cos'è BLE, come funziona e a cosa serve
Tecnologia BLE
Cos'è la tecnologia BLE?
Tra le tecnologie wireless che hanno rivoluzionato il mondo del tracking e della gestione dei flussi, troviamo anche Bluetooth Low Energy (BLE). Introdotto ufficialmente nel 2010 come parte dello standard Bluetooth 4.0, promosso dal Bluetooth Special Interest Group (SIG), fu la risposta alle esigenze del mercato, che richiedevano dispositivi attivi sempre più piccoli e capaci di operare per lunghi periodi di tempo.L’importante contro della tecnologia Bluetooth è infatti sempre stato il grande consumo energetico, dovuto alla connessione continua tra dispositivi.
Dallo standard Bluetooth 4.0, le evoluzioni sono state numerose, sino ad arrivare al Bluetooth 5.1 / 5.2 / 5.3 (quest’ultimo rilasciato nel 2022) e l’introduzione degli innovativi Angle of Arrival (AoA) e Angle of Departure (AoD) e il supporto alla connessione multi-stream.
Bluetooth vs BLE
Il Bluetooth “classico” (detto anche BR/EDR – Basic Rate/Enhanced Data Rate) era progettato per la trasmissione continua di dati ad alta velocità, portando con sé il problema di un elevato consumo.
Il BLE viene progettato per essere energeticamente efficiente, senza rinunciare al contempo a una connessione affidabile su distanze tipiche del Bluetooth (da pochi metri fino a decine di metri in campo aperto) e una grande scalabilità.
Elaborazione dei dati
Con il BLE è possibile ricavare informazioni base aggiuntive sul tag: presenza, distanza, direzione di spostamento. Il poter ricavare questi dati è una caratteristica intrinseca della tecnologia BLE.
Topologia del network
A differenza del bluetooth BR/EDR classico, che prevede una comunicazione continua e uno scambio dati solo point-to-point (comunicazione tra dispositivi 1:1), il bluetooth LE permette anche la comunicazione broadcast (one-to-many 1:m) e mesh networking (many-to-many m:m)
Efficienza della comunicazione
Mentre con il Bluetooth BR/EDR la comunicazione è continua e viene scambiato uno stream di dati, con il Bluetooth LE i dati sono scambiati in pacchetti in modo intermittente; ciò garantisce la grande efficienza energetica.
Come funziona
Bluetooth Low Energy è una tecnologia a radiofrequenza che opera a 2.40 GHz nella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), trasmette dati su 40 canali a intervalli di 2MHz. Analogamente alla tecnologia RFID, anche i sistemi BLE si compongono di un dispositivo fisso che raccoglie i dati – il gateway – e di elementi traccianti attivi, chiamati tag o beacon, che sono associati all’asset di interesse e hanno le forme più diverse per rispondere a ogni esigenza. I dati poi sono elaborati da un software che permette a seconda della necessità di rilevare o localizzare il tag.
Componenti
Un sistema basato sulla tecnologia BLE si compone dei seguenti elementi:
- TAG – si definiscono tag tutti quei dispositivi a radiofrequenza attivi che nei sistemi classici e A0A trasmette dati al gateway, mentre nei sistemi AoD li riceve. Nel primo caso, i tag possono essere i beacon – braccialetti o targhette- nel secondo invece smartphones e oggetti capaci di una elaborazione complessa del dato. Ogni tag ha un identificativo univoco associato e può essere dotato di sensori e pulsanti.
- Anchor (o gateway o locator) – è l’elemento che nei sistemi BLE classici e AoA riceve il dato trasmesso dai tag, mentre in quelli AoD lo riceve. Possono essere a singola antenna o ad array di antenne (AoA / AoD).
- Server di localizzazione – è il software che si occupa dell’elaborazione dei dati raccolti per la rilevazione di presenza e la triangolazione, mediante algoritmi differenti a seconda del tipo di sistema BLE.
RTLS con Bluetooth LE
Uno dei principali vantaggi della tecnologia BLE è il poter sviluppare un Real-Time Location System (RTLS) e localizzare con un certo limite di precisione il tag.
Il metodo più comune è la trilaterazione del segnale di 3 o più gateway, disposti secondo una geometria specifica, per mezzo dell’elaborazione della forza del segnale (RSSI – Received Signal Strength Indicator).
La tecnologia più innovativa per la localizzazione è la recente AoA (o AoD), che permette di calcolare la direzione rispetto all’anchor in cui si trova il tag, e incrociando i dati di due dispositivi, il punto nello spazio con una precisione molto maggiore del metodo basato su RSSI. Le configurazioni possibili sono due, a seconda della geometria dell’array di antenne nel gateway:
- ULA (Uniform Linear Array – 1D): le antenne sono disposte in modo lineare;
- URA (Uniform Rectangular Array – 2D): le antenne sono disposte a matrice bidimensionale.
Tipologie di RTLS con BLE
La trilaterazione con RSSI e il calcolo della direzione con AoA sono metodi impiegati principalmente per il tracking massivo, mentre AoD è ideale per applicazioni di localizzazione e navigazione indoor. Pertanto, poniamo l’attenzione sui primi due.
RSSI
Tramite un algoritmo di trilaterazione è possibile localizzare il beacon con una precisione di massimo 3 metri (una precisione inferiore è difficilmente ottenibile per via di fenomeni di riflessione). Per fare ciò, si calcola la distanza dai gateways elaborando il RSSI del beacon raccolto da almeno 3 anchors.
PRO: Usare gateway BLE elaborando i dati sul RSSI ha il grande vantaggio di essere più conveniente rispetto al AoA in termini economici.
CONTRO: RSSI ha una elevata sensibilità al multipath fading dovuto a fenomeni di interferenza e riflessione con corpi e oggetti nell’ambiente e all’orientamento del tag.
AoA
Permette di ottenere una localizzazione più precisa del beacon tramite il calcolo della direzione della semiretta gateway / tag. L’escamotage realizzato per ovviare al problema del Time of Flight – ToF , è quello di aggiungere al segnale trasmesso dal beacon un segnale sinusoidale puro di coda chiamato CTE (Constant Tone Extension) della durata di 16 µs – 160 µs . L’elaborazione del CTE da parte del gateway permette di calcolare l’angolo di azimuth e quindi la direzione in cui si trova il tag.
Se la sua configurazione è ULA, il gateway fornisce solo angolo di azimuth (e quindi la direzione sulla semiretta gateway/tag), mentre se è URA fornisce sia azimuth che elevazione.
PRO: Con AoA è possibile aumentare la precisione a 0.3 m – 1,5 m incrociando i segnali di più gateways AoA. E’ meno sensibile alla morfologia dell’ambiente.
CONTRO: Costo molto elevato e la densità dell’infrastruttura è necessariamente maggiore rispetto a un RTLS RSSI-based. Inoltre, la configurazione è più impegnativa e necessita di maggiore manutenzione.
AoD
Come i gateway AoA, i gateway Angle of Departure hanno un array di antenne che possono essere disposte in geometria lineare (ULA) o bidimensionale (URA). Ciò che li distigue da AoA, è che il processo di elaborazione è invertito: nel AoD è il gateway a trasmettere il CTE al tag, che potrebbe essere ad esempio uno smartphone e che si occupa calcolare l’angolo di partenza.