Monitoramento Indoor e Outdoor com Beacons e GPS

Soluções Indoor e Outdoor da Nordic Semiconductor
João Dullius – Engenheiro de Aplicações – BP&M Rep
Monitoramento e Localização de
Ativos e Pessoas

© Nordic Semiconductor
2
A MAIS AMPLA GAMA DE COMPONENTES
ELETRÔNICOS & INDUSTRIAIS
Componentes para projeto e produção. Soluções para IoT e
Eletrônica Embarcada. Ferramentas e Equipamentos de Teste& Medição.

…. mas os requisitos e desafios permanecem similares
O Monitoramento de Ativos pode variar…

Localização
Geo-Cerca
Saúde/Movimento
Detecção de Quedas
Roubo
Geo-Cerca
Monitoramento de Uso
Manutenção Preditiva
Prevenção de Acidentes
Localização
Geo-Cerca
Localização sob Demanda
Monitoramento de Uso
Manutenção Preditiva
Manejo de Frotas
Localização
Geo-Cerca
Saúde Animal
Consumidor/Varejo Saúde Maquinário
Rebanhos/Pets
Existem muitos exemplos ...
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Localização / Rota
Roubo / Perda de Pacotes
Dados Ambientais
Saúde do Produto
Detalhes do Manejo
Manejo de Frotas
Logística/Pacotes

Monitoramento Indoor
O GPS entre quatro paredes
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Localização por Beacons
 Beacon
 Dispositivo que emite um sinal de advertising
 Âncora
 Dispositivo que escaneia beacons

 Beacon
 Âncora
Advertising
Requisição de Conexão
Beacon
(Periférico BLE)
Âncora
(Central BLE)

 Beacon
 Âncora
 Triangulação
 Cruzamento de informações de diversas âncoras
 Sistema de Posicionamento
 Utiliza informação dos beacons e âncoras para posicionar
em um mapa real

 Beacon Móvel – Tag de localização

 Beacon Móvel – Tag de localização
 Beacon Fixo – Localização pro celulares
 Eddystone Beacon
 iBeacon

Localização por Beacons - RSSI
 RSSI – Received Signal Strength
Identification
 Susceptível a atenuação de sinal
 Solução simples e baixo custo
 Bastante versátil se consideradas as
limitações

Localização por Beacons - RSSI
 RSSI – Received Signal Strength
Identification
 Susceptível a atenuação de sinal
 Solução simples e baixo custo
 Bastante versátil se consideradas as
limitações
 Precisão proporcional a distância e
densidade de âncoras

Comunicação entre Âncoras
 Redes mesh possibilitam grandes
quantidades de âncoras em uma única
rede
Gateway

Somos todos âncoras...

Tempo de Vida de Bateria
 Principais Fatores que Influenciam
 Periodicidade do Advertising
 Potencia de Transmissão (-40 a +8 dBm)
 Online Power Profiler for Bluetooth LE

Capacidade Média: 220 mAh
CR2032 220,0E-3Ah
Corrente Beacon 3,40E-06A
Tempo de Vida 64,7E+3h
Anos de Vida 7Anos 8 Bytes a cada 3 segundos

Capacidade Média: 220 mAh
37 Bytes a cada 1 segundo
CR2032 220,0E-3Ah
Anos de Vida 2Anos

Capacidade Média: 220 mAh Capacidade Média: 620 mAh
CR2032 620,0E-3Ah
Anos de Vida 6Anos
CR2032 220,0E-3Ah
Anos de Vida 2Anos

Direction Finding
 Principal feature da Bluetooth 5.1 Core Specification
 Adotada em 29 de Janeiro de 2019
 Feature opcional
 Necessita de mudanças nos rádios até então existentes
 Permite uma maior acurácia em posicionamento indoor

Posicionamento Indoor Soluções Avançadas de
Localização de Itens
Real-Time Locationing
Systems (RTLS)
Marketing de Proximidade
Direction Finding – Casos de uso
Sistemas de Posicionamento Soluções de Proximidade
Localização de Ativos Geração de Rota Localização de Itens
Pontos de Interesse

Angle of Arrival (AoA)
Transmissor
 Beacon Simples
 Antena única
 Transmite um tom constante
Receptor
 Mais complexo
 Matriz de Antenas e Switch RF
 Estima o ângulo baseado nos dados de I/Q

Matriz de Antenas

Angle of Departure (AoD)
Transmitter
 Simple beacon
 Antenna array and RF switch
 Transmits a constant tone
Receiver
 Scanner / Observer
 Single antenna
 Angle estimation based on I/Q data

Posicionamento por AoA
 Se torna precisa com o uso de múltiplas âncoras
 Casos simples podem utilizar apenas uma
 Precisão em torno de 1-2 metros

Sistema de Posicionamento
Ângulo Ângulo
Processo de Posicionamento
 Tag envia pacote de advertising com tom constante
 Âncoras detectam o tom e fornecem dados de I/Q
para a aplicação calcular o ângulo.
 O sistema de posicionamento recebe o ângulo de
múltiplas âncoras e calcula a posição.
Posicionamento por AoA

Posicionamento por AoD
Processo de Posicionamento
 Âncoras enviam o advertising com tom constante
através de múltiplas antenas
 O dispositivo móvel detecta o tom constante e
calcula o ângulo em relação a âncora
 O sistema de posicionamento recebe o ângulo de
múltiplas âncoras e calcula a posição.
Ângulo
Ângulo

 CTE fornece sinal de frequência constante para amostragem de IQ
 Sequência não balanceada de 1s (Tom) e é anexada após CRC
 Modos Connectionless e connection-oriented;
 No modo Connectionless , o advertising periódico é necessária (timing determinístico)
 Suportado para PHYs 1Mbit e 2Mbit
Constant Tone Extension (CTE)
35

Bluetooth 5.1 direction finding
36
Matriz de Antenas
Radio HW
Bluetooth Controller
Bluetooth Host
Aplicação

Bluetooth 5.1 direction finding
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Matriz de Antenas
Radio HW
Bluetooth Controller
Bluetooth Host
Aplicação
 A Nordic fornece como parte do nRF Connect SDK (Caixas Azuis)
 Bluetooth Host 5.1 com suporte a Direction Finding
Versão de produção prevista para inicio de 2022 (versão de engenharia disponível)
 Bluetooth Controller 5.1 com suporte a Direction Finding
Versão de produção prevista para inicio de 2022 (versão de engenharia disponível)
 O cliente e/ou parceiros fornecem
 Design da Matriz de Antenas
 Código da Aplicação
 Algoritmo de resolução de ângulo

Direction Finding com os SoCs nRF52 e nRF53
38
Antenna
Switch
ANT
GPIOs
/
SoC nRF52
ou nRF53
Pacotes de Direction Finding
 Detecção (RX/AoA) e Geração (TX/AoD) do Constant
Tone Extension (CTE)
 Suporte a soluções Bluetooth 5.1 e proprietárias
Amostragem de IQ
 Amostras de IQ na RAM através de DMA
 1 (Padrão do Bluetooth), 2, 4 e o Msps
Chaveamento de Antenas
 Até 8 GPIOs para controlar o switch externo
 38 padrões de switch configuráveis

Short-Range SoC’s
Features
nRF52832
512kB/64kB
QFN CSP
nRF52840
1024kB/256kB
nRF52810
192kB/24kB
QFN CSP
nRF52833
512kB/128kB
aQFN CSP
nRF52811
192kB/24kB
QFN CSP
nRF53
nRF52
Release Schedule
aQFN CSP
nRF5340
1280kB/576kB
aQFN
nRF52820
256kB/32kB
QFN CSP
nRF52805
192kB/24kB
CSP
U
U
U
U
D
D
D
D
High-end SoC
High-end SoC
Mid-end SoC
Low-end SoC
Low-end SoC
Low-end SoC
Low-end SoC
Mid-end SoC
105ºC
105ºC
105ºC

Kits de Desenvolvomento
nRF52-DK nRF52833-DK Thingy:52
Power Profiler Kit 2 (PPK2)
Nrf52840-Dongle

Ambiente de Desenvolvimento
nRF Connect
for VSCode
Exemplos Prontos:
•Bluetooth: Direction finding connectionless locator
•Bluetooth: Direction finding connectionless beacon

Nordic DevZone e Blogs

Comparação de Tecnologias Indoor
Wi-Fi
fingerprinting
Wi-Fi
time-of-flight
Bluetooth
RSSI
Bluetooth
AoA
Ultra Wide
Band (UWB)
Precisão* 10 m 1-2m 5-10m 0.5-1.0m 0.1-1.0m
Consumo Alto Alto Baixo Baixo Alto
Custo de
Instalação
Baixo Médio Baixo Médio Alto
Custo do
Dispositivo
Alto Alto Baixo Baixo Alto
* Depende das condições de instalação

Monitoramento Outdoor
Além do GPS

 Dispositivo GPS padrão fazem download de dados dos satélites
 Almanac
Válido por até 2 semanas, 15 kbits – 12.5 minutos
 Ephemeris
Válido por 2 a 4 horas - 30 segundos
 Download lento impacta no Time To First Fix (TTFF)
 Desafio para dispositivos low power
GPS
50 bit/s
Condição do Dispositivo Condição TTFF típico
Desligado/Dormindo por dias Cold start 1-15 minutos
Sleep cycles de algumas horas Warm start 30-60 segundos
Sempre ligado, ou Sleep cycles curtos Hot start < 10 segundos

 GPS assistido melhora o Time To First Fix
 Ephemeris e Almanac baixados através de um link LTE-M rápido
 Ideal para dispositivos Low power
 Predictabilidade é uma chave de sucesso
GPS Assistido (A-GPS)
1 Mbit/s
50 bit/s
Desligado/Dormindo por dias Cold start <10 segundos 1-15 minutos
Sleep cycles de algumas horas Warm start <10 segundos 30-60 segundos

 Consumo do GPS no First Fix
Porque um TTFF rápido importa?
Corrente para
Conseguir o Fix
Cosumo Estimado (3.5V)
Desligado/Dormindo por dias Cold start 1-15 minutos 40mA 8 mAh
Sleep cycles de algumas horas Warm start 30-60 segundos 40mA 0.4 mAh
40mA
0.062 mAh

 ~no nível do mar
 2D fix é preciso
 Utiliza apenas 3 satélites para localização
GPS 2D - Exemplo de Trondheim
48

 ~ 2250 m acima do nível do mar
 O erro do 2D fix é ~50 – 100 metros
 A aplicação pode injetar a altitude no modem
 Remove o erro do 2D fix
GPS 2D - Exemplo da Cidade do México
49

 eNodeB - Evolved Node B
 O hardware que se conecta os dispositivos
celulares na rede. UE – User equipment
 UE – User Element
 O dispositivo celular
 Cell – Área de cobertura de uma eNodeB
 A região física na qual o dispositivo celular
conecta em uma eNodeB específica.
O que é uma célula LTE?
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 Simples consulta em um banco de dados
 Dado disponível assim que conectado
Time-to-first-fix zero
 Precisão da localização
Grandeza de Kilometro
Qual parte da cidade
 Sem consumo adicional
 Útil para decidir se uma localização mais
precisa deve ser usada ou não
 Tanto Indoor quanto Outdoor
Localização por Célula Única
Otimizado para dispositivos simples e embarcados

Localzação por Células Vizinhas
 Fornece informação da célula atual e
vizinhas
 Utilizado com sistemas de localização por LTE
 Útil para localização de ativos, incluindo
indoor e low-power
 Retorna informação de até 18 células
 Máximo de 6 células por freqüência
 Informação inter-freqüência disponível apenas
se configurado pela operadora.

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Localzação por Células Vizinhas
 Fornece informação da célula atual e
vizinhas
 Utilizado com sistemas de localização por LTE
 Útil para localização de ativos, incluindo
indoor e low-power
 Retorna informação de até 18 células
 Máximo de 6 células por freqüência
 Informação inter-freqüência disponível apenas
se configurado pela operadora.

 Baseado no Dual Core SoC da Nordic
 Modem LTE-M/NB-IoT multibanda com GPS
 Arm® Cortex® M33 MCU para a aplicação
 Pequeno formato (inclui PMIC, RF FEM, passivos e
cristais)
 Ultra Baixo Consumo – 18uA @ 81.92s eDRX
 Pré-Certificado na Anatel (B3, B5 e B28)
nRF9160 – Muito mais que um módulo
16mm
10mm
nRF9160 SiP

 Baseado no Dual Core SoC da Nordic
 Modem LTE-M/NB-IoT multibanda com GPS
 Arm® Cortex® M33 MCU para a aplicação
 Pequeno formato (inclui PMIC, RF FEM, passivos e
cristais)
 Ultra Baixo Consumo – 18uA @ 81.92s eDRX
 Pré-Certificado na Anatel (B3, B5 e B28)
16mm
10mm
nRF91
RF
front-end
PMIC
pas
&
xtal
Application
Processor
Modem
Flash
RAM
Flash
RAM
nRF9160 SiP

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Kits de Desenvolvimento
Thingy:91
nRF9160DK

Ambiente de Desenvolvimento
nRF Connect
for VSCode
Exemplos Prontos:
•nRF9160: Asset Tracker v2
•nRF9160: A-GPS
•nRF9160: Multicell location
•nRF9160: GPS with SUPL client library

Obrigado!
Caroline Jabur
cjabur@laterebr.com.br
João Dullius
joaodullius@bpmrep.com.br

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