Tarkka sisätilapaikannus on aina ollut iso haaste laitevalmistajille. Bluetooth tarjoaa uuden ratkaisun ongelmaan. Testeissä ratkaisu on jo osoittautunut toimivaksi. Bluetoothilla päästään alle metrin tarkkuuteen.

Paikkatietoisuus on yksi IoT-teknologian mukanaan tuomista tärkeimmistä hyödyistä niin liiketoiminnalle kuin kuluttajille. Sen avulla pystyvät kohtuuhintaan seuraamaan ja jäljittämään reaaliajassa kalustosta vastaavat henkilöt kulkuneuvojaan, logistiikkayritykset lähettämiään tuotteita ja maanviljelijät tuotantoeläimiään. Samalla tavoin me ihmiset voimme hankkia yhteydenottoon soveltuvia päätelaitteita pitämään silmällä ikääntyviä sukulaisiamme, lemmikki- eläimiämme tai autoja ja muita arvotavaroitamme.

Maailmanlaajuiset satelliitti- paikannusjärjestelmät (GNSS) kuten GPS, GLONASS, BeiDou ja Galileo ovat mahdollistaneet paikannusteknologian tuomisen osaksi mitä moninaisimpia talouden ja päivittäisen elämän alueita. GNSS-teknologiat ovat kehittyneet vuosi toisensa jälkeen ja saavutetut sijainnin tarkkuudet ovat tarkentuneet metreistä muutamiin sentteihin, yhteydenottoajat lyhentyneet ja paikannuksen alkaminen on kutistunut kymmenistä sekunneista sekunteihin ja palvelun saavutettavuus on saatu kattamaan jopa kaikkein tiheimmät asutuskeskittymät.

Tarkalla sijainnin määrityksellä on kuitenkin vielä nykyisin haasteena toimiminen suurissa sisätiloissa. Heikoilla GNSS-signaaleilla on vaikeuksia läpäistä riittävän tehokkaasti suljettujen sisätilojen seinämiä. Sen seurauksena riittävän paikan määrityksen saavuttaminen on ollut hankalaa esimerkiksi seuraavissa tärkeissä käyttökohteissa:

• sairaaloissa jäljittäessä lääkintälaitteita, potilaista ja henkilökuntaa
• lentokentillä paikallistettaessa matkatavaroita ja matkustajia
• teollisuuslaitoksissa automatisoitaessa tuotantoprosesseja
• huolto- ja myyntiyhtiöissä seurattaessa asiakaskäyttäytymistä ja taustaoperaatioita
• miehittämättömissä varastoissa päivitettäessä robottien toimintoja

Koska mainituissa ympäristöissä satelliittisignaalien toimintakelpoisuus on suurelta osin riittämätöntä, useita erilaisia teknologioita on ehdotettu parantamaan tilannetta. Esimerkiksi langattomalla modeemilla varustetut laitteet voivat hyödyntää solukkoverkon signaaleilla saatavia sijaintiarvioita lähellä oleviin tukiasemiin nähden, ne voivat myös hyödyntää edistyneempiä signaalin lentoajan mittausmenetelmä.

Wifi-verkossa toimivat laitteet voivat hyödyntää samantyyppistä lähestymistapaa määrittämällä sijaintinsa wifi-alueiden suhteen. Ja Bluetoothilla varustetut laitteet voivat käyttää hyväksi vastaanotetun signaalin voimakkuutta (RSSI) määrittäessään arvioitua etäisyyttä suhteessa käytössä oleviin Bluetooth-majakoihin.

Kaikissa edellä mainituissa menetelmissä on kuitenkin puutteita, jotka rajoittavat niiden käyttöönottoa tilanteissa, joissa on asetettu kunnianhimoiset tavoitteet tarkkuudelle, toiminta- kelpoisuudelle, helppokäyttöisyydelle ja GNSS-paikannuksesta tutulle edullisuudelle. Mobiiliverkko- ja wifi-perustaisissa paikannusteknologioissa laitteistokustannusten osuus nousee sitä mukaa, mitä tarkempia sijainnin määrityksiä halutaan. Ja huolimatta huonosta tarkkuudestaan Bluetooth RSSI on kuitenkin onnistunut saamaan jalansijaa sovelluksissa, joissa sisätilan paikannuksissa riittää huonetason tarkkuus, koska se on hinnaltaan edullinen, kuluttaa vähän tehoa ja on yhteensopiva useimpien liitettävien laitteiden kanssa.

Vuonna 2019 Bluetooth- paikkatietojärjestelmät saivat enemmän jalansijaa sisätilojen paikannuksen markkinoilla, kun tekniikan kehitystyötä valvova Bluetooth SIG esitteli Bluetooth Direction Finding -tekniikan. Siinä käytetään hyväksi uudenlaista Bluetooth-signaalia ja monen antennin ryhmää, joilla mitataan mobiilitunnisteen ja yhden tai useamman kiinteän ankkuri- pisteen välisen Bluetooth-viestin kulkukulmaa. Bluetooth-radio- suunnin on lupaava ratkaisu sisätilassa tapahtuvaan paikan määrittämisen ongelmaan ja se täyttää todistetusti ensimmäistä kertaa sisätilojen paikannukselle asetetut vaatimukset. Riittävä tarkkuus? Kyllä. Helppo käyttää? Kyllä. Hinnaltaan edullinen? Kyllä. Pieni tehon kulutus? Kyllä.

Sen jälkeen, kun ensimmäiset Bluetooth-perustaiset sisätilan paikannusratkaisut tulivat markkinoille, ne ovat herättäneet älykkäisiin toimistoihin ja absoluuttisesti suurinta määrällistä kasvua (yli 163 miljoonaa tagia) varastoihin ja logistiikkakeskuksiin. Koska näillä ratkaisuilla voidaan täydentää u-bloxin ulkoilmassa toimivia GNSS- ratkaisuja, yhtiö on panosta- massa voimakkaasti tuotekehitystään tähän suuntaan. Hyvän pohjan tälle antaa u-bloxin ulkona toimivat GNSS-ratkaisut, jotka kuluttavat vähän tehoa, ovat hinnaltaan edullisia ja tarjoavat alle metrin paikannustarkkuuksia sekä u-boxin maailmanlaajuinen asiakaskunta, joka jo kehittää sen GNSS-teknologiaan perustuvia ratkaisuja.

TARKKA PAIKANNUS SISÄTILOISSA

Sisätilojen Bluetooth-paikannuksen perustana on Bluetooth-radiosuuntimien (Direction Finding) teknologia. Kuten nimestä jo voi päätellä Bluetooth-radiosuuntiminen mahdollistaa Bluetooth-signaalin kulkusuunnan määrittämisen mobiilitunnisteen ja kiinteän ankkuripisteen välillä. Bluetooth-radiosuuntiminen voi tapahtua kahdella eri tavalla: saapumiskulman (AoA, Angle of Arrival) määrittelyssä kiinteä piste laskee tunnisteelta tulevan signaalin suunnan ja lähtökulman (AoD, Angle of Departure) määrittelyssä roolit on käännetty toisin päin, jolloin tunnisteen tehtävänä on laskea kulma, jossa signaali lähetetään ankkuripisteestä.

Tässä artikkelissa keskitytään AoA-määrittelyyn, joka soveltuu paremmin sisätilojen paikannus- ratkaisuihin, kun taas AoD soveltuu paremmin sisätiloissa tapahtuviin navigointiratkaisuihin.

Arvioidessaan teknologian soveltuvuutta sisätilapaikannukseen u-blox rakensi AoA- pohjaisen Bluetooth-radiosuuntimisen demon Malmössä sijaitseviin toimistoihinsa, joissa radiosuuntimen ankkuripisteeseen asennettu ohjelmoitu servo seuraa liikkuvaa Bluetooth-tagia ja laskee reaaliaikaisesti siltä saatavaa signaalin saapumiskulmaa.

Bluetooth-paikannus perustuu kahteen ”salaisuuteen”. Ensiksi tarvitaan uusi Bluetooth- radiosuunninsignaali lisättynä CTE-tunnisteella (CTE, Constant Tone Extension). Kun loppuosa Bluetooth-viestistä moduloidaan datan kuljetukseen, CTE sisältää ainoastaan ykkösistä koostuvan merkkijonon. Tämän seurauksena vastaanotin voi hyödyntää viestin tätä osaa mitatessaan tarkasti signaalien välisiä vaihe-eroja. Tästä päästäänkin toiseen Bluetooth-radiosuuntimisen piilotoimintoon. Jokaisessa ankkuripisteessä piilottelee yksittäisen antennin sijaan usean antennin ryhmä.

Kuljettujen matkojen erojen perusteella kukin antenni vastaanottaa signaalin, jonka vaihe-ero poikkeaa hieman muiden signaalien vaihe-eroista. Vaihe-erot voidaan mitata CTE:n perusteella.

Ankkuripisteeseen sulautetussa mikro-ohjainyksikössä ajettavat algoritmit jäsentävät edellä saadun datan sellaiseen muotoon, josta saadaan laskettua signaalin saapumiskulma halutulla tarkkuudella (+/- x^o).

Kun yksittäisen ankkuripisteen sijaan halutaan käyttää useita ankkuripisteitä, useilta ankkuripisteiltä saapuvista saapumiskulmista voidaan laskea trigonometrisesti likiarvo seuraajan sijainnista. Tämä edellyttää ankkuripisteiden tarkkojen sijainti- ja suuntatietojen syöttämistä paikannusprosessoriin, jossa ajettava algoritmi sitten laskee merkityn kohteen sijainnin kaksi- tai kolmiulotteisesti kunkin ankkuripisteen laskemien saapumiskulmien perusteella.

Tavallisessa kooltaan 8 x 6 - metrisessä toimistohuoneessa, jossa neljä ankkuripistettä on sijoitettu huoneen nurkkiin, kokeiluissa on saavutettu alle metrin keskimääräinen tarkkuus 95 prosentin todennäköisyydellä.

KOKEILU TEOLLISUUSVARASTOSSA

Omaa Bluetooth-pohjaista sisätiloissa reaaliajassa tapahtuvaa sijainnin määrittämistä varten u-blox rakensi teolliseen varastorakennukseen koejärjestelyn tavaroiden seurantaa testatakseen.

Kooltaan 30 x 50 metriä oleva varastorakennus oli kalustettu metallihyllyillä laitteiden ja laatikoiden varastointia varten. Bluetooth-määrittelyjen mukaan alimmat kerrokset käsittelevät RF-raakadataa, mutta ne eivät määrittele algoritmia varsinaisen saapumiskulman laskemiseksi.

Testimenettelyä varten u-blox kehitti tehokkaan algoritmin, jota ajetaan Bluetooth-piiriin sulautetussa mikro-ohjainyksikössä niin, ettei piirin tarjoama suuri tarkkuus huonone eikä päivitettävyys kärsi. Erityisesti u-blox on kiinnittänyt huomiota etupään RF-piiriin, antenneihin, ankkuripisteissä sijaitsevissa Bluetooth-moduuleissa ajettaviin sulautettaviin algoritmeihin ja langattomaan liitettävyyteen runkoverkkoon ankkuripisteiden yhdistämiseksi verkkoon.

Alla olevassa kuvassa esitetään u-bloxin ankkuripisteissä käytettäviä Bluetooth-tunnistetta ja L- muotoista antenniryhmää.

Koejärjestelyssään u-blox käytti kymmentä ankkuripistettä, joilla katettiin kuusi metriä korkea ja noin 1000 neliömetriä pinta-alaltaan oleva suljettu tila. Huolellisen suunnittelun ja valmistelun perusteella paikannusjärjestelmän asentaminen tapahtui rakenteisiin kajoamatta ja kesti vain pari tuntia. Jotta seuranta- tunnisteiden ja moniantenni- ryhmien välinen näköyhteys saatiin parhaimmaksi mahdolliseksi, ankkuripisteet sijoitettiin 3-5 metriä lattiapinnan tason yläpuolelle.

Koejärjestelyssä käytettiin yksinkertaisuuden vuoksi kolmannen osapuolen toimittamaa jäljitys- ohjelmistoa, tässä tapauksessa ohjelmisto tuli Traxmatelta. Tällä voitiin helposti syöttää ankkuri- pisteiden sijainnit ja suuntaviivat prosessoripiirin paikannustoimintojen käynnistämiseksi integroitua API:a käyttäen. Lopuksi u-blox toteutti wifi-tiedonsiirtoon runkoverkon jokaisen ankkuripisteen ja paikannusprosessorin välille.

Erityisesti huomiota kiinnitettiin u-bloxin kokeessa järjestelyn kokoonpanon suunnitteluun luotettavan toiminnan aikaan saamiseksi sisätiloissa, sillä tyypillisesti sisätilojen toteutukset ovat vaatineet monimutkaisia järjestelyjä.

Ensinnäkin u-bloxin järjestelyssä ankkuripisteet on sijoitettu siten, että näköyhteys on paras mahdollinen kaikkien todennäköisten tunnistesijaintien ja ainakin kolmen ankkuripisteen välillä. Tämän lisäksi järjestelyllä pyritään estämään haitallisen keilaheijastuman vaikutusta esimerkiksi radiosignaalien sinkoillessa seinistä. Ankkuripisteissä ajettavat kulmia laskevat algoritmit on varustettu tekniikalla, joka pienentää monipolkuvaikutusta (multipath mitigation). Tuloksena on vakaa suorituskyky jopa vaativissa varastorakennusten radioympäristöissä.

Konseptin oikeaksi todistamista varten tehdyt testit ovat vahvistaneet, että Bluetooth-pohjaisen tarkan sijainnin määritys toimii hyvin. Testin kokemukset ovat vastanneet hyvin odotuksia. Hyvin toteutettuna järjestely tuottaa alle metrin tarkkuuksia, joita aletaan edellyttää sisätilojen paikannukselta yhä useammissa käyttökohteissa.

Bluetooth-laitteille tyypilliseen tapaan vaadittavien laitteistojen kustannukset jäävät pienemmiksi kuin kilpailevissa teknologioissa ja samoin on tilanne tehonkulutuksen osalta. Sisätiloissa tapahtuvan paikannuksen toteutusratkaisut ovat jo pitkään olleet varsin haasteellisia.

U-bloxin toteuttamien laitteistojärjestelyjen integroiminen webbiliittymiin Traxmaten kehittämien ohjelmistojen avulla on yksinkertaistanut merkittävästi toteutusta.

HOUKUTTAVA VAIHTOEHTO

Julkistettuaan Bluetooth-radiosuuntimisen käsitteen kehitystyötä valvova Bluetooth SIG on pystynyt tarjoamaan sisätiloissa tapahtuvaan paikannukseen hyvin kilpailukykyisen toteutuksen, joka ratkaisi monia markkinoilla olevissa tuotteissa olevia heikkouksia.

Kokemukset teknologiasta u- bloxin esittämässä käyttökohteessa, jossa radiosuuntimista käytettiin ohjaamaan servoa toimisto-tiloissa toteutetussa paikannuksen koemenettelyssä ja konseptin oikeaksi todistaminen teollisuuden varastorakennuksessa, on vahva osoitus mahdollisuuksista soveltaa Bluetooth-pohjaista teknologiaa sisätiloissa kohteiden paikannuksessa samalla tavoin kuin GNSS- teknologiat ovat tehneet ulkoilmassa tapahtuvan paikannuksen osalta.

Lisätietoja koejärjestelyissä käytetyistä laitteista ja konseptin oikeaksi todistamisesta sekä kehitettyjen algoritmien tuomista eduista saapumiskulmien laskemisessa kussakin ankkuripisteessä, paikannus- prosessorin sijaintien estimoin- neista ja keilaheijastumien häivyttämisestä toteutettavien ratkaisujen luotettavuuden parantamiseksi on saatavissa u- bloxin sivuilta.

Artikkeli on ilmestynyt ETNdigi-lehden numerossa 2/2021. Sen voit lukea täällä.