利用Bluetooth 低功耗技術(shù)進行定位跟蹤方案解析

隨著藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）技術(shù)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(shù)，該技術(shù)可在室內(nèi)用于資產(chǎn)的移動和定位跟蹤。
藍(lán)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(shù)可在各種不同的應(yīng)用場景中得到運用。這種適應(yīng)性為無線通信和定位服務(wù)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(shù)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(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)控物料運輸車輛，減少時間浪費，提高工作效率。該技術(shù)還可以用于驅(qū)動復(fù)雜的數(shù)字孿生（digital twins）系統(tǒng)，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確復(fù)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(biāo)簽的應(yīng)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(shè)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(dá)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(lán)牙發(fā)射器（AoA標(biāo)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(biāo)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(dá)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(biāo)簽的確切位置。
另一種無需角度測量的方法是三坐標(biāo)法（trilateration）。這種方法基于使用藍(lán)牙5.4的信道探測（Channel Sounding，CS）特性或超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術(shù)，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(rèn)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(lán)牙5.2認(rèn)證的安全無線微控制器，專為包括工業(yè)、醫(yī)療和到達(dá)角定位（AoA）在內(nèi)的超低功耗應(yīng)用進行了優(yōu)化。該器件基于一顆運行頻率高達(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(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(yīng)用程序，以計算掃描器與標(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(dá)16個單端天線端口的天線陣列板。有一個AoA / AoD開關(guān)，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(biāo)簽而設(shè)計的藍(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接口促進了與企業(yè)系統(tǒng)的無縫集成，提供了訪問復(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)管理取得了顯著進步。
結(jié)語
要成功實現(xiàn)藍(lán)牙低功耗測向，關(guān)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(lán)牙低功耗MCU，安森美技術(shù)走在了實現(xiàn)AoA 未來創(chuàng)新的前沿。