Bluetooth em nova direção

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A constante evolução do Bluetooth® é impressionante. Originalmente projetada como um método para transferir informações entre aparelhos sem cabos, a tecnologia – principalmente desde o lançamento da versão Low Energy (LE) como um “elemento de marca registrada” do Bluetooth 4.0 – expandiu-se dramaticamente. O Bluetooth LE estendeu o alcance da tecnologia a dispositivos com recursos de bateria modestos e, de uma só vez, abriu a conectividade sem fio a milhares de produtos anteriormente “mudos”.

Nos primeiros anos, o crescimento do Bluetooth LE foi impulsionado principalmente pelo mercado de “acessórios” – produtos sem fio, como wearables, brinquedos, luzes de bicicleta e máquinas de café – que podiam ser controlados diretamente de um smartphone. Felizmente, os principais atributos da tecnologia também se adequavam idealmente às demandas dos sensores sem fio que formam a base da Internet das Coisas (IoT). Mais recentemente, a introdução do Bluetooth® 5 – que teve melhorias na taxa de transferência, alcance e coexistência – consolidou a posição da tecnologia Bluetooth como uma das principais tecnologias que impulsionam o futuro “inteligente”.

O Bluetooth 4.0 e o 5 foram lançados com o grau de entusiasmo que o pessoal de marketing faz tão bem e, para ser justo, essas revisões do padrão trouxeram aprimoramentos técnicos significativos. Por outro lado, a atualização mais recente, Bluetooth 5.1, recebeu um toque menor da área de marketing, mas promete ser uma solução para um problema que nenhuma outra tecnologia sem fio abordou.

Onde estou?

Os serviços globais de navegação por satélite, como o Galileo, o sistema de posicionamento global (GPS) e os sistemas globais de navegação por satélite (GLONASS) formam a espinha dorsal de muitos aplicativos de orientação e rastreamento. Mas sem “linha de visão” para os satélites, os sistemas falham. Os engenheiros implementaram soluções alternativas, como determinar um local com base na posição conhecida de um roteador Wi-Fi, mas essas soluções são limitadas a uma precisão de cerca de dez metros.

Por sua vez, o Bluetooth empregou uma metodologia RSSI (Received Signal Strength Indicator) para estimar a posição de um transceptor Bluetooth (incorporado, por exemplo, no smartphone). Como o nome sugere, a técnica funciona estimando a distância do transceptor a um ponto fixo conhecido (por exemplo, um beacon) com base na intensidade do sinal do Bluetooth. Esse sistema geralmente é incapaz de determinar a localização exata do transceptor alvo sendo limitada a uma estimativa da posição na circunferência de um círculo de raio conhecido ao redor do beacon (para um transceptor Bluetooth restrito a um plano horizontal, como um piso). A precisão é ainda mais prejudicada pela atenuação (normalmente desconhecida) da força do sinal por paredes e outros obstáculos.

Os sistemas de proximidade da tecnologia Wi-Fi e Bluetooth encontraram favorecidos nas aplicações de varejo, nos quais os consumidores podem receber informações contextuais com base em sua localização aproximada, mas a falta de precisão de cada um dos meios não depende da tarefa de navegação interna ou rastreamento de ativos.

 

Trabalhando com angulos

De acordo com John Leonard, gerente sênior de marketing de produto da Nordic Semiconductor, o Bluetooth 5.1 introduz uma tecnologia de “Direction Finding” que melhora significativamente a utilidade do protocolo para navegação interna e rastreamento de ativos. Leonard explica que a revisão traz “o posicionamento preciso das coisas no espaço tridimensional (que terá) um impacto semelhante para situações internas, como o GPS fez para o posicionamento externo”.

A chave para o aprimoramento trazido pelo Bluetooth 5.1 Direction Finding, resulta da combinação do RSSI com a direção aparente da qual o sinal está vindo. Dessa forma, em vez de apenas colocar o transceptor em algum lugar na circunferência de um círculo, sua posição no espaço é determinada com uma precisão de cerca de um metro. Os detalhes da nova tecnologia são complexos e exigem um artigo mais longo para descrever, mas, em essência, existem dois métodos para determinar a direção:

  • Ângulo de chegada (AoA – Angle of arrival) do sinal recebido
  • Ângulo de partida (AoD – Angle of departure) do sinal transmitido

Mais especificamente, o AoA é determinado medindo a diferença de fase entre os sinais de uma fonte específica que chega a várias antenas. Se as antenas forem perpendiculares ao transmissor, haverá uma diferença de fase praticamente nula. À medida que o ângulo aumenta, a distância do transmissor a cada antena muda sutilmente, aumentando a diferença de fase. Os dados de diferença de fase podem então ser analisados por um algoritmo para estimar o ângulo entre o transmissor e o receptor. AoA permite que o dispositivo receptor calcule a localização do transmissor.

Ao empregar a técnica AoD, o receptor usa apenas uma antena e o transmissor é equipado com várias antenas que transmitem sequencialmente. AoD permite que o dispositivo receptor calcule sua própria posição no espaço usando ângulos derivados de múltiplos receptores fixos.

O Direction Finding opera em duas ou três dimensões, dependendo da complexidade do conjunto de antenas. E com um conjunto de antenas e um software bem projetados, o AoA e o AoD prometem uma precisão angular de ± 2 ° e precisão posicional de cerca de meio metro.

Dilemas de Design

O Bluetooth 5.1 Direction Finding é uma abordagem teórica elegante para confirmação de posição, e vários fabricantes já oferecem soluções comerciais. Mas desenvolver uma aplicação prática está longe de ser fácil. Muitos desenvolvedores de Bluetooth estarão familiarizados com a antena isolada de um transceptor, mas não com as matrizes de antena. E mesmo com uma matriz decente, fatores como polarização, interferência de caminhos múltiplos, jitter do clock e atrasos na propagação, tornam muito difícil extrair as informações da fase pura do ruído.

Como o cálculo do ângulo de um sinal de rádio tem aplicações históricas em áreas médicas, de segurança e militares, existem alguns algoritmos comprovados que os designers podem usar como base para Bluetooth Direction Finding. No entanto, eles exigem muito ajuste fino para se adequar aos cenários prováveis em que o aplicativo de destino provavelmente será empregado. E os algoritmos exigem Bluetooth-on-Chip Systems com processadores poderosos com bastante Flash e RAM.

Adicionando o Bluetooth 5.1 Direction Finding a tecnologia sem fio oferece o potencial para muitos aplicações novas, incluindo navegação interna, rastreamento de ativos e uma nova geração de beacons mais sofisticados. O Bluetooth Special Interest Group (SIG), prevê cerca de 400 milhões de produtos com Bluetooth “location services” por ano até 2022. Mas chegar lá não será fácil. Os engenheiros são aconselhados a procurarem seu distribuidor confiável para obter orientação e aconselhamento antes de iniciar seu primeiro projeto.

Artigo escrito originalmente por  Steven Keeping para Mouser Electronics:Bluetooth® Heads in New Direction. Traduzido por Equipe Embarcados.

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