利用Bluetooth 低功耗技術(shù)進(jìn)行定位跟蹤方案解析

隨著藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，簡(jiǎn)稱(chēng)BLE）技術(shù)發(fā)展到5.2及更高版本，其中最重要的進(jìn)步之一就是定位跟蹤技術(shù)，該技術(shù)可在室內(nèi)用于資產(chǎn)的移動(dòng)和定位跟蹤。
藍(lán)牙測(cè)向方法包括無(wú)連接模式和面向連接模式，因其具有的這種多功能性，該技術(shù)可在各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景中得到運(yùn)用。這種適應(yīng)性為無(wú)線(xiàn)通信和定位服務(wù)帶來(lái)了新的可能，有望在未來(lái)取得令人振奮的進(jìn)步。

圖1：零售店內(nèi)的客流分析，顯示熱門(mén)行走路線(xiàn)

這項(xiàng)技術(shù)的主要市場(chǎng)之一是零售業(yè)，大型商店希望更好地了解顧客在店內(nèi)的流動(dòng)情況，從而最大程度地挖掘銷(xiāo)售潛力。
除了零售業(yè)，資產(chǎn)追蹤技術(shù)在工業(yè)效率提升方面也能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。它可用于監(jiān)控物料運(yùn)輸車(chē)輛，減少時(shí)間浪費(fèi)，提高工作效率。該技術(shù)還可以用于驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的數(shù)字孿生（digital twins）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確復(fù)制動(dòng)作。
資產(chǎn)追蹤不僅能提高效率，還能在確保安全方面發(fā)揮重要作用。在倉(cāng)庫(kù)和配送中心，跟蹤標(biāo)簽的應(yīng)用使員工和工業(yè)機(jī)器人能夠安全共存，通過(guò)讓機(jī)器人追蹤員工的行動(dòng)，消除了發(fā)生碰撞的可能。
基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
為了建立位置檢測(cè)系統(tǒng)，需要在建筑物內(nèi)（無(wú)論是零售店、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)還是其他類(lèi)型的建筑物）放置天線(xiàn)陣列。該陣列可以進(jìn)行高精度的位置測(cè)量。
使用的方法可以是"到達(dá)角"（AoA）或"出發(fā)角"（AoD）。雖然兩者都使用相同的射頻（RF）信號(hào)測(cè)量，但信號(hào)處理和天線(xiàn)配置卻各不相同。

圖2：位置檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

通常情況下，系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：藍(lán)牙發(fā)射器（AoA標(biāo)簽）、接收器/天線(xiàn)陣列（AoA定位器）以及角度和位置計(jì)算系統(tǒng)。工作時(shí)，AoA標(biāo)簽會(huì)發(fā)送固定頻率擴(kuò)展（constant tone extension，CTE）信號(hào)。
這種CTE信號(hào)以不斷擴(kuò)大的球形模式向外傳播，并被天線(xiàn)接收。由于信號(hào)的波長(zhǎng)/頻率是已知的，接收器之間的距離也是已知的，因此可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的三角法計(jì)算信號(hào)的角度，從而根據(jù)信號(hào)到達(dá)每個(gè)天線(xiàn)時(shí)的相位差確定發(fā)射器的位置。
替代方法和更高的精確度
通過(guò)使用兩對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行兩次探測(cè)，就能以極高的精度三角定位出AoA標(biāo)簽的確切位置。
另一種無(wú)需角度測(cè)量的方法是三坐標(biāo)法（trilateration）。這種方法基于使用藍(lán)牙5.4的信道探測(cè)（Channel Sounding，CS）特性或超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術(shù)，測(cè)量飛行時(shí)間（Time-of-Flight，ToF）來(lái)得出距離。
CS也被稱(chēng)為高精度距離測(cè)量(HADM)，許多人認(rèn)為它是基于RSSI的距離測(cè)量的一種非常精確的替代方法。
安森美RSL15 AoA 解決方案
安森美推出的RSL15是一款通過(guò)藍(lán)牙5.2認(rèn)證的安全無(wú)線(xiàn)微控制器，專(zhuān)為包括工業(yè)、醫(yī)療和到達(dá)角定位（AoA）在內(nèi)的超低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該器件基于一顆運(yùn)行頻率高達(dá)48 MHz 的Arm? Cortex?-M33處理器構(gòu)建，并具備加密安全功能。它提供了業(yè)界極低的功耗水平，發(fā)射時(shí)的峰值電流僅為4.3 mA，在等待GPIO 喚醒的睡眠模式下更是降低至36 nA。RSL15微控制器旨在滿(mǎn)足從零售業(yè)、臨床環(huán)境、制造業(yè)和配送中心等廣泛跟蹤應(yīng)用的需求。
安森美的AoA 解決方案在發(fā)射器（AoA標(biāo)簽）和掃描器/定位器中都使用了RSL15。這可以使用RSL15 和安森美的軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)實(shí)現(xiàn)，或者，對(duì)于集成度更高的解決方案，可以使用集成了RSL15 的Murata 2EG 射頻SIP 模塊。

圖3：安森美的端到端 AoA系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成

在系統(tǒng)中，發(fā)射器（Advertiser）生成CTE信號(hào)，由掃描器接收。由此產(chǎn)生的IQ 樣本被發(fā)送到本地PC或云端運(yùn)行的應(yīng)用程序，以計(jì)算掃描器與標(biāo)簽之間的角度。然后將這些角度轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)，并映射到二維或三維空間。
這兩種應(yīng)用的示例代碼均可從安森美的網(wǎng)站上免費(fèi)獲取，同時(shí)還有一個(gè)功率估算工具，可根據(jù)電池壽命選擇通信協(xié)議。
參與該項(xiàng)目的其他安森美合作伙伴還有CoreHW 和Unikie。CoreHW提供多達(dá)16個(gè)單端天線(xiàn)端口的天線(xiàn)陣列板。有一個(gè)AoA / AoD開(kāi)關(guān)，用于選擇天線(xiàn)以及連接射頻和數(shù)字控制信號(hào)。
Unikie提供了一款專(zhuān)為實(shí)時(shí)追蹤標(biāo)簽而設(shè)計(jì)的藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）電子定位引擎。該引擎支持在邊緣服務(wù)器或云端處理數(shù)據(jù)，既保證了靈活性也實(shí)現(xiàn)了成本效益（圖4）。

圖4：用于定位應(yīng)用的Unikie 軟件引擎

API接口促進(jìn)了與企業(yè)系統(tǒng)的無(wú)縫集成，提供了訪問(wèn)復(fù)雜數(shù)據(jù)建模的能力。這樣就能更深入地了解物料流向、利用率和行為模式，標(biāo)志著基于位置的服務(wù)和資產(chǎn)管理取得了顯著進(jìn)步。
結(jié)語(yǔ)
要成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙低功耗測(cè)向，關(guān)鍵是解決方案要持久耐用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。憑借業(yè)界功耗極低的安全藍(lán)牙低功耗MCU，安森美技術(shù)走在了實(shí)現(xiàn)AoA 未來(lái)創(chuàng)新的前沿。