Технология BLE. Встретимся внутри

Системы мониторинга и навигации внутри помещений могут позволить предприятиям топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и промышленности повысить эффективность производственных процессов и безопасность персонала, минимизировать потери сырья и продукции при логистике. Отслеживание местоположения и передвижения активов предоставляет возможность контролировать приход и расход товаров, оборудования, условия хранения продукции, отслеживать местоположение и состояние техники. Одной из перспективных технологий является Bluetooth Low Energy (BLE).

Текст: Евгений Скиба, начальник отдела главного конструктора АО «НИИМА «Прогресс»

Евгений Старовойтов, заместитель начальника отдела разработки смешанных СВЧ модулей

Локальная, Outdoor — и Indoor-навигация

Локальные системы навигации (ЛСН) дополняют глобальные навигационные системы (ГНСС) и применяются в следующих областях промышленности:

• навигации автономных роботов в помещениях, включая склады, ангары, шахты и т. д.;
• управлении техническими средствами на предприятиях добывающей промышленности;
• навигации в торговых центрах и пр.

ЛСН может быть полезна при решении следующих задач (см. рис. 1) [1]:

– поиске локации в закрытом помещении;

– помощи плохо ориентирующимся людям в незнакомых зданиях;

– облегчении нахождения нужного товара в торговых залах;

– оптимизации затрат времени на построение самого короткого и быстрого маршрута;

– логистики в пределах определенного помещения;

– поиске людей в здании;

– обеспечении навигации с точностью до 1,5 м;

– улучшении обслуживания посетителей;

– повышении безопасности в случае чрезвычайных ситуаций;

– повышение эффективности работы учреждения.

Рис. 1. Indoor-навигация с использованием портативных носимых устройств

Часто в навигации выделяют две области: Outdoor (снаружи помещений) и Indoor (внутри помещений). К Outdoor-навигации относится использование данных ГНСС, которая не применима внутри сооружений, экранирующих сигнал от навигационных спутников. Как показано выше, основной сферой применения ЛСН как раз является Indoor-навигация.

По данным портала «Вестник ГЛОНАСС», глобальный рынок систем Indoor-навигации в период с 2022 по 2030 год будет расти со стабильным среднегодовым темпом примерно 32,56% и достигнет $92,36 млрд США к концу 2030 года. За несколько предыдущих лет этот рост был в значительной мере обеспечен за счет сервисных решений на вокзалах, в торговых центрах, на складах, в учебных заведениях, гостиницах, аэропортах и больницах.

Основные варианты реализации ЛСН:

– специальные системы с пространственно-временной синхронизацией излучаемых сигналов (по принципу действия – аналог ГНСС);

– системы с использованием широковещательных сигналов (Wi-Fi, Bluetooth-источники, базовые станции GSM);

– автономные системы с применением инерциальной навигации, технического зрения и ультразвуковых датчиков, а также их комбинации.

Для широкого применения в промышленности экономически целесообразно использовать радиочастотные системы с широковещательными сигналами. Кроме того, они выигрывают по надежности и помехозащищенности в сравнении с датчиками для автономной навигации.

Технологии позиционирования

В ЛСН используют следующие основные методы определения местоположения.

RSSI (Received Signal Strength Indicator) − определение расстояния до радиопередатчика по мощности (уровню) сигнала.

Дальность определяется из выражения, 

где Pпр – мощность сигнала на дальности D; P0 – мощность сигнала на калибровочной дальности D0; η – коэффициент ослабления сигнала в среде распространения.

2. ToF (Time of Flight) − измерение времени прохождения сигнала от радиопередатчика до объекта и обратно

где t – задержка сигнала; c – скорость света в вакууме.

3. TDoA (Time Difference of Arrival) − измерение разницы времени прихода сигнала от объекта до нескольких синхронизированных между собой опорных маяков

где Δt – задержка сигнала от нескольких маяков; x1,2, y1,2 – известные координаты маяков; x, y – координаты приемника.

4. AoA (Angle of Arrival) − определение положения объекта по углу прибытия сигнала.

Если первый маяк находится в начале системы относительных координат (0, 0), а второй маяк разнесен с ним на известное расстояние, то относительные координаты приемника в точке А (см. рис. 2) могут быть вычислены следующим образом

где x2, y2 – координаты второго маяка; θ1, θ2 – углы прибытия сигнала от первого и второго маяков.

Рис. 2 Определение положения объекта по углу прибытия сигнала (метод AoA)

Во многих системах Indoor-навигации используются RFID-метки (от англ. Radio Frequency IDentification − радиочастотная идентификация), позволяющие идентифицировать объекты и отслеживать их перемещение. Метка (транспондер) позволяет записать на нее определенную информацию (не менее 128 бит) и потом считать ее с помощью специального устройства (считывателя – ридера), при этом допускается возможность перезаписи данных. Метки устойчивы к климатическим и механическим воздействиям.

Для навигации внутри помещений используются технологии NFER, ZigBee, NanoLOC, имеющие свои достоинства и недостатки.

Технология UWB (Ultra-Wide Band – сверхширокая полоса) основана на использовании радиочастотных каналов с шириной полосы более 500 МГц. Реализованные на этой базе RTLS-системы (Real Time Location System – системы определения местоположения в режиме реального времени) обладают высокой точностью определения местоположения и сохраняют эффективность в помещениях со сложной геометрией при наличии помех.

Для отслеживания перемещения объектов в закрытых помещениях на данный момент широко применяется Bluetooth Low Energy (BLE) −  радиочастотная технология беспроводной связи, представляющая собой энергосберегающий вариант технологии персональной сети Bluetooth (PAN), предназначенный для использования устройствами, подключенными к интернету. Эта технология широко применяется в устройствах, используемых для создания сетей интернета вещей (Internet of Things – IoT).

В технологии BLE используется скачкообразная перестройка частоты в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц для связи находящихся на расстоянии 10...20 м (в ряде случаев до 100 м) устройств с максимальной скоростью 1 Мбит/с при потребляемой мощности 0,01...0,50 Вт.

Для определения координат объектов в технологии BLE используются методы RSSI и AoA, что позволяет достигнуть предельной погрешности измерений около 10 см. Устройства с поддержкой BLE могут отключаться или переводиться в спящий режим между подключениями длительностью не более нескольких секунд, что позволяет сократить потребление энергии.

Оборудование BLE обладает лучшей помехоустойчивостью в сравнении с технологией RFID-меток, которые не могут использоваться для отслеживания изделий из металла или с высоким содержанием воды.

Прогнозируется, что сегмент технологии BLE в ближайшие годы займет лидирующие позиции на мировом рынке систем Indoor-навигации. BLE относится к новейшим развивающимся технологиям и является рыночным стандартом, доступным на большинстве устройств.

Использование технологии BLEв промышленности и на предприятиях ТЭК

Системы отслеживания активов на базе технологии BLE позволяют контролировать любые объекты в цехах, на складах или в логистических центрах. С их помощью можно проводить мониторинг грузов, оборудования и транспорта. При использовании трекинга можно отслеживать объекты в режиме реального времени, а также выполнять сбор статистики и проведение аналитики по передвижению активов, контроль за использованием свободного пространства и др.

Технология BLE является эффективным и удобным инструментом, обеспечивающим четкий контроль над каждым предметом. Интеграция программного обеспечения с практически любым портативным носимым устройством (смартфоном или планшетом) через Bluetooth-соединение позволяет получить средство для эффективного мониторинга выполнения повседневных задач как персонала склада, так и подрядчиков, а также быстрого реагирования на поломку или потерю того или иного актива (техники или товара).

Основные преимущества использования технологии BLE для отслеживания активов в промышленности относятся:

– применение оборудования как в небольших помещениях, так и в крупных сооружениях;

– легко настраиваемое автоматическое взаимодействие между различными устройствами;

– интеграция для приложений и датчиков с низкой пропускной способностью;

– совместимость практически со всеми типами портативных носимых устройств.

Система отслеживания (трекинга) активов, широко применяемая на складах (см. рис. 3), представляет собой комплексное решение, включающее в себя специализированное программное обеспечение и аппаратное оборудование. Для отслеживания активов с помощью BLE используется несколько компонентов: приемники с антеннами, маяки (теги, метки) и программная платформа трекинга.

Рис. 3. Архитектура системы трекинга активов на складе

Маяки BLE представляют собой аппаратные передатчики с автономным питанием от батареи. Они предназначены для передачи небольшого объема данных на короткие расстояния, потребляя гораздо меньше энергии, чем другое IoT-оборудование. Пользователь может настроить обмен небольшим объемом данных через равные промежутки времени.

Маяки отличаются по размерам и конструктивному исполнению в зависимости от назначения. Кроме того, данное оборудование позволяет не только считывать в реальном времени местоположение предметов или персонала, но и при оснащении дополнительными датчиками может также осуществлять сенсорные функции, например измерять температуру, освещенность или влажность.

Небольшие габариты позволяют прикреплять маяки BLE непосредственно к физическим активам: оборудованию, погрузчикам или товарам на складах. Маяки могут быть обнаружены любыми устройствами, поддерживающими BLE, в т. ч. смартфонами, планшетами и ноутбуками. Сигнал от одного маяка может считываться несколькими устройствами одновременно. Производство этого оборудования недорогое, а эксплуатация также не требует серьезных затрат.

В то же время в некоторых сценариях могут потребоваться специальные BLE-считыватели,аналогичные считывателям Wi-Fi и RFID-ридерам.

На крупных промышленных предприятиях и объекта ТЭК является актуальной задача контроля за перемещением персонала. В дополнение к традиционным системам видеонаблюдения (см. рис. 4) и контроля целостности периметра, Indoor-навигация позволяет непосредственно идентифицировать сотрудников, что облегчает задачу поддержания внутриобъектового режима и эвакуации при наступлении чрезвычайных ситуаций.

Рис. 4. Мониторинг перемещения персонала внутри зданий и сооружений

Система мониторинга персонала на предприятии позволяет решить следующие задачи:

– контроль присутствия персонала на рабочих местах;

– контроль за посещением отдельных помещений;

– воспроизведение маршрута перемещения сотрудников по предприятию;

– оперативное оказание первой помощи и эвакуация при авариях и несчастных случаях;

– оперативное оповещение служб безопасности при нарушении внутриобъектового режима.

Система Indoor-навигации АО «НИИМА «Прогресс»

АО «НИИМА «Прогресс» в рамках создания аппаратно-программного комплекса средств программно-аппаратной платформы для системы интеллектуальной навигации с использованием технологии искусственного интеллекта была создана система навигации внутри помещений на базе технологий Bluetooth/Wi-Fi (с поддержкой RTT–Round Trip Time, время приема-передачи).

Терминал Indoor-навигации представляет собой портативное носимое устройство: смартфон или планшет со специальным программным обеспечением мобильного устройства (см. рис. 5).

Рис. 5. Терминал Indoor-навигации на базе смартфона

BLE является наиболее эффективным решением для навигации системы в закрытых помещениях, а технология Wi-Fi RTT обеспечивает точность навигации внутри помещений с точностью до 1 м. При дополнении средствами UWB точность возрастает до 0,1…0,3 м, что позволяет обеспечить контроль периметра опасных зон на предприятиях и проверять нахождение сотрудников организации на своих рабочих местах.

В состав разработанной системы (см. рис. 5) входят:

– маяк Bluetooth/Роутер Wi-Fi RTT/Антенная система (анкер UWB);

– приложение для смартфона/носимая метка/браслет;

– серверная платформа.

Рис. 6. Система Indoor-навигации разработки АО «НИИМА «Прогресс»

Для задач мониторинга персонала браслеты могут быть дополнены следующими моделями:

– приемником спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС и др.);

– инерциальными датчиками;

– пульсоксиметром.

В результате функционал системы расширяется, позволяя решать актуальные для предприятий ТЭК и промышленности задачи мониторинга персонала:

– контроль перемещения сотрудников с точностью до 1 м;

– контроль за физическим состоянием сотрудников;

– обнаружение падения сотрудников;

– вызов врача или служб безопасности тревожной кнопкой.

Заключение

Системы отслеживания активов на базе технологии BLE могут быть использованы для решения задач мониторинга и трекинга активов, где требуется высокая точность позиционирования объектов при небольших затратах на электроэнергию. BLE-оборудование обеспечивает связь между находящимися на расстоянии 10...20 м устройствами со скоростью до 1 Мбит/с и потребляемой каждым устройством мощностью не более 0,01...0,50 Вт.

Доступность, удобство и экономичность позволяют широко использовать технологию BLE на предприятиях ТЭК, обрабатывающей промышленности и в машиностроении.

1. Давидян Н.А., Дудник М.Д., Кирий В.А. Анализ методов построения информационной системы локальной навигации. Актуальность ее применения // Стратегия опережающего развития. Сборник статей VI Международной школы молодых ученых в сфере экономики на Юге России. М. АНО «Научно-исследовательский институт истории, экономики и права». 2019. С.28-30.
2. Щербаков Д.В. Исследование вариантов способа локального позиционирования для системы навигации по университету //  Научно-практические исследования. 2020. № 11-7 (34). С.63-67.
3. Рынок систем Indoor-позиционирования и навигации к 2030 году vestnik-glonass.ru. http://vestnik-glonass.ru/~ReGi0 (05.09.2023)
4. Брагин А.С. Сравнительный анализ систем глобального и локального позиционирования // Экономика и качество систем связи. 2021. № 3. С. 71-77.
5. Скиба Е.С. Системы отслеживания активов на складах // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2023. № 1. С. 74-78.