手鐲硬件上的藍(lán)牙片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

藍(lán)牙聯(lián)系人跟蹤已成為管理COVID-19大流行的一項(xiàng)重要技術(shù)。使用藍(lán)牙手環(huán)執(zhí)行此任務(wù)比使用智能手機(jī)更可取，因?yàn)樗鼈兙哂须[私優(yōu)勢(shì)。

本系列的上一篇文章介紹了用于接觸追蹤藍(lán)牙手鏈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)；在這里，我們將介紹所需的硬件和軟件構(gòu)建塊。

一個(gè)簡(jiǎn)單的手鐲硬件設(shè)計(jì)包括一個(gè)藍(lán)牙片上系統(tǒng)（SoC），一個(gè)天線(xiàn)和一個(gè)紐扣電池。SoC是手鐲的核心，??負(fù)責(zé)對(duì)收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行必要的計(jì)算，并操作藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)電以與網(wǎng)關(guān)或智能手機(jī)進(jìn)行通信以連接到服務(wù)器。它的至關(guān)重要的作用使SoC的選擇對(duì)于其余設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在確定選擇哪個(gè)SoC時(shí)，所使用的鄰近技術(shù)是必不可少的。接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單的接近度檢測(cè)解決方案，而實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）技術(shù)則提供了更準(zhǔn)確的接近度數(shù)據(jù)，并且增加了網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的成本。半導(dǎo)體公司提供豐富的藍(lán)牙SoC解決方案。

天線(xiàn)還需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，因?yàn)樾实拖碌奶炀€(xiàn)會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。RSSI技術(shù)使用信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定接近度，這意味著還應(yīng)該仔細(xì)分析天線(xiàn)，并在路徑損耗方程中考慮天線(xiàn)以確定信號(hào)強(qiáng)度。天線(xiàn)類(lèi)型很多，盡管在可穿戴解決方案（如手鐲）中可能需要使用柔性材料天線(xiàn)。柔性天線(xiàn)材料可以使手鐲變大并圍繞手腕折疊。

要考慮的另一個(gè)概念是天線(xiàn)分集：同一SoC使用多個(gè)天線(xiàn)。借助RF開(kāi)關(guān)，SoC可以從多個(gè)天線(xiàn)收集測(cè)量值，并對(duì)測(cè)量值求平均，以構(gòu)建信號(hào)矢量，或者將任何數(shù)學(xué)算法應(yīng)用于RSSI接近度檢測(cè)。

紐扣電池為SoC和手鐲內(nèi)的任何其他電子零件供電。有不同類(lèi)型的電池技術(shù)，選擇取決于手鐲是否設(shè)計(jì)為一次性，可回收或可充電。例如，不能放置鋰離子電池，而堿性電池則非常適合此目的。如果目標(biāo)手鐲是可充電的，則必須添加電源管理芯片。在此要做出的另一個(gè)決定是電池是否可更換。手鐲會(huì)被密封嗎？

盡管這些是簡(jiǎn)單易懂的組件，但是您在初始設(shè)計(jì)中所做的選擇可能會(huì)對(duì)上市時(shí)間和成本產(chǎn)生重大影響。半導(dǎo)體解決方案提供商通常為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)參考。利用設(shè)計(jì)參考可以加快設(shè)計(jì)過(guò)程并實(shí)現(xiàn)SoC的最佳性能。另外，半導(dǎo)體公司還提供系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）模塊，這些模塊將所有需要的組件集成到封裝內(nèi)。

下表顯示了硬件組件如何影響RF性能。資料來(lái)源：Silicon Labs

軟件和云連接

意識(shí)是使人體印象深刻的原因。同樣，手鐲的硬件需要一個(gè)軟件來(lái)執(zhí)行其奇跡。一些半導(dǎo)體公司向其藍(lán)牙軟件堆棧提供其芯片，從而加快了設(shè)計(jì)過(guò)程。除了藍(lán)牙軟件外，SoC還需要運(yùn)行目標(biāo)接近算法。

該軟件并不止于此。有服務(wù)器端以及云集成。部署正確的安全技術(shù)以保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)免受惡意攻擊者非常重要。構(gòu)建正確的藍(lán)牙到云軟件對(duì)于保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全至關(guān)重要。

云連接可能具有挑戰(zhàn)性，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和潛在的啟動(dòng)延遲，從而影響物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的成功。獲取和維護(hù)可靠的云連接并正確收集數(shù)據(jù)需要有效而安全地完成。開(kāi)發(fā)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)可能是不可靠的鏈接和連接性。

固件更新是產(chǎn)品維護(hù)的另一個(gè)重要部分，可以外包，或者開(kāi)發(fā)人員可以使用已經(jīng)具有用于添加云連接性的基礎(chǔ)架構(gòu)的集成解決方案。后者可以為開(kāi)發(fā)人員節(jié)省幾個(gè)月的框架開(kāi)發(fā)時(shí)間。

RTLS：RSSI的替代方法

在構(gòu)建用于接近度檢測(cè)的軟件時(shí)，RSSI的主要替代方案是RTLS，它與RSSI的不同之處在于其到達(dá)角（AoA）和離開(kāi)角（AoD）解決方案。可以以節(jié)省時(shí)間的方式來(lái)設(shè)置RTLS軟件解決方案，該解決方案可提供亞表位置的準(zhǔn)確性并具有高度的可移植性。RTLS位置測(cè)量使用雷達(dá)和相控陣技術(shù)的原理，如下圖所示。

RLTS技術(shù)可使位置檢測(cè)精度達(dá)到亞米級(jí)的水平。

從遠(yuǎn)處接收同一波的天線(xiàn)陣列會(huì)產(chǎn)生多個(gè)波形，這些波形的不同路徑之間會(huì)根據(jù)接收波的方向發(fā)生相位變化。通過(guò)在設(shè)施中的已知位置使用兩個(gè)天線(xiàn)陣列或信標(biāo)，可以在亞米精度內(nèi)檢測(cè)設(shè)施中每個(gè)低功耗藍(lán)牙（BLE）標(biāo)簽的位置。

關(guān)鍵是使用一些幾何技巧來(lái)估計(jì)來(lái)自?xún)蓚€(gè)定位器的每個(gè)標(biāo)簽的距離和角度。但是，由于多徑，極化和抖動(dòng)變化，每個(gè)位置讀數(shù)都相當(dāng)復(fù)雜。在這里，復(fù)雜的算法會(huì)介入以糾正錯(cuò)誤，并將位置測(cè)量的精度提高到小于一米。

可靠性至關(guān)重要

藍(lán)牙手鐲已在多個(gè)國(guó)家/地區(qū)用于COVID-19公共衛(wèi)生緊急情況，許多組織也正在考慮使用它們。在這種對(duì)時(shí)間敏感的危機(jī)中，必須非常緊急地評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的可靠性。需要評(píng)估接近檢測(cè)的可信度，并與解決方案一起披露。錯(cuò)誤的否定會(huì)威脅到人類(lèi)的生命，而錯(cuò)誤的肯定會(huì)觸發(fā)不良的連鎖反應(yīng)。

為了使人們安全地依賴(lài)此技術(shù)，他們需要意識(shí)到它的局限性。例如，已知RSSI可以檢測(cè)到幾厘米內(nèi)的接近度。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行評(píng)估以及在不同環(huán)境下進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和比較分析都是全面分析系統(tǒng)可靠性的必要條件。從中立的角度評(píng)估系統(tǒng)的性能是其影響的基礎(chǔ)，尤其是由于缺少管理機(jī)構(gòu)或標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。

編者注：本文僅作一般參考之用，并概述了不斷發(fā)展的特定發(fā)展?fàn)顩r。它不旨在也不應(yīng)被解釋為公共衛(wèi)生指南。—瑪吉德·艾哈邁德（Majeed Ahmad）

Asem Elshimi是Silicon Labs的IoT無(wú)線(xiàn)解決方案的RFIC設(shè)計(jì)工程師。

編輯：hfy