Usar plataformas habilitadas con Bluetooth 5.1 para el seguimiento preciso de activos y el posicionamiento en interiores - Parte 2

Nota del editor: En laparte 1 de esta serie de dos partes se describen las capacidades de búsqueda de dirección de Bluetooth 5.1, una adición al firmware Bluetooth de baja energía que les permite a los diseñadores desarrollar aplicaciones de localización basadas en el AoA (ángulo de llegada) y el AoD (ángulo de salida), tales como los sistemas de seguimiento de activos y de IPS (posicionamiento en interiores). En esta segunda y última parte se exploran las plataformas de desarrollo y de sistema en chip (SoC) adecuadas sobre las cuales se pueden construir y configurar aplicaciones de búsqueda de dirección de Bluetooth 5.1.

La última versión de la especificación Bluetooth Core, versión 5.1, les ha facilitado a los desarrolladores la implementación de sistemas de seguimiento de activos y de posicionamiento en interiores (IPS). Precisamente, la especificación agrega una extensión de tono continuo (CTE) a un paquete Bluetooth para permitir que un receptor extraiga datos “IQ” (la información en fase y en cuadratura requerida para calcular la posición de un transceptor) de la señal de RF sin los efectos disruptivos de la modulación. Además, ahora es mucho más simple para el desarrollador configurar el protocolo para realizar un muestreo IQ utilizando la interfaz de controlador host (HCI) para configurar el controlador para dicho muestreo.

Sin embargo, la extracción de datos IQ aún no es simple, ya que requiere el uso de una matriz de antena bien diseñada aliada a un microprocesador inalámbrico. Incluso cuando los datos IQ se hayan puesto a disposición, aún deben procesarse para tener en cuenta la recepción multitrayecto, la polarización de la señal y los retardos de propagación, el ruido y las fluctuaciones antes de que se pueda calcular la ubicación del transmisor.

Este artículo describe lo que se necesita para una solución práctica y luego presenta plataformas y módulos de desarrollo adecuados de Dialog Semiconductor, Silicon Labs y Nordic Semiconductor que se pueden usar para construir aplicaciones de búsqueda de dirección Bluetooth 5.1. Finalmente, el artículo muestra cómo comenzar a crear prototipos, probar y verificar diseños en estas plataformas.

Arquitectura de los paquetes Bluetooth 5.1

Los paquetes Bluetooth 5.1 incluyen una CTE compuesta por "1s" digitales para asegurar que, para esta parte de la señal, la antena reciba una frecuencia constante (en lugar de la frecuencia modulada normalmente utilizada para transmitir datos de Bluetooth). Además, esta cadena de datos no se blanquea (es decir, no se decorrelaciona). Una radio Bluetooth de baja energía (LE) configurada adecuadamente que recibe un paquete que incorpora una señal de CTE procede a tomar muestras de IQ durante el período de CTE. Una sola muestra de IQ consiste en la representación en coordenadas cartesianas de la amplitud de la señal y el ángulo de fase (Figura 1).

Figura 1: Las aplicaciones de búsqueda de dirección comienzan con la toma de muestras de IQ del dispositivo receptor Bluetooth LE del ángulo de fase y la amplitud durante la porción de la CTE de un paquete Bluetooth para cada antena de una matriz. Estas muestras se representan como coordenadas cartesianas (I, Q). (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

La especificación Bluetooth Core v5.1 detalla los cambios en el controlador Bluetooth LE que permiten que las técnicas de AoA y AoD utilicen la comunicación con conexión ("emparejada") o sin conexión. Sin embargo, el AoA generalmente se usará para aplicaciones con conexión, como el seguimiento de activos, mientras que el AoD se usará con aplicaciones sin conexión, como el IPS.

La búsqueda de dirección con conexión utiliza paquetes Bluetooth 5.1 estándar con la CTE añadida al final. Por el contrario, la búsqueda de dirección sin conexión utiliza una CTE añadida a los paquetes de publicidad periódicos de Bluetooth (Figura 2).

Figura 2: Estructura del paquete Bluetooth 5.1 que muestra la ubicación y la duración de la CTE. Las aplicaciones con conexión añaden la CTE a los paquetes estándar, mientras que las aplicaciones sin conexión utilizan un paquete publicitario. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Tanto en los escenarios con conexión como sin conexión, el desarrollador debe llevar a cabo algunos pasos de configuración y preparación para iniciar las CTE en el transmisor y el muestreo IQ en el receptor. La elección de aplicaciones basadas en el AoA o el AoD determina el proceso exacto.

Construcción de una solución para la búsqueda de dirección

El AoA es adecuado para aplicaciones tales como las de seguimiento de activos en las que el transmisor es un elemento móvil, como una etiqueta simple y de bajo costo, mientras que los receptores (o localizadores) son puntos de referencia fijos. La ventaja de esta puesta en práctica es que la etiqueta solo debe transmitir los paquetes del protocolo Bluetooth 5.1 usando una sola antena (en lugar de una matriz) y no es necesaria para ejecutar los algoritmos computacionalmente intensivos que finalmente determinan la ubicación del transmisor (ver parte 1).

Si bien el diseño de una etiqueta en un sistema de seguimiento de activos sigue principios de diseño de radiofrecuencia (RF) relativamente sencillos, la etiqueta requiere de un transceptor Bluetooth 5.1 para que los paquetes se puedan configurar para incluir las CTE. Al seleccionar un transceptor, es importante tener en cuenta que la CTE no se puede enviar a través de un PHY codificado con Bluetooth LE (la radio utilizada para implementar la característica de largo alcance de la tecnología Bluetooth 5); más bien, el PHY debe ser de tipo no codificado.

Algunos productos comerciales Bluetooth 5.1 están disponibles, incluidos, por ejemplo, el SoC Bluetooth 5 LE DA14691 de Dialog Semiconductor para aplicaciones de servicio de ubicación. El chip es accionado por un microprocesador Arm^® Cortex^®-M33 e incluye 512 kB de memoria de acceso aleatorio (RAM). Dialog ha puesto a disposición una pila Bluetooth 5.1 para el DA14691. Silicon Labs ha lanzado una pila Bluetooth 5.1 para su SoC Bluetooth LE EFR32BG13; el chip utiliza un microprocesador Arm Cortex-M4 con 64 kB de memoria RAM y 512 kB de memoria Flash. Además, Nordic Semiconductor ha dado un paso más al lanzar una nueva solución de "búsqueda de dirección” de hardware y software en la forma del nRF52811. Este SoC Bluetooth LE es compatible con Bluetooth 5.1 e integra un microprocesador Arm Cortex-M4 junto con la radio multiprotocolo del dispositivo nRF52840 de alta gama de Nordic. El chip incluye 192 kB de memoria Flash y 24 kB de memoria RAM.

Estos dispositivos son adecuados para transmisores y receptores en una aplicación de búsqueda de dirección Bluetooth. Cada uno admite la transmisión de CTE y puede capturar muestras de IQ con la ayuda de información de nivel de perfil que especifica la disposición de la antena del transmisor. Teóricamente, estos dispositivos también pueden realizar los cálculos complejos necesarios para estimar el ángulo de incidencia de la señal de radio entrante, y desde allí, la posición del transceptor. Sin embargo, si bien los procesadores Arm Cortex-M33 y M4 utilizados por estos SoC son relativamente potentes, si se dedican a la supervisión simultánea del protocolo inalámbrico mientras ejecutan algoritmos complejos de búsqueda de dirección, el rendimiento de la aplicación podría ser lento.

En función del rendimiento y la latencia exigida en la aplicación, un desarrollador podría considerar un procesador complementario, con acceso a RAM y flash adicional, específicamente para el software de la aplicación. El nRF52811 de Nordic, por ejemplo, está diseñado para interactuar con un procesador complementario a través de la Interfaz de circuito inter-integrado (I²C) y de la Interfaz periférica serial (SPI).

Otro desafío de diseño es que para mantener bajos los costos, los SoC Bluetooth LE generalmente no tienen los múltiples puertos de antena o la capacidad de conmutación necesaria para trabajar sistemáticamente a través de cada antena en la matriz. En consecuencia, se necesita un interruptor de RF para conectar el puerto de antena único del SoC Bluetooth LE a las múltiples antenas de la matriz y para cambiar entre antenas para recopilar datos IQ de cada una (Figura 3).

Figura 3: En un sistema de seguimiento de activos de búsqueda de dirección de AoA, la etiqueta utiliza una sola antena y el SoC Bluetooth LE convencional para enviar paquetes Bluetooth 5.1 con la CTE. El cálculo principal ocurre en el lado del localizador multiantena del sistema, donde los datos de la señal reunidos por el localizador se envían a un motor de ubicación que ejecuta los algoritmos de búsqueda de dirección. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

El receptor (o localizador) requiere una matriz de antenas para detectar, a través de los datos IQ, la diferencia de fase de la señal debido a la diferencia de distancia desde cada antena en la matriz hasta la antena de transmisión única. Es la diferencia entre el ángulo de fase en cada antena lo que determina el AoA o el AoD.

El diseño de la antena, por lo general, se clasifica según uno de los siguientes tres tipos: la matriz lineal uniforme (ULA), la matriz rectangular uniforme (URA) y la matriz circular uniforme (UCA). Diseñar la matriz de antena requiere de mucha experiencia, y a menudo es más eficiente para el desarrollador dejar que un especialista externo configure la matriz óptima y ofrezca una lista de materiales (BoM) para su construcción en volumen, como se comenta en la parte 1.

El hecho de que se requiera la matriz de antena, los procesadores complementarios, la memoria adicional y la gestión de la antena aumenta la complejidad en el extremo del localizador de la solución de seguimiento de activos, así como también el costo y el consumo de energía. En el lado positivo, los localizadores generalmente permanecerán en ubicaciones fijas y, por lo tanto, podrían alimentarse por la red eléctrica. Para la mayoría de las soluciones, se necesitarán relativamente pocos dispositivos en comparación con la cantidad de etiquetas.

La puesta en práctica del AoD es un poco más compleja. En este escenario, es el transmisor el que incorpora la matriz de antenas. El receptor realiza un muestreo IQ mediante la toma de medidas de su antena única y el uso de detalles del diseño de la matriz de antena en el transmisor remoto para atribuir las medidas a antenas particulares.

En la puesta en práctica del AoD, las radiobalizas de localización fijas requieren un transceptor Bluetooth 5.1, un interruptor de RF y múltiples antenas para transmitir la señal de radiobaliza, pero no requieren el procesador y la memoria adicionales necesarios en las implementaciones del AoA porque no se realiza un análisis de señal en este lado del enlace. Sin embargo, el receptor móvil, aunque solo requiere una sola antena, necesita el hardware y el software para realizar los cálculos de búsqueda de dirección (Figura 4). En aplicaciones de IPS, por ejemplo, es probable que el receptor sea un teléfono inteligente compatible con Bluetooth 5.1, que tiene amplios recursos de memoria y procesador para completar la tarea.

Figura 4: En un sistema de IPS de búsqueda de dirección de AoD, las radiobalizas fijas utilizan matrices de antena para enviar paquetes Bluetooth 5.1 con la CTE. El cálculo principal se produce en el dispositivo móvil, como el teléfono inteligente de un consumidor. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Creación de prototipos con Bluetooth 5.1

Dialog Semiconductor, Silicon Labs y Nordic Semiconductor han centrado actualmente sus soluciones en aplicaciones de AoA y AoD que transmiten la CTE, reciben dichos paquetes y realizan el muestreo IQ. Luego, el desarrollador debe decidir qué recursos (es decir, hardware y firmware del motor de ubicación) se necesitarán para realizar los cálculos de búsqueda de dirección reales. Sin embargo, es probable que esto cambie en el futuro cercano a medida que los proveedores publiquen soluciones mejoradas de búsqueda de dirección.

Por ejemplo, cada una de las empresas ofrece herramientas de desarrollo que admiten la creación de prototipos de una etiqueta en una aplicación de seguimiento de activos de AoA. Por lo general, el proceso de desarrollo sigue estas pautas para un dispositivo inalámbrico convencional de baja potencia. Por ejemplo, un kit de desarrollo que comprende un transceptor completamente funcional, suministrado de fábrica, basado en el dispositivo de destino Bluetooth 5.1 y los periféricos se conecta a una PC o Mac que aloja un entorno completo de desarrollo integrado (IDE) adecuado y las herramientas de software del proveedor de chips para permitir el desarrollo de aplicaciones.

En el caso de Dialog, la empresa aconseja basar el desarrollo de Bluetooth 5.1 en el kit de desarrollo DA14695-00HQDEVKT-P-ND. El kit incluye una placa base, una placa subordinada basada en el SoC Bluetooth 5.1 DA14695 y cables para conectar a una PC. El DK también es compatible con los protectores Arduinoy MikroElektronika mikroBUS, y con las mediciones de potencia.

Silicon Labs ofrece el kit de inicio inalámbrico SLWSTK6006A Wireless Gecko Starter Kit. Este DK viene con no menos de seis placas subordinadas basadas en el SoC Bluetooth 5.1 EFR32BG21, lo que permite la creación de prototipos de un sistema de seguimiento de activos con múltiples etiquetas. El DK está diseñado para su uso con Simplicity Studio dela empresa, que admite la aplicación Flex SDK y las herramientas de desarrollo de software de configuración.

La oferta de Nordic es la placa de evaluación nRF52840-DK basada en el SoC nRF52840 de la empresa, que es totalmente compatible con el SoC Bluetooth 5.1 nRF52811. El desarrollo de aplicaciones y la configuración del sistema se realizan a través del SDK nRF5 dela empresa, una herramienta de desarrollo de software respaldada por varios IDE populares. (Para obtener más información sobre el desarrollo de aplicaciones de Bluetooth de baja energía, consulte el artículo de DigiKey "Los SoC y herramientas con Bluetooth de baja energía compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 están a la altura de los desafíos de la IoT").

Bluetooth 5.1 no transmite paquetes con la CTE ni realiza muestreo IQ por defecto; el desarrollador debe configurar el sistema para agregar estas características utilizando las herramientas de desarrollo del proveedor. Las herramientas permiten el acceso a la interfaz de controlador de host (HCI), que luego es usada por el host para configurar el controlador para la generación de la CTE y el muestreo IQ.

Para escenarios sin conexión (el tipo generalmente utilizado por el AoD), el host realiza los siguientes pasos de inicialización del controlador (Figura 5):

1. Configura la publicidad extendida
2. Configura la publicidad periódica
3. Configura la transmisión de CTE
4. Habilita la publicidad de CTE
5. Habilita la publicidad periódica
6. Habilita la publicidad extendida
7. Establece los datos publicitarios

Figura 5: Pasos de inicialización del controlador realizados por el host para escenarios sin conexión (generalmente utilizados por el AoD). (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Los dispositivos de escaneo diseñados para recibir datos de CTE y tomar muestras de IQ transmitidas por el anunciante deben configurarse de la siguiente manera:

1. Configure el escaneo extendido
2. Inicie el escaneo extendido
3. Sincronice con los paquetes de sincronización de publicidad periódica recibidos
4. Habilite el muestreo IQ sin conexión

En escenarios con conexión, como los que normalmente usa el AoA, el dispositivo maestro o el esclavo solicitan al otro dispositivo que envíe paquetes con CTE. Las solicitudes se realizan mediante el envío de un paquete de solicitud CTE de capa de enlace (LL), que contiene una serie de parámetros que configuran la creación de la CTE. Si el dispositivo remoto no es compatible con la CTE, le informará eso al dispositivo local, y el dispositivo local no enviará más solicitudes de CTE utilizando la conexión actual.

El proceso detallado es el siguiente. El dispositivo solicitante procede de la siguiente manera:

1. Configura los parámetros de recepción de CTE en el controlador
2. Habilita las solicitudes de CTE en el controlador
3. Recibe y procesa los informes IQ
4. Deshabilita la transmisión de solicitud de CTE cuando ya no es necesaria

El dispositivo de respuesta procede de la siguiente manera:

1. Configura los parámetros de transmisión de CTE en el controlador
2. Habilita las respuestas de la CTE en el controlador
3. Recibe y responde las solicitudes de LL de la CTE del otro dispositivo

En la especificación Bluetooth 5.1, la HCI presenta un nuevo comando: "Leer información de la antena LE", que le permite al host obtener información sobre las antenas compatibles con su controlador. El procedimiento para obtener información sobre la matriz de antena en un dispositivo remoto aún no se ha definido.

Al realizar un muestreo IQ con una matriz de antena, cada una de las muestras capturadas debe atribuirse a una antena específica, y el muestreo debe completarse de manera sistemática. El uso de un patrón especificado en los comandos de configuración de la HCI y el seguimiento de reglas de tiempo estrictas ayudan en este enfoque sistemático. Cómo se aplican estas reglas y qué dispositivo está sujeto a qué reglas depende de si la aplicación está utilizando AoA o AoD y si el dispositivo está transmitiendo o recibiendo. Por ejemplo, un dispositivo de transmisión con una sola antena envía paquetes continuos con CTE. Sin embargo, al muestreo IQ siempre lo realiza el dispositivo receptor, independientemente del número de antenas que emplee.

El tiempo asignado al procesamiento de CTE se divide en un período de protección inicial de 4 microsegundos (μs), un período de referencia de 8 μs y luego una secuencia de ranuras de interruptor, ranuras de muestra o pares de ranuras de interruptor y muestra (Figura 6).

Figura 6: Este ejemplo ilustra la conmutación y el muestreo para la temporización de 1 µs y 2 µs para una aplicación de AoA. El dispositivo transmisor con una sola antena transmite paquetes con CTE continuamente, mientras que el dispositivo receptor realiza el muestreo IQ de acuerdo con una secuencia de conmutación y muestreo. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Durante el período de referencia, no se produce la conmutación de la antena y se obtienen ocho muestras de IQ. El host puede usar las muestras de referencia para estimar la frecuencia de la señal e inferir la longitud de onda, y así mejorar la precisión de los cálculos del ángulo.^[1]

Conclusión

Las mejoras realizadas en la especificación de Bluetooth Core en la versión 5.1 generan los datos sin procesar que son necesarios para la búsqueda de dirección utilizando la CTE y el muestreo IQ. La especificación utiliza técnicas de ingeniería comprobadas para determinar la dirección de la señal y estandariza las interfaces, las configuraciones y las interacciones. Una ventaja adicional es que la búsqueda precisa de dirección ahora es interoperable entre todos los proveedores de chips que ofrecen soluciones de Bluetooth.

Los fabricantes de chips se han apresurado a ofrecer soluciones de hardware, software, DK y SDK que les permiten a los desarrolladores familiarizarse rápidamente con la configuración de sistemas que aprovechan la búsqueda de dirección de Bluetooth. El seguimiento de activos comerciales y las aplicaciones de IPS aún exigen un alto nivel de experiencia en desarrollo, particularmente en el diseño de la matriz de antena y el firmware del motor de ubicación, pero los futuros perfiles de búsqueda de dirección de Bluetooth prometen facilitar aún más este desafío.

Referencia

1. Búsqueda de dirección Bluetooth: Una descripción técnica, Martin Wooley, Bluetooth SIG, marzo de 2019.