İç mekan servisleri için etkin bir beacon donanımı
An efficient beacon hardware for indoor location services
Yazar: BURAK SEKMEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÖKHAN İNCE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Baskı devre kartları = Printed circuit boards ; Bilgisayar donanımları = Hardware ; Coğrafi konum = Geographical position ; Elektronik devreler = Electronic circuits ; Entegre devreler =   ; Konum belirleme = Position determination ; Plastik enjeksiyon kalıpları = Plastic injection molds ; Sayısal entegre devre = Digital integrated circuit ; Uygulama yazılımı = Application software ; İç mekan = Interior space

Özet:
Küresel konum belirleme sistemi verisinin kullanılamaz olduğu kapalı mekanlarda yüksek başarımlı konum belirleme servislerinin geliştirilebilmesi için pozisyon bilgisini aktaracak vericilere ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu yüksek lisans tezinde Bluetooth Low Energy uyumlu, düşük güç tüketen tasarımı sayesinde bu altyapı görevini üstlenecek bir verici (beacon) tasarımı anlatılmıştır.
Bu tez çalışması kapsamında, CE, FCC gibi ilgili uluslararası standartlara uygun, düşük maliyetli, düşük güç tüketen,  stabilitesi yüksek bir ürün tasarımı hedeflenmiştir.
Çalışmalar literatür araştırması, gereksinim analizi ve izlenecek yöntemin belirlenmesi ile başlamıştır. Bunun ardından farklı entegre üreticilerinin çözümleri incelenmiştir. Başlıca incelenen parametreler, çözüm mimarisi, güç tüketimi, bakım gereksinimi, yazılım geliştirme ortamı, pazarda kullanım yaygınlığıdır.
Texas Instruments firmasının, ST Microelectronics firmasının, Nordic Semiconductors firmasının ve CSR firmasının çözümleri yukarıdaki parametreler açısından incelenmiştir. Değerlendirme sonucunda Texas Instruments firmasının  ailesinin ana entegre olarak seçilmesine karar verilmiştir.
Tasarımda kullanılacak ana entegre belirlendikten sonra, projede kullanılacak olunan donanım ve yazılım geliştirme araçları belirlenmiş ve kurulumları yapılarak kullanıma hazır hale getirilmiştir. Ana entegreye bağlı çalışılacak yan komponentlerin seçimi gerçekleştirilmiştir. Şema ve baskı devre çizimleri ilgili geliştirme ortamlarında yapılmıştır. Donanım prototipi ürettirilip dizgi işlemleri yapılmıştır. Gömülü yazılım geliştirme faaliyetlerinde bulunulmuş, donanım prototipi üzerinde gömülü yazılım çalıştırılarak ürün devreye alınmıştır. Hata ayıklama ve performans testleri ile elektronik tasarım sonlandırılmıştır.
Daha sonra ürün mekanik tasarımı, harici bir kalıp üretici firma ile koordineli çalışılarak yapılmıştır. İlk olarak donanımın mekanik ölçülerine uygun ürün kutusunun 3 boyutlu modeli oluşturulmuştur. Bunun ardından kalıp tasarımı yapılmış ve prototip kutular üretilmiştir. Ürün baskı devresi, ürün kutusu içerisinde çalıştırılmıştır.
Geliştirilen ürün üzerinde, güç tüketimi, yayın sıklığı, RSSI stabilitesi konusunda deney ve gözlemler yapılmıştır. Ürün özellikleri pazardaki potansiyel rakipleri ile karşılaştırılmıştır.
Bu yüksek lisans tezi, Sanayi Bakanlığı SANTEZ programı tarafından desteklenmiştir (SANTEZ 0619.STZ.2014 nolu proje). SANTEZ projesi kapsamında yüksek lisans tezine konu olan beacon donanımın geliştirilmesinin yanı sıra, ürünün bir yazılım senaryosunda verifikasyonu yapılmıştır. Bir test mobil uygulaması ve beacon cihazlarının sahadaki yönetimine dair bulutta çalışan bir yönetim konsolu geliştirilmiştir. Mobil uygulama, beacon donanımından verileri almakta, merkezi yönetim uygulamasına göndermekte, ve merkezi yönetim uygulamasından gelen aksiyonları gerçekleştirmektedir. Bu aksiyonlar bir resim ya da video verisi gösterme, ya da bir bağlantıyı tarayıcı ile açma şeklinde yapılandırılabilmektedir. Merkezi yönetim uygulaması, farklı potansiyel müşterilerin, kendilerine ait olan beacon donanımları için yakın orta ve uzak mesafede muhtelif tetikleme aksiyonları tanımlarına izin vermektedir.
Tez çıktısı  olarak, rakiplerinden RSSI stabilitesi gibi önemli belli kriterlerde daha iyi performans veren, düşük maliyetli, standartlara uygun bir beacon donanımı ürün kutusu ile birlikte tasarlanmış, sahaya çıkabilir hale getirilmiştir.

Abstract:
Indoor positioning problem is required to be tackled by designing and applying a positioning   infrastructure with transmitters specific to the given indoors area because no reliable Global Positioning System data could be provided unlike in the outdoors positioning. In this thesis, a Bluetooth Low Energy compliant, low power transmitter is designed, benchmarked against its competitors and its effectiveness is demonstrated. 
The transmitter design assumes to be  compliant with international standarts such as CE, FCC. It needs to be competitive in the market for criteria such as cost, level of power consumption, stability and reliability. 
First chapter covers the literature research and the methods used during the thesis project.  
In the second chapter, the component selection methods and development environment selection is explained. Since the project goal is to develop a low cost, low power consuming Bluetooth transmitter module, products from different integrated circuit vendors are researched.  
Texas Instruments CC2541, ST Microelectronics BlueNRG, Nordic Semiconductor nRF51822 and CSR CSR1011 are major solutions for Bluetooth Low Energy connectivity. All those products are benchmarked according to the solution architecture, power consumption, low possible mean time between failure ratio, firmware development environment and market coverage. 
As a result of this research, Texas Instruments CC2541 is selected as the main Bluetooth Low Energy processor of the transmitter module since CC2541:

 has the lowest standby current consumption,
 has a System on Chip architecture which allows a low cost  and a less complex design,
 is widely used in the market and has been deployed in many beacon transmitter modules,
 comes with a well known firmware development environment: IAR Workbech,
 has a provider for a reliable Bluetooth Low Energy compliant library: TI Bluetooth Low Energy Stack.

After selection of main Bluetooth Low Energy processor, the reference designs of Texas Instruments having CC2541 have been researched. Postage Stamp reference design has been selected as the main reference design to be followed. The side components were selected according to this reference design. As the hardware development environment, Mentor Graphics PADS Logic and PADS Layout was selected.  
Texas Instruments provides a Bluetooth Low Energy software stack. This stack contains sample projects for IAR Embedded Workbench, hence IAR Workbench has been selected as the firmware development platform. 
Following Texas Instrument's Postage Stamp reference design, the schematics and layouts of hardware platform were drawn. Postage Stamp reference design uses an antenna circuit with an antenna and combined balun circuit from Johanson Technology. This Radio Frequency  solution was used  in the design. Having the requirement of being a CE, FCC compliant product, guidelines of Texas Instruments were followed. The components of the design were finalized, and the hardware prototype printed circuit board was sent to production.   
After manufacturing the hardware prototype, the board bring-up phase has been started. Embedded firmware has been  developed using Texas Instruments Bluetooth Stack. The firmware was deployed in the hardware prototype, so the first working sample was ready for testing.  
The next steps of the design were optimizations on advertisement frequency, transmission output power so that the design utilizies a low power transmitter module.  
After finishing hardware and software development, the mechanical design for the plastic housing of the module has been started. First, a 3D model of the housing was prepared with cooperation of a third party MD company. Next, the mould was drawn and produced. Finally the samples of plastic housing were tested according to mechanics of the printed circuit board.  
In the experiments, the hardware prototype is compared with its competitors in the market in terms of power consumption and signal stability. Two different tests have been applied. The first test covers the behaviour of RSSI while both the transmitter and receiver have a constant distance. It is expected that the RSSI level remains stable. A second test was applied where the distance between receiver and transmitter has been shortened within a time of 50 seconds. The expected behaviour is an increase in the RSSI level. The results of both tests showed that the performance of the developed beacon is much better than its competitors in the market. Having a target of 99.5 %  uptime, tests were applied on the number of advertisements for a given time. The transmitter was configured that it sends an advertisement signal once in 3 seconds. After one hour of test duration, 1195 of 1200 expected signals are received by the receiver. Hence the goal was achieved.  
For the verification of the beacon device, the following use case was evaluated: A solution which might be used in retail shops for sending advertisements, campaign information was designed and developed. The solution consists of following software and hardware modules:

 A beacon module was deployed to a retail shop. The beacon broadcasts advertisements.
 A mobile test application was developed which is capable to receive the advertisements sent by the beacon. The mobile application is able to obtain the UUID of beacon device, can calculate the distance to the beacon using RSSI information and map the RSSI information to distance levels of far, near and immediate. After receiving the advertisements, the mobile application sends a query to the management console and gets the respond about the action to be taken. The actions might be:

 showing an image, video,
 opening a link in the browser,
 starting another application.

 The management console is capable to run in cloud based systems and handles beacon registration. 

As a result, a market-competitive, low power, high stable Bluetooth Low Energy transmitter module is developed in this thesis.