Beacons für Indoor Positionsbestimmung, Tracking und Indoor Navigation

Beacons sind kleine Funksender, die Bluetooth-Signale aussenden. Sie sind in verschiedenen Größen, Farben und Formen erhältlich, sodass sie sich für zahlreiche Einsatzzwecke eignen und in jede Umgebung unauffällig und einfach integriert werden können.

Die Vorteile von Beacons liegen auf der Hand: Sie sind günstig (drei bis dreißig Euro), lassen sich mit minimalem Aufwand installieren und ermitteln eine Position auf wenige Meter genau. Der Funkstandard BLE (Bluetooth Low Energy) ist zudem sehr stromsparend. Mit Beacons können sowohl serverbasierte (Asset Tracking) als auch clientbasierte Anwendungen (Indoor Navigation) realisiert werden.

Clientseitiger Ansatz

Die Indoor Navigation mit Beacons (am weitesten verbreitet sind die Typen iBeacon und Eddystone) bietet entscheidende Vorteile in Projekten, die auf hohe Genauigkeit angewiesen sind und Apple-Geräte berücksichtigen möchten. Eingesetzt in einem clientseitigen Verfahren ermöglichen Beacons zum Beispiel Indoor Navigation für Fluggäste, die eine App benutzen – plattformübergreifend und mit einer Genauigkeit von bis zu 1 Meter.

Infografik Clientseitige Positionsbestimmung BLE
Infografik: clientseitige Positionsbestimmung mit Bluetooth Low Energy (BLE)

Sollen die Positionsdaten unmittelbar auf einem mobilen Endgerät (Smartphone) dargestellt werden, empfängt das Smartphone Bluetooth-Signale von im Gebäude installierten Beacons und nutzt die Messung der Signalstärke zur Positionsbestimmung. Das Device kann die Daten, falls gewünscht, auch an die infsoft LocAware platform® übermitteln, wo sie intelligent weiterverarbeitet werden. Die Genauigkeit bei einem clientseitigen Verfahren liegt bei 1-3 Metern, die Reichweite bei bis zu 30 Metern. Bei der Positionsbestimmung kann auch das aktuelle Stockwerk erkannt werden.

Beacons tragen bestimmte Kennzahlen, mithilfe derer sie sich zuordnen, unterscheiden und parametrieren lassen. Bei iBeacons sind das UUID (Zugehörigkeit zu einer Obergruppe, z.B. „Frankfurt Airport“), Major (Zuordnung zu einer bestimmten Gruppe, z.B. „Terminal 1“), Minor (Identifikation einzelner Beacons, z.B. „Beacon #10“), TX Power (Signalstärke) und Sendeintervall.

Eddystone Beacons tragen mehrere „frame types“, die sich von iBeacon unterscheiden: Eddystone-UUID: (16-stellige ID, die Gruppenzugehörigkeit und Identität eines einzelnen Beacons angibt), Eddystone-URL (frei wählbare URL) und Eddystone-TLM (aktueller Status des Beacons).

Infografik: Rasterbasierter Einsatz von Bluetooth Low Energy (BLE) Beacons

Bei einem clientseitigen Ansatz wird ein rasterbasierter Einsatz von Beacons empfohlen. Die Anzahl der benötigten Beacons ist abhängig von der Fläche des Raumes und der Anzahl der Hindernisse für die Signalausbreitung. Es sollte sichergestellt werden, dass jeder Punkt innerhalb des zu überwachenden Areals idealerweise über drei Beacon-Signale abgedeckt wird. Andernfalls ist keine genaue Positionsbestimmung möglich. Um die notwendige Anzahl an Beacons zu ermitteln, sollten die Räume vermessen und ein Grundriss mit allen Objekten erstellt werden. Grundsätzlich empfehlen wir, die Sendeleistung des Beacons eher geringer einzustellen und die Installationsdichte zu erhöhen, so dass ein engmaschigeres Netzwerk mit einer daraus resultierenden höheren Positionsgenauigkeit entsteht.

Bluetooth Beacons beeinflussen andere Funknetze normalerweise nicht (Interferenzen) und auch medizinische Geräte bleiben ungestört. Installiert man jedoch Beacons in einem Raum mit sehr vielen WiFi-Signalen (zum Beispiel auf einer Messe), können Interferenzen auftreten, da sich BLE und WiFi den gleichen Frequenzbereich (2,4 GHz) teilen. Das Problem lässt sich allerdings leicht umgehen, indem man bei der Konfiguration des WiFi die Kanäle 2,3,4,13 und 14 vermeidet und stattdessen 1,6,7,8,9,10,11 und 12 nutzt. Bluetooth lastet die zur Verfügung stehenden restlichen Kanäle gleichmäßig aus (Frequency Hopping). In der Grafik rot markiert sind die Advertising Channels, die zur Positionsbestimmung genutzt werden. Die blau eingefärbten Kanäle sind für Zusatzfunktionen wie z.B. einen Temperatursensor reserviert.

Die Bluetooth Low Energy (BLE) Technologie ermöglicht Batteriebetrieb über zwei bis acht Jahre hinweg, ohne dabei auf externe Stromversorgung zurückgreifen zu müssen. Beacons können aber auch an das Stromnetz angeschlossen werden oder die Stromversorgung von Lampen nutzen.

Infografik: optimale Nutzung der Funkkanäle bei gleichzeitiger Verwendung von BLE und Wi-Fi

Innerhalb von Gebäuden ergeben sich bei BLE Beacons Dämpfungen in der Signalausbreitung. Entsprechende Charakteristiken werden bei der Anbringung und Parametrierung berücksichtigt.

Geringe Dämpfungseigenschaften:
 
Holz, synthetische Materialien, Glas
Mittlere Dämpfungseigenschaften: 
Ziegel, Marmor
Hohe Dämpfungseigenschaften: 
Gips, Beton, beschichtete Glasoberflächen (schussfeste Ausführungen etc.)
Sehr hohe Dämpfungseigenschaften: 
Metall, Wasser (hierzu zählen auch Personen/-gruppen)

Beacon Rechner

Mit dem Beacon-Rechner von infsoft finden Sie heraus, wie viele Beacons Sie für Ihr clientseitiges Indoor-Positionsbestimmungs-Projekt ungefähr brauchen. Bitte beachten Sie, dass die genaue Anzahl von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel Branche, gewünschter Genauigkeit, Parameterisierung und den baulichen Gegebenheiten vor Ort abhängig ist. Wir beraten Sie gern!

Fläche

Stockwerke

Branche

Ergebnis:

Serverseitiger Ansatz

Serverseitiges Tracking von Personen oder Waren (Beacon Tracking) ist mit entsprechender Empfänger-Hardware möglich (z.B. infsoft Locator Node, infsoft Locator Beacon, Cisco, HP Aruba). Hierbei wird der Beacon an das zu verfolgende Asset befestigt oder von den zu lokalisierenden Personen mitgeführt. Das Tracking mit dem etablierten Bluetooth Low Energy Standard kann auf wenige Meter genau erfolgen. Die „Direction Finding“ Funktion von Bluetooth 5.1 ermöglicht es, die Richtung eines Funksignals zu bestimmen, und eröffnet somit Perspektiven für Genauigkeiten im Submeterbereich.

Infografik Serverseitige Positionsbestimmung BLE
Infografik: serverseitige Positionsbestimmung mit Bluetooth Low Energy (BLE)

Bei einer serverseitigen Positionsbestimmung sendet der am zu verfolgenden Asset befestigte Beacon BLE-Signale an im Gebäude installierte Empfänger-Hardware – dies können infsoft Locator Beacons oder infsoft Locator Nodes sein.

Im Szenario mit Locator Beacons (zeitversetztes Tracking) übermitteln diese die empfangenen Bluetooth-Signale an einen in Reichweite befindlichen Locator Node. Dank ihrer Repeater-Funktionalität können die Locator Beacons die Scandaten auf dem Weg zum Locator Node auch untereinander weitertransportieren. Per WLAN oder Ethernet überträgt der Locator Node die gesammelten Daten an die infsoft LocAware platform®.

Werden ausschließlich infsoft Locator Nodes verwendet (Echtzeit-Tracking), verarbeiten diese die bereitgestellten Daten des BLE Beacons und senden sie direkt an die infsoft LocAware platform®.

In der infsoft LocAware platform® können beispielsweise die Position in einer Karte dargestellt und Bewegungsstatistiken abgerufen werden. Die Genauigkeit bei einer serverseitigen Positionsbestimmung mit BLE Beacons liegt bei unter 8 Metern (bei Verwendung von Bluetooth 5.1 sogar bei 0,5 bis 1 Meter), die Reichweite bei bis zu 75 Metern.

Abhängig von den Anforderungen an das Tracking-System kann unterschiedliche Hardware zum Empfang der Beacon-Signale zum Einsatz kommen.

Eine Ortung in Echtzeit kann mit infsoft Locator Nodes 1100infsoft Locator Nodes 1400 und infsoft Locator Beacons Smart Plug realisiert werden. Ist ein leicht zeitversetztes Tracking mit geringen Latenzzeiten ausreichend, werden infsoft Locator Beacons verwendet.

Bluetooth Low Energy Tags (Beacons) sind von zahlreichen Anbietern in verschiedenen Größen und Formen verfügbar, die sich für unterschiedliche Einsatzzwecke eignen. Für sehr unauffällige und platzsparende Installationen (zum Beispiel auf ISO-Cards) eignen sich papierdünne Beacons mit gedruckter Batterie. Beacon-Armbänder können die Sicherheit von Personen (z.B. Patienten, Kinder, Alleinarbeiter) gewährleisten. Beacons mit E-Ink Display ermöglichen die digitale Beschriftung von Räumen, medizinischem Equipment oder industriellen Gütern.

Durch den Industriestandard Bluetooth Smart sind die Lösungen von infsoft mit Beacons aller Hersteller kompatibel. infsoft stellt selbst keine Beacons her, wir vermitteln jedoch gern den Kontakt zu entsprechenden Bezugsquellen.

Beacons können auch Sensorwerte liefern. Hierdurch wird die Erfassung von Bewegung (Beschleunigungs-/ Neigungsmesser), Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck, Licht und Magnetismus ermöglicht. Damit eignen sie sich besonders für Anwendungen in den Bereichen Büro und Home Automation, Gesundheitswesen, Retail und Industrie.

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