Lokalisation Mit Bluetooth in die richtige Richtung

Bluetooth 5.1.: Jetzt mit Peilungsfunktion
Bluetooth 5.1.: Jetzt mit Peilungsfunktion

Die Bluetooth 5.1 hat eine Peilungsfunktion zur Richtungserkennung und Positionsbestimmung bis auf wenige Zentimeter genau. Das eignet sich für Automatsierungsanwendungen und Indoor-Standortdienste – auch in harten Industrieanwendungen.

Bluetooth ist zwar ein ausgereifter Standard, wer aber gedacht hätte, dass es keine Weiterentwicklungsmöglichkeit mehr gibt, wurde mit der Version 5.1 eines besseren belehrt. Während Version 5.0 die Reichweite auf 100 m verviefacht und die Datenrate verdoppelt hat, ebnet die neueste Generation von Bluetooth-Low-Energy, die Core Specification 5.1 [1], den Weg für noch genauere Standortdienste. ABI Research geht davon aus, dass im Jahr 2023 bis zu 431 Mio. Produkte über den Ladentisch gehen, die Bluetooth-Ortungsdienste unterstützen [2]. Zu der bereits bekannten Entfernungsbestimmung mittels Erkennung der Signalstärke (Received Signal Strength Indicator, RSSI) kommt mit der neuen Core Specification eine Peilungsfunktion hinzu, die es ermöglicht, die Richtung zu bestimmen, aus der ein Signal kommt.

Ein Nebeneffekt dieser Funktion ist, dass sich auch die Positionsbestimmung bis auf wenige Zentimeter verbessert. Das bietet sowohl im Konsumentenbereich als auch in industriellen Anwendungen eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten. Einer der ersten nach v5.1 qualifizierten System-on-Chips (SoC) auf dem Markt ist der nRF52811 von Nordic Semiconductor. Er enthält die neue Peilungsfunktion und ist bereits bei Rutronik verfügbar.

Näherungslösungen

Mit Bluetooth arbeitende Standortfunktionen lassen sich in Näherungs- und Positionierungslösungen unterscheiden (Bild 1). Erstere sind häufig einfache Anwendungen, mit deren Hilfe die Entfernung zweier sich in Reichweite zueinander befindlicher Bluetooth-Geräte – häufig Smartphones – approximiert werden. Typische Applikationen für Näherungslösungen sind heute bereits am Point-of-Interest (POI) im Einsatz, beispielsweise im Einzelhandel oder in Museen: Nähert sich ein Besucher einem POI, erhält er ausführliche Informationen zum betrachteten Gegenstand. Viele Suchfunktionen für Gegenstände des täglichen Gebrauchs machen sich ebenfalls das Konzept der Näherungslösung zunutze. Bei diesen Anwendungen wird ein sogenannter Beacon-Tag am zu suchenden Gegenstand (Schlüsselbund, Palette, …) platziert, welcher anschließend mit dem Smartphone gesucht werden kann. In manchen Fällen können zusätzlich auch visuelle oder akustische Signale am Tag über das Smartphone gesteuert werden.

Objekte orten

Bei der zweiten Kategorie, den Positionierungssystemen, wird der Standort von einzelnen Objekten in einem geschlossenen System – also einem räumlich klar abgegrenzten Bereich, wie ein Lagerhaus, ein Museum, ein Flughafen-Foyer – bestimmt. Die häufigsten Anwendungen sind Echtzeitortungssysteme (Real-Time Location Systems, RTLS) und Indoor-Positionierungssysteme (IPS).

Mittels RTLS lassen sich mehrere Objekte – Personen oder Gegenstände – die mit entsprechenden Kennzeichen ausgestattet sind, innerhalb eines geschlossenen Systems verfolgen. Der Tag sendet regelmäßig ein Beacon-Signal, das von fix installierten Empfängern (Locator) aufgenommen wird (Bild 2). Erhalten mindestens drei Empfänger das Signal, bestimmt ein dahinterliegendes System (der Location Engine Backbone) über Trilateration die ungefähre Position des Tags. Dabei gilt: Je schneller sich das zu verfolgende Objekt bewegt, desto häufiger benötigen die Empfänger ein Beacon-Signal. RTLS eignen sich zum Beispiel um Ausrüstung, Paletten oder Personen in einem Lagerhaus zu orten und zu verfolgen.

GPS für drinnen

Indoor-Positionierungssysteme sind vergleichbar mit GPS, funktionieren im Gegensatz dazu aber auch in geschlossenen Räumen. Hierbei senden fix installierte Positionsgeber (Locator Beacons) regelmäßig Signale aus, die beispielsweise von einem Smartphone empfangen werden (Bild 3). Dies berechnet aus der Entfernung zu den einzelnen Beacons seine relative Position. Damit können sich etwa Passagiere oder Besucher leichter in Flughäfen oder Einkaufszentren zurechtfinden.

Bisher beruhen alle Bluetooth-Standortsysteme auf einer Entfernungsschätzung, die auf der Stärke des empfangenen Signals beruht (RSSI). Dafür senden die Transmitter, beispielsweise iBeacon (Apple) oder Eddystone (Android), zusätzlich zum Inhalt ihres Signals einen Referenzwert. Dieser gibt die Signalstärke des ausgesendeten Signals an einem fest definierten Punkt in fixer Entfernung zum Sender an. Mit dieser Information und der tatsächlich gemessenen Signalstärke bestimmt der Empfänger seine Entfernung. Die Genauigkeit der dieser Abstandsbestimmung zum Beacon beträgt ca. 1 m bis 10 m.