실내 물류 추적을 위해 Bluetooth AoA 및 AoD를 신속하게 활용하는 방법

창고 및 공장의 실시간 자산 추적은 산업 4.0의 중요한 측면입니다. 자산 추적 및 물류 시스템 개선을 위한 실시간 위치 서비스(RTLS) 배포에 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. GPS(글로벌 위치 확인 시스템)는 실외용 RTLS 구현에 널리 사용되지만 건물 내부에서는 신호를 사용하지 못할 수도 있습니다. Wi-Fi는 또 다른 선택지이지만 정확도가 제한되고 상당한 전력이 필요하며 배포 비용이 많이 들 수 있습니다. RFID(무선 주파수 인식)는 저전력이며 정확도가 뛰어나지만 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 산업 4.0 RTLS 설치는 고정밀 실내 위치 확인과 저전력, Bluetooth 하드웨어의 낮은 비용, 낮은 배포 비용을 결합하는 Bluetooth 5.1 방향 탐지 기술로 점점 더 바뀌고 있습니다.

개발자들이 Bluetooth RTLS 시스템을 처음부터 설계하기를 원할 수도 있습니다. 불행하게도, RF 신호에서 트랜시버의 위치를 계산하는 데 필요한 도래각(AoA) 및 발사각(AoD) 데이터의 무선 주파수(RF) 동위상 및 구적(IQ) 정보를 획득하는 것은 어려운 작업이며 여러 안테나의 통합이 필요합니다. AoA 및 AoD 데이터를 캡처할 수 있다고 해도, 위치를 계산하는 것은 다중 경로 전파, 신호 편광, 전파 지연, 지터, 잡음 등을 비롯한 여러 요인으로 인해 복잡해질 수 있으므로 추적하는 품목의 위치를 정확하게 결정하기 어려울 수 있습니다.

대신, 설계자는 산업 4.0 RTLS 응용 제품에서 사용하기 위해 Bluetooth 무선 시스템 온칩(SoCs), RF 모듈 및 안테나로 전환할 수 있습니다. 이 기사에서는 다양한 RTLS 기술 선택지에 대한 성능 장단점을 간략하게 검토하고 Bluetooth AoA 및 AoD 위치가 구현되는 방식을 설명합니다. 그런 다음 Silicon Labs 및 u-blox의 관련 안테나뿐만 아니라 AoA 및 AoD 기반 RTLS를 빠르게 구현하는 데 필요한 소프트웨어를 포함하는 Bluetooth SoC 및 RF 모듈을 소개합니다. 시장 출시를 더욱 가속화할 수 있는 평가 키트도 소개합니다.

가장 일반적으로 사용되는 실내용 RTLS 기술은 Wi-Fi 및 Bluetooth을 사용하여 구현됩니다(표 1).

• Wi-Fi 핑거프린팅은 건물 내 각 Wi-Fi 액세스 포인트(AP)의 위치 및 기지국 ID(BSSID)에 대한 데이터베이스를 사용합니다. 자산 태그는 Wi-Fi 환경을 스캔하고 Wi-Fi AP 목록 및 관련된 신호 강도를 보고합니다. 이 조사의 데이터베이스는 이제 태그의 대략적 위치를 추정하는 데 사용됩니다. 이 기술은 고정확도 RTLS를 지원하지 않습니다.
• Wi-Fi ToF(비행 시간)는 정확도가 더 높습니다. 이는 Wi-Fi 신호가 두 장치 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. ToF는 RTLS의 정확도를 향상시키기 위해 AP의 밀집 배포가 필요합니다. ToF와 핑거프린팅 모두 장치 비용과 에너지 요구 사항이 높습니다.
• Bluetooth RSSI(수신 신호 강도 표시기)는 수신된 신호 강도와 알려진 비컨 위치를 비교하여 장치가 인근의 Bluetooth 비컨으로부터의 대략적인 거리를 결정할 수 있도록 함으로써 RTLS를 지원합니다. RSSI는 Wi-Fi 핑거프린팅 또는 ToF보다 에너지 소비가 적고 비용도 적게 들지만 정확도에 제한이 있습니다. 이러한 정확도는 습도 레벨 같은 환경적 요인이나 시설 주변을 이동하거나 Bluetooth 신호 레벨을 방해하는 로봇 또는 사람들로 인해 더욱 감소할 수 있습니다.
• Bluetooth AoA는 최신의 가장 정확한 실내 RTLS 기술입니다. 고정확도를 제공하는 것 이외에도 상대적으로 낮은 전력을 사용하고 비용도 낮습니다. 그러나 다른 대안과 비교하여 구현하기가 더 어렵습니다.

표 1: 실내 RTLS는 정확도, 전력 소비, 비용 간 장단점을 제공하는 다양한 Wi-Fi 및Bluetooth 기술을 사용하여 구현할 수 있습니다. (표 출처: u-blox)

Bluetooth AoA 및 관련 AoD, RTLS 솔루션은 안테나 어레이에 의존하여 자산의 위치를 추정합니다(그림 1). AoA 솔루션의 경우, 자산이 단일 안테나에서 특정 방향 찾기 신호를 보냅니다. 수신 장치에는 안테나 어레이가 있어 자산에서부터 각 안테나의 거리 차이로 인해 발생하는 다양한 안테나 간 신호 위상차를 측정합니다. 수신 장치는 어레이의 능동 안테나 간을 전환함으로써 IQ 정보를 획득합니다. IQ 데이터는 이제 자산의 위치를 계산하는 데 사용됩니다. AoD 솔루션의 경우, 위치가 결정되는 로케이터 비컨이 어레이의 여러 안테나를 사용하여 신호를 전송하고 수신 장치에 단일 안테나가 있습니다. 수신 장치는 여러 신호를 사용하여 IQ 데이터를 결정하고 그 위치를 추정합니다. AoA는 흔히 자산의 위치를 추적하는 데 사용되는 반면 AoD는 로봇이 우수한 정확도 및 낮은 지연으로 시설 내에서 자신의 위치를 결정하는 데 선호되는 기술입니다.

그림 1: Bluetooth AoA 및 AoD RTLS 구현의 기본 사항을 구성하는 안테나 어레이. (이미지 출처: Silicon Labs)

AoA 기반 RTLS 추적의 기본 개념은 간단합니다. Θ = 역쌍곡코사인 x ((위상차 x 파장) / (2π x 안테나 간 거리))(그림 2). 실시간 구현은 더욱 복잡하며 환경 변수, 다중 경로 신호, 다양한 신호 편광 및 다른 요인으로 인해 발생하는 신호 전파 지연을 고려해야 합니다. 또한, 어레이에 안테나가 사용되는 경우 상호 결합을 경험하고 서로의 응답에 영향을 미칠 수 있습니다. 마지막으로, 이러한 변수를 모두 고려하는 데 필요한 알고리즘을 개발하고 리소스가 제약적인 내장형 환경에서 시간 임계적 솔루션에 이를 효율적으로 구현하는 것은 굉장히 힘든 과정일 수 있습니다. 개발자에게 다행스럽게도 완전한 Bluetooth AoA 및 AoD 솔루션에는 IQ 데이터 수집 및 사전 처리, 다중 경로 부품 억제, 환경 요인에 대한 보상, 안테나 간 상호 결합이 포함됩니다.

그림 2: AoA를 결정하기 위한 방정식(오른쪽 위)은 도착하는 신호의 위상차, 신호 파장, 인접한 안테나 간의 거리를 사용합니다. (이미지 출처: u-blox)

Bluetooth AoA 및 AoD용 SoC

개발자는 Bluetooth 5.2 네트워킹 및 AoA/AoD를 구현하기 위해 Silicon Labs의 EFR32BG22C222F352GN32-C를 사용할 수 있습니다. 이 SoC는 EFR32BG22 Wireless Gecko 제품에 속하며, 4mm × 4mm × 0.85mm QFN32 패키지에 최대 작동 주파수 76.8MHz의 32비트 Arm® Cortex®-M33 코어와 함께 활성 전류 및 절전 전류가 낮은 2.4GHz 에너지 효율적 무선 코어, 최대 6dBm(데시벨 미터) 전송(TX) 전력을 지원하는 통합 전력 증폭기를 포함합니다(그림 3). 여기에는 RTSL(신뢰 루트 및 보안 로더)을 가진 보안 부트가 포함되어 있습니다. 추가 보안 기능에는 AES128/256, SHA-1, SHA-2(최대 256비트), ECC(최대 256비트), ECDSA 및 ECDH용 하드웨어 암호화 가속과 NIST SP800-90 및 AIS-31을 준수하는 TRNG(진정한 난수 생성기)가 포함됩니다. 또한 이 SoC는 모델에 따라 최대 512kB의 플래시와 32kB의 RAM을 가지며 QFN32 이외에 5mm × 5mm × 0.85mm QFN40 및 4mm × 4mm × 0.30mm TQFN32 패키지로 제공됩니다.

그림 3: AoA 및 AoD를 지원하는 EFR32BG22 무선 Gecko Bluetooth SoC는 4mm × 4mm × 0.85mm QFN32 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

BG22-RB4191A 무선 프로 키트에는 2.4GHz EFR32BG22 무선 Gecko SoC를 기반으로 하는 방향 탐지 무선 기판과 AoA 및 AoD를 사용하여 Bluetooth 5.1 기반 RTLS 응용 제품의 개발 속도를 가속화할 수 있는 정확한 방향 탐지에 최적화된 안테나 어레이가 포함되어 있습니다(그림 4). 메인기판에는 다음과 같이 무선 응용 제품의 손쉬운 평가 및 개발을 위한 여러 도구가 있습니다.

• 이더넷 또는 USB를 통해 대상 장치에 프로그래밍 및 디버깅을 제공하는 온보드 J-Link 디버
• 고급 에너지 모니터를 사용하는 실시간 전류 및 전압 측정기
• 이더넷 또는 USB를 통해 직렬 포트 연결을 제공하는 가상 COM 포트 인터페이스
• 수신 및 전송된 무선 데이터 패킷에 대한 디버그 정보를 제공하는 패킷 트레이스 인터페이스

그림 4: EFR32BG22 무선 Gecko SoC 및 안테나 어레이를 사용하는 BG22-RB4191A 무선 프로 키트는 AoA 및 AoD RTLS 응용 제품의 개발 속도를 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Bluetooth AoA 및 AoD용 모듈

u-blox는 AoA 및 AoD를 지원하는 통합 안테나를 포함하거나 포함하지 않고 Bluetooth 모듈을 제공합니다. 통합 안테나를 포함하지 않는 모듈의 이점을 갖는 응용 제품의 경우, 설계자는 Nordic Semiconductor nRF52833 IC를 기반으로 하는 NINA-B41x 계열을 사용할 수 있습니다(예: NINA-B411-01B)(그림 5). 이러한 모듈에는 통합 RF 코어와 Arm® Cortex®-M4(부동 소수점 프로세서 사용)를 포함하며 모든 Bluetooth 5.1 모드(AoA 및 AoD 포함)에서 작동합니다. -40°C ~ +105°C(섭씨 온도)의 작동 온도 범위를 갖는 이 모듈은 산업 환경의 RTLS 응용 제품에 매우 적합합니다. 또한 입력 전압 범위가 1.7V ~ 3.6V로 단일 전지 배터리 구동식 시스템에 유용할 수 있습니다.

그림 5: NINA-B41x 계열 모듈은 외부 안테나를 사용하는 콤팩트한 RTLS 솔루션을 지원합니다. (이미지 출처: DigiKey)

u-blox의 NINA-B40x 계열(예: NINA-B406-00B)에는 10mm x 15mm x 2.2mm 모듈 PCB에 통합된 내부 PCB 트레이스 안테나가 포함되어 있습니다(그림 6). NINA-B406 모듈은 최대 +8dBm의 출력 전력을 제공할 수 있습니다. 이 모듈은 AoA 및 AoD를 포함한 Bluetooth 5.1 모드를 지원할 뿐만 아니라 802.15.4(Thread 및 Zigbee) 및 Nordic 고유의 2.4GHz 프로토콜을 지원하므로 설계자가 다양한 IoT 장치 설계를 위한 단일 모듈로 표준화할 수 있습니다.

그림 6: 통합 안테나의 이점을 제공하는 AoA 및 AoD 응용 제품은 NINA-B40x 계열 모듈을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

시장 출시 기간을 단축시키기 위해 설계자는 Bluetooth 5.1 방향 탐지 기능과 AoA 및 AoD 기능 지원을 실험할 수 있는 u-blox의 XPLR-AOA-1 익스플로러 키트를 사용할 수 있습니다. 이 익스플로러 키트에는 NINA-B411 Bluetooth LE 모듈이 장착된 안테나 기판 및 태그가 포함되어 있습니다(그림 7). 태그는 NINA-B406 Bluetooth 모듈을 기반으로 하며 Bluetooth 5.1 애드버타이즈먼트 메시지를 전송하기 위한 소프트웨어를 포함합니다. 안테나 기판은 메시지를 수신하고 각도 계산 알고리즘을 적용하여 태그의 방향을 결정합니다. 각도는 기판의 안테나 어레이를 사용하여 2차원으로 계산됩니다.

그림 7: XPLR-AOA-1 익스플로러 키트에는 태그(왼쪽)와 Bluetooth AoA 및 AoD 평가를 지원하는 안테나 기판(오른쪽)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: u-blox)

XPLR-AOA-1 키트의 유연성을 통해 설계자는 다음과 같은 다양한 응용 분야 탐색할 수 있습니다.

• 객체가 문에 접근하는 경우를 탐지
• 카메라가 실내를 이동하는 자산을 따라감
• 게이트 또는 특정 위치를 통과하는 물품 추적
• 로봇 간 또는 무인 운반 차량 간 충돌 방지

또한 여러 XPLR-AOA-1 키트를 사용하고 3개 이상의 안테나 기판에서 방향을 삼각 측량하여 더 복잡한 위치 확인 시스템을 만들 수 있습니다.

요약

Bluetooth AoA 및 AoD는 산업 4.0을 위한 정확하고 비용 효율적인 RTLS 구현을 제공할 수 있습니다. 설계자는 Bluetooth AoA 및 AoD를 배포하는 데 필요한 복합 소프트웨어를 빠르게 구현하는 데 필요한 소프트웨어를 포함하는 SoC 및 모듈을 선택할 수 있습니다. 이러한 SoC 및 모듈은 배터리 구동식 위치 태그를 지원하기 위해 저전력 소비에 최적화되어 있으며 열악한 산업 환경에서 작동하도록 설계되었습니다.