未來(lái)藍(lán)牙新方向之一：AoA室內(nèi)定位

室內(nèi)定位一直被炒的非?；鸬暮?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">科技，也是近年資本追逐的熱點(diǎn)，市場(chǎng)上一直有眾多宣稱可以做到厘米級(jí)，米級(jí)精度定位的公司，但問(wèn)題很多，無(wú)法大規(guī)模商用。近些年有很多人嘗試使用藍(lán)牙beacon方式做定位，小眾應(yīng)該可以滿足需要，但是依然問(wèn)題很多；直到今天，出現(xiàn)了新的技術(shù)：藍(lán)牙AoA定位。

先介紹一下現(xiàn)有室內(nèi)定位方案：

1. 超聲波室內(nèi)定位技術(shù)

超聲波定位主要采用反射式測(cè)距法，通過(guò)多邊定位等方法確定物體位置，系統(tǒng)由一個(gè)主測(cè)距器和若干接收器組成，主測(cè)距儀可放置在待測(cè)目標(biāo)上，接收器固定于室內(nèi)環(huán)境中。定位時(shí)，向接收器發(fā)射同頻率的信號(hào)，接收器接收后又反射傳輸給主測(cè)距器，根據(jù)回波和發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出距離，從而確定位置。

超聲波定位整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，且超聲波頻率受多普勒效應(yīng)和溫度影響，同時(shí)也需要大量基礎(chǔ)硬件設(shè)施，成本較高。

2. WiFi室內(nèi)定位技術(shù)位置指紋法

室內(nèi)定位中的位置指紋法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是事先把各個(gè)位置上的信號(hào)特征（各Wi-Fi的信號(hào)強(qiáng)度）測(cè)量一遍，存入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。定位的時(shí)候，將當(dāng)前的信號(hào)特征與指紋庫(kù)中的進(jìn)行匹配，從而確定位置。示意圖（AP就是WiFi，RP是離線采集選取的參考點(diǎn)）

3. UWB（超寬帶）定位AOA定位算法

AOA(Angle of Arrival，到達(dá)角度)定位是一種兩基站定位方法，基于信號(hào)的入射角度進(jìn)行定位。

如圖所示，知道了基站1到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角α1，就可以畫(huà)出一條射線L1；同樣知道了知道了基站2到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角α2，就可以畫(huà)出一條射線L2。那么L1月L2的交點(diǎn)就是設(shè)備的位置。這就是AOA定位的基本數(shù)學(xué)原理。用函數(shù)調(diào)用表達(dá)如下：

Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);

AOA定位通過(guò)兩直線相交確定位置，不可能有多個(gè)交點(diǎn)，避免了定位的模糊性。但是為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。

超寬帶定位技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)，但其射頻頻段工作在6-7G hz，設(shè)計(jì)難度大，軟件復(fù)雜，商用場(chǎng)合受限。

4. 藍(lán)牙beacon室內(nèi)定位技術(shù)三邊測(cè)量法

市面上藍(lán)牙定位的方式都是采用三邊測(cè)量原理，設(shè)備端采用ibeacon，或者私有beacon廣播方式發(fā)送Beacon信號(hào)，接收機(jī)，通常是手機(jī)，根據(jù)接收到廣播設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度和設(shè)備ID號(hào)，根據(jù)事先繪制的坐標(biāo)地圖，反向判定自己所處的位置點(diǎn)。該方案的優(yōu)勢(shì)有幾點(diǎn)：

1.RSSI直接是藍(lán)牙協(xié)議棧的一部分，方便獲取。

2.手機(jī)支持藍(lán)牙

3.發(fā)射端硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功耗低

幾種定位方式的總結(jié)

超聲波定位基本不適用，需要大量布點(diǎn)，對(duì)周圍環(huán)境有特殊要求；Uwb頻段高，設(shè)計(jì)難度大只使用于尖端地方，收發(fā)都需要專用AoA射頻設(shè)備；藍(lán)牙定位目前在人員管控，危險(xiǎn)區(qū)域布防商城室內(nèi)導(dǎo)航有部分應(yīng)用，但精度不好，網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重，效果一般，但可以和手機(jī)互聯(lián)互通，所以得到許多公司折中認(rèn)可。

AoA 角度位置算法

本質(zhì)只需要藍(lán)牙芯片只要開(kāi)放藍(lán)牙射頻端的載波振幅和相位值收發(fā)(I/Q值)，工程師自行設(shè)計(jì)天線整列即可通過(guò)使用I/Q值計(jì)算出AoA角度方位，通過(guò)兩個(gè)接收機(jī)，就可以判斷發(fā)射機(jī)的精確位置。

如WUB圖示，一個(gè)發(fā)射機(jī)配合兩個(gè)接收機(jī)，通過(guò)兩個(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角即可在二維平面中畫(huà)出發(fā)射機(jī)的相對(duì)kyj位置，首先單看一個(gè)接收機(jī)Br，發(fā)射機(jī)B持續(xù)發(fā)送廣播信號(hào)，接收機(jī)Br的天線整列接收到的波形肯定是不同步的，其相位差

?是我們可以通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到的參數(shù)，圖示為2整列天線，同時(shí)可以設(shè)計(jì)多整列天線，?可以為天線的相位差求均值。

下圖為4天線設(shè)計(jì)，兩兩天線間距d為定值，計(jì)算出?取均值，計(jì)算出?后，可由?以及天線間距d計(jì)算得到發(fā)射和接收機(jī)之間的相對(duì)角度差θ。

通過(guò)兩個(gè)接收機(jī)，得到兩個(gè)θ，通過(guò)θ和d即可計(jì)算出發(fā)射機(jī)位置。

德州儀器CC2640R2F 藍(lán)牙AoA方案

有傳聞下一版藍(lán)牙協(xié)議會(huì)支持AoA功能，之前特咨詢過(guò)幾家大藍(lán)牙原廠，都表明贊不支持，直到最近聽(tīng)說(shuō)TI已經(jīng)推出AoA算法包，立刻下載了最新的CC2640R2F藍(lán)牙協(xié)議棧(simplelink_cc2640r2_sdk_2_20)，果不其然，還有ToF，TI果然在憋大招。

根據(jù)sdk的說(shuō)明文檔，可以看到德州儀器軟件包可以直接提供API接口，接收機(jī)可以直接計(jì)算出θ角：

而且還提供了完整的天線陣列的評(píng)估套件，配合CC2640R2官方開(kāi)發(fā)板，即可調(diào)試室內(nèi)定位方案。

總結(jié)

可以預(yù)見(jiàn)，在藍(lán)牙模塊價(jià)格戰(zhàn)的當(dāng)下，和Mesh組網(wǎng)一樣，藍(lán)牙AoA技術(shù)發(fā)展務(wù)必帶來(lái)新的商機(jī)，但是其門(mén)檻一定比藍(lán)牙高不少，陣列天線，AoA角度精確度，不同場(chǎng)景下的定位設(shè)備布置，云端數(shù)據(jù)管理，每一件都不是簡(jiǎn)單，但是這么好的市場(chǎng)，攻城獅們，你們準(zhǔn)備好了嗎？