Position Tracking with Bluetooth Low Energy Technology
作者：安森美半導體 隨著藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）技術發(fā)展到 5.2 及更高版本，其中最重要的進步之一就是定位跟蹤技術，該技術可在室內(nèi)用于資產(chǎn)的移動和定位跟蹤。 藍牙測向方法包括無連接模式和面向連接模式，因其具有的這種多功能性，該技術可在各種不同的應用場景中得到運用。這種適應性為無線通信和定位服務帶來了新的可能，有望在未來取得令人振奮的進步。
圖 1：零售店內(nèi)的客流分析，顯示熱門行走路線 這項技術的主要市場之一是零售業(yè)，大型商店希望更好地了解顧客在店內(nèi)的流動情況，從而最大程度地挖掘銷售潛力。 除了零售業(yè)，資產(chǎn)追蹤技術在工業(yè)效率提升方面也能產(chǎn)生深遠影響。它可用于監(jiān)控物料運輸車輛，減少時間浪費，提高工作效率。該技術還可以用于驅(qū)動復雜的數(shù)字孿生（digital twins）系統(tǒng)，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中準確復制動作。 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。在倉庫和配送中心，跟蹤標簽的應用使員工和工業(yè)機器人能夠安全共存，通過讓機器人追蹤員工的行動，消除了發(fā)生碰撞的可能。 基本系統(tǒng)設計原則 為了建立位置檢測系統(tǒng)，需要在建筑物內(nèi)（無論是零售店、倉庫、醫(yī)院、機場還是其他類型的建筑物）放置天線陣列。該陣列可以進行高精度的位置測量。 使用的方法可以是 "到達角"（AoA）或 "出發(fā)角"（AoD）。雖然兩者都使用相同的射頻（RF）信號測量，但信號處理和天線配置卻各不相同。
圖 2：位置檢測系統(tǒng)示意圖 通常情況下，系統(tǒng)由三個主要部分組成：藍牙發(fā)射器（AoA 標簽）、接收器/天線陣列（AoA 定位器）以及角度和位置計算系統(tǒng)。工作時，AoA 標簽會發(fā)送固定頻率擴展（constant tone extension，CTE）信號。 這種 CTE 信號以不斷擴大的球形模式向外傳播，并被天線接收。由于信號的波長/頻率是已知的，接收器之間的距離也是已知的，因此可以使用相對簡單的三角法計算信號的角度，從而根據(jù)信號到達每個天線時的相位差確定發(fā)射器的位置。 替代方法和更高的精確度 通過使用兩對天線進行兩次探測，就能以極高的精度三角定位出AoA標簽的確切位置。 另一種無需角度測量的方法是三坐標法（trilateration）。這種方法基于使用藍牙5.4的信道探測（Channel Sounding，CS）特性或超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術，測量飛行時間（Time-of-Flight，ToF）來得出距離。 CS 也被稱為高精度距離測量 (HADM)，許多人認為它是基于 RSSI 的距離測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 是一款通過藍牙 5.2 認證的安全無線微控制器，專為包括工業(yè)、醫(yī)療和到達角定位（AoA）在內(nèi)的超低功耗應用進行了優(yōu)化。該器件基于一顆運行頻率高達 48 MHz 的 Arm Cortex-M33 處理器構建，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用的需求。 安森美的 AoA 解決方案在發(fā)射器（AoA 標簽）和掃描器/定位器中都使用了 RSL15。這可以使用 RSL15 和安森美的軟件開發(fā)工具包 (SDK) 實現(xiàn)，或者，對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)由多個模塊組成 在系統(tǒng)中，發(fā)射器（Advertiser）生成 CTE 信號，由掃描器接收。由此產(chǎn)生的 IQ 樣本被發(fā)送到本地 PC 或云端運行的應用程序，以計算掃描器與標簽之間的角度。然后將這些角度轉換為笛卡爾坐標，并映射到二維或三維空間。 這兩種應用的示例代碼均可從安森美的網(wǎng)站上免費獲取，同時還有一個功率估算工具，可根據(jù)電池壽命選擇通信協(xié)議。 參與該項目的其他安森美合作伙伴還有 CoreHW 和 Unikie。CoreHW 提供多達 16 個單端天線端口的天線陣列板。有一個 AoA / AoD 開關，用于選擇天線以及連接射頻和數(shù)字控制信號。 Unikie 提供了一款專為實時追蹤標簽而設計的藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）電子定位引擎。該引擎支持在邊緣服務器或云端處理數(shù)據(jù)，既保證了靈活性也實現(xiàn)了成本效益（圖4）。
圖 4：用于定位應用的 Unikie 軟件引擎 API接口促進了與企業(yè)系統(tǒng)的無縫集成，提供了訪問復雜數(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，標志著基于位置的服務和資產(chǎn)管理取得了顯著進步。 結語 要成功實現(xiàn)藍牙低功耗測向，關鍵是解決方案要持久耐用且經(jīng)濟實惠。憑借業(yè)界功耗極低的安全藍牙低功耗MCU，安森美技術走在了實現(xiàn) AoA 未來創(chuàng)新的前沿。 |
