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Obtenga recursos en tiempo real preciso y de bajo consumo en interiores usando la función de radiogonometría con Bluetooth

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las fábricas, almacenes e instalaciones de fabricación utilizan cada vez más etiquetas para realizar el seguimiento de la ubicación de los recursos en tiempo real. Los datos se integran entonces normalmente en un sistema apropiado de control de inventario de la Internet industrial de las cosas (IIoT) basado en la nube para permitir el seguimiento remoto de los recursos. El problema es que, aparte de la NFC, la mayoría de las soluciones de rastreo de recursos dependen de etiquetas que funcionan con baterías, lo que requiere mantener el consumo de energía lo más bajo posible. Además, algunas de las soluciones pueden ser poco fiables e imprecisas cuando se utilizan en interiores.

Por ejemplo, las etiquetas GPS son poco fiables en interiores, especialmente en edificios de acero y hormigón. Los sistemas clásicos de localización por Bluetooth se basan en la información del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI), que, si bien es útil, a menudo no cumple con los requisitos de precisión de los diseñadores. Lo que se necesita es una solución de rastreo de recursos inalámbrica fiable, rentable, precisa y alimentada por baterías que pueda utilizarse en interiores y que, al mismo tiempo, permita una larga duración de las pilas.

Para afrontar estos retos, este artículo describirá el protocolo de radiogonometría con Bluetooth 5.1 y cómo funciona. El artículo presentará entonces un módulo Bluetooth rentable de Silicon Labs que es compatible con este protocolo y muestra cómo puede cumplir tanto con los requisitos de precisión como de bajo consumo de energía de un sistema de control de inventario del IIoT.

¿Qué es el rastreo de recursos y por qué se necesita para el IIoT?

Los sistemas avanzados de control de inventarios del IIoT requieren el seguimiento en tiempo real de los recursos desde la nube en cualquier parte del mundo. Los grandes almacenes que guardan productos y equipos de alto valor pueden necesitar etiquetas de localización de recursos para el control de inventario y la asistencia antirrobo. Esto permite a los trabajadores de los almacenes humanos, así como a los equipos de recogida automatizada, localizar rápida y eficazmente un artículo y prepararlo para su envío. En cuanto a la gestión del inventario, la existencia y la ubicación de los bienes pueden determinarse fácilmente y desglosarse para los informes periódicos de situación. Este es un método más fiable para proporcionar el estado del inventario que la revisión manual de los manifiestos de envío que rastrean los recursos entrantes y salientes.

Además de los sistemas de gestión de inventario del IIoT, en los sistemas antirrobo se utiliza el seguimiento de la ubicación de los bienes en tiempo real. Si un artículo en un almacén no está programado para su envío, el sistema IIoT puede alertar a la seguridad si se rastrea cerca de una salida. La localización de recursos en tiempo real también puede acelerar el servicio y la entrega en una época en que la entrega al día siguiente está evolucionando rápidamente hacia expectativas de entrega en el mismo día.

Para el seguimiento de recursos en volumen, la etiqueta de localización de recursos debe ser rentable y tener una larga duración de la batería. Las etiquetas NFC no utilizan baterías, pero requieren que el receptor esté a menos de 20 centímetros (cm) de la etiqueta, lo que limita su utilidad. Los rastreadores GPS no son fiables en interiores ya que las señales de rastreo de los satélites pueden ser bloqueadas, especialmente por estructuras de acero y hormigón.

Una popular solución de rastreo de recursos se basa en la función de localización de balizas de Bluetooth. Esto rastrea la ubicación de una etiqueta comparando la intensidad de la señal de referencia codificada en el mensaje de la baliza con la intensidad de la señal recibida. La ubicación de la baliza se triangula usando tres o más receptores para obtener una aproximación de la ubicación de la baliza. Sin embargo, este enfoque no proporciona la precisión necesaria para los sistemas de gestión de inventarios. Además, la precisión de la localización puede verse afectada por los cambios en la humedad, así como por los objetos en movimiento como montacargas, trabajadores y puertas.

Búsqueda de direcciones por Bluetooth

La solución es el radiogoniómetro con Bluetooth, una función incluida en la especificación del Bluetooth 5.1.

La radiogoniometría con Bluetooth triangula la ubicación de una etiqueta de recurso alimentada por batería basándose en el desplazamiento de fase de la señal recibida en dos o más antenas. Como resultado, tiene una precisión inferior a un metro (m) y es una solución de rastreo de localización rentable que puede utilizarse de manera fiable en interiores, a la vez que permite años de funcionamiento con una sola batería de pilas de monedas.

En la radiogonometría con Bluetooth, una nueva señal llamada extensión de tono continuo (CTE) se añade al paquete de publicidad estándar de Bluetooth. El CTE es un tono continuo enviado a través de una frecuencia calculada como la frecuencia del Bluetooth +250 Hz. Debido a que el CTE es independiente de los paquetes de mensajes Bluetooth regulares, no interfiere o retrasa estos paquetes. Esto permite que las antenas receptoras obtengan una fijación continua e ininterrumpida en tiempo real, resolviendo el problema del rastreo de la ubicación en tiempo real.

Ángulo de llegada y ángulo de salida

La radiogoniometría con Bluetooth utiliza dos tipos de mecanismos de detección de localización basados en antenas, denominados ángulo de llegada (AoA) y ángulo de salida (AoD) (Figura 1). El AoA se utiliza cuando los sistemas externos deben hacer un seguimiento de las etiquetas individuales. Una etiqueta de recurso que contiene un módulo compatible con Bluetooth 5.1 o posterior emite un CTE. Un receptor Bluetooth en la estación base con dos antenas recibe la señal de llegada. El receptor utiliza la diferencia de fase entre las dos señales muestreadas recibidas por las antenas para calcular por triangulación la distancia a la etiqueta de recurso.

Diagrama de los métodos de radiogoniometría de la AoA y la AoD (hacer clic para ampliar)Figura 1: En el método AoA de radiogoniometría (izquierda), una etiqueta de recurso transmite su señal a un localizador de estación base Bluetooth AoA que mide el ángulo de llegada de la señal a dos o más antenas para determinar la ubicación de la etiqueta. Con el método AoD (derecha), las estaciones base Bluetooth transmiten balizas a las etiquetas de los recursos que calculan su propia posición. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Para evitar los errores de muestreo debidos al aliasing, la distancia entre las dos antenas de recepción debe corresponder a la longitud de onda de la frecuencia de Nyquist de la señal recibida, que es la longitud de onda de la señal recibida dividida por dos. Una señal de Bluetooth de aproximadamente 2.4 gigahercios (GHz) corresponde a una longitud de onda de 12.5 cm, por lo que la distancia entre las dos antenas debe ser de 6.25 cm o menos. Utilizando la diferencia de fase entre las señales de las dos antenas, la distancia fija conocida entre las dos antenas y la configuración conocida de las dos antenas, se puede calcular la distancia a la etiqueta del recurso.

Si se utiliza una unidad receptora de antena adicional con dos antenas de la misma configuración que la primera unidad, se puede determinar la ubicación exacta de la etiqueta del bien en el espacio tridimensional.

El método AoD se utiliza cuando la etiqueta del recurso debe llevar un registro de su propia ubicación. En el método AoD, la etiqueta es el receptor Bluetooth y la estación base con múltiples antenas es el transmisor Bluetooth. La estación base transmite un CTE desde cada antena. El firmware del receptor conoce el número de antenas, la distancia fija conocida entre cada antena, la configuración conocida de las múltiples antenas y utiliza las diferencias de fase entre las señales recibidas para calcular su propia ubicación.

Para un sistema de control de inventario del IIoT en un almacén, las etiquetas de los bienes alimentados con pilas que se adhieren a las cajas o los contenedores utilizarían la AoA, mientras que las carretillas elevadoras o el equipo automatizado de recogida y empaquetado utilizarían la AoD. Las carretillas elevadoras y otros equipos automatizados de recolección y empaque son de uso rudo y no tienen baterías, por lo que pueden transmitir su ubicación a través de Wi-Fi al centro principal del IIoT. Todo esto puede ser rastreado en tiempo real en una interfaz de nubes del IIoT.

Módulos de radiogoniometría con Bluetooth de baja potencia

Para las aplicaciones de radiogoniometría con Bluetooth 5.2 de bajo consumo, Silicon Labs ha presentado la familia de módulos Bluetooth BGM220, que está especificada para proporcionar una duración de 10 años de batería en una única célula de moneda de larga duración. La versión BGM220PC22HNA2 es un módulo transceptor Bluetooth 5.2 con una huella de 12.9 x 15.0 milímetros (mm) y un perfil de 2.2 mm (Figura 2). Requiere una fuente de alimentación de 1.8 a 3.8 voltios, lo que la hace apropiada para aplicaciones que pueden funcionar con pilas de monedas de litio de larga duración de 3.0 voltios, así como con pilas recargables de 3.6 voltios de iones de litio (Li-ion) de mayor tamaño para dispositivos móviles de consumo. Puede funcionar entre -40 °C y +105 °C, lo que lo hace especialmente adecuado para entornos difíciles como fábricas y almacenes industriales.

Imagen del módulo compacto Bluetooth 5.2 BGM220PC22HNA2 de Silicon LabsFigura 2: El BGM220PC22HNA2 es un módulo compacto de Bluetooth 5.2 que soporta la radiogoniometría con Bluetooth hasta 10 años en una sola batería de célula de moneda de larga duración. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El radio del BGM220PC22HNA2 opera en la banda de 2.4 GHz y emite 8 decibelios referidos a 1 milivatio (mW) (dBm). El módulo incluye todos los condensadores e inductores de desacoplamiento necesarios, así como osciladores de 38.4 megahercios (MHz) y 32,768 kilohercios (kHz) y una antena de chip de cerámica integrada (Figura 3). El módulo se basa en un núcleo Arm® Cortex®-M33 soportado por 512 kilobytes (Kbytes) de flash y 32 Kbytes de RAM.

Diagrama del módulo Bluetooth BGM220PC22HNA2 de Silicon Labs (hacer clic para ampliar)Figura 3: El módulo Bluetooth BGM220PC22HNA2 tiene todo lo necesario para soportar una etiqueta de recurso de radiogoniometría con Bluetooth autocontenida, incluyendo una radio de 2.4 GHz, memoria, un procesador Arm Cortex-M33 y un ADC. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Los periféricos disponibles para la personalización del firmware incluyen un convertidor analógico-digital (ADC) de 76.9 kilos-muestras por segundo (kSPS) de 16 bits que también puede ser configurado para funcionar como un ADC de 12 bits y de 1,000 kSPS. Hay disponibles hasta 24 pines de E/S para la personalización del firmware. Hay cuatro temporizadores de 16 bits y uno de 32 bits disponibles para cronometrar los eventos del firmware. Dos interfaces I2C pueden acceder a los periféricos externos. El BGM220P también incluye dos USARTs multifuncionales que pueden ser configurados independientemente como UART, SPI, interfaz de tarjeta inteligente, IrDA, o I2S. Esto permite flexibilidad en la selección de las interfaces en serie mientras se reduce el número de pines.

Cuando se utiliza el BGM220PC22HNA2 en una etiqueta de recursos de radiogoniometría con Bluetooth, la aplicación debe utilizar solo los periféricos necesarios, y apagar la alimentación de los que no se utilizan para prolongar la duración de la batería. Una configuración mínima de etiqueta de recursos solo contendría el BGM220PC22HNA2 con una batería de 3.0 voltios en una carcasa no metálica que no interfiera con la transmisión de las señales de Bluetooth. Se podrían conectar interruptores externos a los pines de E/S para personalizar el arranque, como por ejemplo, configurar la identificación de las etiquetas individuales. Se podrían conectar uno o más LED externos, pero los diseñadores deben tener cuidado, ya que cada LED es un gasto adicional de la batería. Lo ideal sería que los LED solo se usaran durante la configuración.

Desarrollo de aplicaciones de radiogoniometría con Bluetooth

Para el desarrollo de aplicaciones con radiogoniometría con Bluetooth, Silicon Labs proporciona el kit de inicio del módulo Bluetooth Gecko inalámbrico SLWSTK6103A BGM220P(Figura 4). Incluye una placa de radio enchufable que es una placa portadora para un módulo BGM220P. En el centro de la placa hay una pantalla LCD de 128 x 128, que muestra el logo de Silicon Labs con texto adicional.

Debajo de la pantalla LCD hay dos pulsadores programables en firme. La pantalla LCD se puede utilizar durante el desarrollo para mostrar la información de estado, y los pulsadores para controlar el flujo del firmware. La depuración se realiza a través del conector USB. Hay conectores adicionales disponibles para apoyar el software de monitoreo de energía de Silicon Labs, lo que permite que la aplicación se afine para consumir solo la energía mínima necesaria.

Imagen del kit de inicio SLWSTK6103A BGM220P de Silicon LabsFigura 4: El kit de inicio SLWSTK6103A BGM220P contiene todo lo necesario para desarrollar el firmware de un módulo BGM220P para ser compatible con la radiogoniometría con Bluetooth. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El SLWSTK6103A también tiene un sensor de temperatura y humedad. En el caso de una etiqueta de recursos de radiogoniometría con Bluetooth, se pueden conectar sensores ambientales a una interfaz I2C para monitorear las condiciones que rodean a la etiqueta de activos y transmitir una alerta por Bluetooth si las condiciones exceden los umbrales preprogramados. E/S adicionales y pines periféricos son llevados a los conectores de cabecera. El kit de inicio puede ser alimentado por una conexión USB externa o una batería de pilas de monedas.

Conclusión:

El seguimiento de recursos en tiempo real en los sistemas de gestión de inventarios del IIoT requiere una solución precisa, fiable y rentable que sea pequeña y de baja potencia. Como se muestra, la función de radiogoniometría de la especificación de Bluetooth 5.1 puede integrarse rápidamente en una etiqueta de recursos utilizando módulos estándar para proporcionar el grado necesario de capacidad y rendimiento de localización en tiempo real.

Más información

  1. Usar las plataformas compatibles con Bluetooth 5.1 para el seguimiento preciso de recursos y posicionamiento en interiores: Parte 1
  2. Usar un SoC avanzado con Bluetooth 5.2 para construir dispositivos seguros de IOT de bajo consumo

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Acerca de este autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

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