作者：Jeff Shepard

　　倉庫和工廠的實時資產(chǎn)跟蹤是工業(yè)4.0的一個重要方面。各種技術(shù)可用于部署實時定位服務(wù) (RTLS) 用于資產(chǎn)跟蹤和改進物流系統(tǒng).全球定位系統(tǒng) (GPS) 廣泛用于室外 RTLS 實施， 但信號并不總是在建筑物內(nèi)可用.Wi-Fi 是另一種選擇，但它往往精度有限，需要大量功率，并且部署成本可能很高。射頻識別(RFID)功耗低，精度高，但往往價格昂貴。工業(yè) 4.0 RTLS 裝置越來越多地轉(zhuǎn)向藍牙 5.1 測向技術(shù)，因為它們結(jié)合了高精度室內(nèi)定位和低功耗， 藍牙硬件的低成本， 和低成本的部署.

　　開發(fā)人員可能很想從頭開始設(shè)計藍牙 RTLS 系統(tǒng).不幸的是，從RF信號獲取到達角(AoA)和離角(AoD)數(shù)據(jù)所需的射頻(RF)同相和正交(IQ)信息具有挑戰(zhàn)性，并且需要集成多個天線。即使可以捕獲 AoA 和 AoD 數(shù)據(jù)，在準確確定被跟蹤項目的位置之前，位置計算也可能因許多因素而變得復(fù)雜，包括多路徑傳播、信號極化、傳播延遲、抖動、噪聲等。

　　相反， 設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向片上藍牙無線系統(tǒng) (SoC)， 射頻模塊， 和天線用于工業(yè) 4.0 RTLS 應(yīng)用.本文簡要回顧了各種 RTLS 技術(shù)選擇的性能權(quán)衡，并描述了如何實現(xiàn)藍牙 AoA 和 AoD 位置.然后，它介紹了藍牙 SoC 和射頻模塊，其中包括快速實現(xiàn)基于 AoA 和 AoD 的 RTLS 所需的軟件，以及來自 硅實驗室 和 優(yōu)寶.還介紹了可以進一步加快上市時間的評估套件。

　　最常用的室內(nèi) RTLS 技術(shù)是使用 Wi-Fi 和藍牙實現(xiàn)的 (表 1)：

　　無線網(wǎng)絡(luò)指紋識別 使用建筑物中每個 Wi-Fi 接入點 (AP) 的位置和基站 ID (BSSID) 的數(shù)據(jù)庫。資產(chǎn)標記掃描 Wi-Fi 環(huán)境并報告 Wi-Fi AP 列表及其關(guān)聯(lián)的信號強度。然后，調(diào)查中的數(shù)據(jù)庫用于估計標簽的可能位置。此技術(shù)不支持高精度 RTLS.

　　無線網(wǎng)絡(luò)飛行時間 (ToF) 更準確。它測量 Wi-Fi 信號在設(shè)備之間傳輸所需的時間。ToF 需要密集部署 AP 以提高 RTLS 的準確性.ToF和指紋識別都具有高設(shè)備成本和高能量要求。

　　藍牙接收信號強度指示器 (RSSI) 通過使設(shè)備能夠通過將接收到的信號強度與已知信標位置進行比較來確定它們與附近藍牙信標的大致距離來支持 RTLS.RSSI使用更少的能量，并且比Wi-Fi指紋或ToF成本更低，但它的準確性有限。濕度水平和機器人等環(huán)境因素或人員在設(shè)施周圍移動并干擾藍牙信號水平等環(huán)境因素可能會進一步降低其準確性。

　　藍牙 AoA 是最新和最準確的室內(nèi) RTLS 技術(shù).除了提供高精度外，它還使用相對較少的功率且成本低。但是，與其他替代方案相比，它的實現(xiàn)更復(fù)雜。

　　表 1： 室內(nèi) RTLS 可以使用各種 Wi-Fi 和藍牙技術(shù)來實現(xiàn)，這些技術(shù)在精度之間進行權(quán)衡， 功耗， 和成本.(表格來源：u-blox)

　　藍牙 AoA 和相關(guān) AoD， RTLS 解決方案依靠天線陣列來估計資產(chǎn)的位置 (圖 1).在 AoA 解決方案中，資產(chǎn)從單個天線發(fā)送特定的測向信號。接收設(shè)備具有天線陣列，并測量由每個天線與資產(chǎn)的距離不同引起的各種天線之間的信號相位差。接收設(shè)備通過在陣列中的有源天線之間切換來獲取 IQ 信息。然后使用 IQ 數(shù)據(jù)計算資產(chǎn)的位置。在 AoD 解決方案中， 確定位置的定位器信標使用陣列中的多個天線傳輸信號，并且接收設(shè)備具有單個天線.接收設(shè)備使用多個信號來確定 IQ 數(shù)據(jù)并估計其位置。 AoA 通常用于跟蹤資產(chǎn)的位置，而 AoD 是使機器人能夠以良好的準確性和低延遲確定它們在設(shè)施中的位置的首選技術(shù)。

　　圖 1：天線陣列構(gòu)成了藍牙 AoA 和 AoD RTLS 實施的基礎(chǔ)。(圖片來源：硅實驗室)

　　基于 AoA 的 RTLS 跟蹤的基本概念很簡單： Θ = arccos x ((相位差 x 波長) / (2 π x 天線之間的距離))(圖 2).實際實現(xiàn)更加復(fù)雜，需要考慮由環(huán)境變量、多徑信號、變化信號極化和其他因素引起的信號傳播延遲。此外，當(dāng)天線在陣列中使用時，它們可能會經(jīng)歷相互耦合并影響彼此的響應(yīng)。最后，開發(fā)將所有這些變量考慮在內(nèi)并在資源受限的嵌入式環(huán)境中的時間關(guān)鍵型解決方案中有效實現(xiàn)它們所需的算法可能非常具有挑戰(zhàn)性。對于開發(fā)人員來說幸運的是，完整的藍牙 AoA 和 AoD 解決方案包括 IQ 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理、多路徑組件抑制、 補償環(huán)境因素，以及天線之間的相互耦合。

　　圖 2：確定 AoA 的公式(右上)使用到達信號的相位差、信號波長和相鄰天線之間的距離。(圖片來源：u-blox)

　　適用于藍牙 AoA 和 AoD 的 SoC

　　開發(fā)人員可以求助于 SoC，例如 EFR32BG22C222F352GN32-C 從Silicon Labs實現(xiàn)藍牙5.2網(wǎng)絡(luò)和AoA和AoD。該 SoC 是 EFR32BG22 無線 Gecko系列的一部分，該系列包括一個最大工作頻率為 76.8 MHz 的 32 位 Arm? Cortex-M33? 內(nèi)核、一個具有低工作和睡眠電流的 2.4 GHz 節(jié)能無線電內(nèi)核和一個集成功率放大器，在 4 × 4 × 0.85 毫米 (mm) QFN32 封裝中具有高達 6 分貝米 (dBm) 的發(fā)射 (TX) 功率(圖 3)。它們包括使用信任根和安全加載程序 (RTSL) 的安全啟動。其他安全功能包括針對 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 NIST SP800-90 和 AIS-31 的真隨機數(shù)生成器 (TRNG)。此外，根據(jù)型號的不同，這些 SoC 具有高達 512 kB 的閃存和 32 kB 的 RAM， 除 QFN32 外，還提供 5 × 5 × 0.85 mm QFN40 封裝和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封裝。

　　圖 3：支持 AoA 和 AoD 的 EFR32BG22 無線壁虎藍牙 SoC 采用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝(圖片來源：Silicon Labs)

　　這 BG22-RB4191A 無線專業(yè)套件包括一個基于 2.4 GHz EFR32BG22 無線壁虎 SoC 的測向無線電板和一個針對精確測向而優(yōu)化的天線陣列，可以加速使用 AoA 和 AoD 協(xié)議開發(fā)基于藍牙 5.1 的 RTLS 應(yīng)用(圖 4)。主板具有多種工具，可輕松評估和開發(fā)無線應(yīng)用，包括：

　　板載 J-Link 調(diào)試器，用于通過以太網(wǎng)或 USB 在目標設(shè)備上進行編程和調(diào)試

　　使用先進的能量監(jiān)控器進行實時電流和電壓測量

　　虛擬 COM 端口接口通過以太網(wǎng)或 USB 提供串行端口連接

　　數(shù)據(jù)包跟蹤接口提供有關(guān)接收和傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)包的調(diào)試信息

　　圖 4：BG22-RB4191A 無線專業(yè)套件與 EFR32BG22 無線壁虎 SoC 和天線陣列可以加速 AoA 和 AoD RTLS 應(yīng)用的開發(fā)。(圖片來源：硅實驗室)

　　用于藍牙 AoA 和 AoD 的模塊

　　u-blox 提供帶或不帶集成天線的藍牙模塊，支持 AoA 和 AoD。對于受益于不帶集成天線的模塊的應(yīng)用，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向 NINA-B41x 系列，例如 尼娜-B411-01B，基于北歐半導(dǎo)體 nRF52833 集成電路(圖5)。這些模塊包括一個集成的射頻內(nèi)核和帶有浮點處理器的 Arm? Cortex-M4?，可在所有藍牙 5.1 模式下運行，包括 AoA 和 AoD。工作溫度范圍為 -40 至 +105 攝氏度 (°C)， 這些模塊非常適合工業(yè)環(huán)境中的 RTLS 應(yīng)用.此外，其 1.7 至 3.6 V 的輸入電壓范圍使其可用于單節(jié)電池供電系統(tǒng)。

　　圖 5： NINA-B41x 系列模塊支持使用外部天線的緊湊型 RTLS 解決方案.(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　u-blox 的 NINA-B40x 系列，例如 尼娜-B406-00B，包括一個集成到 10 x 15 x 2.2 mm 模塊 PCB 中的內(nèi)部 PCB 走線天線(圖 6)。NINA-B406 模塊可提供高達 +8 dBm 的輸出功率。除了支持藍牙 5.1 模式(包括 AoA 和 AoD)外，這些模塊還支持 802.15.4(Thread 和 Zigbee)和北歐專有的 2.4 GHz 協(xié)議，使設(shè)計人員能夠在單個模塊上實現(xiàn)標準化，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計。

　　圖 6：受益于集成天線的 AoA 和 AoD 應(yīng)用可以使用 NINA-B40x 系列模塊。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　為了加快上市時間，設(shè)計人員可以使用 XPLR-AOA-1 u-blox 的探索套件，允許試驗藍牙 5.1 測向功能并支持 AoA 和 AoD 功能。該探索器套件包括一個標簽和一個帶有 NINA-B411 藍牙 LE 模塊的天線板(圖 7)。該標簽圍繞 NINA-B406 藍牙模塊構(gòu)建，包括用于發(fā)送藍牙 5.1 廣告消息的軟件。天線板設(shè)計用于接收消息并應(yīng)用角度計算算法來確定標簽的方向。使用板上的天線陣列在二維空間中計算角度。

　　圖 7：XPLR-AOA-1 瀏覽器套件包括一個標簽(左)和一個天線板(右)，以支持藍牙 AoA 和 AoD 的評估。(圖片來源：u-blox)

　　XPLR-AOA-1套件的靈活性使設(shè)計人員能夠探索各種應(yīng)用，例如：

　　檢測物體是否正在接近門

　　使攝像機能夠跟蹤在房間中移動的資產(chǎn)

　　跟蹤通過閘口或經(jīng)過特定位置的貨物

　　避免機器人或自動導(dǎo)引車之間的碰撞

　　此外，可以使用多個XPLR-AOA-1套件創(chuàng)建更復(fù)雜的定位系統(tǒng)，并對三個或更多天線板的方向進行三角測量。

　　總結(jié)

　　藍牙 AoA 和 AoD 可以為工業(yè)提供準確且經(jīng)濟高效的 RTLS 實施 4.0.設(shè)計人員可以從 SoC 和模塊中進行選擇，這些模塊包含快速實現(xiàn)部署藍牙 AoA 和 AoD 所需的復(fù)雜軟件所需的軟件。這些 SoC 和模塊針對低功耗進行了優(yōu)化，以支持電池供電的位置標簽，設(shè)計用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行。