如何快速利用藍牙 AoA 和 AoD 進行室內(nèi)物流追蹤

作者：Jeff Shepard

倉庫和工廠的實時資產(chǎn)追蹤是工業(yè) 4.0 的一個重要方面。有各種技術(shù)可用來部署實時定位服務(wù) （RTLS） ，以進行資產(chǎn)追蹤和改善物流系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（GPS） 已廣泛用于室外 RTLS 實施，但建筑物內(nèi)無法實現(xiàn)始終有信號。Wi-Fi是另一種選擇，但其精確度往往有限，且電源需求大，部署成本很高。無線電頻率識別 （RFID） 功耗低，準(zhǔn)確性高，但往往成本高昂。工業(yè) 4.0 RTLS裝置正越來越多地轉(zhuǎn)向藍牙 5.1 測向技術(shù)，因為后者結(jié)合了高精度室內(nèi)定位和低功耗藍牙硬件的低成本、低部署成本優(yōu)勢。

對于開發(fā)者來說，從頭開始設(shè)計藍牙 RTLS 系統(tǒng)可能是很誘人的。遺憾的是，利用射頻信號來獲得計算收發(fā)器位置所需的到達角 （AoA） 和離開角 （AoD）數(shù)據(jù)的射頻 （RF） 同相和正交 （IQ） 信息極具挑戰(zhàn)性，并且需要整合多個天線。即使能夠捕獲 AoA 和 AoD數(shù)據(jù)，在準(zhǔn)確判定被追蹤物品的位置之前，位置計算也會因眾多因素而變得復(fù)雜，這些因素包括多路徑傳播、信號極化、傳播延遲、抖動、噪聲等等。

不過，設(shè)計者可以采用藍牙無線系統(tǒng)模塊 （SoC） 、射頻模塊和天線，用于工業(yè) 4.0 RTLS 應(yīng)用。本文簡要回顧進行各種 RTLS技術(shù)選擇時所做的性能權(quán)衡，介紹如何實現(xiàn)藍牙 AoA 和 AoD 定位。然后，介紹藍牙 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。此外，還介紹來自 Silicon Labs 和 u-blox 的相關(guān)天線。本文還介紹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)是通過 Wi-Fi 和藍牙實現(xiàn)的（表 1）：

Wi-Fi 指紋技術(shù)使用由建筑物中每個 Wi-Fi 接入點 （AP） 的位置和基站 ID （BSSID） 組成的數(shù)據(jù)庫。資產(chǎn)標(biāo)簽會掃描 Wi-Fi環(huán)境并報告 Wi-Fi AP 的列表及其相關(guān)的信號強度。然后，利用調(diào)查所得的數(shù)據(jù)庫來估計該標(biāo)簽的可能位置。這種技術(shù)不支持高精度 RTLS。

Wi-Fi 飛行時間 （ToF） 更準(zhǔn)確。這種技術(shù)測量的是 Wi-Fi 信號在設(shè)備之間傳播所需的時間。ToF 需要密集地部署 AP，以提高 RTLS的準(zhǔn)確性。ToF 和指紋識別都有很高的設(shè)備成本和高能耗量要求。

藍牙接收信號強度指示器 （RSSI） 支持 RTLS，通過比較接收信號強度和已知的信標(biāo)位置，使設(shè)備能夠確定與其附近的藍牙信標(biāo)的大致距離。與 Wi-Fi指紋或 ToF 相比，RSSI 所需的能耗量更少，成本更低，但其精確度有限。RSSI的準(zhǔn)確性會因環(huán)境因素的影響而進一步降低，如濕度和機器人，或者人在設(shè)施中移動并干擾藍牙信號水平。

藍牙 AoA 是最新、最準(zhǔn)確的室內(nèi) RTLS 技術(shù)。除了高精確度外，其能耗相對較小且成本低。然而，與其他替代方案相比，這種方法的實施更為復(fù)雜。

藍牙 AoA 和相關(guān)的 AoD，RTLS 解決方案依靠天線陣列來估計資產(chǎn)位置（圖 1） 。在 AoA解決方案中，資產(chǎn)會從單一天線發(fā)出一個特定的測向信號。接收設(shè)備配有天線陣列，并測量由每個天線與資產(chǎn)的不同距離造成的各個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得IQ 信息。然后，根據(jù) IQ 數(shù)據(jù)計算資產(chǎn)的位置。在 AoD解決方案中，待確定位置的定位信標(biāo)使用陣列中的多根天線發(fā)射信號，而接收設(shè)備只有一根天線。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 則是使機器人能夠以高精確度、低延遲來確定其在設(shè)施中的位置的首選技術(shù)。

基于 AoA 的 RTLS 跟蹤的基本概念很簡單：Θ = arccosx（相位差 x 波長）/（2π x 天線之間的距離）（圖2）。實際實施時會更加復(fù)雜，需要考慮環(huán)境變量、多路徑信號、不同的信號極化和其他因素造成的信號傳播延遲。此外，當(dāng)天線在陣列中使用時，會相互耦合并影響彼此的反應(yīng)。最后，開發(fā)時考慮所有這些變量所需的算法，并在資源受限的嵌入式環(huán)境中有效地實施時間關(guān)鍵型解決方案，可能是相當(dāng)困難的。對開發(fā)者來說，幸運的是完整的藍牙AoA 和 AoD 解決方案包括了 IQ 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理、多路徑成分抑制、環(huán)境因素補償和天線間的相互耦合。

用于藍牙 AoA 和 AoD 的 SoC

開發(fā)人員可以采用 SoC，如 Silicon Labs 的 EFR32BG22C222F352GN32-C 來實現(xiàn)藍牙 5.2 網(wǎng)絡(luò)以及 AoA 和AoD。該 SoC 是 EFR32BG22 Wireless Gecko 系列的一部分，包括一個最高工作頻率為 76.8 MHz 的 32 位 Arm?Cortex?-M33 內(nèi)核、一個具有低活動電流和低休眠電流的 2.4 GHz 高能效無線電內(nèi)核、一個發(fā)射 （TX） 功率高達 6 dBm 的集成功率放大器。該SoC 采用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝（圖 3）。該器件包括帶有信任根和安全加載器 （RTSL） 的安全啟動。其他安全功能包括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 NISTSP800-90 和 AIS-31 的真隨機數(shù)發(fā)生器 （TRNG）。此外，根據(jù)不同型號，這些 SoC 具有高達 512 kB 的閃存和 32 kB 的RAM，除了 QFN32 之外，還采用 5 × 5 × 0.85 mm 和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封裝。

BG22-RB4191A 無線專業(yè)套件包括一塊基于 2.4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC的測向無線電板和一個為精確測向經(jīng)過優(yōu)化的天線陣列，可以加快使用 AoA 和 AoD 協(xié)議的基于藍牙 5.1 的 RTLS 應(yīng)用的開發(fā)（圖 4）。主板上包括幾個方便評估和開發(fā)無線應(yīng)用的工具，包括：

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

使用先進的能量監(jiān)測器實時測量電流和電壓

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)已接收和傳輸無線數(shù)據(jù)包的調(diào)試信息

用于藍牙 AoA 和 AoD 的模塊

u-blox 提供支持 AoA 和 AoD 且?guī)Щ虿粠Ъ商炀€的藍牙模塊。對于那些獲益于無集成天線模塊的應(yīng)用，設(shè)計者可以采用 NINA-B41x系列，如基于Nordic Semiconductor nRF52833 IC 的 NINA-B411-01B（圖 5）。這類模塊具有一個集成射頻內(nèi)核和帶有浮點處理器的 Arm? Cortex?-M4，且在所有藍牙 5.1 模式下運行，包括 AoA 和AoD。這類模塊的工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃ ，非常適合工業(yè)環(huán)境中的 RTLS 應(yīng)用。此外，這類模塊的輸入電壓范圍為 1.7 V 至 3.6V，因此在單電池供電系統(tǒng)中很有用。

u-blox 的 NINA-B40x 系列，如 NINA-B406-00B，包括一個集成在 10 x 15 x 2.2 mm 模塊 PCB 上的內(nèi)置PCB 印制線天線（圖 6）。NINA-B406 模塊可以提供高達 +8 dBm 的輸出功率。除了支持包括 AoA 和 AoD 在內(nèi)的藍牙 5.1模式外，這些模塊還支持 802.15.4（Thread 和 Zigbee）和 Nordic 專有的 2.4 GHz協(xié)議，使設(shè)計者能夠在單一模塊上實現(xiàn)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。

為了加快上市時間，設(shè)計者可以使用 u-blox 的 XPLR-OA-1 探索者套件，該套件允許對藍牙 5.1 測向功能進行實驗，并支持 AoA 和 AoD功能。該探索者套件包括一個標(biāo)簽和一個帶有 NINA-B411 低功耗藍牙模塊的天線板（圖 7）。該標(biāo)簽基于 NINA-B406 藍牙模塊構(gòu)建，包括發(fā)送藍牙5.1 廣告信息的軟件。天線板用于接收信息，并應(yīng)用角度計算算法來確定標(biāo)簽的方向。角度是通過電路板上的天線陣列在兩個維度上計算出來的。

XPLR-OA-1 套件靈活性高，能讓設(shè)計者探索各種應(yīng)用，例如：

檢測物體是否在靠近門

使攝像機能夠跟蹤房間內(nèi)移動的資產(chǎn)

追蹤通過門或經(jīng)過特定位置的貨物

避免機器人或自動導(dǎo)引車相互碰撞

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

結(jié)束語

藍牙 AoA 和 AoD 可針對工業(yè) 4.0 實施準(zhǔn)確和經(jīng)濟的 RTLS。對于那些可以從 SoC和包含軟件的模塊中進行選擇的設(shè)計者來說，需要快速實施部署藍牙 AoA 和 AoD 需要的復(fù)雜軟件。這些 SoC和模塊針對電池供電型定位標(biāo)簽進行了低功耗優(yōu)化，且用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境。