=作者：Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）無線產(chǎn)品經(jīng)理PriyankaSukumar

近年來，隨著藍(lán)牙技術(shù)的普及，個人和諸多行業(yè)都選擇藍(lán)牙而非傳統(tǒng)的RF設(shè)備作為定位技術(shù)，并從中受益。藍(lán)牙技術(shù)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）認(rèn)證，藍(lán)牙技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化的無線技術(shù)解決方案，可在許多現(xiàn)有產(chǎn)品中輕松獲得，這些產(chǎn)品（例如智能手機(jī)）可以用作通用接收器。因此，許多企業(yè)都在大力投資藍(lán)牙領(lǐng)域以擴(kuò)展其功能、進(jìn)一步延長電池壽命并提升產(chǎn)品銷量。

藍(lán)牙測距技術(shù)是通過信號屬性或包傳輸特征，對兩個或更多設(shè)備之間的距離進(jìn)行測量。現(xiàn)在藍(lán)牙測距技術(shù)開始替代RFID或NFC用于各種目標(biāo)測距應(yīng)用。這些應(yīng)用可以分為兩類：接近感知系統(tǒng)（例如數(shù)字鑰匙）和定位應(yīng)用，在定位應(yīng)用中可以使用三邊測量或三角測量來追蹤目標(biāo)。定位應(yīng)用的示例包括資產(chǎn)追蹤、個人物品查找和室內(nèi)導(dǎo)航等。

下面將針對上述不同的應(yīng)用場景詳細(xì)介紹藍(lán)牙技術(shù)為其帶來的好處，并將深入探討如何使用不同的測距方法來擴(kuò)展藍(lán)牙測距技術(shù)。此外，本文也將介紹一些新興的藍(lán)牙技術(shù)，并探討Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）為開發(fā)強(qiáng)大、可靠和安全的藍(lán)牙連接技術(shù)提供的一個生態(tài)系統(tǒng)、解決方案和產(chǎn)品組合。

藍(lán)牙位置服務(wù)的主要應(yīng)用

許多基于位置的接近感知系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，例如醫(yī)療行業(yè)、制造設(shè)施和政府機(jī)構(gòu)的相關(guān)系統(tǒng)，都可以通過使用藍(lán)牙進(jìn)行定位并從中獲益。例如在醫(yī)院場景中，出于健康和安全考慮，某些場所僅限某些患者和醫(yī)生進(jìn)入。借助藍(lán)牙數(shù)字鑰匙技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)進(jìn)入權(quán)限管理和進(jìn)入安全警報。

藍(lán)牙智能資產(chǎn)管理使追蹤諸如便攜式醫(yī)療設(shè)備等關(guān)鍵資產(chǎn)成為可能，例如病床和各種急救設(shè)施。智能資產(chǎn)管理不僅可以提高工作效率，還可以通過降低尋找正確設(shè)備所需的時間來挽救生命。此外，由于醫(yī)院是大型基礎(chǔ)設(shè)施，因此還可以通過藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航。

下面將更詳細(xì)地介紹這些定位技術(shù)是如何通過藍(lán)牙實現(xiàn)的。

室內(nèi)資產(chǎn)追蹤

為了提高效率、生產(chǎn)力和員工安全性，醫(yī)院和工廠等大型機(jī)構(gòu)都需要配備能夠準(zhǔn)確追蹤其重要資產(chǎn)的系統(tǒng)。下文探討了藍(lán)牙實時定位系統(tǒng)（RTLS）的幾種不同實現(xiàn)方式，這些實現(xiàn)方式為資產(chǎn)追蹤提供了不同級別的追蹤精度和接近度等詳細(xì)信息。

對于不需要精確定位的應(yīng)用，當(dāng)今最常見的解決方案是使用接收信號強(qiáng)度指示（RSSI），這是衡量接收器藍(lán)牙信號功率級別的指標(biāo)。簡而言之，RSSI數(shù)據(jù)允許僅通過查看接收信號的強(qiáng)度來確定資產(chǎn)的大致位置。由于RSSI值是負(fù)數(shù)，因此當(dāng)RSSI值越接近零時，資產(chǎn)也越接近接收器。

如今，由于大多數(shù)企業(yè)級Wi?Fi接入點都內(nèi)置了能夠測量RSSI的藍(lán)牙射頻功能，因此如需了解資產(chǎn)的大致位置，RSSI是非常不錯的低成本方案，通?？蓪崿F(xiàn)五米左右的測量精度。

要實現(xiàn)更精確的定位則需要測向技術(shù)。藍(lán)牙5.1中發(fā)布的到達(dá)角（AoA）可實現(xiàn)亞米級精度定位資產(chǎn)。為了通過AoA追蹤資產(chǎn)，藍(lán)牙發(fā)射器芯片需要連接到資產(chǎn)上并不斷發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包由天線陣列捕獲，天線陣列可以安裝在天花板上。

資產(chǎn)標(biāo)簽發(fā)送的藍(lán)牙信號在藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的末尾添加了連續(xù)波擴(kuò)展（CTE）。一旦天線陣列接收到這些數(shù)據(jù)包，天線陣列就會利用所有天線捕獲信號的相位差。然后將天線捕獲的數(shù)據(jù)發(fā)送到實時定位（RTL）庫，在該庫中執(zhí)行三角測量以計算資產(chǎn)的x、y、z坐標(biāo)。

為了實現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備間的高精度距離測量（HADM）（具備厘米級精度），藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟目前正在制定一項相關(guān)規(guī)范。雖然該規(guī)范尚未正式發(fā)布，但是它將可能利用HADM技術(shù)實現(xiàn)更準(zhǔn)確的資產(chǎn)追蹤。

室內(nèi)導(dǎo)航

雖然如今使用GPS進(jìn)行戶外導(dǎo)航十分普遍，但在諸如醫(yī)院或機(jī)場等大型、復(fù)雜的室內(nèi)空間中進(jìn)行定位導(dǎo)航卻具有挑戰(zhàn)性，因為這些場合缺乏導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施來確定人員的當(dāng)前位置。然而，藍(lán)牙技術(shù)提供了多種方案來實現(xiàn)可靠的室內(nèi)導(dǎo)航。

方案一是將藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)整合到現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施中。信標(biāo)可以提供持續(xù)的無線電傳輸，可以被信標(biāo)半徑內(nèi)的任何藍(lán)牙掃描儀發(fā)現(xiàn)。對于大多數(shù)商業(yè)設(shè)施而言，一種方案是將信標(biāo)添加到現(xiàn)有的Wi?Fi接入點和網(wǎng)關(guān)。另一種方案是將無線或藍(lán)牙連接整合到照明系統(tǒng)，之后發(fā)送信標(biāo)，這樣做還可以降低電纜使用的數(shù)量。一旦信標(biāo)就位并且訪客可以在智能手機(jī)等支持藍(lán)牙的設(shè)備上訪問室內(nèi)樓層地圖，藍(lán)牙信標(biāo)系統(tǒng)就可以像在室外使用GPS一樣輕松地用于室內(nèi)導(dǎo)航。

信標(biāo)技術(shù)的準(zhǔn)確性取決于安裝的信標(biāo)數(shù)量、環(huán)境因素或多徑衰落程度等因素。如果有更高的精度要求，藍(lán)牙5.1中引入的出發(fā)角（AoD）技術(shù)是一個不錯的選擇。AoD技術(shù)的工作方式與我們所探討的AoA技術(shù)相反。采用AoD時，天線陣列充當(dāng)發(fā)射器，不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包由支持AoD的移動設(shè)備接收。之后接收器通過這些信號計算相對信號方向和位置。雖然目前部分智能手機(jī)支持藍(lán)牙5.1協(xié)議，但手機(jī)還不支持測向。當(dāng)手機(jī)支持測向功能時，AoD就極有可能使室內(nèi)導(dǎo)航變得更加普遍。

數(shù)字鑰匙

由于所有的智能手機(jī)都具有藍(lán)牙技術(shù)，而且全球大約有83%的人都擁有智能手機(jī)，因此數(shù)字鑰匙應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)得到了良好的發(fā)展。雖然傳統(tǒng)上RFID和NFC技術(shù)被應(yīng)用于數(shù)字鑰匙技術(shù)，但使用藍(lán)牙技術(shù)也會帶來一些好處。存儲在智能手機(jī)上的藍(lán)牙數(shù)字鑰匙增加了額外的安全層，因為需要密碼或面部ID才能登錄手機(jī)以訪問數(shù)字鑰匙。

智能手機(jī)的數(shù)字鑰匙可以輕松共享車輛或家庭鑰匙。例如，如果您有汽車數(shù)字鑰匙，您便可以通過應(yīng)用程序安全地向另一用戶授予訪問權(quán)限，而無需提供實體鑰匙。

個人物品查找

雖然在上文的醫(yī)院場景中沒有提及個人物品查找功能，但這是通過藍(lán)牙技術(shù)獲取的另一項關(guān)鍵定位技術(shù)。如今，Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag等設(shè)備已經(jīng)在利用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)個人物品查找。專家預(yù)測到2026年將出貨1.4億個用于個人物品查找的設(shè)備追蹤器，因此，這也是一個快速增長的細(xì)分市場。

例如每個Apple AirTag都會發(fā)出一個唯一的藍(lán)牙標(biāo)識符，它可以被附近的iPhone、iPad和Mac設(shè)備檢測到，而這些設(shè)備是Apple FindMy網(wǎng)絡(luò)的一部分。Find My網(wǎng)絡(luò)中接收信號的設(shè)備將標(biāo)識符連同位置數(shù)據(jù)一起中繼到Apple服務(wù)器。因此，要找到丟失的物品，只需在手機(jī)上登錄Apple Find My應(yīng)用程序，然后在地圖上查看物品的位置即可。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，我們也正在努力在藍(lán)牙設(shè)備之間實現(xiàn)HADM。

通過RSSI和其它技術(shù)改進(jìn)藍(lán)牙測距技術(shù)

定位追蹤藍(lán)牙技術(shù)在個人應(yīng)用和商業(yè)用途中越來越受歡迎，但很明顯，現(xiàn)有的測距技術(shù)將無法滿足性能要求，尤其是無法滿足密集的室內(nèi)環(huán)境所提出的要求。雖然RSSI與上文討論的AoA或AoD等測向技術(shù)相結(jié)合，與單獨使用RSSI相比可顯著提高準(zhǔn)確性，但將這些新功能添加到設(shè)備時會增加基礎(chǔ)設(shè)施成本和設(shè)計復(fù)雜性。

相反，使用單個天線而非相控矩陣，這種更簡單的替代解決方案可以降低所需的系統(tǒng)資源和部署的成本。除了高精度之外，對于高機(jī)密應(yīng)用而言，藍(lán)牙RSSI測距也不是理想的選擇，這是因為設(shè)備接收到的信號強(qiáng)度很容易通過RF信號放大進(jìn)行篡改。

測量兩個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)包傳輸時間（或飛行時間）和測量RF信號的相位可以進(jìn)一步提高藍(lán)牙測距的準(zhǔn)確性、簡單性和安全性。

測量數(shù)據(jù)包傳輸時間

測量兩個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)包傳輸時間需要知道設(shè)備間發(fā)送信號所需的往返時間。往返時間是在發(fā)起設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包到響應(yīng)設(shè)備時開始，并且在響應(yīng)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包并返回到發(fā)起設(shè)備時結(jié)束。當(dāng)發(fā)送第一個數(shù)據(jù)包時，發(fā)起設(shè)備啟動一個計時器，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時，響應(yīng)設(shè)備啟動計時器。

在響應(yīng)設(shè)備上，定時器在發(fā)送數(shù)據(jù)包時結(jié)束，而在發(fā)起設(shè)備上，定時器在收到數(shù)據(jù)包時結(jié)束。通過使用兩個設(shè)備上的到達(dá)時間和離開時間，可以得到兩個計時器值用于查找飛行時間。下圖顯示了數(shù)據(jù)包是如何發(fā)送的以及計算是如何進(jìn)行的。

由于與無線電中采用的晶體頻率相比，光速更快，因此使用分?jǐn)?shù)定時技術(shù)來提高精度并解決IQ采樣過程中出現(xiàn)的采樣不確定性，從而在僅使用一個通道時實現(xiàn)米級精度。然而，對于多個藍(lán)牙通道而言，平均多個藍(lán)牙通道的測量結(jié)果有助于實現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度。

此外，由于測量是在藍(lán)牙連接間隔期間進(jìn)行的，如果連接間隔較長，則可以進(jìn)行更多的測量，這也有助于提高準(zhǔn)確性。這意味著整個測量過程的持續(xù)時間是可變的，具體取決于配置的參數(shù)，例如通道數(shù)和連接間隔時間。此外，當(dāng)使用飛行時間來測距時，其安全性本質(zhì)上比使用RSSI更好，這是因為這些測量是基于時間的，并且時間不能逆轉(zhuǎn)。

RF信號相位測量

測量RF信號的相位是基于這樣一個事實，即電磁波的相位可以建模為頻率和傳輸距離的函數(shù)。因此，空間傳輸引起的相位差可用于計算距離。假設(shè)頻率相同，測量傳輸相位需要使用發(fā)起設(shè)備和響應(yīng)設(shè)備本地振蕩器的相位偏移。實際上，頻率可能不一樣，但可以進(jìn)行校準(zhǔn)。

響應(yīng)設(shè)備接收信號時查看測量的相位，它等于發(fā)起設(shè)備的相位加上傳輸相位減去響應(yīng)設(shè)備的相位。同樣地，發(fā)起設(shè)備接收到信號時，測得的相位等于響應(yīng)設(shè)備的相位加上傳輸相位減去發(fā)起設(shè)備的相位。通過將這些測量值相加，就會得到要計算的傳輸相位，這也就意味著可以得到往返相位的測量值。這里的測量值是至少在兩個頻率上測得的。

現(xiàn)在分三個階段來分析整個距離估計過程。第一階段是校準(zhǔn)，這時設(shè)備之間的頻率偏移必須通過偏移估計進(jìn)行補(bǔ)償。接下來是測量階段，通過在多個信道上交換未調(diào)制的載波來測量相位差。最后是計算階段，在該階段，測距算法采用來自發(fā)起設(shè)備解調(diào)器的IQ樣本進(jìn)行后置濾波和測距計算。

同時要關(guān)注安全性，這一點同樣重要。攻擊者要操縱相位比較困難，這是因為攻擊者需要知道節(jié)點的精確空間知識和高級RF生成邏輯。因此，與基于RSSI的解決方案相比，使用相位測距是相對安全的。

用于資產(chǎn)追蹤的RF相位測量示例

在現(xiàn)實世界中，我們可以使用訪問點和標(biāo)簽來替換上文所討論的發(fā)起設(shè)備和響應(yīng)設(shè)備。試想，如何測定標(biāo)簽和接入點之間的距離來追蹤資產(chǎn)？這就需要一個基于連接的雙向測距方案；因此，首先要在兩個設(shè)備之間建立藍(lán)牙連接。連接經(jīng)過加密和保護(hù)，然后配置測距算法參數(shù)，包括信道數(shù)、發(fā)射功率和連接間隔。接入點在第一個信道上啟動相位測量程序，之后在配置的信道數(shù)量上重復(fù)測量。通常，至少需要40個信道才能達(dá)到亞米級精度。但是，如果最終應(yīng)用無需亞米級精度，則可以減少信道數(shù)。

最后，一旦完成所有相位測量，測距算法軟件將IQ樣本作為輸入內(nèi)容并進(jìn)行處理，并應(yīng)用濾波以去除任何異常值并減輕多徑效應(yīng)以計算距離。只要保持連接并且設(shè)備能夠每秒產(chǎn)生多個距離計算值，這一過程可不斷重復(fù)。

為了說明相位測距優(yōu)于RSSI測距，現(xiàn)在通過比較使用這兩種技術(shù)在最遠(yuǎn)30m的幾個距離處測量的錯誤率進(jìn)行驗證。在本示例中，測量是在多徑干擾不可避免的室內(nèi)辦公環(huán)境中進(jìn)行的。每個距離都采集了數(shù)百個樣本以確定絕對誤差并繪制出如下所示的數(shù)據(jù)集。

一般而言，相位測距精度的目標(biāo)是小于60cm。如上所示，相位測距的測量值是穩(wěn)定的，并且25m內(nèi)誤差小于60cm，30m內(nèi)精度達(dá)到1m以內(nèi)。而使用RSSI，即使在很短的距離上也不太可能達(dá)到亞米級精度，而且錯誤率會隨著距離的增加而增加，在距離超過25m時，誤差可達(dá)到10m以上。

借助Silicon Labs技術(shù)將藍(lán)牙定位技術(shù)推向市場

Silicon Labs提供各種各樣的藍(lán)牙片上系統(tǒng)（SoC）和模塊選項以及豐富的開發(fā)工具，為開發(fā)穩(wěn)健、可靠和安全的藍(lán)牙連接解決方案提供了一站式資源和服務(wù)。無論用戶所需是超緊湊型、低功耗、遠(yuǎn)距離還是極高的RF靈敏度，Silicon Labs都能為每種應(yīng)用提供最佳解決方案。

例如Silicon Labs的2.4GHz無線SoC和模塊的BG24系列具有大閃存和RAM容量以及PSA Level 3 Secure Vault保護(hù)，使該SoC成為家居、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。如果電池壽命和尺寸是要考慮的關(guān)鍵因素，Silicon Labs還提供BG22 SiP模塊和SoC，在紐扣電池供電下可運行長達(dá)10年，并配備軟件以實現(xiàn)資產(chǎn)追蹤、亞米級精度室內(nèi)導(dǎo)航等。Silicon Labs所有的藍(lán)牙模塊和SoC提供共享和重用的開發(fā)者體驗，這意味著開發(fā)者可以去進(jìn)行面向未來的產(chǎn)品設(shè)計，并持續(xù)演進(jìn)其產(chǎn)品組合。

本文同步刊載于單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用雜志

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