Bluetooth 방향 탐지를 사용하여 저전력으로 정확한 실시간 실내 자산 추적 실현

공장, 창고 및 제조 시설은 자산에 대한 실시간 위치 추적을 수행하기 위해 점점 더 태그를 사용하고 있습니다. 데이터는 원격 자산 추적이 가능하도록 적절한 클라우드 기반 산업용 사물 인터넷(IIoT) 재고 관리 시스템에 통합됩니다. 문제는 NFC를 제외하고 모든 자산 추적 솔루션이 배터리 전력으로 작동되는 태그를 사용한다는 점이며, 따라서 전력 소모를 최소한 낮게 유지해야 합니다. 또한 일부 솔루션은 실내에서 사용될 경우 신뢰할 수 없고 부정확할 수 있습니다.

예를 들어, GPS 태그는 실내에서 특히, 강철 및 콘크리트 건물에서 신뢰할 수 없습니다. 클래식 Bluetooth 위치 시스템은 수신된 신호 강도 표시기(RSSI) 정보를 기반으로 하며 이는 유용하기는 하지만 대개 설계자의 정확도 요구 사항을 충족하지 않습니다. 무엇보다 필요한 것은 실내에서 사용할 수 있지만 오랜 배터리 수명을 가능하게 하는, 신뢰할 수 있고 비용 효율적이며 정확한 배터리 구동식 무선 자산 추적 솔루션입니다.

이러한 과제를 충족하기 위해, 이 기사에서는 Bluetooth 5.1 방향 탐지 프로토콜과 이 프로토콜의 작동 방식에 대해 설명합니다. 그런 다음, 이 프로토콜을 지원하고 IIoT 재고 관리 시스템의 정확도 및 저전력 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 방법을 보여주는 Silicon Labs의 비용 효율적인 Bluetooth 모듈을 소개합니다.

자산 추적이란 무엇이며 IIoT에 자산 추적이 필요한 이유는 무엇인가?

고급 IIoT 재고 관리 시스템은 전 세계 어디서나 클라우드에서 자산의 실시간 추적을 필요로 합니다. 고가의 제품 및 장비를 보관하는 대형 창고는 재고 관리 및 도난 방지 지원을 위해 위치 자산 태그가 필요할 수 있습니다. 이를 통해 창고의 인간 작업자 및 자동화 픽업 장비는 효율적으로 물품을 찾고 배송 준비를 할 수 있습니다. 재고 관리의 경우, 정기적 현황 보고를 위해 자산의 존재 및 위치를 손쉽게 결정하고 항목별로 구분할 수 있습니다. 이는 들어오고 나가는 자산을 추적하는 배송 화물 목록을 수동으로 검토하는 것보다 재고 현황을 제공하는 보다 신뢰할 수 있는 방법입니다.

IIoT 재고 관리 시스템 이외에 도난 방지 시스템에도 실시간 위치 추적이 사용됩니다. 창고에서 배송이 예정되지 않은 물품이 출구 가까이에서 추적된 경우 IIoT 시스템이 보안팀에 알릴 수 있습니다. 실시간 자산 위치는 또한 익일 배달이 당일 배달에 대한 기대로 빠르게 발전하고 있는 시대에 서비스 및 배달을 가속화할 수도 있습니다.

대량 자산 추적을 위해 자산 위치 태그는 비용 효율적이어야 하며 긴 배터리 수명을 가져야 합니다. NFC 태그는 배터리를 사용하지 않지만 수신기가 태그에서 20cm이내에 있어야 하므로 유용성이 제한됩니다. GPS 위치 추적기는 특히 강철 및 콘크리트 구조에 의해 위성 추적 신호가 차단될 수 있으므로 실내에서 신뢰할 수 없습니다.

범용적인 자산 추적 솔루션에서는 Bluetooth의 비콘 위치 기능을 사용합니다. 이는 비콘 메시지에 인코딩된 기준 신호 강도와 수신된 신호의 신호 강도를 비교하여 태그의 위치를 추적합니다. 그 다음, 비콘 위치는 비콘 위치에 대한 근사치를 얻기 위해 3개 이상의 수신기를 사용하여 3각 측량됩니다. 그러나 이 접근 방식은 재고 관리 시스템에 필요한 정밀도를 제공하지 않습니다. 또한 위치 정확도는 습도 변화 및 지게차, 작업자, 문과 같은 움직이는 객체에 의해 영향을 받을 수 있습니다.

Bluetooth 위치 탐지

해결책은 Bluetooth 5.1 사양에 포함된 기능인 Bluetooth 방향 탐지를 사용하는 것입니다.

Bluetooth 방향 탐지는 두 개 이상의 안테나에서 수신된 신호의 위상 변이를 기반으로 하여 배터리 구동식 자산 태그의 위치를 3각 측량합니다. 결과적으로, Bluetooth 방향 탐지는 1m 미만의 정확도를 제공하며 단일 동전형 전지 배터리로 수 년을 작동할 수 있고 실내에서도 믿고 사용할 수 있는 비용 효율적인 위치 추적 솔루션입니다.

Bluetooth 방향 탐지에서는 CTE(Continuous Tone Extension)라고 하는 새로운 신호가 표준 Bluetooth 어드버타이징 패킷에 추가됩니다. CTE는 Bluetooth 주파수 +250Hz로 계산되는 주파수를 통해 전송되는 연속 톤입니다. CTE는 일반적인 Bluetooth 메시지 패킷에 종속적이지 않기 때문에 이러한 패킷을 방해하거나 지연시키지 않습니다. 따라서 수신 안테나가 연속적이고 중단되지 않은 위치를 실시간으로 획득할 수 있으므로 실시간 위치 추적 문제가 해결됩니다.

도래각 및 발사각

Bluetooth 방향 탐지는 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)이라고 하는 두 가지 유형의 위상 변이, 안테나 기반 위치 감지 메커니즘을 사용합니다(그림 1). AoA는 외부 시스템이 개별 태그를 추적해야 할 때 사용됩니다. 호환되는 Bluetooth 5.1 이상의 모듈을 포함하는 자산 태그는 CTE를 브로드캐스팅합니다. 두 개의 안테나를 갖는 기지국의 Bluetooth 수신기는 도착하는 신호를 수신합니다. 수신기는 안테나에서 받는 두 개 샘플 신호 사이의 위상 차를 사용하여 3각 측량을 통해 자산 태그에 대한 거리를 계산합니다.

그림 1: AoA 방향 탐지 방법에서(왼쪽) 자산 태그는 Bluetooth AoA 기지국 로케이터에 신호를 브로드캐스트합니다. 이 로케이터는 2개 이상의 안테나에서 신호의 도래각을 측정하여 태그 위치를 결정합니다. AoD 방법에서는(오른쪽), Bluetooth 기지국에서 자산 태그에 비콘을 전송합니다. 이 자산 태그는 자신의 고유 위치를 계산합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

애일리어싱으로 인한 샘플링 오차를 방지하기 위해 두 개의 수신 안테나 사이의 거리는 수신된 신호에 대한 나이퀴스트 주파수의 파장에 해당해야 합니다. 이는 수신된 신호의 파장을 2로 나눈 값입니다. 약 2.4기가헤르츠(GHz)의 Bluetooth 신호는 12.5cm에 해당하므로 두 안테나 사이의 거리는 6.25cm 미만이어야 합니다. 두 안테나에서 수신된 신호 사이의 위상 차, 두 안테나 사이의 알려진 고정 거리, 두 안테나의 알려진 구성을 사용하여 자산 태그에 대한 거리를 계산할 수 있습니다.

추가적인 안테나 수신 장치를 첫 번째 장치와 동일한 구성의 두 안테나와 함께 사용할 경우 3D 공간에서 자산 태그의 정확한 위치를 결정할 수 있습니다.

자산 태그가 자신의 고유 위치를 추적해야 하는 경우 AoD 방법이 사용됩니다. AoD 방법에서 태그는 Bluetooth 수신기이고 여러 안테나를 가진 기지국은 Bluetooth 송신기입니다. 기지국은 각각의 안테나에서 CTE를 전송합니다. 수신기 펌웨어는 안테나 개수, 각 안테나 사이의 알려진 고정 거리, 여러 안테나의 알려진 구성을 인지하고 수신된 신호 사이의 위상 차를 사용하여 자신의 고유 위치를 계산합니다.

창고의 IIoT 재고 관리 시스템의 경우, 박스 또는 컨테이너에 부착된 배터리 구동식 자산 태그는 AoA를 사용하고 지게차 또는 자동 픽 앤 팩 장비는 AoD를 사용할 수 있습니다. 지게차 및 다른 자동 픽 앤 팩 장비는 중장비이고 배터리 전력 소비에 민감하지 않으므로 Wi-Fi를 통해 주요 IIoT 허브에 위치를 전송할 수 있습니다. 이 모두는 IIoT 클라우드 인터페이스에서 실시간으로 추적할 수 있습니다.

저전력 Bluetooth 방향 탐지 모듈

저전력 Bluetooth 5.2 방향 탐지 응용 제품을 위해 Silicon Labs는 1개의 장기 수명 동전형 전지로 배터리 수명 10년을 제공하도록 설계된 BGM220 Bluetooth 모듈 제품군을 도입했습니다. BGM220PC22HNA2 버전은 실장 면적 12.9mm x 15.0mm 및 높이 2.2mm를 가진 Bluetooth 5.2 트랜시버 모듈입니다(그림 2). 이 모듈은 1.8V ~ 3.8V 전원 공급 장치를 필요로 하므로 장기 수명 3.0V 리튬 동전형 전지 및 소비자 모바일 장치용 대형 재충전 가능 3.6V 리튬 이온(Li-ion) 전지로 가동될 수 있는 응용 제품에 적합합니다. 이 모듈은 -40°C ~ +105°C에서 작동할 수 있으므로 공장 및 산업용 창고와 같은 열악한 환경에 특히 적합합니다.

그림 2: BGM220PC22HNA2는 1개의 장기 수명 동전형 전지 배터리로 최대 10년 동안 Bluetooth 방향 탐지를 지원하는 콤팩트한 Bluetooth 5.2 모듈입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

BGM220PC22HNA2 무선 장치는 2.4GHz 대역에서 작동하며 1mW를 기준으로 8데시벨을 출력합니다(dBm). 이 모듈은 필요한 모든 감결합 커패시터 및 인덕터뿐만 아니라 38.4MHz 및 32.768kHz 발진기 및 통합 세라믹 칩 안테나를 포함하고 있습니다(그림 3). 이 모듈은 512KB(킬로바이트)의 플래시 및 32KB의 RAM으로 지원되는 Arm® Cortex®-M33 코어를 기반으로 합니다.

그림 3: BGM220PC22HNA2 Bluetooth 모듈에는 2.4GHz 무선 장치, 메모리, Arm Cortex-M33 프로세서 및 ADC를 비롯하여 독립형 Bluetooth 방향 탐지 자산 태그를 지원하는 데 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

펌웨어 사용자 지정에 사용 가능한 주변 장치에는 12비트 1000 kSPS ADC로 작동하도록 구성할 수도 있는 76.9kSPS(초당 킬로 샘플 수) 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 포함됩니다. 펌웨어 사용자 지정에는 최대 24개 I/O 핀을 사용할 수 있습니다. 타이밍 펌웨어 이벤트에는 4개의 16비트 타이머 및 1개 32비트 타이머를 사용할 수 있습니다. 2개의 I²C 인터페이스가 외부 주변 장치에 액세스할 수 있습니다. BGM220P에는 또한 UART, SPI, 스마트 카드 인터페이스, IrDA 또는 I²S로 독립적으로 구성할 수 있는 2개의 다기능 USART가 포함되어 있습니다. 따라서 핀 개수를 줄이면서 직렬 인터페이스를 유연하게 선택할 수 있습니다.

Bluetooth 방향 탐지 자산 태그에 BGM220PC22HNA2를 사용할 경우, 배터리 수명 연장을 위해 응용 제품은 필요한 주변 장치만 사용하고 사용되지 않는 장치에는 전력을 차단해야 합니다. 최소한의 자산 태그 구성에는 Bluetooth 신호의 전송을 방해하지 않는 비금속 하우징에 3.0V 배터리와 함께 BGM220PC22HNA2만 포함시킬 수 있습니다. 개별 태그의 식별 설정과 같은 부트 사용자 지정을 위해 외부 스위치를 I/O 핀에 연결할 수 있습니다. 하나 이상의 외부 LED를 연결할 수 있지만 각 LED는 배터리를 추가적으로 소모하게 되므로 설계자의 주의가 필요합니다. 이상적으로 LED는 구성 동안에만 사용합니다.

Bluetooth 방향 탐지 응용 제품 개발

Bluetooth 방향 탐지를 사용하는 응용 제품 개발을 위해 Silicon Labs는 SLWSTK6103A BGM220P 무선 Gecko Bluetooth 모듈 시험용 키트를 제공합니다(그림 4). 여기에는 BGM220P 모듈을 위한 캐리어 기판인 플러그인 무선 기판이 포함되어 있습니다. 기판의 중심에는 추가 텍스트와 함께 Silicon Labs 로고가 표시된 128 x 128 LCD 디스플레이가 배치되어 있습니다.

LCD 디스플레이 아래에는 2개의 펌웨어 프로그래밍 가능 푸시 버튼이 있습니다. LCD는 상태 정보를 표시하기 위해 개발 중에 사용될 수 있으며 푸시 버튼은 펌웨어 흐름을 제어하는 데 사용됩니다. 디버깅은 USB 커넥터를 통해 지원됩니다. Silicon Labs의 에너지 모니터링 소프트웨어를 지원하기 위해 추가적인 커넥터를 사용할 수 있으므로 필요한 최소한의 전력만 사용하도록 응용 제품을 미세 조정할 수 있습니다.

그림 4: SLWSTK6103A BGM220P 시험용 키트에는 Bluetooth 방향 탐지를 지원하기 위해 BGM220P 모듈을 위한 펌웨어를 개발하는 데 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

SLWSTK6103A는 또한 온도 및 습도 센서를 갖추고 있습니다. Bluetooth 방향 탐지 자산 태그의 경우, 자산 태그 주위의 상태를 모니터링하기 위해 환경 센서를 I²C 인터페이스에 부착할 수 있으며 상태가 사전 프로그래밍된 임계값을 초과하는 경우 Bluetooth를 통해 경보를 전송할 수 있습니다. 추가적인 I/O 및 주변 장치 핀은 헤더 커넥터로 나옵니다. 시험용 키트는 외부 USB 연결 또는 동전형 전지 배터리로 전력을 구동할 수 있습니다.

결론

IIoT 재고 관리 시스템의 실시간 자산 추적에는 정확하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 소형 저전력 솔루션이 필요합니다. 앞서 살펴본 바와 같이 Bluetooth 5.1 사양의 방향 탐지 기능은 기성 모듈을 사용하여 자산 태그에 빠르게 통합하여 필요한 수준의 실시간 위치 추적 기능 및 성능을 제공할 수 있습니다.

추가 자료

1. Bluetooth 5.1 지원 플랫폼을 사용하여 정밀 자산 추적 및 실내 포지셔닝 지원 - 1부
2. 고급 Bluetooth 5.2 SoC를 사용하여 안전한 저전력 IoT 장치 제작