如何快速利用藍牙 AoA 和 AoD 進行室內物流追蹤

作者：Jeff Shepard

倉庫和工廠的實時資產追蹤是工業(yè) 4.0 的一個重要方面。有各種技術可用來部署實時定位服務 （RTLS） ，以進行資產追蹤和改善物流系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（GPS） 已廣泛用于室外 RTLS 實施，但建筑物內無法實現始終有信號。Wi-Fi是另一種選擇，但其精確度往往有限，且電源需求大，部署成本很高。無線電頻率識別 （RFID） 功耗低，準確性高，但往往成本高昂。工業(yè) 4.0 RTLS裝置正越來越多地轉向藍牙 5.1 測向技術，因為后者結合了高精度室內定位和低功耗藍牙硬件的低成本、低部署成本優(yōu)勢。

對于開發(fā)者來說，從頭開始設計藍牙 RTLS 系統(tǒng)可能是很誘人的。遺憾的是，利用射頻信號來獲得計算收發(fā)器位置所需的到達角 （AoA） 和離開角 （AoD）數據的射頻 （RF） 同相和正交 （IQ） 信息極具挑戰(zhàn)性，并且需要整合多個天線。即使能夠捕獲 AoA 和 AoD數據，在準確判定被追蹤物品的位置之前，位置計算也會因眾多因素而變得復雜，這些因素包括多路徑傳播、信號極化、傳播延遲、抖動、噪聲等等。

不過，設計者可以采用藍牙無線系統(tǒng)模塊 （SoC） 、射頻模塊和天線，用于工業(yè) 4.0 RTLS 應用。本文簡要回顧進行各種 RTLS技術選擇時所做的性能權衡，介紹如何實現藍牙 AoA 和 AoD 定位。然后，介紹藍牙 SoC 和射頻模塊，其中包括快速實現基于 AoA 和 AoD 的 RTLS所需的軟件。此外，還介紹來自 Silicon Labs 和 u-blox 的相關天線。本文還介紹可以進一步加快上市時間的評估套件。

最常用的室內 RTLS 技術是通過 Wi-Fi 和藍牙實現的（表 1）：

Wi-Fi 指紋技術使用由建筑物中每個 Wi-Fi 接入點 （AP） 的位置和基站 ID （BSSID） 組成的數據庫。資產標簽會掃描 Wi-Fi環(huán)境并報告 Wi-Fi AP 的列表及其相關的信號強度。然后，利用調查所得的數據庫來估計該標簽的可能位置。這種技術不支持高精度 RTLS。

Wi-Fi 飛行時間 （ToF） 更準確。這種技術測量的是 Wi-Fi 信號在設備之間傳播所需的時間。ToF 需要密集地部署 AP，以提高 RTLS的準確性。ToF 和指紋識別都有很高的設備成本和高能耗量要求。

藍牙接收信號強度指示器 （RSSI） 支持 RTLS，通過比較接收信號強度和已知的信標位置，使設備能夠確定與其附近的藍牙信標的大致距離。與 Wi-Fi指紋或 ToF 相比，RSSI 所需的能耗量更少，成本更低，但其精確度有限。RSSI的準確性會因環(huán)境因素的影響而進一步降低，如濕度和機器人，或者人在設施中移動并干擾藍牙信號水平。

藍牙 AoA 是最新、最準確的室內 RTLS 技術。除了高精確度外，其能耗相對較小且成本低。然而，與其他替代方案相比，這種方法的實施更為復雜。

藍牙 AoA 和相關的 AoD，RTLS 解決方案依靠天線陣列來估計資產位置（圖 1） 。在 AoA解決方案中，資產會從單一天線發(fā)出一個特定的測向信號。接收設備配有天線陣列，并測量由每個天線與資產的不同距離造成的各個天線之間的信號相位差。接收設備通過在陣列中的有源天線之間切換來獲得IQ 信息。然后，根據 IQ 數據計算資產的位置。在 AoD解決方案中，待確定位置的定位信標使用陣列中的多根天線發(fā)射信號，而接收設備只有一根天線。接收設備使用多個信號來確定 IQ 數據并估計其位置。AoA通常用于跟蹤資產的位置，而 AoD 則是使機器人能夠以高精確度、低延遲來確定其在設施中的位置的首選技術。

基于 AoA 的 RTLS 跟蹤的基本概念很簡單：Θ = arccosx（相位差 x 波長）/（2π x 天線之間的距離）（圖2）。實際實施時會更加復雜，需要考慮環(huán)境變量、多路徑信號、不同的信號極化和其他因素造成的信號傳播延遲。此外，當天線在陣列中使用時，會相互耦合并影響彼此的反應。最后，開發(fā)時考慮所有這些變量所需的算法，并在資源受限的嵌入式環(huán)境中有效地實施時間關鍵型解決方案，可能是相當困難的。對開發(fā)者來說，幸運的是完整的藍牙AoA 和 AoD 解決方案包括了 IQ 數據收集和預處理、多路徑成分抑制、環(huán)境因素補償和天線間的相互耦合。

用于藍牙 AoA 和 AoD 的 SoC

開發(fā)人員可以采用 SoC，如 Silicon Labs 的 EFR32BG22C222F352GN32-C 來實現藍牙 5.2 網絡以及 AoA 和AoD。該 SoC 是 EFR32BG22 Wireless Gecko 系列的一部分，包括一個最高工作頻率為 76.8 MHz 的 32 位 Arm?Cortex?-M33 內核、一個具有低活動電流和低休眠電流的 2.4 GHz 高能效無線電內核、一個發(fā)射 （TX） 功率高達 6 dBm 的集成功率放大器。該SoC 采用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝（圖 3）。該器件包括帶有信任根和安全加載器 （RTSL） 的安全啟動。其他安全功能包括AES128/256、SHA-1、SHA-2（最高 256 位）、ECC（最高 256 位）、ECDSA 和 ECDH 的硬件加密加速，以及符合 NISTSP800-90 和 AIS-31 的真隨機數發(fā)生器 （TRNG）。此外，根據不同型號，這些 SoC 具有高達 512 kB 的閃存和 32 kB 的RAM，除了 QFN32 之外，還采用 5 × 5 × 0.85 mm 和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封裝。

BG22-RB4191A 無線專業(yè)套件包括一塊基于 2.4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC的測向無線電板和一個為精確測向經過優(yōu)化的天線陣列，可以加快使用 AoA 和 AoD 協(xié)議的基于藍牙 5.1 的 RTLS 應用的開發(fā)（圖 4）。主板上包括幾個方便評估和開發(fā)無線應用的工具，包括：

板載 J-Link 調試器：用于通過以太網或 USB 在目標設備上進行編程和調試

使用先進的能量監(jiān)測器實時測量電流和電壓

虛擬 COM 端口接口通過以太網或 USB 提供串行端口連接

數據包跟蹤接口提供有關已接收和傳輸無線數據包的調試信息

用于藍牙 AoA 和 AoD 的模塊

u-blox 提供支持 AoA 和 AoD 且?guī)Щ虿粠Ъ商炀€的藍牙模塊。對于那些獲益于無集成天線模塊的應用，設計者可以采用 NINA-B41x系列，如基于Nordic Semiconductor nRF52833 IC 的 NINA-B411-01B（圖 5）。這類模塊具有一個集成射頻內核和帶有浮點處理器的 Arm? Cortex?-M4，且在所有藍牙 5.1 模式下運行，包括 AoA 和AoD。這類模塊的工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃ ，非常適合工業(yè)環(huán)境中的 RTLS 應用。此外，這類模塊的輸入電壓范圍為 1.7 V 至 3.6V，因此在單電池供電系統(tǒng)中很有用。

u-blox 的 NINA-B40x 系列，如 NINA-B406-00B，包括一個集成在 10 x 15 x 2.2 mm 模塊 PCB 上的內置PCB 印制線天線（圖 6）。NINA-B406 模塊可以提供高達 +8 dBm 的輸出功率。除了支持包括 AoA 和 AoD 在內的藍牙 5.1模式外，這些模塊還支持 802.15.4（Thread 和 Zigbee）和 Nordic 專有的 2.4 GHz協(xié)議，使設計者能夠在單一模塊上實現廣泛的物聯(lián)網設備設計標準化。

為了加快上市時間，設計者可以使用 u-blox 的 XPLR-OA-1 探索者套件，該套件允許對藍牙 5.1 測向功能進行實驗，并支持 AoA 和 AoD功能。該探索者套件包括一個標簽和一個帶有 NINA-B411 低功耗藍牙模塊的天線板（圖 7）。該標簽基于 NINA-B406 藍牙模塊構建，包括發(fā)送藍牙5.1 廣告信息的軟件。天線板用于接收信息，并應用角度計算算法來確定標簽的方向。角度是通過電路板上的天線陣列在兩個維度上計算出來的。

XPLR-OA-1 套件靈活性高，能讓設計者探索各種應用，例如：

檢測物體是否在靠近門

使攝像機能夠跟蹤房間內移動的資產

追蹤通過門或經過特定位置的貨物

避免機器人或自動導引車相互碰撞

此外，還可以使用幾個 XPLR-OA-1 套件并對三個或更多天線板的方向進行三角測量，以創(chuàng)建更復雜的定位系統(tǒng)。

結束語

藍牙 AoA 和 AoD 可針對工業(yè) 4.0 實施準確和經濟的 RTLS。對于那些可以從 SoC和包含軟件的模塊中進行選擇的設計者來說，需要快速實施部署藍牙 AoA 和 AoD 需要的復雜軟件。這些 SoC和模塊針對電池供電型定位標簽進行了低功耗優(yōu)化，且用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境。