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來源：貿澤電子 藍牙®無線技術的不斷發展給人留下了深刻的印象；它最初用于手機之間的無線傳輸，但自2010年推出藍牙4.0的“標志性元素”的低能耗（LE）版本以來，得以迅猛發展。藍牙LE將這項技術的應用范圍擴展到使用普通電池資源的設備上，讓數千種以前的＂啞終端＂擁有了無線連接功能。 在早期，藍牙LE的發展主要是由＂附件＂市場推動的，可穿戴設備、玩具、自行車燈和咖啡機等可以通過智能手機直接控制的無線產品。該技術的主要屬性使其能很好地滿足作為物聯網（IoT）基礎的無線傳感器的需求。而近期推出的藍牙® 5更是提升了吞吐量，擴大了傳輸范圍，增強了共存性，鞏固了藍牙技術在推動“智能”未來方面的重要地位。 藍牙4.0和藍牙5的成功離不開市場營銷人員的大力宣傳，不過這些標準的修訂也確實推動了技術的迅猛發展。相比之下，最新升級版藍牙5.1的市場宣傳力度雖有所下降，但它卻能解決其他無線技術無法解決的問題。 定位問題 伽利略、全球定位系統（GPS）和全球導航衛星系統（GLONASS - GLObal NAvigation Satellite System）等全球導航衛星服務是許多導航和跟蹤應用的主要組成部分，但如果無法與衛星保持＂視線可及＂關系，這些系統就將無法運行。雖然工程師們已經提出了其他解決方案，例如根據Wi-Fi路由器的已知位置來確定系統位置，但這些解決方案的精度僅有10米左右。 藍牙技術采用了接收信號強度指示器（RSSI - Received Signal Strength Indicator）的方法來估計藍牙收發器的位置（例如，嵌入在消費者智能手機中）。顧名思義，該技術的工作原理是根據藍牙信號強度來估計從收發器到已知固定點（例如信標）的距離。這種系統通常無法確定目標收發器的確切位置，只能將范圍縮小至信標周圍已知半徑范圍內的區域，而且僅限于放置在水平面（如地板）上的藍牙收發器。墻壁和其他障礙物會導致信號發生一定程度的衰減（具體程度未知），進而降低精度。 采用Wi-Fi和藍牙技術的接近系統已廣泛應用于零售行業，這種系統可以根據消費者的大致位置向其提供信息，但各種方法都不是特別精確，無法滿足室內導航或資產跟蹤需求。 角度計算法 藍牙芯片供應商NordicSemiconductor的高級產品營銷經理John Leonard稱，藍牙5.1引入了一種“測向”技術，大大提高了該協議在室內導航和資產跟蹤方面的用途。 Leonard解釋說，這次修訂引入了三維空間精確定位功能，此功能對于室內環境的影響如同GPS之于室外定位。 藍牙5.1測向功能將RSSI與信號源角度相結合，從而將收發器在空間中的位置精確到一米左右，而不只是圓周上的某個位置。這項新技術解釋起來非常復雜，可能需要很長的篇幅，本文就簡單地介紹一下兩種確定方向的方法： 接收信號的到達角（AoA） 發射信號的出發角（AoD） 具體來說，AoA是通過測量到達多個天線的特定信號源之間的相位差來確定的。如果天線垂直于發射器，則相位差實際上為零；隨著角度的增加，發射器到每個天線的距離將發生細微變化，相位差也會隨之增加。然后，通過算法對相位差數據進行處理，以估算出發送器和接收器之間的角度。借助于AoA方法，接收設備便能估計出發射器的位置。 當采用AoD技術時，接收器僅使用一個天線，而發射器裝有多個天線，并依次發射信號。AoD使接收設備能夠利用多個固定接收器的角度計算其在空間中的位置。 測向功能可以運用在二維或三維空間中，具體取決于天線陣列的復雜程度。AoA和AoD采用了精心設計的天線陣列和軟件，保證了±2°的角精度和約半米的位置精度。 設計難題 藍牙5.1測向功能只是一種理想狀態下的理論，雖然一些制造商已經提出了商業解決方案，但開發實際應用時并沒有那么簡單。許多藍牙開發者都了解單獨的收發器天線，但對于天線陣列卻不夠熟悉。即使有了合適的陣列，極化、多徑干擾、時鐘抖動和傳播延遲等因素也會增加從噪聲中提取純相位信息的難度。 由于醫療、安防和軍事應用在很早之前就已經開始運用一些算法來計算無線電信號角度，因此有一些經過驗證的算法可供設計者用作藍牙測向的基礎。但是，還需要進行大量的微調來適應目標應用場景。此外，這些算法還要求藍牙片上系統（SoC）擁有強大的處理器以及大容量閃存和RAM。 將藍牙5.1測向技術添加到無線技術中，為許多新應用提供了潛力，包括室內導航、資產跟蹤和新一代更復雜的信標。據藍牙技術保管人即藍牙特別興趣小組（SIG）預測，到2022年每年將會推出4億個藍牙“定位服務”產品。但這個過程將非常艱辛。建議對此技術充滿好奇心的工程師，在開始第一個項目之前，向信任的分銷商尋求指導和建議。 |
