Asset tracking, indoor localization system
Creators: name: Inauen, Guido
name: Krapf, Michael
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2023
Subjects: 621.3: Elektro-, Kommunikations-, Steuerungs- und Regelungstechnik

description: To simplify the search for items or objects indoors, an indoor localization system was developed in the past project work ”Asset Tracking, Indoor Localization System”. In this localization system, Bluetooth Low Energy (BLE) and a proprietary system from Nordic Semiconductor are used to measure the distances from four anchors permanently installed in a room to a tag to be localized. From this, the position of the tag can be calculated. This system will be extended in this work to include angle of arrival (AoA). The AoA of the Bluetooth Low Energy signal sent from the tag to the anchor is used to calculate the position of the tag in real time. The impact of AoA on position determination is expected to both improve accuracy and reduce the number of anchors installed in space. Furthermore, an ultra-low-power hardware is being developed to be used as a tag. In addition to an acceleration sensor, which detects movements, it also has a pressure sensor, the data from which is to be incorporated into the position calculations for ground determination. 
To determine the angle of incidence of the signal at the anchors, a Constant Tone Extension (CTE) is attached to the BLE packet. With the aid of this, the angle of incidence of the anchors, which are each equipped with a 4x4 antenna array, can be inferred from the phase shift of the signal between the different antennas. Two antenna arrays are used to determine the position in a plane from pure angular data. In order to exclude angular errors, which are due to the antenna array, calibration measurements are performed. For the display of the position calculated from the angle measurements, the GUI of the project work will be further developed. 
The tag hardware is a 26 mm x 19 mm PCB that includes a Bluetooth module including the Nordic Semiconductor nRF52833 chip, an accelerometer, a pressure sensor and an LED. A case for the tag was created, providing mounting options for attaching the tag to an object. The power consumption for the low-power optimized tag, when moved once a day, averages 3.8 μA. After a movement detected by the accelerometer, ranging and angle measurement is performed. The tag then switches back to sleep mode until it is moved again. A tag can be tracked in real time with the PC. A position error of the angle measurement of 1.5 m - 7.5 m is measured. Thus, the position error of the angle measurement is three times larger than that of the distance measurement. In addition, the Nordic Semiconductor Bluetooth stack does not yet support AoA, which increases the number of necessary anchors. For these reasons, a combination of distance and angle measurement is not used. The angle calculation and distance calculation are performed directly on the respective anchors. The position is then calculated and displayed using the GUI. 
Once Nordic Semconductor integrates the AoA functionality on the SoftDevice Controller the angle and distance measuring anchors can be combined. By using suitable algorithms to combine the angle and distance measurement, or utilizing the entire antenna array to avoid signal cancellation due to multipath, it should be possible to further improve the position accuracy.
description: Damit in Indoor-Bereichen die Suche nach Gegenständen oder Objekten vereinfacht werden kann, wurde in der vergangenen Projektarbeit ”Asset Tracking, Indoor Localization System” ein Indoor- Lokalisierungssystem entwickelt. Bei diesem Lokalisierungssystem werden mittels Bluetooth Low Energy (BLE) und einem proprietären System von Nordic Semiconductor die Distanzen von vier, in einem Raum fest verbauten Ankern zu einem zu lokalisierenden Tag gemessen. Daraus kann die Position des Tags berechnet werden. Dieses System soll in dieser Arbeit durch Angle of Arrival (AoA) erweitert werden. Dabei soll der Einfallswinkel des Bluetooth Low Energy Signals, welches von Tag zu Anker gesendet wird in die Berechnung der Position des Tags in Echtzeit einfliessen. Durch den Einfluss von AoA in die Positionsbestimmung soll einerseits die Genauigkeit verbessert werden, andererseits soll die Anzahl der verbauten Anker in einem Raum reduziert werden. Weiter wird eine Ultra-Low-Power Hardware entwickelt, welche als Tag eingesetzt wird. Diese verfügt nebst einem Beschleunigungssensor, der Bewegungen detektiert auch über ein Drucksensor, wessen Daten für eine Stockwerksbestimmung in die Positionsberechnungen einfliessen sollen. 
Für die Bestimmung des Einfallswinkels des Signals bei den Ankern wird an das BLE-Packet eine Constant Tone Extension (CTE) angehängt. Mithilfe dieser kann bei den Ankern, welche mit je einem 4x4 Antennenarray ausgestattet sind, durch die Phasenverschiebung des Signals zwischen den verschiedenen Antennen auf den Einfallswinkel geschlossen werden. Für die Bestimmung der Position in einer Ebene aus reinen Winkeldaten werden zwei Antennenarrays verwendet. Um Winkelfehler, welche auf das Antennenarray zurückzuführen sind auszuschliessen, werden Kalibrationsmessungen durchgeführt. Für die Darstellung der Position berechnet aus den Winkelmessungen wird die GUI der Projektarbeit weiterentwickelt. 
Als Tag Hardware wird ein 26 mm x 19 mm grosses PCB eingesetzt, welches ein Bluetooth Modul inklusive des Nordic Semiconductor nRF52833 Chips, ein Accelerometer, ein Drucksensor und eine LED beinhaltet. Passend zum Tag wurde ein Case erstellt, welches Befestigungsmöglichkeiten für die Befestigung des Tags an einem Objekt bietet. Der Stromverbrauch für das Low-Power optimierte Tag beträgt, wenn es einmal täglich bewegt wird im Schnitt 3.8 μA. Nach einer durch das Accelerometer detektierten Bewegung, erfolgt das Ranging und die Winkelmessung. Anschliessend wechselt das Tag wieder in den Sleep Mode, bis es wieder bewegt wird. Ein Tag kann in Echtzeit mit dem PC getrackt werden. Es wird ein Positionsfehler der Winkelmessung von 1.5 m - 7.5 m gemessen. Somit ist der Positionsfehler der Winkelmessung drei mal grösser, als jener der Distanzmessung. Zudem unterstützt der Nordic Semiconductor Bluetooth Stack AoA noch nicht, wodurch die Anzahl der nötigen Anker steigt. Aus diesen Gründen wird auf eine Kombination der Distanz- und Winkelmessung verzichtet. Die Winkelberechnung und Distanzberechnung erfolgen direkt auf den jeweiligen Ankern. Mittels der GUI wird anschliessend die Position berechnet und dargestellt. 
Sobald Nordic Semconductor die AoA Funktionalität auf dem SoftDevice Controller integriert, können die winkel- und distanzmessenden Anker kombiniert werden. Durch geeignete Algorithmen zur Kombination der Winkel- und Distanzmessung, oder Ausnutzung des gesamten Antennenarrays zur Vermeidung von Auslöschung der Signale durch Mehrweg, sollte es möglich sein, die Positionsgenauigkeit weiter zu verbessern.