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蓝牙新增测向功能,借此拓展两类行业应用
来源: | 作者:电子技术设计网-Felix Graf | 发布时间: 332天前 | 555 次浏览 | 分享到:
近期随着Nordic连同国内众多单位联合发布了《蓝牙AOA高精度定位技术白皮书》,瞬时让室内定位领域这座待开采的金矿获得了众多网络关注流量。前些日子国内企业发布的产品也是基于nRF52833研发的芯片级系统定位算法,此时翻出“EDN”上Felix Graf攥写的AoA文章可更好理解这套正在被关注的热门技术。
借助最新一代低功耗蓝牙核心规范5.1,蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)为基于广泛流行的蓝牙标准的高精确度位置追踪服务创造了更有利的条件。市调机构ABI Research预计到2023年支持蓝牙位置追踪服务的产品销售量将高达4.31亿个。
除了采用RSSI技术的已知距离追踪功能之外,全新蓝牙核心规范还提供了可以确定信号方向的测向(direction-finding)功能,这可以实现精确度在几厘米以内的极精确位置追踪,并且允许在消费领域和工业应用中提供各种崭新潜在应用。
基于接近性的解决方案和定位系统
蓝牙位置追踪服务可以采用基于接近性 (proximity-based) 的解决方案或定位系统的形式(图1)。前者通常是用于估计两个蓝牙设备(通常是智能手机)之间的距离(在有效距离之内)的应用。目前已投入服务的接近性解决方案的典型应用包括信息点(point-of-interest, POI)解决方案,例如在零售业或博物馆中,当访客接近POI时,他们会接收到有关他们面前物品的详细信息。许多针对日用物品的功能也是基于接近性解决方案的概念。在这些应用中,将信标标签安置在需要定位的对象(钥匙串、货物托盘等)上,然后就可以使用智能手机找到这个信标。

图1:基于蓝牙的位置追踪服务
第二种类型是定位系统,它可确定封闭系统中各个物品的位置,所谓封闭系统是指封闭的空间区域,例如仓库、博物馆或机场大厅。最常见的应用是即时定位系统(real-time location system, RTLS)和室内定位系统(indoor positioning system, IPS)。
RTLS可以在封闭的系统中追踪配备了合适标签的多个人员或物品,适用于诸如仓库中设备、拖架或人员的定位和追踪的应用。
室内定位系统与GPS有相似之处,但室内定位系统可以在封闭的空间中运作。永久安装的定位信标会定时发送可由智能手机等设备接收到的信号,这些设备会根据与各个信标的距离来计算出其相对位置。这些应用可让人们在机场或购物中心内更容易找到目的地。
先前,所有基于蓝牙的位置追踪系统都是根据接收信号强度指示器(RSSI)所计算出来的估计距离来进行计算。接收器使用参考数值和实际测得的信号强度,便可计算出与信标的距离,计算数值可以精确到几公尺 (约1 m至10 m)以内。
天线mesh实现测向
测向是蓝牙5.1中的新功能,不仅可以确定信号的距离,还可以确定信号源的方向。基于接近度的传统解决方案也可从中受益,因为信号的方向是一项十分重要的信息,它可以让物品寻找变得更加容易。
为了确定信号的方向,位置信号的接收器(到达角(angle of arrival, AoA))或发送器(出发角(angle of departure, AoD))必须具有永久安装的天线mesh (图2)。在这两种情况中,接收器都可确定信号的发出方向。

图2:左图:天线mesh位于接收器中。右图:天线mesh位于发射器中。
不过,测向算法不属于蓝牙5.1核心规范的一部分。可以对以AoA或AoD计算的一个或几个角度进行三角测量以及使用RSSI测量的距离来确定这些角度,从而让位置确定(location determination)精确到几厘米以内。
在封闭空间中AoA用于追踪,AoD用于导航
在基于AoA的应用中,发射器是带有单一天线的信标,例如智能手机或简单标签。多个永久安装的接收器(定位器)可用来确定所接收到信号的方向,其中每一个接收器都配备了复杂的天线mesh。
AoA应用特别适合追踪物品(RTLS),例如在自动化生产或仓库中。当在信息点使用信标时,这些AoA应用还可以提高精确度。基于AoD的应用会使用信标信号发送器上的天线mesh,按顺序通过不同的天线发送信号。在这种情况下,接收器(未来通常可能是智能手机)将配备天线以接收这些顺序信号。如果信标的位置已知,则接收器可以确定其相对于发射器的位置。这使得基于AoD的应用特别适合室内定位系统(IPS),例如在机场这种封闭的空间中进行简易的导航。与当前的IPS不同,用户现在不仅可以接收其位置的信息,还可以接收有关其目的地方向的信息。与基于AoA的应用不同,AoD方法更适合依靠无连接通信的情况。
天线mesh设计
不管使用哪种方法,测向功能最重要的成功关键之一就是天线的数量和配置。简单地按照一个接一个方式排列的一系列天线,只能确定角度;但在三维空间中更复杂的配置,则可以确定水平和垂直的角度。蓝牙SIG尚未提供有关天线配置的特定要求或建议,但当更多关于新位置追踪服务的规范公开发表时,便很可能会提供。
蓝牙5.1潜力雄厚
随着蓝牙最新一代核心规范5.1及其测向功能的推出,蓝牙 SIG已经朝着提高位置追踪服务精确度的方向迈出了重要的一步,这可以显著改善各种应用场景中的精确度。不过,如果要充分利用潜力,则还有许多问题需要考虑。例如,理想的应用场景必须将反射和多径干扰减到最少。理想的配置是一个封闭的系统,且具有足够的永久安装的定位器信标,无论标签在任何位置也能够检测到。为了让使用智能手机的室内导航功能能够在整个区域内工作,必须将蓝牙 5.1整合到所有现成的智能手机中。使用智能手机时还必须考虑极化(polarization)的问题,因为其方向几乎无法控制。智能手机内的空间有限,很可能只有一根天线,甚至在将来也是这样,这就是为什么智能手机只能用作基于AoA应用中的发送器或基于AoD应用中的接收器。
展望
Nordic Semiconductor是首批可以提供支持全新蓝牙核心规范5.1的多协议芯片级系统 (SoC)的制造商之一,其nRF52833不仅支持蓝牙测向和蓝牙长距离(Bluetooth Long Range),而且还支持蓝牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及专有2.4 GHz协议,从而使得涉及距离测量的应用可提供厘米精确度和方向信息。这款SoC器件采用具有512 kB闪存和128 kB RAM 的64 MHz ARM Cortex-M4F处理器。其它功能包括全速12 Mbit / s USB、高速32 MHz SPI和+8 dBm输出功率。其模拟和数字接口包括NFC-A、ADC、UART / SPI / TWI、PWM、I2 S和PDM。nRF52833电源电压范围为1.7 V至5.5V,并可在–40°C至+105°C扩展温度范围内工作。


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