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使用蓝牙寻向技术可实现室内资产的实时低功耗精准跟踪

作者:Bill Giovino

投稿人:Digi-Key 北美编辑

工厂、仓库和制造设施越来越多地使用标签来进行资产的实时跟踪定位。然后,这些数据通常会被整合到一个适当的基于云的工业物联网(IIoT)库存控制系统中,以实现远程资产跟踪。问题是,除了 NFC 之外,大多数资产跟踪解决方案都依赖于电池供电型标签,这就要求尽可能降低功耗。此外,一些解决方案在室内使用时可能不可靠、不准确。

例如,GPS 标签用于室内时不可靠,特别是在钢筋混凝土建筑中。经典的蓝牙定位系统是基于接收信号强度指示器 (RSSI) 信息,虽然很有用,但往往不能满足设计精度要求。我们需要的是一个具有高性价比、采用电池供、可靠准确的无线资产跟踪解决方案,既可室内使用,又可延长电池寿命。

为了应对这些挑战,本文将介绍蓝牙 5.1 寻向协议及工作原理。然后,介绍来自 Silicon Labs 的一款支持该协议的高性价比蓝牙模块,并说明该器件如何同时满足 IIoT 库存管理系统的精准度和低功耗要求。

什么是资产追踪,为什么需要 IIoT?

先进的 IIoT 库存管理系统要求从世界任何地方的云端都能实时跟踪资产。对于存储高价值产品和设备的大型仓库,可能需要资产定位标签进行库存管理和辅助防盗。这样,仓库工人以及自动拣选设备就能快速有效地定位物品并做好发货准备。对于库存管理,可以很容易地确定资产的存在和位置,并定期逐项进行状态报告。这种提供库存状态的方法比人工审查跟踪资产进出的运输清单更可靠。

除了 IIoT 库存管理系统外,资产的实时定位跟踪也用于防盗系统。如果仓库中的物品没有安排发货并且在仓库出口附近追踪到该物品时,IIoT 系统就会向保安发出警报。在这个次日送达迅速转变为当日送达的时代,实时资产定位还可以提高服务和送达速度。

对于批量资产追踪,资产定位标签必须性价比高、电池寿命长。NFC 标签不使用电池,但要求接收器距离标签 20 cm 以内,这使得限制标签作用有限。GPS 跟踪器用于室内时不可靠,因为卫星跟踪信号会被阻挡,特别是被钢筋混凝土结构阻挡。

目前流行的资产跟踪解决方案依赖蓝牙的信标定位功能。该功能通过比较信标信息中经过编码的参考信号强度和接收到的信号强度来跟踪标签位置。然后,使用三个或更多的接收器对信标位置进行三角测量,以获得信标的近似位置。然而,这种方法达不到库存管理系统所需的精确度。此外,定位精度会受到湿度变化以及叉车、工人、门等移动物体的影响。

蓝牙寻向

解决方案是蓝牙寻向,这是蓝牙 5.1 规范中包含的功能。

蓝牙寻向会根据在两个或多个天线处接收到的信号的相移,对电池供电型资产标签进行三角测量。因此其精度小于一米,是一种经济实惠的定位跟踪解决方案,可在室内可靠使用并在单节钮扣电池供电的情况下工作数年。

在蓝牙寻向中,在标准蓝牙广告包中加入了一个新信号,称为音调连续扩展 (CTE)。CTE 是通过计算得出的频率发送连续音,这个频率就是 +250 Hz 蓝牙频率。由于 CTE 独立于常规的蓝牙信息数据包,所以不会干扰或延迟这些数据包。这样,接收天线就能够实时获得连续不间断修正,从而解决了实时位置跟踪问题。

到达角和离开角

蓝牙寻向采用两种相移、基于天线的位置检测机制,称为到达角 (AoA) 和离开角 (AoD)(图 1)。当外部系统必须跟踪单个标签时,就会使用 AoA。含有兼容蓝牙 5.1 或更高版本模块的资产标签会广播 CTE。基站中带有两根天线的蓝牙接收器接收到达信号。接收器利用天线接收到的两个采样信号的相位差,通过三角测量计算出与资产标签的距离。

AoA 和 AoD 寻向法的图片(点击放大)。图 1:在 AoA 寻向方法中(左),资产标签将向蓝牙 AoA 基站定位器广播其信号,然后由基站定位器测量两个或多天线处的信号到达角,从而确定标签位置。使用 AoD 方法(右),蓝牙基站将信标传送给资产标签,再由资产标签计算出自己的位置。(图片来源:Silicon Labs)

为了防止混叠造成采样误差,两根接收天线之间的距离必须与接收信号的奈奎斯特频率的波长一致,即接收信号的波长除以二。约 2.4 千兆赫 (GHz) 的蓝牙信号对应的波长为 12.5 厘米,因此两根天线的间距必须在 6.25 厘米以内。利用两根天线上信号的相位差、两根天线的固定间距及其已知配置,可计算出与资产标签的距离。

如果另外使用一个天线接收单元,并使用与第一个单元相同配置的两根天线,则可以确定资产标签在三维空间中的准确位置。

当资产标签必须跟踪自己的位置时,就会使用 AoD 方法。在 AoD 方式中,标签是蓝牙接收器,多天线基站是蓝牙发射器。基站从每根天线发射一个 CTE。接收器固件知道天线数量、已知的各天线间的固定间距、已知的多天线配置,并利用接收信号之间的相位差来计算自己的位置。

对于仓库中的 IIoT 库存控制系统来说,固定在箱子或集装箱上的电池供电型资产标签将使用 AoA,而叉车或自动拣选和包装设备将使用 AoD。叉车和其他自动化拣选和包装设备都是重型设备,而且不需要电池,因此这些设备可以通过 Wi-Fi 将自己的位置传输到 IIoT 主中心。这些都可以在 IIoT 云界面中进行实时跟踪。

低功耗蓝牙寻向模块

针对低功耗蓝牙 5.2 寻向应用,Silicon Labs 推出了 BGM220 蓝牙模块系列,这种模块采用长寿命钮扣电池供电,寿命可达 10 年。BGM220PC22HNA2 版器件是蓝牙 5.2 收发器模块,其基底面为 12.9×15.0 mm,厚度为 2.2mm(图 2)。该模块需要 1.8 - 3.8 V 电源,因此适用于可由长寿命 3.0 V 钮扣锂电池供电型应用,以及用于消费类移动设备的较大型可充电 3.6 V 锂离子 (Li-ion) 电池的应用。该模块的工作温度为 -40°C 至 +105°C,因此特别适合工厂和工业仓库等苛刻环境。

Silicon Labs 的 BGM220PC22HNA2 紧凑小巧的蓝牙 5.2 模块图图 2:BGM220PC22HNA2 是一款紧凑小巧的蓝牙 5.2 模块,支持蓝牙寻向,采用单个长寿命钮扣电池供电时可工作 10 年。(图片来源:Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2 的无线电工作频段为 2.4GHz,以 1 毫瓦 (mW) (dBm) 为基准时输出为 8 分贝。该模块包括所有必要的去耦电容器和电感器,以及 38.4 兆赫兹 (MHz) 和 32.768 千赫兹 (kHz) 振荡器、一个集成陶瓷片式天线(图 3)。该模块基于 Arm®Cortex®-M33 内核,采用 512 千字节 (KB) 闪存和 32KB RAM。

Silicon Labs 的 BGM220PC22HNA2 蓝牙模块示意图(点击放大)。图 3:BGM220PC22HNA2 蓝牙模块拥有支持自足式蓝牙寻向资产标签所需的一切,包括 2.4 GHz 无线电、存储器、Arm Cortex-M33 处理器和一个 ADC。(图片来源:Silicon Labs)

用于定制固件的外设包括一个 76.9 千次采样每秒 (kSPS) 的 16 位模数转换器 (ADC),也可配置为 12 位 1,000 kSPS ADC。提供多达 24 个 I/O 引脚用于固件定制。四个 16 位定时器和一个 32 位定时器用于固件事件的定时。两个 I2C 接口可以访问外部外设。BGM220P 还包括两个多功能 USART,可独立配置为 UART、SPI、智能卡接口、IrDA 或 I2S。这样既可减少引脚数,又可灵活地选择串行接口。

在蓝牙寻向资产标签中使用 BGM220PC22HNA2 时,应用在工作时应该只使用必要的外设并关闭未使用的电源,以延长电池寿命。一个最小的资产标签配置只包含 BGM220PC22HNA2 和一个 3.0 V 电池并采用非金属外壳,不会干扰蓝牙信号的传输。外部开关可以连接 I/O 引脚,以实现自定义启动,如设置单个标签的标识码。可以连接一个或多个外部 LED,但设计者此时需要小心,因为每个 LED 都会增加电池消耗。理想情况下,LED 只在配置期间使用。

开发蓝牙寻向应用

针对蓝牙寻向的应用开发,Silicon Labs 推出 SLWSTK6103A BGM220P 无线 Gecko 蓝牙模块入门套件(图 4)。该套件包括一块插入式无线电板,是 BGM220P 模块的载板。板子中心是 128 x 128 LCD 显示屏,显示 Silicon Labs 徽标和附加文字。

在 LCD 显示屏下方有两个固件可编程按钮。在开发过程中可以用 LCD 显示状态信息,用按钮控制固件流程。通过 USB 连接器进行调试。提供额外连接器,用于支持 Silicon Labs 能量监控软件,允许对应用进行微调,只需必要的最低功率。

Silicon Labs SLWSTK6103A BGM220P 入门套件的图片图 4:SLWSTK6103A BGM220P 入门套件包含了为 BGM220P 模块开发固件所需的一切,以支持蓝牙寻向。(图片来源:Silicon Labs)

SLWSTK6103A 还配有温度和湿度传感器。对于蓝牙寻向资产标签,可将环境传感器与 I2C 接口连接,以监视资产标签周围的环境条件,如果环境条件超过预先设定的阈值,则通过蓝牙发送警报。额外的 I/O 和外设引脚被引出到针座连接器。该入门器套件可通过外部 USB 或钮扣电池供电。

结论

IIoT 库存管理系统中的实时资产跟踪需要一种准确可靠的小体积、低成本、低功耗解决方案。如图所示,蓝牙 5.1 规范中的寻向功能可以使用现成的模块快速集成到资产标签中,以提供所需的实时位置跟踪能力和性能。

延伸阅读

  1. 使用支持蓝牙 5.1 的平台进行精确的资产跟踪和室内定位:第 1 部分
  2. 使用先进的蓝牙 5.2 SoC 构建安全的低功耗物联网设备

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关于此作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是一名电子工程师,拥有美国雪城大学的电气工程学士学位,是先后从设计工程师、现场应用工程师跨界到技术营销部门的少数成功人士之一。

25 年来,Bill 一直喜欢在技术和非技术用户面前为包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 在内的许多公司推广新技术。在 STMicroelectronics 工作期间,Bill 作为领头人帮助该公司在微控制器领域取得了早期成功。在 Infineon,经过 Bill 精心策划,该公司的首个微控制器设计便在美国汽车领域大获全胜。作为 CPU Technologies 公司的营销顾问,Bill 帮助了许多公司,让其表现不佳的产品大获成功。

Bill 是物联网的早期尝试者,包括将第一个完整的 TCP/IP 协议栈植入微控制器。Bill 秉持“教育式销售”信条,在通过在线促销产品时强调清晰明了的书面沟通的重要性。他是广受欢迎的 LinkedIn 半导体市场营销群的群主,精通 B2E。

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