作者：儒卓力無線產(chǎn)品銷售經(jīng)理Felix Graf

借助最新一代低功耗藍(lán)牙核心規(guī)范5.1，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(BluetoothSpecialInterestGroup,BluetoothSIG)為基于廣泛流行的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的高精確度位置追蹤服務(wù)創(chuàng)造了更有利的條件。市調(diào)機(jī)構(gòu)ABIResearch預(yù)計(jì)到2023年支持藍(lán)牙位置追蹤服務(wù)的產(chǎn)品銷售量將高達(dá)4.31億個(gè)。

除了采用RSSI技術(shù)的已知距離追蹤功能之外，全新藍(lán)牙核心規(guī)范還提供了可以確定信號(hào)方向的測(cè)向(direction-finding)功能，這可以實(shí)現(xiàn)精確度在幾厘米以內(nèi)的極精確位置追蹤，并且允許在消費(fèi)領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用中提供各種嶄新潛在應(yīng)用。

基于接近性的解決方案和定位系統(tǒng)

藍(lán)牙位置追蹤服務(wù)可以采用基于接近性(proximity-based)的解決方案或定位系統(tǒng)的形式(圖1)。前者通常是用于估計(jì)兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備(通常是智能手機(jī))之間的距離(在有效距離之內(nèi))的應(yīng)用。目前已投入服務(wù)的接近性解決方案的典型應(yīng)用包括信息點(diǎn)(point-of-interest,POI)解決方案，例如在零售業(yè)或博物館中，當(dāng)訪客接近POI時(shí)，他們會(huì)接收到有關(guān)他們面前物品的詳細(xì)信息。許多針對(duì)日用物品的功能也是基于接近性解決方案的概念。在這些應(yīng)用中，將信標(biāo)標(biāo)簽安置在需要定位的對(duì)象(鑰匙串、貨物托盤等)上，然后就可以使用智能手機(jī)找到這個(gè)信標(biāo)。

圖1：基于藍(lán)牙的位置追蹤服務(wù)

第二種類型是定位系統(tǒng)，它可確定封閉系統(tǒng)中各個(gè)物品的位置，所謂封閉系統(tǒng)是指封閉的空間區(qū)域，例如倉庫、博物館或機(jī)場(chǎng)大廳。最常見的應(yīng)用是即時(shí)定位系統(tǒng)(real-timelocationsystem,RTLS)和室內(nèi)定位系統(tǒng)(indoorpositioningsystem,IPS)。

RTLS可以在封閉的系統(tǒng)中追蹤配備了合適標(biāo)簽的多個(gè)人員或物品，適用于諸如倉庫中設(shè)備、拖架或人員的定位和追蹤的應(yīng)用。

室內(nèi)定位系統(tǒng)與GPS有相似之處，但室內(nèi)定位系統(tǒng)可以在封閉的空間中運(yùn)作。永久安裝的定位信標(biāo)會(huì)定時(shí)發(fā)送可由智能手機(jī)等設(shè)備接收到的信號(hào)，這些設(shè)備會(huì)根據(jù)與各個(gè)信標(biāo)的距離來計(jì)算出其相對(duì)位置。這些應(yīng)用可讓人們?cè)跈C(jī)場(chǎng)或購物中心內(nèi)更容易找到目的地。

先前，所有基于藍(lán)牙的位置追蹤系統(tǒng)都是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)所計(jì)算出來的估計(jì)距離來進(jìn)行計(jì)算。接收器使用參考數(shù)值和實(shí)際測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度，便可計(jì)算出與信標(biāo)的距離，計(jì)算數(shù)值可以精確到幾公尺(約1m至10m)以內(nèi)。

天線mesh實(shí)現(xiàn)測(cè)向

測(cè)向是藍(lán)牙5.1中的新功能，不僅可以確定信號(hào)的距離，還可以確定信號(hào)源的方向?；诮咏鹊膫鹘y(tǒng)解決方案也可從中受益，因?yàn)樾盘?hào)的方向是一項(xiàng)十分重要的信息，它可以讓物品尋找變得更加容易。

為了確定信號(hào)的方向，位置信號(hào)的接收器(到達(dá)角(angleofarrival,AoA))或發(fā)送器(出發(fā)角(angleofdeparture,AoD))必須具有永久安裝的天線mesh(圖2)。在這兩種情況中，接收器都可確定信號(hào)的發(fā)出方向。

圖2：左圖：天線mesh位于接收器中。右圖：天線mesh位于發(fā)射器中。

不過，測(cè)向算法不屬于藍(lán)牙5.1核心規(guī)范的一部分?？梢詫?duì)以AoA或AoD計(jì)算的一個(gè)或幾個(gè)角度進(jìn)行三角測(cè)量以及使用RSSI測(cè)量的距離來確定這些角度，從而讓位置確定(locationdetermination)精確到幾厘米以內(nèi)。

在封閉空間中AoA用于追蹤，AoD用于導(dǎo)航

在基于AoA的應(yīng)用中，發(fā)射器是帶有單一天線的信標(biāo)，例如智能手機(jī)或簡(jiǎn)單標(biāo)簽。多個(gè)永久安裝的接收器(定位器)可用來確定所接收到信號(hào)的方向，其中每一個(gè)接收器都配備了復(fù)雜的天線mesh。

AoA應(yīng)用特別適合追蹤物品(RTLS)，例如在自動(dòng)化生產(chǎn)或倉庫中。當(dāng)在信息點(diǎn)使用信標(biāo)時(shí)，這些AoA應(yīng)用還可以提高精確度?；贏oD的應(yīng)用會(huì)使用信標(biāo)信號(hào)發(fā)送器上的天線mesh，按順序通過不同的天線發(fā)送信號(hào)。在這種情況下，接收器(未來通?？赡苁侵悄苁謾C(jī))將配備天線以接收這些順序信號(hào)。如果信標(biāo)的位置已知，則接收器可以確定其相對(duì)于發(fā)射器的位置。這使得基于AoD的應(yīng)用特別適合室內(nèi)定位系統(tǒng)(IPS)，例如在機(jī)場(chǎng)這種封閉的空間中進(jìn)行簡(jiǎn)易的導(dǎo)航。與當(dāng)前的IPS不同，用戶現(xiàn)在不僅可以接收其位置的信息，還可以接收有關(guān)其目的地方向的信息。與基于AoA的應(yīng)用不同，AoD方法更適合依靠無連接通信的情況。

天線mesh設(shè)計(jì)

不管使用哪種方法，測(cè)向功能最重要的成功關(guān)鍵之一就是天線的數(shù)量和配置。簡(jiǎn)單地按照一個(gè)接一個(gè)方式排列的一系列天線，只能確定角度；但在三維空間中更復(fù)雜的配置，則可以確定水平和垂直的角度。藍(lán)牙SIG尚未提供有關(guān)天線配置的特定要求或建議，但當(dāng)更多關(guān)于新位置追蹤服務(wù)的規(guī)范公開發(fā)表時(shí)，便很可能會(huì)提供。

藍(lán)牙5.1潛力雄厚

隨著藍(lán)牙最新一代核心規(guī)范5.1及其測(cè)向功能的推出，藍(lán)牙SIG已經(jīng)朝著提高位置追蹤服務(wù)精確度的方向邁出了重要的一步，這可以顯著改善各種應(yīng)用場(chǎng)景中的精確度。不過，如果要充分利用潛力，則還有許多問題需要考慮。例如，理想的應(yīng)用場(chǎng)景必須將反射和多徑干擾減到最少。理想的配置是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，且具有足夠的永久安裝的定位器信標(biāo)，無論標(biāo)簽在任何位置也能夠檢測(cè)到。為了讓使用智能手機(jī)的室內(nèi)導(dǎo)航功能能夠在整個(gè)區(qū)域內(nèi)工作，必須將藍(lán)牙5.1整合到所有現(xiàn)成的智能手機(jī)中。使用智能手機(jī)時(shí)還必須考慮極化(polarization)的問題，因?yàn)槠浞较驇缀鯚o法控制。智能手機(jī)內(nèi)的空間有限，很可能只有一根天線，甚至在將來也是這樣，這就是為什么智能手機(jī)只能用作基于AoA應(yīng)用中的發(fā)送器或基于AoD應(yīng)用中的接收器。

展望

NordicSemiconductor是首批可以提供支持全新藍(lán)牙核心規(guī)范5.1的多協(xié)議芯片級(jí)系統(tǒng)(SoC)的制造商之一，其nRF52833不僅支持藍(lán)牙測(cè)向和藍(lán)牙長(zhǎng)距離(BluetoothLongRange)，而且還支持藍(lán)牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及專有2.4GHz協(xié)議，從而使得涉及距離測(cè)量的應(yīng)用可提供厘米精確度和方向信息。這款SoC器件采用具有512kB閃存和128kBRAM的64MHzARMCortex-M4F處理器。其它功能包括全速12Mbit/sUSB、高速32MHzSPI和+8dBm輸出功率。其模擬和數(shù)字接口包括NFC-A、ADC、UART/SPI/TWI、PWM、I2S和PDM。nRF52833電源電壓范圍為1.7V至5.5V，并可在–40°C至+105°C擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

責(zé)編：hfy