechar rápidamente Bluetooth AoA y AoD para el seguimiento logístico en interiores

El seguimiento de activos en tiempo real en almacenes y fábricas es un aspecto importante de la Industria 4.0. Existen varias tecnologías que permiten implantar servicios de localización en tiempo real (RTLS) para el seguimiento de activos y la mejora de los sistemas logísticos. Los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) se utilizan ampliamente para las implantaciones RTLS en exteriores, pero las señales no siempre están disponibles en el interior de los edificios. Wi-Fi es otra opción, pero tiende a tener una precisión limitada, requiere mucha energía y su implantación puede resultar costosa. La identificación por radiofrecuencia (RFID) consume poca energía y es muy precisa, pero suele ser cara. Las instalaciones RTLS de la Industria 4.0 recurren cada vez más a las técnicas de radiogoniometría Bluetooth 5.1 porque combinan un posicionamiento en interiores de alta precisión con un bajo consumo de energía, un bajo costo del hardware Bluetooth y un bajo costo de las implementaciones.

Puede resultar tentador para los desarrolladores diseñar sistemas RTLS Bluetooth desde cero. Lamentablemente, obtener la información de radiofrecuencia (RF) en fase y cuadratura (IQ) de los datos de ángulo de llegada (AoA) y ángulo de salida (AoD) necesarios para calcular la posición de un transceptor a partir de la señal de RF es todo un reto y requiere la integración de varias antenas. Incluso si se pueden capturar los datos AoA y AoD, los cálculos de localización pueden complicarse por numerosos factores, como la propagación multitrayecto, la polarización de la señal, los retardos de propagación, las fluctuaciones, el ruido, etc., antes de poder determinar con precisión la ubicación del objeto rastreado.

En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a sistemas inalámbricos Bluetooth en chip (SoC), módulos RF y antenas para su uso en aplicaciones RTLS de la Industria 4.0. Este artículo repasa brevemente las ventajas y desventajas de las distintas tecnologías RTLS y describe cómo se implementa la localización AoA y AoD por Bluetooth. A continuación, presenta SoC Bluetooth y módulos RF que incluyen el software necesario para implantar rápidamente RTLS basados en AoA y AoD, así como antenas relacionadas de Silicon Labs y u-blox. También se presentan kits de evaluación que pueden acelerar aún más la comercialización.

Las tecnologías RTLS de interior más utilizadas se implementan mediante Wi-Fi y Bluetooth (Tabla 1):

• La huella digital Wi-Fi utiliza una base de datos con la ubicación y el DI de la estación base (BSSDI) de cada punto de acceso Wi-Fi (AP) de un edificio. Una etiqueta de activos escanea el entorno Wi-Fi e informa de la lista de puntos de acceso Wi-Fi y su intensidad de la señal asociada. A continuación, se utiliza la base de datos de la encuesta para estimar la posición probable de la marca. Esta técnica no admite RTLS de alta precisión.
• Wi-Fi Time of Flight (ToF) es más preciso. Mide el tiempo que tardan las señales Wi-Fi en viajar entre dispositivos. La ToF requiere un despliegue denso de AP para mejorar la precisión del RTLS. Tanto la ToF como la toma de huellas dactilares tienen costos de dispositivo y unos requisitos energéticos elevados.
• El indicador de intensidad de la señal recibida por Bluetooth (RSSI) es compatible con RTLS, ya que permite a los dispositivos determinar su distancia aproximada a las balizas Bluetooth cercanas comparando la intensidad de la señal recibida con las posiciones conocidas de las balizas. El RSSI consume menos energía y es más barato que la huella digital Wi-Fi o el ToF, pero su precisión es limitada. Su precisión puede verse aún más reducida por factores ambientales como los niveles de humedad y los robots, o las personas que se mueven por una instalación e interfieren en los niveles de señal Bluetooth.
• Bluetooth AoA es la tecnología RTLS para interiores más reciente y precisa. Además de proporcionar una gran precisión, consume relativamente poca energía y es de bajo costo. Sin embargo, su aplicación es más compleja que la de otras alternativas.

Tabla 1: El RTLS en interiores puede implementarse utilizando diversas técnicas Wi-Fi y Bluetooth que ofrecen compensaciones entre precisión, consumo de energía y costo. (Fuente de la tabla: u-blox)

Bluetooth AoA y AoD relacionadas, las soluciones RTLS se basan en matrices de antenas para estimar la posición de un activo (Figura 1). En una solución AoA, el activo envía una señal de radiogoniometría específica desde una única antena. El dispositivo receptor dispone de una matriz de antenas y mide la diferencia de fase de la señal entre las distintas antenas causada por las diferentes distancias de cada antena con respecto al activo. El dispositivo receptor obtiene la información IQ conmutando entre las antenas activas de la matriz. A continuación, los datos del IQ se utilizan para calcular la ubicación del activo. En una solución AoD, la baliza localizadora a la que se está determinando la ubicación transmite la señal utilizando varias antenas en una matriz y el dispositivo receptor tiene una sola antena. El dispositivo receptor utiliza varias señales para determinar los datos de IQ y estimar su posición. AoA se utiliza a menudo para el seguimiento de la posición de los activos, mientras que AoD es la técnica preferida para permitir a los robots determinar dónde se encuentran en una instalación con buena precisión y baja latencia.

Figura 1: Las matrices de antenas constituyen la base de las implementaciones RTLS Bluetooth AoA y AoD. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El concepto básico para el seguimiento RTLS basado en AoA es sencillo: Θ = arccos x ((diferencia de fase x longitud de onda) / (2 π x distancia entre las antenas)) (Figura 2). Las aplicaciones reales son más complicadas y deben tener en cuenta los retrasos en la propagación de la señal causados por variables ambientales, señales multitrayecto, polarización variable de la señal y otros factores. Además, cuando las antenas se utilizan en una matriz, pueden acoplarse mutuamente y afectar a las respuestas de las demás. Por último, puede resultar bastante complicado desarrollar los algoritmos necesarios para tener en cuenta todas estas variables e implementarlos de forma eficiente en una solución de tiempo crítico en un entorno integrado con recursos limitados. Afortunadamente para los desarrolladores, las soluciones Bluetooth AoA y AoD completas incluyen recopilación y preprocesamiento de datos IQ, supresión de componentes multitrayecto, compensación de factores ambientales y acoplamiento mutuo entre antenas.

Figura 2: La ecuación para determinar el AoA (arriba a la derecha) utiliza la diferencia de fase de las señales que llegan, la longitud de onda de la señal y la distancia entre antenas adyacentes. (Fuente de la imagen: u-blox)

Sistemas en chip (SoC) para Bluetooth AoA y AoD

Los desarrolladores pueden recurrir a SoC como el EFR32BG22C222F352GN32-C de Silicon Labs para implementar redes Bluetooth 5.2 y AoA y AoD. Este SoC forma parte de la familia EFR32BG22 Wireless Gecko, que incluye un núcleo Arm® Cortex®-M33 de 32 bits con una frecuencia máxima de funcionamiento de 76,8 MHz, además de un núcleo de radio de bajo consumo a 2,4 GHz con bajas corrientes activas y de reposo y un amplificador de potencia integrado con una potencia de transmisión (TX) de hasta 6 decibelios-metro (dBm) en un encapsulado QFN32 de 4 × 4 × 0,85 milímetros (mm) (Figura 3). Incluyen arranque seguro con raíz de confianza y cargador seguro (RTSL). Las características de seguridad adicionales incluyen aceleración criptográfica por hardware para AES128/256, algoritmo de control seguro-1, algoritmo de control seguro-2 (hasta 256 bits), ECC (hasta 256 bits), ECDSA y ECDH, y un verdadero generador de números aleatorios (TRNG) conforme a NIST SP800-90 y AIS-31. Además, según el modelo, estos sistemas en chip (SoC) tienen hasta 512 kB de Flash y 32 kB de RAM, y están disponibles en encapsulados QFN40 de 5 × 5 × 0,85 mm y TQFN32 de 4 × 4 × 0,30 mm.

Figura 3: Los SoC Gecko Bluetooth inalámbricos EFR32BG22 compatibles con AoA y AoD están disponibles en un encapsulado QFN32 de 4 × 4 × 0,85 mm (Imagen: Silicon Labs)

El kit profesional inalámbrico BG22-RB4191A incluye una placa de radiogoniometría basada en el SoC Gecko inalámbrico EFR32BG22 de 2.4 GHz y una matriz de antenas optimizada para una radiogoniometría precisa que puede acelerar el desarrollo de aplicaciones RTLS basadas en Bluetooth 5.1 que utilicen los protocolos AoA y AoD (Figura 4). La placa base dispone de varias herramientas para facilitar la evaluación y el desarrollo de aplicaciones inalámbricas, entre las que se incluyen:

• Depurador J-Link integrado para programación y depuración en el dispositivo de destino a través de Ethernet o USB
• Mediciones de corriente y voltaje en tiempo real con el monitor de energía avanzado
• La interfaz de puerto COM virtual proporciona una conexión de puerto serie a través de Ethernet o USB.
• La interfaz de rastreo de paquetes proporciona información de depuración sobre los paquetes de datos inalámbricos recibidos y transmitidos.

Figura 4: El kit profesional inalámbrico BG22-RB4191A con el SoC Gecko inalámbrico EFR32BG22 y una matriz de antenas puede acelerar el desarrollo de aplicaciones RTLS AoA y AoD. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Módulos para Bluetooth AoA y AoD

u-blox ofrece módulos Bluetooth con y sin antenas integradas compatibles con AoA y AoD. Para aplicaciones que se benefician de un módulo sin antena integrada, los diseñadores pueden recurrir a la serie NINA-B41x, como el NINA-B411-01B, basado en el IC nRF52833 de Nordic Semiconductor (Figura 5). Estos módulos incluyen un núcleo RF integrado y un ARM® Cortex®-M4 con procesador de coma flotante y funcionan en todos los modos Bluetooth 5.1, incluidos AoA y AoD. Con un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +105 grados Celsius (°C), estos módulos son muy adecuados para aplicaciones RTLS en entornos industriales. Además, su rango de tensión de entrada de 1,7 a 3,6 V los hace útiles en sistemas alimentados por baterías de una sola pila.

Figura 5: Los módulos de la serie NINA-B41x admiten soluciones RTLS compactas que utilizan antenas externas. (Fuente de la imagen: DigiKey).

La Serie NINA-B40x de u-blox, como el NINA-B406-00B, incluye una antena de traza interna integrada en la placa de circuito impreso del módulo de 10 x 15 x 2,2 mm (Figura 6). Los módulos NINA-B406 pueden suministrar hasta +8 dBm de potencia de salida. Además de ser compatibles con los modos Bluetooth 5.1, incluidos AoA y AoD, estos módulos son compatibles con los protocolos 802.15.4 (Thread y ZigBee) y 2,4 GHz propiedad de Nordic, lo que permite a los diseñadores estandarizar en un único módulo una amplia gama de diseños de dispositivos IoT.

Figura 6: Las aplicaciones AoA y AoD que se benefician de una antena integrada pueden utilizar los módulos de la serie NINA-B40x. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Para acelerar la comercialización, los diseñadores pueden utilizar el kit explorador XPLR-AOA-1 de u-blox que permite experimentar con la función de radiogoniometría Bluetooth 5.1 y la compatibilidad con las funciones AoA y AoD. Este kit de exploración incluye una etiqueta y una placa de antena con un módulo NINA-B411 Bluetooth LE (Figura 7). La etiqueta está construida en torno a un módulo Bluetooth NINA-B406 e incluye software para enviar mensajes publicitarios Bluetooth 5.1. La placa de la antena está diseñada para recibir los mensajes y aplicar un algoritmo de cálculo de ángulos para determinar la dirección de la etiqueta. Los ángulos se calculan en dos dimensiones utilizando la matriz de antenas de la placa.

Figura 7: El kit explorador XPLR-AOA-1 incluye una etiqueta (izquierda) y una placa de antena (derecha) para apoyar la evaluación de Bluetooth AoA y AoD. (Fuente de la imagen: u-blox)

La flexibilidad del kit XPLR-AOA-1 permite a los diseñadores explorar una gran variedad de aplicaciones, como:

• Detectar si un objeto se acerca a una puerta
• Permitir que una cámara siga a un activo en movimiento en una sala
• Seguimiento de las mercancías que atraviesan una puerta o pasan por una posición determinada
• Evitar colisiones entre robots o vehículos de guiado automático

Además, se puede crear un sistema de posicionamiento más complejo utilizando varios kits XPLR-AOA-1 y triangulando las direcciones desde tres o más placas de antena.

Resumen

Bluetooth AoA y AoD pueden proporcionar implementaciones RTLS precisas y rentables para la Industria 4.0. Diseñadores que pueden elegir entre sistemas en chip (SoC) y módulos que incluyen el software necesario para implantar rápidamente el complejo software necesario para desplegar Bluetooth AoA y AoD. Estos sistemas en chip (SoC) y módulos se han optimizado para un bajo consumo de energía, a fin de que sean compatibles con etiquetas de localización alimentadas por batería, y están diseñados para funcionar en entornos industriales hostiles.