Bluetooth® Low Energy für IoT und Asset-Tracking - Vorteile und Best Practices

Beispiel für die Nutzung von Bluetooth^® Low Energy: Asset-Tracking-System

Systeme, die häufig für das Asset-Tracking verwendet werden (z.B. verschiedene Geräte, Inventar oder wertvolle Gegenstände), können betrieben werden, indem ein BLE-Beacon an jedem zu verfolgenden Objekt angebracht wird. Diese werden dann von strategisch platzierten BLE-Gateways auf dem Gelände erkannt, und die gesammelten Daten werden zur weiteren Verarbeitung an einen Cloud-Dienst oder lokalen Server übertragen. Dieser systematische Ansatz ermöglicht eine effektive Verfolgung, Verwaltung und Sicherheit von Vermögenswerten, was zu optimierten Betriebskosten und erhöhter Effizienz führt.

Maximale Anzahl von BLE-Beacons und Erkennungsgeschwindigkeit

Für den praktischen Einsatz ist es entscheidend zu wissen, wie viele Beacons gleichzeitig verwendet werden können und wie schnell sie erkannt werden können.

Hinsichtlich der maximalen Anzahl von Beacons kann keine spezifische Grenze vorgegeben werden, da diese erheblich von den Umgebungsbedingungen abhängt. Allgemein wird empfohlen, die Anzahl der aktiven Beacons in einem Bereich auf etwa 100 oder weniger zu beschränken, um eine Überlastung des Systems und gegenseitige Interferenzen zu vermeiden.

Experiment zur Bestimmung der Erkennungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit

Um dies zu veranschaulichen, haben wir eine Simulation eines Asset-Tracking-Systems erstellt. Um zu bestimmen, wie schnell und zuverlässig die Erkennung erreicht werden kann, haben wir ein Experiment mit folgenden Zielen durchgeführt:

1. Bestimmen der erforderlichen Scanzeit zur Erkennung von Beacons basierend auf ihrer Entfernung zum Gateway.

2. Bestimmen der erforderlichen Scanzeit basierend auf der Übertragungsperiode der Beacons.

Testparameter:

10 Beacons basierend auf nRF52840 und ein Gateway basierend auf ESP32.

(Anm.: Während der Tests befanden sich auch 20-25 andere BLE-Geräte im Bereich, die die Messergebnisse beeinflussten.)

Erste Phase:

BLE-Beacons wurden 1 Meter vom Gateway entfernt platziert und so konfiguriert, dass sie alle 1 Sekunde ein Werbepaket senden.

Das BLE-Gateway wurde so konfiguriert, dass es 1 Sekunde lang nach umliegenden Geräten scannt. Nach Abschluss des Scans wurde die Effizienz bewertet: wie viele der anwesenden Geräte erkannt wurden.

Die Scanintervalle wurden dann schrittweise auf bis zu 8 Sekunden verlängert, und die Effizienz wurde jedes Mal bewertet.

Die Beacons wurden dann in verschiedenen Entfernungen platziert. Das gleiche Experiment wurde für Entfernungen von 2m, 3m, 5m und für Beacons durchgeführt, die sich hinter einer Wand in einem angrenzenden Raum befanden.

Experimentergebnis:

Um einen Beacon mit einer Übertragungsperiode von 1 Sekunde in einer Entfernung von 5 Metern vom Gateway zu erkennen, sind mindestens 7 Sekunden Scanzeit erforderlich.

Zweite Phase:

In der nächsten Phase wurde das Experiment mit einer verkürzten Übertragungsperiode der Beacons auf 100 ms wiederholt.

Experimentergebnis:

Wie erwartet, beeinflusste die Verkürzung des Intervalls die Erkennungswahrscheinlichkeit erheblich. Für kurze Entfernungen (1-2m) erfordert eine Übertragungsfrequenz von 100 ms nur 1 Sekunde Scanzeit, um den Beacon erfolgreich zu erkennen. Bei größeren Entfernungen (wie Sie in den Diagrammen sehen können) ist der Unterschied noch deutlicher.

Um einen Beacon mit einer Übertragungsperiode von 100 ms in einer Entfernung von 5 Metern vom Gateway zu erkennen, sind nur 3 Sekunden Scanzeit erforderlich.

Fazit

Während die Verkürzung des Übertragungsintervalls die erforderliche Scanzeit erheblich reduziert, erhöht sie auch den Stromverbrauch deutlich.

Durch die Bestimmung der notwendigen Übertragungsperiode des Werbepakets für die gewünschte Scanzeit können wir den geschätzten Stromverbrauch berechnen.

Um den Stromverbrauch zu schätzen, kann ein Herstellerrechner verwendet werden, wie der von Nordic Semiconductor, der auf der Website des Herstellers verfügbar ist.

Laut dem Rechner kann der durchschnittliche Verbrauch bei einer Übertragungsperiode von 100 ms bis zu 113 µA erreichen. Bei einer Periode von 1 Sekunde beträgt der Verbrauch jedoch nur 15 µA.

Mit einer Standard-CR2032-Batterie mit einer Kapazität von 230 mAh beträgt die Batterielebensdauer bei einer Übertragungsperiode von 100 ms etwa 80 Tage und bei einer Periode von 1 Sekunde fast 2 Jahre.

Daher kann die Übertragungsfrequenz von BLE-Beacons entweder entsprechend der gewünschten Batterielebensdauer oder der erforderlichen Erkennungsgeschwindigkeit und -zuverlässigkeit konfiguriert werden.