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蓝牙5.1使得蓝牙技术适得其所

时间:2019-04-16 作者:John Leonard,Nordic Semiconductor产品营销经理 阅读:
蓝牙5突发猛进,并且带来了许多相关功能,人们可能会认为这阵子很难再精益求精了。不过,尽管新版本的编号只是5.1,和5似乎相差不远,但蓝牙5.1其实是非常重要的。

蓝牙5.1规范增加了准确的定位能力,这是许多业界期盼的物联网(IoT)应用的基本用例。3jsEETC-电子工程专辑

蓝牙5突发猛进,并且带来了许多相关功能,人们可能会认为这阵子很难再精益求精了。不过,尽管新版本的编号只是5.1,和5似乎相差不远,但蓝牙5.1其实是非常重要的。3jsEETC-电子工程专辑

通过蓝牙找到前行道路

测向是蓝牙5.1的一项主要功能,它可以将产品和物品在三维空间中的绝对定位带入低功耗无线连接的世界。3jsEETC-电子工程专辑

这是对低功耗蓝牙功能库的非常重要的补充。我们认为它对室内定位应用产生的影响有如GPS对户外定位生产的影响一样巨大。GPS技术已经从根本上改变了汽车、人和物品在宏观尺度上的行进和跟踪,而蓝牙测向功能可以对建筑物和房产内的微观尺度应用产生相似的影响。3jsEETC-电子工程专辑

蓝牙技术联盟(SIG)预计,到2022年,每年将会推出4亿个蓝牙定位服务产品。3jsEETC-电子工程专辑

建立在蓝牙信标的成功之上

使用蓝牙技术的实时定位服务(RTLS)已经面市几年了。这是通过引入蓝牙信标实现的,蓝牙信标可以给出目标之间的距离或接近度的近似数值。例如,这可能是客户接近航空公司值机柜台的距离。3jsEETC-电子工程专辑

信标的方法是基于接收信号强度指示(RSSI),监测来自源头的无线电信号的强度。RSSI方法很有用,不过,它比较粗枝大叶。除了传统上RSSI带来的仅距离信息之外,到达角(AoA)和离开角(AoD)数据可以为人们带来精确的方向。3jsEETC-电子工程专辑

使用角度来定位的方法

到达角(AoA)和出发角(AoD)这两个概念是蓝牙5.1测向功能的核心。3jsEETC-电子工程专辑

使用AoA,设备或标签仅使用一根天线发送特定的测向分组数据,接收设备或定位器则具有多根天线,来自标签的输入信号将以彼此相差非常小的时移到达这些天线。这些天线接收的信号相位变化被采样为信号的IQ分量。然后,通过在定位器处使用相关算法,这些样本数据将会生成精确的坐标信息。3jsEETC-电子工程专辑

这个方法非常适合特定物品查找和兴趣点(PoI)应用。3jsEETC-电子工程专辑

AoD方法则与此相反,确定方向的关键设备(例如室内定位系统(IPS)中的定位信标)具有天线阵列,该定位信标通过天线阵发送分组数据。在这种情形下,接收设备(很可能是手机)将在其天线上进行IQ采样,并且进行坐标计算。3jsEETC-电子工程专辑

设计复杂性

蓝牙测向产品的不同设计有利有弊。若使用支持蓝牙5.1测向的Nordic器件,定位器标签的设计与常规蓝牙硬件布局没有显着差异,因此这很简单,实际上,这将成为蓝牙测向中使用产品的大多数情形。3jsEETC-电子工程专辑

在定位器中枢,需要设计天线阵列并将其多路复用到蓝牙SoC,因为蓝牙SoC没有多个天线端口,以免变得非常昂贵。市场上有一些器件可以补充Nordic SoC来实现这一功能。除此之外,天线阵列可能需要360度覆盖范围以捕获信号,或者如果它是壁挂式单元,则可能需要180度覆盖范围。3jsEETC-电子工程专辑

现实的期望

大多数人都会认同,准确的室内定位是一项很棒的功能。但是也应该有一点谨慎的指导。所有这些都与传输的无线电波有关,而我们无法直接控制它们在发射器和接收器之间的传输路径。障碍越少、越不拥挤,这项技术获得的视线(LoS)场景越开阔,定位精度就会越高。当信号从墙壁、橱柜、窗户和人身体反弹时,相位和信号强度就会受到影响,并会引入较小或较大的误差。无论如何,这是先进的测向解决方案,即使在非常具有挑战性的情形下,测试结果也非常稳定精确。3jsEETC-电子工程专辑

简而言之,这项技术需要针对用例进行实际测试,这样可以很好地了解它是否适合你的产品。3jsEETC-电子工程专辑

典型用例

如上所述,场景越开放、越不拥挤,可能会有更好的准确性。首先,我们可以看看体育场内的定位系统。由于定位中枢可能位于球场或舞台区域上方,这可以接收来自正在佩戴的装置的传输数据。这个场景非常开放,座位垂直分层,提供了良好的LoS属性,这个应用应当是非常有效的。3jsEETC-电子工程专辑

另一个很好的用例是在家里或工作场所寻找物品,让我们把钥匙作为最常见的“我把它放在哪里了?”的例子。通过房间里的定位器中枢,这可以很好地工作。但是,位于另一层的定位器中枢不太可能提供准确的位置,考虑到物理方面的挑战,这是合理的。3jsEETC-电子工程专辑

最后,针对紧急情况进行人员定位,这是非常有价值的用例。比如一个大型购物中心或办公大楼,并配备足够的定位器中枢以覆盖所有区域。例如,这可以为紧急服务提供非常准确的信息,获取在发生火灾时可能仍在建筑物中的任何人的信息。这将帮助紧急救援人员直接找到陷入困境的人,而无需在整个综合体进行系统性的搜索(这时救援人员看不到是否有人被困在里面),从而节省了宝贵的时间,用于更好地进行联络和救援或在现场进行救生护理。3jsEETC-电子工程专辑

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