利用Bluetooth®低功耗技术进行定位跟踪

Position Tracking with Bluetooth® Low Energy Technology

利用Bluetooth®低功耗技术进行定位跟踪

随着蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，简称BLE）技术发展到 5.2 及更高版本，其中最重要的进步之一就是定位跟踪技术，该技术可在室内用于资产的移动和定位跟踪。

蓝牙测向方法包括无连接模式和面向连接模式，因其具有的这种多功能性，该技术可在各种不同的应用场景中得到运用。这种适应性为无线通信和定位服务带来了新的可能，有望在未来取得令人振奋的进步。

图 1：零售店内的客流分析，显示热门行走路线

这项技术的主要市场之一是零售业，大型商店希望更好地了解顾客在店内的流动情况，从而最大程度地挖掘销售潜力。

除了零售业，资产追踪技术在工业效率提升方面也能产生深远影响。它可用于监控物料运输车辆，减少时间浪费，提高工作效率。该技术还可以用于驱动复杂的数字孪生（digital twins）系统，实现在虚拟环境中准确复制动作。

资产追踪不仅能提高效率，还能在确保安全方面发挥重要作用。在仓库和配送中心，跟踪标签的应用使员工和工业机器人能够安全共存，通过让机器人追踪员工的行动，消除了发生碰撞的可能。

基本系统设计原则

为了建立位置检测系统，需要在建筑物内（无论是零售店、仓库、医院、机场还是其他类型的建筑物）放置天线阵列。该阵列可以进行高精度的位置测量。

使用的方法可以是 '到达角'（AoA）或 '出发角'（AoD）。虽然两者都使用相同的射频（RF）信号测量，但信号处理和天线配置却各不相同。

图 2：位置检测系统示意图

通常情况下，系统由三个主要部分组成：蓝牙发射器（AoA 标签）、接收器/天线阵列（AoA 定位器）以及角度和位置计算系统。工作时，AoA 标签会发送固定频率扩展（constant tone extension，CTE）信号。

这种 CTE 信号以不断扩大的球形模式向外传播，并被天线接收。由于信号的波长/频率是已知的，接收器之间的距离也是已知的，因此可以使用相对简单的三角法计算信号的角度，从而根据信号到达每个天线时的相位差确定发射器的位置。

替代方法和更高的精确度

通过使用两对天线进行两次探测，就能以极高的精度三角定位出AoA标签的确切位置。

另一种无需角度测量的方法是三坐标法（trilateration）。这种方法基于使用蓝牙5.4的信道探测（Channel Sounding，CS）特性或超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术，测量飞行时间（Time-of-Flight，ToF）来得出距离。

CS 也被称为高精度距离测量 (HADM)，许多人认为它是基于 RSSI 的距离测量的一种非常精确的替代方法。

安森美RSL15 AoA 解决方案

安森美推出的 RSL15 是一款通过蓝牙 5.2 认证的安全无线微控制器，专为包括工业、医疗和到达角定位（AoA）在内的超低功耗应用进行了优化。该器件基于一颗运行频率高达 48 MHz 的 Arm® Cortex®-M33 处理器构建，并具备加密安全功能。它提供了业界极低的功耗水平，发射时的峰值电流仅为 4.3 mA，在等待 GPIO 唤醒的睡眠模式下更是降低至 36 nA。RSL15 微控制器旨在满足从零售业、临床环境、制造业和配送中心等广泛跟踪应用的需求。

安森美的 AoA 解决方案在发射器（AoA 标签）和扫描器/定位器中都使用了 RSL15。这可以使用 RSL15 和安森美的软件开发工具包 (SDK) 实现，或者，对于集成度更高的解决方案，可以使用集成了 RSL15 的 Murata 2EG 射频 SIP 模块。

图 3： 安森美的端到端 AoA 系统由多个模块组成

在系统中，发射器（Advertiser）生成 CTE 信号，由扫描器接收。由此产生的 IQ 样本被发送到本地 PC 或云端运行的应用程序，以计算扫描器与标签之间的角度。然后将这些角度转换为笛卡尔坐标，并映射到二维或三维空间。

这两种应用的示例代码均可从安森美的网站上免费获取，同时还有一个功率估算工具，可根据电池寿命选择通信协议。

参与该项目的其他安森美合作伙伴还有 CoreHW 和 Unikie。CoreHW 提供多达 16 个单端天线端口的天线阵列板。有一个 AoA / AoD 开关，用于选择天线以及连接射频和数字控制信号。

Unikie 提供了一款专为实时追踪标签而设计的蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）电子定位引擎。该引擎支持在边缘服务器或云端处理数据，既保证了灵活性也实现了成本效益（图4）。

图 4：用于定位应用的 Unikie 软件引擎

API接口促进了与企业系统的无缝集成，提供了访问复杂数据建模的能力。这样就能更深入地了解物料流向、利用率和行为模式，标志着基于位置的服务和资产管理取得了显著进步。

结语

要成功实现蓝牙低功耗测向，关键是解决方案要持久耐用且经济实惠。凭借业界功耗极低的安全蓝牙低功耗MCU，安森美技术走在了实现 AoA 未来创新的前沿。