缅甸玉和国际

藍牙測向為室內資產跟蹤打開新局面

2020-03-06 來源:微波射頻網作者:Silicon Labs-Mikko Savolainen 我要評論(0) 字號:

缅甸玉和国际自20世紀80年代民用全球定位系統(GPS)開放以來,GPS已經成為戶外定位和資產跟蹤的主流和實質的技術標準,應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相當的主流技術出現在室內資產跟蹤和定位領域。藍牙測向技術現在正在改變室內資產跟蹤和定位應用的格局,并極可能成為主流技術。

已經有許多技術嘗試解決基于RF的室內定位和資產跟蹤所面臨的挑戰,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技術可以在一定程度上解決挑戰,但它們都有各自的局限性,因此無法成為室內資產跟蹤的理想選擇。

UWB可能是室內定位應用中使用最廣泛的技術。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,這使得IC和模塊價格居高不下,并限制了該技術的廣泛應用。此外,UWB無線電的高功耗也限制了資產標簽的電池壽命,從而增加了物料清單(BOM)或標簽維護成本。

Wi-Fi是另一項已用于基于RF的室內定位服務的技術。盡管Wi-Fi擁有無處不在的基礎設施優勢(尤其是在零售和商業場所),可以為筆記本電腦、智能手機和其他終端提供互聯網接入,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據傳輸,因此創建低成本、低功耗的Wi-Fi標簽極具挑戰。

自從引入低功耗藍牙(Bluetooth LE)技術,特別是諸如Apple iBeacon和Google EddyStone之類的信標標準發布以來,人們進行了許多嘗試去將低功耗藍牙用于室內定位服務。藍牙具有成為廣泛、主流和低功耗技術的優勢,這意味著可以使用藍牙構建低成本的資產標簽或信標,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,使得這些設備能夠檢測資產。

盡管已經成功地大規模部署了基于藍牙信標的室內定位解決方案,但是基于信標的解決方案還是使用基于RSSI的定位技術,并且也有與基于Wi-Fi RSSI的解決方案類似的精度限制。當然,還需要部署基于藍牙的基礎設施。

藍牙測向技術簡介

藍牙測向技術是于2019年1月作為藍牙核心規范版本5。1的一部分而引入的。測向技術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的定位能力。

缅甸玉和国际測向規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備,并且該設備在不同天線之間切換時能夠接收或發送藍牙信號。

圖1、到達角操作

使用AoA方法,下一個關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出AoA

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

缅甸玉和国际圖3、從藍牙接收器的已知位置以及AoA產生的方位角和仰角信息來確定藍牙資產標簽的X、Y和Z坐標

還有其他方法可以計算被跟蹤設備的X、Y和Z坐標,例如使用多個接收器檢測資產標簽發送的信號,然后使用三角測量或三邊測量來計算資產位置。

藍牙測向技術的現狀

擁有可用的規范和標準是一回事,而準備將實際技術部署到現實應用中則是另一回事。讓我們仔細研究一下藍牙測向技術的最新發展。

· 系統架構

一個典型的室內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、發現和跟蹤資產所需的基礎設施,以及通常負責先進的定位邏輯與資產和/或基礎設施管理的后端系統。

圖4、室內資產跟蹤解決方案架構示例

· 資產

資產是解決方案中最易解決的部分。低功耗藍牙技術已經成熟,藍牙無線電足夠節能,可以在紐扣電池上運行5-10年,并且可以相當低的成本構建專用資產標簽。諸如Silicon Labs EFR32BG22 SoC之類的無線設備也支持藍牙5。1標準和AoA或AoD技術,這使得該類SoC成為藍牙資產標簽的理想選擇。

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中,例如可與智能手機進行連接和數據傳輸的醫療設備和電動工具。無需額外的硬件成本即可啟用這些設備的跟蹤功能。

· 基礎設施

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

圖5、支持藍牙AoA技術的Quuppa Q17定位器

藍牙也已經進入商用Wi-Fi接入點和基于RSSI的跟蹤解決方案,例如Cisco Meraki MR53(參見圖6)。這些解決方案采用增量成本相對較低的RF開關和天線陣列,并且這些設備可以成為支持藍牙AoA的設備。

圖6、具有基于藍牙RSSI的位置分析功能的Cisco Meraki企業級Wi-Fi接入點

基礎設施設備供應商正在其產品中實現藍牙AoA技術。例如,Silicon Labs開發了具有4 x 4天線陣列(參見圖7)的藍牙5.1 AoA參考設計,該設計能夠接收來自標簽的AoA傳輸,并可精確檢測到低至幾度的方位角和仰角。

圖7、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

在任何室內位置解決方案中,最后一個至關重要的組件是負責計算和維護資產位置和狀態的位置和/或管理引擎。盡管有多家供應商提供采用各種技術的不同的位置引擎解決方案,但由于該技術相對較新,因此如今只有少數供應商支持藍牙AoA技術。

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的X、Y和Z坐標,而且還可以從標簽收集并顯示IoT數據,并提供返回到標簽的反饋通道,從而實現資產跟蹤和雙向數據傳輸。

結論

缅甸玉和国际就像GPS基礎設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、價格實惠的室內資產跟蹤和定位應用成為未來十年的主流解決方案。

低功耗藍牙技術已經達到一定的成熟度,藍牙無線電的價格水平甚至使得將藍牙集成到一次性設備中在商業上變得可行,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基礎設施仍需要進一步開發和部署,但Quuppa等早期采用者已經為市場提供了解決方案,并且藍牙也已進入商用Wi-Fi基礎設施,例如Cisco Meraki設備。芯片和軟件供應商(例如Silicon Labs)正在提供關鍵任務的構建模塊,以幫助基礎設施供應商實施和部署該技術。

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

作者:Silicon Labs物聯網產品高級產品經理Mikko Savolainen

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