Radio-Tracking of Sheep: Low-Cost Energy-Efficient Coarse Distance Estimation using Bluetooth Low Energy Transceivers

Abstract

Sauesanking på slutten av hver beitesesong er en krevende oppgave og eksisterende sporingsteknologi er for dyrt til dette formålet. Det foreslås dermed et nytt og kostnadseffektivt system for droneassistert sporing av frittgående sauer, som benytter lavkostbare Bluetooth Low Energy (BLE) mottakere på hver voksne saues øretag. Som en del av et samarbeidsprosjekt fokuserer denne oppgaven på energieffektiv avstandsmåling mellom drone og tag basert på round-trip timing (RTT). To implementasjoner laget spesielt for Nordic Semiconductors nRF52-serien presenteres og evalueres mht. strømforbruk og nøyaktighet basert på utendørstester med en drone. Den første implementasjonen utnytter BLE-protokollen og er preget av å være enkel å utvikle, teste og distribuere sammen med en annen BLE-applikasjon. Den andre implementasjonen bruker en egen protokoll med kortest mulige pakker og vises å yte bedre mtp. både nøyaktighet og strømforbruk. Videre presenteres det en ny metode for å øke nøyaktigheten av individuelle RTT-målinger som et tiltak for å redusere strømforbruket. Det involverer bruk av en bit counter på nRF52-radioen for å tidsstemple hver mottatt bit av en mottatt pakke. Det vises at tidsstemplene av hver bit er lineært uavhengige på grunn av jitter og aggregering av dem forbedrer oppløsningen til målingene, men feilen er ikke signifikant lavere enn når et enkelt tidsstempel brukes per pakke. Likevel kan en nøyaktighet på +/- 100 meter, som anses å være akseptabelt for sauesporing, oppnås ved å utveksle så få som 4 pakker med bruk av bit counter-metoden og den andre RTT-implementasjonen. En grundig evaluering av hver tags batterilevetid og produksjonskostnader, samt ytelsen til sauelokaliseringssystemet, er ikke inkludert.

Gathering sheep at the end of each grazing season is an arduous task and existing tracking technology is too expensive for this purpose. Thus, a novel and cost-efficient system for UAV-assisted tracking of free range sheep is proposed, which employs low-cost Bluetooth Low Energy (BLE) transceivers for each adult sheep's ear tag. As part of a collaborative project, this thesis focuses on energy-efficient distance measurement between the UAV and the tags based on round-trip timing (RTT). Two implementations made specifically for Nordic Semiconductor's nRF52 Series are presented and evaluated in terms of power consumption and accuracy based on outdoor tests with a UAV. The first implementation leverages a BLE protocol stack and is characterized by being easy to develop, test, and deploy alongside another BLE application. The second implementation uses a custom protocol with the shortest packets possible and is shown to perform better in terms of both accuracy and power consumption. Furthermore, a novel method for increasing the accuracy of individual RTT measurements is presented as a way to reduce power consumption. It involves the use of a bit counter on the nRF52 radio to timestamp each received bit of a received packet. It is shown that the bit timestamps are linearly independent due to jitter and aggregating them improves the measurement resolution, but the error is not significantly lower than when using a single timestamp per packet. Still, an accuracy of +/- 100 meters, which is considered acceptable for the sheep tracking use case, can be achieved by exchanging as few as 4 packets with the use of the bit counter method and the second RTT implementation. A thorough evaluation of each tag's battery life and manufacturing cost, as well as the sheep localization system's performance, is not included.