基于RF的室內(nèi)定位和資產(chǎn)跟蹤所面臨的挑戰(zhàn)

關(guān)于藍牙測向（Bluetooth Direction Finding）功能的討論近來非常火熱，Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品高級產(chǎn)品經(jīng)理Mikko Savolainen特別針對這項標(biāo)準技術(shù)撰寫了一篇技術(shù)文章，幫助行業(yè)人士了解其崛起的來龍去脈，以及后續(xù)技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的關(guān)注焦點。

自20世紀80年代民用全球定位系統(tǒng)（GPS）開放以來，GPS已經(jīng)成為戶外定位和資產(chǎn)跟蹤的主流和實質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準，應(yīng)用范圍從商用飛機到智能手機，從智能手表到火柴盒大小的GPS跟蹤器等。然而，盡管存在許多嘗試，但迄今為止，仍沒有與GPS相當(dāng)?shù)闹髁骷夹g(shù)出現(xiàn)在室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位領(lǐng)域。藍牙測向技術(shù)現(xiàn)在正在改變室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位應(yīng)用的格局，并極可能成為主流技術(shù)。

已經(jīng)有許多技術(shù)嘗試解決基于RF的室內(nèi)定位和資產(chǎn)跟蹤所面臨的挑戰(zhàn)，例如超寬帶（UWB）、基于Wi-Fi或藍牙接收信號強度指示（RSSI）的解決方案。雖然這些RF技術(shù)可以在一定程度上解決挑戰(zhàn)，但它們都有各自的局限性，因此無法成為室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤的理想選擇。

UWB可能是室內(nèi)定位應(yīng)用中使用最廣泛的技術(shù)。盡管眾所周知UWB可以提供極高的厘米級精確度，但它尚未成為主流技術(shù)，這使得IC和模塊價格居高不下，并限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，UWB無線電的高功耗也限制了資產(chǎn)標(biāo)簽的電池壽命，從而增加了物料清單（BOM）或標(biāo)簽維護成本。

Wi-Fi是另一項已用于基于RF的室內(nèi)定位服務(wù)的技術(shù)。盡管Wi-Fi擁有無處不在的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢（尤其是在零售和商業(yè)場所），可以為筆記本電腦、智能手機和其他終端提供互聯(lián)網(wǎng)接入，但是基于RSSI的定位卻無法提供高精度，通常僅限于5-10米的精度。此外，Wi-Fi也主要針對高速無線數(shù)據(jù)傳輸，因此創(chuàng)建低成本、低功耗的Wi-Fi標(biāo)簽極具挑戰(zhàn)。

自從引入低功耗藍牙（Bluetooth LE）技術(shù)，特別是諸如Apple iBeacon和Google EddyStone之類的信標(biāo)標(biāo)準發(fā)布以來，人們進行了許多嘗試去將低功耗藍牙用于室內(nèi)定位服務(wù)。藍牙具有成為廣泛、主流和低功耗技術(shù)的優(yōu)勢，這意味著可以使用藍牙構(gòu)建低成本的資產(chǎn)標(biāo)簽或信標(biāo)，即使使用紐扣電池，它們也可以輕松提供5至10年的電池壽命。低功耗藍牙也廣泛用于智能手機和平板電腦，使得這些設(shè)備能夠檢測資產(chǎn)。

盡管已經(jīng)成功地大規(guī)模部署了基于藍牙信標(biāo)的室內(nèi)定位解決方案，但是基于信標(biāo)的解決方案還是使用基于RSSI的定位技術(shù)，并且也有與基于Wi-Fi RSSI的解決方案類似的精度限制。當(dāng)然，還需要部署基于藍牙的基礎(chǔ)設(shè)施。

藍牙測向技術(shù)簡介藍牙測向技術(shù)是于2019年1月作為藍牙核心規(guī)范版本5.1的一部分而引入的。測向技術(shù)的目的是通過能夠檢測傳入的藍牙信號的方向而不是依靠簡單的傳輸（TX）功率和基于RSSI的機制來增強藍牙技術(shù)的定位能力。

測向規(guī)范的核心依賴于兩種方法，稱為到達角（AoA）和離開角（AoD）。（對于AoA方法，參見圖1。）兩種方法都依賴于至少一個帶有天線陣列的藍牙設(shè)備，并且該設(shè)備在不同天線之間切換時能夠接收或發(fā)送藍牙信號。

圖1： 到達角操作

使用AoA方法，下一個關(guān)鍵步驟是測量和檢測不同接收天線之間的藍牙信號相位差（參見圖2），然后根據(jù)該信息和不同天線間的已知距離來計算到達信號的角度。

圖2： 從不同天線信號相位差推導(dǎo)出AoA

AoA或AoD技術(shù)僅僅在發(fā)送和接收設(shè)備之間提供相對的方位角（azimuth）和/或仰角（elevation angle）數(shù)據(jù)，需要其他信息來計算藍牙資產(chǎn)標(biāo)簽的絕對X、Y和Z坐標(biāo)。圖3顯示了實現(xiàn)此計算的機制。在此示例中，接收器坐標(biāo)、方向是已知的，而AoA被用于從藍牙資產(chǎn)標(biāo)簽導(dǎo)出方位角和仰角數(shù)據(jù)。

圖3： 從藍牙接收器的已知位置以及AoA產(chǎn)生的方位角和仰角信息來確定藍牙資產(chǎn)標(biāo)簽的X、Y和Z坐標(biāo)

還有其他方法可以計算被跟蹤設(shè)備的X、Y和Z坐標(biāo)，例如使用多個接收器檢測資產(chǎn)標(biāo)簽發(fā)送的信號，然后使用三角測量或三邊測量來計算資產(chǎn)位置。 藍牙測向技術(shù)的現(xiàn)狀擁有可用的規(guī)范和標(biāo)準是一回事，而準備將實際技術(shù)部署到現(xiàn)實應(yīng)用中則是另一回事。讓我們仔細研究一下藍牙測向技術(shù)的最新發(fā)展。 系統(tǒng)架構(gòu)一個典型的室內(nèi)定位解決方案至少由三個部分組成（參見圖4）：被跟蹤的資產(chǎn)、發(fā)現(xiàn)和跟蹤資產(chǎn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，以及通常負責(zé)先進的定位邏輯與資產(chǎn)和/或基礎(chǔ)設(shè)施管理的后端系統(tǒng)。

圖4： 室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤解決方案架構(gòu)示例 資產(chǎn)資產(chǎn)是解決方案中最易解決的部分。低功耗藍牙技術(shù)已經(jīng)成熟，藍牙無線電足夠節(jié)能，可以在紐扣電池上運行5-10年，并且可以相當(dāng)?shù)偷某杀緲?gòu)建專用資產(chǎn)標(biāo)簽。諸如Silicon Labs EFR32BG22 SoC之類的無線設(shè)備也支持藍牙5.1標(biāo)準和AoA或AoD技術(shù)，這使得該類SoC成為藍牙資產(chǎn)標(biāo)簽的理想選擇。

低功耗藍牙另一個具有吸引力的方面是，它已集成在許多資產(chǎn)中，例如可與智能手機進行連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)尼t(yī)療設(shè)備和電動工具。無需額外的硬件成本即可啟用這些設(shè)備的跟蹤功能。

基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)跟蹤基礎(chǔ)設(shè)施是解決方案中更復(fù)雜但必不可少的部分，它需要使用天線陣列、AoA技術(shù)和與藍牙5.1兼容的藍牙無線電。由于藍牙5.1標(biāo)準在2019年1月發(fā)布，因此這些設(shè)備仍不是主流或廣泛可用的。但是，諸如Quuppa等這項技術(shù)的早期采用者已經(jīng)具有與AoA兼容的基礎(chǔ)設(shè)施，包括Quuppa的Q17藍牙定位器（參見圖5）。

圖5： 支持藍牙AoA技術(shù)的Quuppa Q17定位器

藍牙也已經(jīng)進入商用Wi-Fi接入點和基于RSSI的跟蹤解決方案，例如Cisco Meraki MR53。這些解決方案采用增量成本相對較低的RF開關(guān)和天線陣列，并且這些設(shè)備可以成為支持藍牙AoA的設(shè)備。

基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備供應(yīng)商正在其產(chǎn)品中實現(xiàn)藍牙AoA技術(shù)。例如，Silicon Labs開發(fā)了具有4 x 4天線陣列（參見圖6）的藍牙5.1 AoA參考設(shè)計，該設(shè)計能夠接收來自標(biāo)簽的AoA傳輸，并可精確檢測到低至幾度的方位角和仰角。

圖6： Silicon Labs 4 x 4天線陣列參考和EFR32BG22藍牙5.1兼容SoC 定位和管理引擎在任何室內(nèi)位置解決方案中，最后一個至關(guān)重要的組件是負責(zé)計算和維護資產(chǎn)位置和狀態(tài)的位置和/或管理引擎。盡管有多家供應(yīng)商提供采用各種技術(shù)的不同的位置引擎解決方案，但由于該技術(shù)相對較新，因此如今只有少數(shù)供應(yīng)商支持藍牙AoA技術(shù)。

最成熟的解決方案可能是Quuppa的QPE定位引擎。QPE引擎不僅提供跟蹤資產(chǎn)的X、Y和Z坐標(biāo)，而且還可以從標(biāo)簽收集并顯示IoT數(shù)據(jù)，并提供返回到標(biāo)簽的反饋通道，從而實現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤和雙向數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)論就像GPS基礎(chǔ)設(shè)施的開放帶來了室外跟蹤和定位方面的突破一樣，藍牙測向可以使精確、價格實惠的室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位應(yīng)用成為未來十年的主流解決方案。

低功耗藍牙技術(shù)已經(jīng)達到一定的成熟度，藍牙無線電的價格水平甚至使得將藍牙集成到一次性設(shè)備中在商業(yè)上變得可行，同時使用典型的紐扣電池可提供5至10年的電池壽命。

藍牙AoA基礎(chǔ)設(shè)施仍需要進一步開發(fā)和部署，但Quuppa等早期采用者已經(jīng)為市場提供了解決方案，并且藍牙也已進入商用Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，例如Cisco Meraki設(shè)備。芯片和軟件供應(yīng)商（例如Silicon Labs）正在提供關(guān)鍵任務(wù)的構(gòu)建模塊，以幫助基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商實施和部署該技術(shù)。

首批具有AoA功能的定位引擎（如Quuppa QPE）已經(jīng)上市，而更多家供應(yīng)商推出基于AoA的解決方案也只是時間問題。