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Expertenbeitrag

Dipl. Inf. Tobias Donaubauer

Dipl. Inf. Tobias Donaubauer

CEO infsoft GmbH, infsoft GmbH

Lokalisierung Bluetooth 5.1: Richtungserkennung mit Angle of Arrival

| Autor / Redakteur: Tobias Donaubauer / Sebastian Human

Bluetooth 5.1 verfügt über eine Funktion zur Richtungserkennung eines eingehenden Signals (Direction Finding). Dies ist eine wichtige technologische Entwicklung für die Positionsbestimmung in Innenräumen.

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Bluetooth 5.1 ermöglicht die Lokalisierung von Objekten auf wenige Zentimeter genau.
Bluetooth 5.1 ermöglicht die Lokalisierung von Objekten auf wenige Zentimeter genau.
(Bild: infsoft GmbH )

BLE 4.0 / 5.1 Tags sind kleine Bluetooth Hardware-Komponenten (Beacons), die zur Lokalisierung von Personen, Gegenständen oder Fahrzeugen verwendet werden. BLE Tags können nicht nur in serverseitigen Verfahren (Asset Tracking, Position wird auf einem Server bestimmt), sondern auch in clientseitigen Anwendungen (Indoor Navigation, Berechnung und Darstellung der Position erfolgt auf einem mobilen Endgerät) eingesetzt werden.

Bluetooth ist das Protokoll der Wahl für die Realisierung von Proximity-Lösungen. Bluetooth Low Energy 4.0 ist ein bewährter, besonders energieeffizienter Standard, der den Weg für zahlreiche RTLS- und IoT-Lösungen ebnete (Beacon Tracking, Indoor Navigation mit Beacons).

Mit Bluetooth 5.1 hielt eine neue Peilfunktion Einzug in den Bluetooth Funkstandard. Durch diese Peilfunktion kann dem Anwender nicht nur angezeigt werden, ob sich ein Objekt in der Nähe, sondern auch in welcher Richtung es sich befindet. Die Genauigkeit von Näherungslösungen und Ortungssystemen kann damit im Gegensatz zu Bluetooth 4.0 wesentlich verbessert werden.

Die neue 5.1 Version der Bluetooth Spezifikation wird dank Angle of Arrival-Technologie (AoA) dabei helfen, etwa Werkzeuge, Geräte oder Waren im Lager zu finden. Die Genauigkeit liegt ohne Richtungserkennung (Direction Finding) bei ein bis zehn Metern, die neue Technologie hingegen erlaubt Ortungen im Submeterbereich.

Technische Grundlage

Die Richtungserkennung mittels Angle of Arrival funktioniert über die Berechnung des Schnittpunkts zweier Antennen, der durch eine X- und eine Y-Koordinate definiert wird.
Die Richtungserkennung mittels Angle of Arrival funktioniert über die Berechnung des Schnittpunkts zweier Antennen, der durch eine X- und eine Y-Koordinate definiert wird.
(Bild: infsoft GmbH )

infsoft nutzt beispielsweise einen Nordic nRF52833 Chip in Kombination mit einer intern entwickelten phasengesteuerten Antenne, die auf acht Antennen für Bluetooth 5.1 Direction Finding basiert. Wenn ein Signal von einem BLE 5.1 Tag beziehungsweise Beacon eingeht, schaltet die phasengesteuerte Antenne kontinuierlich zwischen den acht Antennen durch. Der Nordic nRF52833 Chip misst die Phasenverschiebung jeder der Antennen. Die Daten werden anschließend in die Cloud hochgeladen, wo basierend auf der Phasenverschiebung der Einfallswinkel der Signale berechnet wird.

Mit dem berechneten Winkel von mindestens zwei phasengesteuerten Antennen kann ein Schnittpunkt bestimmt werden, welcher durch eine X- und eine Y-Koordinate definiert wird. Unter Einbezug der georeferenzierten Standorte der phasengesteuerten Antennen kann aus der X- und Y-Koordinate eine Position im Raum ermittelt werden.

Anwendungsszenarien

Die Lösung funktioniert besonders gut in offenen Gebäudestrukturen wo es keine Hindernisse zwischen BLE-Tag beziehungsweise Beacon und phasengesteuerter Antenne gibt. In einem Umfeld, in dem zum Beispiel aufgrund vieler Wände eine Störung oder Reflexion des Signals erwartet werden kann, wird der berechnete Einfallswinkel und somit auch die Positionsbestimmung immer ungenauer.

Daher eignet sich die Technologie weniger für den Einsatz in Büros oder Krankenhäusern, sondern besser für Anwendungsfälle im industriellen Umfeld, wo eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender- und Empfängerhardware gewährleistet ist. Assets können dann sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Raum mit einer Genauigkeit von unter einem Meter lokalisiert und verfolgt werden.

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