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利用Bluetooth?低功耗技術(shù)進(jìn)行定位跟蹤方案解析
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隨著藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy,簡(jiǎn)稱BLE)技術(shù)發(fā)展到5.2及更高版本,其中最重要的進(jìn)步之一就是定位跟蹤技術(shù),該技術(shù)可在室內(nèi)用于資產(chǎn)的移動(dòng)和定位跟蹤。


藍(lán)牙測(cè)向方法包括無連接模式和面向連接模式,因其具有的這種多功能性,該技術(shù)可在各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景中得到運(yùn)用。這種適應(yīng)性為無線通信和定位服務(wù)帶來了新的可能,有望在未來取得令人振奮的進(jìn)步。



圖1:零售店內(nèi)的客流分析,顯示熱門行走路線

這項(xiàng)技術(shù)的主要市場(chǎng)之一是零售業(yè),大型商店希望更好地了解顧客在店內(nèi)的流動(dòng)情況,從而最大程度地挖掘銷售潛力。


除了零售業(yè),資產(chǎn)追蹤技術(shù)在工業(yè)效率提升方面也能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。它可用于監(jiān)控物料運(yùn)輸車輛,減少時(shí)間浪費(fèi),提高工作效率。該技術(shù)還可以用于驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的數(shù)字孿生(digital twins)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確復(fù)制動(dòng)作。


資產(chǎn)追蹤不僅能提高效率,還能在確保安全方面發(fā)揮重要作用。在倉庫和配送中心,跟蹤標(biāo)簽的應(yīng)用使員工和工業(yè)機(jī)器人能夠安全共存,通過讓機(jī)器人追蹤員工的行動(dòng),消除了發(fā)生碰撞的可能。


基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則


為了建立位置檢測(cè)系統(tǒng),需要在建筑物內(nèi)(無論是零售店、倉庫、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)還是其他類型的建筑物)放置天線陣列。該陣列可以進(jìn)行高精度的位置測(cè)量。


使用的方法可以是"到達(dá)角"(AoA)或"出發(fā)角"(AoD)。雖然兩者都使用相同的射頻(RF)信號(hào)測(cè)量,但信號(hào)處理和天線配置卻各不相同。



圖2:位置檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

 


通常情況下,系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成:藍(lán)牙發(fā)射器(AoA標(biāo)簽)、接收器/天線陣列(AoA定位器)以及角度和位置計(jì)算系統(tǒng)。工作時(shí),AoA標(biāo)簽會(huì)發(fā)送固定頻率擴(kuò)展(constant tone extension,CTE)信號(hào)。


這種CTE信號(hào)以不斷擴(kuò)大的球形模式向外傳播,并被天線接收。由于信號(hào)的波長(zhǎng)/頻率是已知的,接收器之間的距離也是已知的,因此可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的三角法計(jì)算信號(hào)的角度,從而根據(jù)信號(hào)到達(dá)每個(gè)天線時(shí)的相位差確定發(fā)射器的位置。


替代方法和更高的精確度


通過使用兩對(duì)天線進(jìn)行兩次探測(cè),就能以極高的精度三角定位出AoA標(biāo)簽的確切位置。


另一種無需角度測(cè)量的方法是三坐標(biāo)法(trilateration)。這種方法基于使用藍(lán)牙5.4的信道探測(cè)(Channel Sounding,CS)特性或超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)技術(shù),測(cè)量飛行時(shí)間(Time-of-Flight,ToF)來得出距離。


CS也被稱為高精度距離測(cè)量(HADM),許多人認(rèn)為它是基于RSSI的距離測(cè)量的一種非常精確的替代方法。



安森美RSL15 AoA 解決方案


安森美推出的RSL15是一款通過藍(lán)牙5.2認(rèn)證的安全無線微控制器,專為包括工業(yè)、醫(yī)療和到達(dá)角定位(AoA)在內(nèi)的超低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該器件基于一顆運(yùn)行頻率高達(dá)48 MHz 的Arm® Cortex®-M33處理器構(gòu)建,并具備加密安全功能。它提供了業(yè)界極低的功耗水平,發(fā)射時(shí)的峰值電流僅為4.3 mA,在等待GPIO 喚醒的睡眠模式下更是降低至36 nA。RSL15微控制器旨在滿足從零售業(yè)、臨床環(huán)境、制造業(yè)和配送中心等廣泛跟蹤應(yīng)用的需求。


安森美的AoA 解決方案在發(fā)射器(AoA標(biāo)簽)和掃描器/定位器中都使用了RSL15。這可以使用RSL15 和安森美的軟件開發(fā)工具包(SDK)實(shí)現(xiàn),或者,對(duì)于集成度更高的解決方案,可以使用集成了RSL15 的Murata 2EG 射頻SIP 模塊。



圖3:安森美的端到端 AoA系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成

 


在系統(tǒng)中,發(fā)射器(Advertiser)生成CTE信號(hào),由掃描器接收。由此產(chǎn)生的IQ 樣本被發(fā)送到本地PC或云端運(yùn)行的應(yīng)用程序,以計(jì)算掃描器與標(biāo)簽之間的角度。然后將這些角度轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo),并映射到二維或三維空間。

這兩種應(yīng)用的示例代碼均可從安森美的網(wǎng)站上免費(fèi)獲取,同時(shí)還有一個(gè)功率估算工具,可根據(jù)電池壽命選擇通信協(xié)議。


參與該項(xiàng)目的其他安森美合作伙伴還有CoreHW 和Unikie。CoreHW提供多達(dá)16個(gè)單端天線端口的天線陣列板。有一個(gè)AoA / AoD開關(guān),用于選擇天線以及連接射頻和數(shù)字控制信號(hào)。


Unikie提供了一款專為實(shí)時(shí)追蹤標(biāo)簽而設(shè)計(jì)的藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)電子定位引擎。該引擎支持在邊緣服務(wù)器或云端處理數(shù)據(jù),既保證了靈活性也實(shí)現(xiàn)了成本效益(圖4)。



圖4:用于定位應(yīng)用的Unikie 軟件引擎

 

 

API接口促進(jìn)了與企業(yè)系統(tǒng)的無縫集成,提供了訪問復(fù)雜數(shù)據(jù)建模的能力。這樣就能更深入地了解物料流向、利用率和行為模式,標(biāo)志著基于位置的服務(wù)和資產(chǎn)管理取得了顯著進(jìn)步。


結(jié)語


要成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙低功耗測(cè)向,關(guān)鍵是解決方案要持久耐用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。憑借業(yè)界功耗極低的安全藍(lán)牙低功耗MCU,安森美技術(shù)走在了實(shí)現(xiàn)AoA 未來創(chuàng)新的前沿。


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