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使用藍牙定向達到準確、低功率的即時室內資產追蹤

作者:Bill Giovino

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

越來越多工廠、倉庫與製造設施開始使用標籤來進行即時的資產位置追蹤。資料通常會整合到適當的雲端工業物聯網 (IIoT) 庫存控制系統中,以便進行遠端資產追蹤問題在於,除了 NFC 之外,絕大多數的資產追蹤方案都需要使用電池供電式標籤,因此必須盡可能降低功耗。此外,有些解決方案在室內使用時,並不可靠且不準確。

例如,GPS 標籤在室內就不可靠,特別是在鋼筋水泥建築物裡時。傳統藍牙定位系統以接收訊號強度指標 (RSSI) 資訊為基礎,即便實用,但往往無法達到設計人員的準確性要求。因此需要的是可靠、符合成本效益、準確且由電池供電的無線資產追蹤解決方案,不僅可在室內使用,還可達到耐久的電池續航力。

為了克服難題,本文將說明藍牙 5.1 定向協議及其運作方式。接著將介紹由 Silicon Labs 推出、符合成本效益且支援此協議的藍牙模組,然後說明其如何符合 IIoT 庫存控制系統對準確性以及低功耗的要求。

資產追蹤是什麼,IIoT 為何需要此功能?

先進的 IIoT 庫存控制系統隨時隨地需要透過雲端即時進行資產追蹤。存放高價產品與設備的大型倉庫可能需要資產定位標籤,以達到庫存控制並提供防盜輔助功能。如此一來,倉庫工作人員以及自動化揀貨設備就可迅速有效地定位物品,接著備妥物品以便出貨。為了達到庫存管理,資產的存在與位置可輕鬆判定並列項,以提供定期狀態報告。比起人工檢查出貨單來追蹤資產進出,這能以更可靠的方式提供庫存狀態。

除了 IIoT 庫存管理系統外,資產的即時定位追蹤也可用於防盜系統。若倉庫中的物品尚未排程出貨,但卻在出口追蹤到該物品,IIoT 系統可發出安全警報。在這個期望隔日送達迅速演變成期望當天送達的年代,資產即時定位亦可加速服務與出貨。

若要追蹤大量資產,資產定位標籤必須符合成本效益且擁有耐久的電池續航力。NFC 標籤並不需要使用電池,但接收器必須在標籤周圍 20 公分 (cm) 內,因此實用性有所限制。GPS 追蹤器在室內並不可靠,因為衛星追蹤訊號會受到阻擋,特別是在鋼筋水泥建築物內時。

有個常用的資產追蹤解決方案,則採用藍牙信標定位功能。此方案會將信標訊息內編碼的基準訊號強度與接收到的訊號強度進行比較,藉此追蹤標籤的位置。接著會使用三個或更多個接收器,對信標的位置進行三角測量,以取得信標的大概位置。然而,此做法並未提供庫存管理系統所需的精密度。此外,位置準確度也會受到濕度變化以及物體移動的影響,例如堆高機、工作人員及門片等。

藍牙定向

此藍牙定向解決方案屬於藍牙 5.1 規範的一個特點。

藍牙定向功能會用兩個或更多天線,依據接收到的訊號相位偏移,對電池供電式資產標籤進行三角測量。因此,準確度可達到 1 公尺 (m) 內,更是符合成本效益的位置追蹤解決方案,可在室內可靠運作,同時能以單一顆鈕扣型電池運作數年。

在藍牙定向運作中,會在標準的藍牙廣播封包中添加一種新訊號,名為固定頻率延伸 (CTE)。CTE 是在一個頻率上傳送的固定頻率,計算成藍牙頻率 + 250 Hz。由於 CTE 不受一般藍牙訊息封包的影響,因此不會對封包造成干擾或延遲。如此一來,接收天線就可即時取得連續不受干擾的定位,藉此解決即時位置追蹤的難題。

入射角與發射角

藍牙定向使用兩種相移、天線式位置偵測機制,稱為入射角 (AoA) 及發射角 (AoD) (圖 1)。若外部系統要持續追蹤個別標籤時,會使用 AoA。資產標籤含有相容的藍牙 5.1 (或更新版本) 模組來廣播 CTE。基地台中的藍牙接收器有兩個天線可接收入射訊號。接收器會使用天線所接收的兩個取樣訊號之間相位差,透過三角測量法來計算資產標籤的距離。

AoA 與 AoD 定向法示意圖 (按此放大)圖 1:在 AoA 定向方法中,資產標籤會將訊號廣播到藍牙 AoA 基地台定位器,再由其透過兩或多個天線測量訊號的入射角,藉此判定標籤的位置。若是 AoD 方法 (右側),藍牙基地台會發射信標到資產標籤,再由其計算本身的位置。(圖片來源:Silicon Labs)

為了避免交疊產生取樣錯誤,兩個接收天線之間的距離必須對應接收訊號的奈奎斯特頻率波長,此波長即接收訊號波長除以二。大約 2.4 GHz 的藍牙訊號可對應 12.5 cm 的波長,因此兩個天線之間的距離必須為 6.25 cm 或更短。透過兩個天線訊號之間的相位差、兩個天線之間的已知固定距離,以及兩個天線已知的配置,即可計算資產標籤的距離。

若兩個相同配置的天線使用一個額外的天線接收單元作為首要單元,即可判定資產標籤在 3D 空間內的確切位置。

當資產標籤必須持續追蹤其本身位置時,可使用 AoD 作法。在 AoD 作法中,標籤就是藍牙接收器,具有多個天線的基地台是藍牙發射器。基地台會在各個天線發射 CTE。接收器韌體知道天線數量,再加上各天線之間的已知固定距離、多個天線的已知配置,即可使用接收訊號之間的相位差來計算其本身位置。

對倉庫中的 IIoT 庫存控制系統來說,貼附在包裝盒或容器上的電池供電式資產標籤會使用 AoA,堆高機或自動化揀貨與包裝設備則會使用 AoD。堆高機及其他自動化揀貨與包裝設備皆有高負載且不重視電池電量,因此可透過 Wi-Fi 將其位置傳送到 IIoT 主中樞。這些資訊皆可在 IIoT 雲端介面中即時追蹤。

低功耗藍牙定向模組

Silicon Labs 針對低功耗藍牙 5.2 定向應用推出 BGM220 藍牙模組系列,能以單一顆耐久鈕釦型電池提供 10 年電池續航力。BGM220PC22HNA2 款式屬於藍牙 5.2 收發器模組,覆蓋區為 12.9 x 15.0 mm,厚度為 2.2 mm (圖 2)。此元件需要一個 1.8 至 3.8 V 電源供應器,因此適用於能以耐久型 3.0 V 鈕釦型鋰電池運作的應用,若是消費性行動裝置,也可用較大型的可充電式 3.6 V 鋰離子電池。工作溫度介於 -40°C 至 +105°C,因此特別適合嚴峻環境,如工廠及工業倉庫。

Silicon Labs 的 BGM220PC22HNA2 小型藍牙 5.2 模組圖片圖 2:BGM220PC22HNA2 是小型藍牙 5.2 模組,可支援藍牙定向,並能以單一顆耐久型鈕扣型電池運作長達 10 年。(圖片來源:Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2 無線電能在 2.4 GHz 頻段中運作,在 1 mW 基準下可輸出 8 dB (dBm)。此模組含有所有必要的解耦電容與電感,以及 38.4 MHz 與 32.768 kHz 振盪器,以及一個整合式陶瓷晶片天線 (圖 3)。此模組採用 Arm® Cortex®-M33 核心,病友 512 Kb 快閃記憶體與 32 Kb RAM 的支援。

Silicon Labs 的 BGM220PC22HNA2 藍牙模組圖片 (按此放大)圖 3:BGM220PC22HNA2 藍牙模組具有所有必備項目,可支援自足式藍牙定向資產標籤,包含一個 2.4 GHz 無線電、記憶體、Arm Cortex-M33 處理器及 ADC。(圖片來源:Silicon Labs)

周邊元件可進行韌體客製化,包括一個 76.9 kSPS 16 位元類比數位轉換器 (ADC),其亦可進行配置,當作 12 位元 1,000 kSPS ADC 使用。提供多達 24 個 I/O 引腳,可進行韌體客製化。提供四個 16 位元計時器與一個 32 位元計時器,可用於計時韌體事件。兩個 I2C 介面可存取外部周邊裝置。BGM220P 亦含有兩個多功能 USART,可獨立配置成 UART、SPI、智慧卡介面、IrDA 或 I2S。如此即可靈活地挑選序列介面,同時減少引腳數。

在藍牙定向資產標籤中使用 BGM220PC22HNA2 時,應用僅可使用必要的周邊裝置,且需將未使用的周邊裝置電源關閉以延長電池續航力。最小的資產標籤配置僅由 BGM220PC22HNA2 搭配一個 3.0 V 電池組成,再裝入一個不會干擾藍牙訊號傳輸的非金屬外罩中。外部開關可連接到 I/O 引腳以進行開機客製化,例如設定個別標籤的辨識資訊。可連接一個或多個外部 LED,但設計人員此時必須小心,因為每個 LED 都會額外耗用電池電力。理想狀況下,LED 僅會在配置時運作。

開發藍牙定向應用

為了開發藍牙定向應用,Silicon Labs 提供 SLWSTK6103A BGM220P Wireless Gecko 藍牙模組入門套件 (圖 4)。其中含有插入式無線電板,是用於 BGM220P 模組的載板。在板件中間有個 128 x 128 LCD 顯示器,可顯示 Silicon Labs 的標誌及額外文字。

在 LCD 顯示器下方,有兩個韌體編程的按鈕。此 LCD 可在開發時使用,以顯示狀態資訊,按鈕則可控制韌體流程。可透過 USB 連接器支援除錯。有提供額外連接器,可支援 Silicon Labs 的能源監控軟體,因此能微調應用,僅耗用必要的最少電力。

Silicon Labs 的 SLWSTK6103A BGM220P 入門套件圖片圖 4:SLWSTK6103A BGM220P 入門套件含有所有必要項目,可開發 BGM220P 模組用的韌體,以支援藍牙定向。(圖片來源:Silicon Labs)

SLWSTK6103A 亦具有一個溫度與濕度感測器。使用藍牙定向資產標籤時,可將環境感測器附加到 I2C 介面上,以監測資產標籤周遭條件,並在條件超過預編程的臨界值時透過藍牙傳送警示。可將額外的 I/O 與周邊裝置引腳引出到排針座。入門套件可由外部 USB 連接或鈕扣型電池供電。

結論

要在 IIoT 庫存管理系統中進行即時資產追蹤,需要準確、可靠且符合成本效益的解決方案,更要小巧且低功耗。如本文所述,藍牙 5.1 規範的定向功能可使用現成的模組快速整合到資產標籤中,即可提供必要的即時位置追蹤能力與效能。

延伸閱讀

  1. 使用支援藍牙 5.1 的平台實作精確的資產追蹤和室內定位 - 第 1 篇
  2. 藉由進階藍牙 5.2 SoC 打造安全的低功耗 IoT 裝置

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關於作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是電子工程師,擁有美國雪城大學的電機工程學士學位,也是少數從設計工程師跨足現場應用工程師,再到技術行銷領域的成功典範之一。

Bill 過去 25 年來熱衷於向科技和非科技業的對象推廣新技術,包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 等多家企業。Bill 在 STMicroelectronics 任職期間,曾協助領導該公司順利進軍微控制器領域。在 Infineon 任職時,則策劃出該公司首款在美國汽車業大受歡迎的微控制器設計。Bill 目前是他個人公司 CPU Technologies 的行銷顧問,曾協助諸多企業讓表現不佳的產品重獲市場青睞。

Bill 更是採用物聯網的先驅,包括在微控制器中首次納入完整的 TCP/IP 堆疊。Bill 致力於推廣「用教育促成銷售」的理念,也認可在線上推銷產品時有清楚完整文字說明的重要性。他在 LikedIn 熱門的半導體銷售和行銷群組中擔任管理員,也擁有深厚的 B2E 知識。

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