作者：儒卓力無線產品銷售經理Felix Graf

借助最新一代低功耗藍牙核心規范5.1，藍牙技術聯盟(BluetoothSpecialInterestGroup,BluetoothSIG)為基于廣泛流行的藍牙標準的高精確度位置追蹤服務創造了更有利的條件。市調機構ABIResearch預計到2023年支持藍牙位置追蹤服務的產品銷售量將高達4.31億個。

除了采用RSSI技術的已知距離追蹤功能之外，全新藍牙核心規范還提供了可以確定信號方向的測向(direction-finding)功能，這可以實現精確度在幾厘米以內的極精確位置追蹤，并且允許在消費領域和工業應用中提供各種嶄新潛在應用。

基于接近性的解決方案和定位系統

藍牙位置追蹤服務可以采用基于接近性(proximity-based)的解決方案或定位系統的形式(圖1)。前者通常是用于估計兩個藍牙設備(通常是智能手機)之間的距離(在有效距離之內)的應用。目前已投入服務的接近性解決方案的典型應用包括信息點(point-of-interest,POI)解決方案，例如在零售業或博物館中，當訪客接近POI時，他們會接收到有關他們面前物品的詳細信息。許多針對日用物品的功能也是基于接近性解決方案的概念。在這些應用中，將信標標簽安置在需要定位的對象(鑰匙串、貨物托盤等)上，然后就可以使用智能手機找到這個信標。

圖1：基于藍牙的位置追蹤服務

第二種類型是定位系統，它可確定封閉系統中各個物品的位置，所謂封閉系統是指封閉的空間區域，例如倉庫、博物館或機場大廳。最常見的應用是即時定位系統(real-timelocationsystem,RTLS)和室內定位系統(indoorpositioningsystem,IPS)。

RTLS可以在封閉的系統中追蹤配備了合適標簽的多個人員或物品，適用于諸如倉庫中設備、拖架或人員的定位和追蹤的應用。

室內定位系統與GPS有相似之處，但室內定位系統可以在封閉的空間中運作。永久安裝的定位信標會定時發送可由智能手機等設備接收到的信號，這些設備會根據與各個信標的距離來計算出其相對位置。這些應用可讓人們在機場或購物中心內更容易找到目的地。

先前，所有基于藍牙的位置追蹤系統都是根據接收信號強度指示器(RSSI)所計算出來的估計距離來進行計算。接收器使用參考數值和實際測得的信號強度，便可計算出與信標的距離，計算數值可以精確到幾公尺(約1m至10m)以內。

天線mesh實現測向

測向是藍牙5.1中的新功能，不僅可以確定信號的距離，還可以確定信號源的方向。基于接近度的傳統解決方案也可從中受益，因為信號的方向是一項十分重要的信息，它可以讓物品尋找變得更加容易。

為了確定信號的方向，位置信號的接收器(到達角(angleofarrival,AoA))或發送器(出發角(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的發出方向。

圖2：左圖：天線mesh位于接收器中。右圖：天線mesh位于發射器中。

不過，測向算法不屬于藍牙5.1核心規范的一部分。可以對以AoA或AoD計算的一個或幾個角度進行三角測量以及使用RSSI測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。

在封閉空間中AoA用于追蹤，AoD用于導航

在基于AoA的應用中，發射器是帶有單一天線的信標，例如智能手機或簡單標簽。多個永久安裝的接收器(定位器)可用來確定所接收到信號的方向，其中每一個接收器都配備了復雜的天線mesh。

AoA應用特別適合追蹤物品(RTLS)，例如在自動化生產或倉庫中。當在信息點使用信標時，這些AoA應用還可以提高精確度。基于AoD的應用會使用信標信號發送器上的天線mesh，按順序通過不同的天線發送信號。在這種情況下，接收器(未來通常可能是智能手機)將配備天線以接收這些順序信號。如果信標的位置已知，則接收器可以確定其相對于發射器的位置。這使得基于AoD的應用特別適合室內定位系統(IPS)，例如在機場這種封閉的空間中進行簡易的導航。與當前的IPS不同，用戶現在不僅可以接收其位置的信息，還可以接收有關其目的地方向的信息。與基于AoA的應用不同，AoD方法更適合依靠無連接通信的情況。

天線mesh設計

不管使用哪種方法，測向功能最重要的成功關鍵之一就是天線的數量和配置。簡單地按照一個接一個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雜的配置，則可以確定水平和垂直的角度。藍牙SIG尚未提供有關天線配置的特定要求或建議，但當更多關于新位置追蹤服務的規范公開發表時，便很可能會提供。

藍牙5.1潛力雄厚

隨著藍牙最新一代核心規范5.1及其測向功能的推出，藍牙SIG已經朝著提高位置追蹤服務精確度的方向邁出了重要的一步，這可以顯著改善各種應用場景中的精確度。不過，如果要充分利用潛力，則還有許多問題需要考慮。例如，理想的應用場景必須將反射和多徑干擾減到最少。理想的配置是一個封閉的系統，且具有足夠的永久安裝的定位器信標，無論標簽在任何位置也能夠檢測到。為了讓使用智能手機的室內導航功能能夠在整個區域內工作，必須將藍牙5.1整合到所有現成的智能手機中。使用智能手機時還必須考慮極化(polarization)的問題，因為其方向幾乎無法控制。智能手機內的空間有限，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只能用作基于AoA應用中的發送器或基于AoD應用中的接收器。

展望

NordicSemiconductor是首批可以提供支持全新藍牙核心規范5.1的多協議芯片級系統(SoC)的制造商之一，其nRF52833不僅支持藍牙測向和藍牙長距離(BluetoothLongRange)，而且還支持藍牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及專有2.4GHz協議，從而使得涉及距離測量的應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擴展溫度范圍內工作。

責編：hfy