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利用Bluetooth 低功耗技術進行定位跟蹤方案解析

發布時間:2024-08-17 責任編輯:lina

【導讀】隨著藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy,簡稱BLE)技術發展到5.2及更高版本,其中最重要的進步之一就是定位跟蹤技術,該技術可在室內用于資產的移動和定位跟蹤。


隨著藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy,簡稱BLE)技術發展到5.2及更高版本,其中最重要的進步之一就是定位跟蹤技術,該技術可在室內用于資產的移動和定位跟蹤。

藍牙測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,該技術可在各種不同的應用場景中得到運用。這種適應性為無線通信和定位服務帶來了新的可能,有望在未來取得令人振奮的進步。


利用Bluetooth 低功耗技術進行定位跟蹤方案解析圖1:零售店內的客流分析,顯示熱門行走路線


這項技術的主要市場之一是零售業,大型商店希望更好地了解顧客在店內的流動情況,從而最大程度地挖掘銷售潛力。

除了零售業,資產追蹤技術在工業效率提升方面也能產生深遠影響。它可用于監控物料運輸車輛,減少時間浪費,提高工作效率。該技術還可以用于驅動復雜的數字孿生(digital twins)系統,實現在虛擬環境中準確復制動作。

資產追蹤不僅能提高效率,還能在確保安全方面發揮重要作用。在倉庫和配送中心,跟蹤標簽的應用使員工和工業機器人能夠安全共存,通過讓機器人追蹤員工的行動,消除了發生碰撞的可能。

基本系統設計原則

為了建立位置檢測系統,需要在建筑物內(無論是零售店、倉庫、醫院、機場還是其他類型的建筑物)放置天線陣列。該陣列可以進行高精度的位置測量。

使用的方法可以是"到達角"(AoA)或"出發角"(AoD)。雖然兩者都使用相同的射頻(RF)信號測量,但信號處理和天線配置卻各不相同。


利用Bluetooth 低功耗技術進行定位跟蹤方案解析圖2:位置檢測系統示意圖


通常情況下,系統由三個主要部分組成:藍牙發射器(AoA標簽)、接收器/天線陣列(AoA定位器)以及角度和位置計算系統。工作時,AoA標簽會發送固定頻率擴展(constant tone extension,CTE)信號。

這種CTE信號以不斷擴大的球形模式向外傳播,并被天線接收。由于信號的波長/頻率是已知的,接收器之間的距離也是已知的,因此可以使用相對簡單的三角法計算信號的角度,從而根據信號到達每個天線時的相位差確定發射器的位置。

替代方法和更高的精確度

通過使用兩對天線進行兩次探測,就能以極高的精度三角定位出AoA標簽的確切位置。

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

CS也被稱為高精度距離測量(HADM),許多人認為它是基于RSSI的距離測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是一款通過藍牙5.2認證的安全無線微控制器,專為包括工業、醫療和到達角定位(AoA)在內的超低功耗應用進行了優化。該器件基于一顆運行頻率高達48 MHz 的Arm? Cortex?-M33處理器構建,并具備加密安全功能。它提供了業界極低的功耗水平,發射時的峰值電流僅為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、臨床環境、制造業和配送中心等廣泛跟蹤應用的需求。

安森美的AoA 解決方案在發射器(AoA標簽)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工具包(SDK)實現,或者,對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。


利用Bluetooth 低功耗技術進行定位跟蹤方案解析圖3:安森美的端到端 AoA系統由多個模塊組成


在系統中,發射器(Advertiser)生成CTE信號,由掃描器接收。由此產生的IQ 樣本被發送到本地PC或云端運行的應用程序,以計算掃描器與標簽之間的角度。然后將這些角度轉換為笛卡爾坐標,并映射到二維或三維空間。

這兩種應用的示例代碼均可從安森美的網站上免費獲取,同時還有一個功率估算工具,可根據電池壽命選擇通信協議。

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

Unikie提供了一款專為實時追蹤標簽而設計的藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)電子定位引擎。該引擎支持在邊緣服務器或云端處理數據,既保證了靈活性也實現了成本效益(圖4)。


利用Bluetooth 低功耗技術進行定位跟蹤方案解析

圖4:用于定位應用的Unikie 軟件引擎


API接口促進了與企業系統的無縫集成,提供了訪問復雜數據建模的能力。這樣就能更深入地了解物料流向、利用率和行為模式,標志著基于位置的服務和資產管理取得了顯著進步。

結語

要成功實現藍牙低功耗測向,關鍵是解決方案要持久耐用且經濟實惠。憑借業界功耗極低的安全藍牙低功耗MCU,安森美技術走在了實現AoA 未來創新的前沿。


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