Geofencing for wireless human-machine interfaces in packaging machinery : from analysis to implementation

Abstract

Traditionally, human-machine interfaces of packaging machines are physical control panels attached to the machine. With the current trend of wireless technologies, companies have started to implement wireless human-machine interfaces also in the field of packaging machinery. They offer more flexibility to the user but introduce new safety-related challenges. When an operator is actuating a machine, they must see the machine to mitigate safety risks, which wireless panels no longer guarantee.

Geofencing means setting virtual boundaries around an area of interest. This thesis explores and compares technologies for geofencing that can be used to restrict certain human-machine interface functions when the user is not in proximity to the machine. Design science research methodology is used to gather requirements and build a proof of concept of three chosen indoor positioning technologies: Bluetooth Low Energy (BLE), Wireless Fidelity (Wi-Fi) and Ultra Wide Band (UWB). The proofs of concept are evaluated against the gathered requirements in a realistic factory environment.

The results show that UWB is more accurate than BLE and Wi-Fi, making it a more reliable technology for safety-critical applications in packaging machinery. However, UWB has a higher hardware cost, and most mobile devices do not support it. In contrast, while BLE and Wi-Fi are cheaper, they are also more prone to interference and variating noise levels in the environment.

Pakkauskoneiden käyttöliittymät (HMI) ovat perinteisesti olleet koneessa kiinni olevia ohjauspaneeleita. Nykyisin langattomien teknologioiden aikakaudella yritykset ovat alkaneet ottaa käyttöön langattomia HMI:tä myös pakkauskoneissa. Ne tarjoavat suurempaa joustavuutta käyttäjälleen, mutta tuovat mukanaan myös uusia turvallisuusriskejä. Kun käyttäjä ohjaa konetta, hänellä on oltava näköyhteys koneeseen turvallisuusriskien minimoimiseksi, mitä langaton HMI ei takaa.

Geoaitaaminen tarkoittaa virtuaalisten rajojen luomista alueen ympärille. Tämä diplomityö tutkii ja vertailee geoaitaamiseen käytettäviä teknologioita, joita voidaan käyttää rajoittamaan tiettyjä HMI-toiminnallisuuksia käyttäjän ollessa määritellyn alueen ulkopuolella. Tutkimuksessa käytetään Design science-menetelmää vaatimusmäärittelyyn sekä kolmen valitun paikannusmenetelmän- Bluetooth Low Energy (BLE), Wireless Fidelity (Wi-Fi) ja Ultra Wide Band (UWB)- konseptitodistusten kehittämiseen. Konseptitodistukset arvioidaan realistisessa tehdasympäristössä.

Tulokset osoittavat, että UWB on tarkempi kuin BLE ja Wi-Fi, minkä ansiosta se on luotettavampi teknologia turvallisuuskriittisiin sovelluksiin pakkauskoneissa. Toisaalta UWB:n laitteistokustannukset ovat korkeammat, ja suurin osa kaupallisista mobiililaitteista ei tue UWB-teknologiaa. BLE ja Wi-Fi sitä vastoin ovat halvempia mutta toisaalta herkempiä häiriötekijöille ja kohinan voimakkuuden vaihteluille ympäristössä.