蓝牙方向查找为室内资产跟踪带来了新的维度

通过 Silicon Labs工业和商业物联网产品高级经理Mikko Savolainen

自1980年代开放民用全球定位系统（GPS）以来，GPS技术已成为室外定位和资产跟踪的主流且事实上的解决方案，从商用飞机到智能手机和智能手表，再到火柴盒大小的解决方案，一路走来GPS追踪器。但是，直到最近，我们还没有看到用于室内资产跟踪和定位的，可替代GPS的等效主流技术，尽管存在许多尝试。蓝牙测向技术的出现现在正在改变室内资产跟踪和定位应用程序的格局，并有可能推动主流应用。

使用基于超宽带（UWB），Wi-Fi或基于蓝牙接收信号强度指示器（RSSI）的解决方案的技术，已经尝试了许多解决基于RF的室内定位和资产跟踪难题的尝试。虽然这些RF技术可以在一定程度上解决挑战，但它们都有独特的局限性，使其不适合用于室内资产跟踪。

UWB可能是室内定位应用中使用最广泛的技术。尽管众所周知，UWB可以提供极高的精确度，但它尚未成为主流技术，这使得IC和模块价格居高不下，并限制了该技术的广泛应用。此外，UWB无线电的高功耗限制了资产标签的电池寿命，并增加了标签的物料清单（BOM）或维护成本。

Wi-Fi是已用于基于RF的室内定位服务的另一项技术。尽管Wi-Fi提供了无处不在的基础设施的优势（尤其是在零售和商业空间中），可以为笔记本电脑，智能手机和其他终端提供Internet访问，但是基于RSSI的定位无法提供高精度—通常限于5-10米的精度。此外，Wi-Fi主要针对高速无线数据传输，因此创建低成本，低功耗的Wi-Fi标签具有挑战性。

自从引入低功耗蓝牙（LE）技术和信标标准（如Apple iBeacon和Google EddyStone）以来，已经进行了多次尝试，将低功耗蓝牙用于室内定位服务。蓝牙具有成为广泛，主流和低功耗技术的好处。可以使用蓝牙构建低成本资产标签或信标，即使使用纽扣电池，它们也可以轻松提供5至10年的电池寿命。蓝牙LE也广泛用于智能手机和平板电脑，使这些设备能够检测资产。尽管已经成功大规模部署了基于蓝牙信标的室内定位解决方案，但是基于信标的解决方案还使用了基于RSSI的定位技术，并且具有与基于Wi-Fi 的RSSI的解决方案相似的精度限制。还需要基于蓝牙的基础架构部署。

了解蓝牙测向技术

蓝牙测向技术已于2019年1月作为蓝牙核心规范5.1规范的一部分推出。测向技术的目的是通过能够检测传入的蓝牙信号的方向，而不是依靠简单的信号来增强蓝牙技术的定位能力传输（TX）功率和基于RSSI的机制。

测向规范的核心依赖于两种方法，即到达角（AoA）（参见图1）和偏离角（AoD）。两种方法都依赖于蓝牙设备中的至少一个蓝牙设备，该蓝牙设备具有天线阵列并且能够在不同天线之间移动时接收或发送蓝牙信号。

数字 1。到达角操作

使用AoA方法，下一个关键步骤是能够测量和检测不同接收天线之间的蓝牙信号相位差（参见图2），然后根据该信息计算到达信号的角度以及两者之间的已知距离。不同的天线。

AoA以及AoD技术仅在发送和接收设备之间提供相对的方位角和/或仰角数据，并且需要其他信息来计算蓝牙资产标签的绝对X，Y和Z坐标。图3显示了实现此功能的机制。在此示例中，接收器的坐标和方向是已知的，并且AoA方法用于从Bluetooth资产标签中导出方位角和高程数据。

还有其他方法可以计算被跟踪设备的X，Y和Z坐标，例如使用多个接收器检测资产标签发送的信号，然后使用三角测量或三边测量来计算资产的位置。

蓝牙测向技术的现状

拥有规范和标准是一回事，而为实际应用准备好部署工作技术则是另一回事。让我们仔细看一下当今可用的蓝牙定向技术的最新水平。

系统架构

一个典型的室内定位解决方案至少包括三个部分：被跟踪的资产，发现和跟踪资产所需的基础结构以及通常负责高级位置逻辑以及资产和/或基础结构管理的后端系统。。

资产

解决难题的最简单方法就是资产。蓝牙LE技术已经达到成熟点，蓝牙无线电的功率效率足以在纽扣电池上运行5到10年，并能够以相当低的成本构建专用资产标签。诸如Silicon Labs EFR32BG22 SoC之类的无线设备也支持蓝牙5.1标准以及AoA和AoD技术。

蓝牙LE另一个有趣的方面是，它已集成到许多设备中，例如用于智能手机连接和数据传输的医疗设备和电动工具，并且可以启用这些设备上的跟踪功能而无需额外的硬件成本。

跟踪基础架构是一个更复杂但必不可少的难题。资产跟踪基础架构要求使用天线阵列，AoA技术和与Bluetooth 5.1兼容的Bluetooth无线电。由于蓝牙5.1标准仅自2019年1月起才可用，因此这些设备仍不是主流或广泛可用。但是，这项技术的最早采用者，例如Quuppa，已经具有与AoA兼容的基础设施，包括Quuppa的Q17蓝牙定位器。

蓝牙还已经进入商用Wi-Fi接入点和基于RSSI的跟踪解决方案，例如Cisco Meraki MR53。这些解决方案可以以相对较低的RF开关和天线阵列增量成本获得，并且这些设备可以成为支持Bluetooth AoA的设备。

基础设施设备供应商正在其产品中实现蓝牙AoA技术。例如，Silicon Labs已开发了蓝牙5.1 AoA参考设计，其中包含4×4天线阵列矩阵能够接收来自标签的AoA传输，并检测低至几度精度的方位角和仰角。

定位和管理引擎

在任何室内位置解决方案中，最后一个至关重要的组件是负责计算和维护资产位置和状态的位置和/或管理引擎。尽管有多家供应商使用各种技术使用不同的位置引擎解决方案，但是由于该技术相对较新，因此如今只有少数供应商支持Bluetooth AoA技术。最成熟的解决方案可能是Quuppa提供的QPE位置引擎。 QPE引擎不仅提供跟踪资产的X，Y和Z坐标，而且还可以从标签收集和公开IoT数据，并提供返回到标签的反馈通道，从而实现资产跟踪和双向数据转让。

结论

借助测向技术，蓝牙可以使精确且负担得起的室内资产跟踪和定位应用成为未来十年的主流解决方案，类似于开放GPS基础设施实现室外跟踪和定位的方式。

蓝牙LE技术已经达到了成熟水平，在这种水平上，蓝牙无线电的价格使得将蓝牙集成到甚至一次性设备中在商业上可行，同时可以为典型的纽扣电池提供5至10年的电池寿命。

AoA基础设施仍然需要进一步开发和部署。不过，像Quuppa这样的早期采用者已经有了可用的解决方案，并且蓝牙也已经找到了进入商用Wi-Fi基础架构的方式，例如思科的Meraki设备。领先的芯片和软件供应商正在提供关键任务构建块，以帮助基础架构供应商实施和部署该技术。包括Quuppa QPE在内的首批具有AoA功能的位置引擎已经在市场上上市，而这种解决方案将从多家供应商中广泛获得只是时间问题。

关于作者

Mikko Savolainen是Silicon Labs的高级产品经理，负责Silicon Labs的商业照明，室内定位，资产跟踪和临床医疗解决方案的营销。在Mikko收购了芬兰蓝牙和Wi-Fi模块和堆栈制造商Bluegiga Technologies之后，Mikko于2015年2月加入了Silicon Labs。在加入Silicon Labs之前，Mikko曾在Bluegiga的多个管理职位中致力于市场营销，产品管理和客户服务运营。 Mikko拥有硕士学位。在芬兰埃斯波的阿尔托大学获得工程学学位。