新的蓝牙规范为物联网提供了方向感

最近发布的蓝牙5.1规范以一种有效的方式建立了BLE发射器和接收器的位置。

马克·德·克莱克（Mark de Clercq）， 对话半导体
蓝牙通信标准的最新版本于一月份问世。蓝牙5.1最值得注意的功能是识别蓝牙发射器和接收器方向的有效方法。该规范还介绍了旨在加快通信速度和提高能源效率的其他进步。

蓝牙IC的制造商已经发布了烘烤在新5.0规范功能中的硬件。以下是Bluetooth 5.1带来的变化摘要，以及一个供应商如何开始应用它的示例。

蓝牙接收器已经使用信号强度来估计到蓝牙发射器的距离。 5.1规范提供了两种方法来精确定位位置，但以使用多个发射/接收天线为代价。实施

AoA和AoD — 在蓝牙5.1中实现的到达角（AoA）方法中，诸如实时定位系统（RTLS）中的标签之类的设备从单个天线发送信号。接收器包含多个天线，因此，由于每个接收天线到发射天线之间的距离不同，因此接收器会看到相位差。在离开角度（AoD）方法中，诸如蓝牙定位信标的设备会通过天线阵列发送信号。诸如智能手机之类的接收设备使用单个天线来拾取被解码的信号，以计算相对信号方向。这种测向方法旨在用于室内定位系统，例如用于寻路的系统。

到达角（AoA）方法，接收器必须至少具有两个天线（最小间距为6.2 cm），而发射器则必须具有一个。借助AoA，接收器使用其多个接收到的信号来推断源的角度。同样，离场角（AoD）方法要求发射器至少具有两个天线。可以具有单个天线的接收设备接收多个信号，并从中得出信号源的角度。

需要注意的一点：遵循5.1规范的设备范围与早期版本的设备范围相同。但是，当障碍物在视线范围内时，仅使用信号强度来定位蓝牙信号源的准确性就会大大降低。三角剖分的能力可能会引入诸如实时定位系统和室内定位系统之类的功能。

测向功能使用同相和正交（IQ）采样来测量天线接收的RF相位。在AoA中，采样过程一次一次地应用于阵列中的每个天线，并按照阵列的设计设置的顺序进行。采样数据通过主机控制器接口（HCI）传递到蓝牙协议栈，在该算法中，一种算法会计算一个设备与另一个设备的方向。

BLE追踪 — 蓝牙5.1中的AoA和AoD功能旨在为实时定位系统（RTLS）和室内定位系统（IPS）带来更高的精度。用于资产跟踪的蓝牙RTLS设置在整个设施的固定位置使用蓝牙接收器（通常称为定位器）。定位器连接到称为位置引擎的中央服务器。蓝牙发射器通常称为标签，它们被附加到系统正在跟踪的实体上。标签周期性地向定位引擎发送信号，该信号估计每个定位器的位置。在IPS中，称为定位信标的蓝牙发射器位于固定位置。访客通常使用智能手机上的应用程序收听定位信标。该应用程序使用接收到的信号强度来计算其实时位置。

蓝牙协议的某些部分已更改为支持IQ采样以及堆栈中更高层对IQ采样的使用。细节变得有些复杂。例如，在链路层，有一个称为“恒定音调扩展”（CTE）的新字段，该字段提供了可以执行IQ采样的恒定频率和波长信号材料。

5.1规范还对通用属性概要文件GATT进行了一些增强，该属性定义了两个BLE设备使用称为服务和特性的概念来回传输数据的方式。增强通常是为了获得更高的能源效率和更快的蓝牙设备之间的握手。但是其中一些正在为将来的规范发布工作中的将来增强做准备。

从根本上讲，5.1规范定义了BLE客户端如何在自上次两个设备进行通信以来没有任何更改的设备上跳过服务发现。客户端现在可以推断出它所连接的设备与先前的连接具有相同的类型，并且具有客户端已经缓存的属性表。如果某些细节相同，则客户端可以决定跳过连接协议的一部分，因为它已经具有所需的数据。

可能会派上用场的经典示例是蓝牙智能锁，即当智能手机接近其所有者时，智能手机会打开门。服务发现只需要在用户第一次打开智能锁时进行。用户可能会第一次注意到门解锁的延迟，但是从那时起，他们将体验到近乎瞬时的响应。

先进的架构

蓝牙5.1合并的新功能给蓝牙控制器带来了额外的计算负担。处理额外工作时，某些体系结构功能会派上用场。例如，三角剖分的过程可以采用复杂的算法。因此，包括数字信号处理和大容量存储在内的体系结构功能很有帮助。

此外，由于三角测量涉及来自多个天线的信号，因此蓝牙控制器必须结合一种处理涉及多个RF信号的方法。由于单天线蓝牙的市场仍然很大，因此实现5.1标准的控制器可以通过包含用于快速操纵外部RF开关的体系结构功能，而不是在蓝牙控制器IC本身上包括开关，来满足对多个RF路径的需求。

对话方块图 — 对话半导体的SmartBond DA1469x蓝牙控制器系列实现了蓝牙5.1标准的到达角和离开角功能。这些设备还包含一个传感器节点控制器（SNC），该节点可以自主运行并独立处理来自与其接口相连的传感器的数据。此外，DA1469x系列具有内置的电源管理单元，该电源管理单元仅在需要时激活芯片上的处理内核，同时也消除了对单独的PMIC的需要。

Dialog SmartBond DA1469x系列是此类Bluetooth 5.1控制器芯片系列的一个示例。它是生产的第一个基于ARM Cortex M33处理器的无线多核MCU。该处理器具有数字信号处理和浮点功能，可帮助进行三角测量。此外，这些处理器具有I / O，可让它们以高精度控制外部RF开关，以实现AoA和AoD位置。使用外部RF开关而不是集成在Bluetooth芯片上的开关来处理AoA和AoD，可以降低单天线Bluetooth应用程序的成本。

此外，DA1469x器件上的存储器是可扩展的，对于处理复杂的应用非常有用，同时可以降低基本应用的成本。

由于限制蓝牙应用中的功耗通常是有利的，因此DA1469x芯片具有电源管理功能，其中的芯片部分仅在需要时才处于活动状态。例如，当应用程序不涉及方向寻找时，该芯片将仅为处理无线电和简单蓝牙功能的电路部分加电。完整的Cortex M33处理器可以满足需要AoA或AoD的任务。

BLE 5.1演示板 — 此处显示的是Dialog Semiconductor的开发板，该开发板配置为Bluetooth接收器，可检测Bluetooth发射器的到达角（AoA）。该特定设备设置为以十次/秒的速率测量与变送器的角度，并在LCD上显示该角度。

关于DA1469x芯片的另一点要注意的是，程序员可以通过API使用AoA和AoD功能。这消除了对如何处理原始AoA / AoD数据的详细知识的需求。

DA1469x IC上还有其他一些功能与AoA / AoD功能无关，但这些功能可满足现代IoT的需求。这些功能包括触觉反馈驱动器，步进电机驱动器（旨在处理混合模拟/数字时钟中的模拟时钟运动），LCD驱动器，用于读取传感器的高精度ADC以及其他专用模拟模块。最后，某些版本的IC包括用于锂离子和锂聚合物电池的内置充电设备。

总而言之，蓝牙5.1具有许多功能，可以更好地跟踪人和物体，同时增加用户体验。