[原创] 蓝牙迎来强悍新功能,可使寻物和室内定位精度达到厘米级

2019-03-03
14:00:06
来源: 半导体行业观察

 

来自市场分析机构ABI Research的数据显示,2018年,全球蓝牙设备出货量达40亿个,预计到2022年,出货量可以达到52亿的规模。

今年1月,蓝牙技术联盟正式发布了蓝牙5.1规范,在这个规范当中很重要的一个新特性就是“寻向功能”(direction finding),这一新功能可帮助设备明确蓝牙信号的方向,进而帮助开发解读设备方向的蓝牙接近(proximity)解决方案,实现厘米级位置精度的蓝牙定位系统。

蓝牙技术联盟亚太区开发者关系经理任凯先生表示,在新兴市场,蓝牙技术在智能楼宇、智能家居、智能工业以及智能城市领域,都会有非常多的应用,而该联盟新推出的寻向功能,在这4个新领域会有非常多的应用。

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该联盟预计,蓝牙的位置服务市场,在2022年的产品出货量将超过4亿个。寻向功能就是要强化蓝牙位置服务。

基于位置的蓝牙服务解决方案通常分为两类:接近类解决方案和定位系统。如今,接近类解决方案可借助蓝牙,解读两台设备何时彼此靠近,以及相距距离的近似值。该类别同时包括物品追踪(item finding)解决方案(如个人财物标签)及地标(Point of Interest; PoI)信息解决方案(如邻近感知Beacon)。

引入寻向功能之后,蓝牙接近类解决方案将能够添加与设备方向相关的功能。例如,物品追踪解决方案将不仅可以告知用户已临近财物标签位置,还能让用户了解其所处的方向,显著提升用户体验。

定位系统可采用蓝牙来明确设备的物理位置,例如可用于资产跟踪的实时定位系统(Real Time Location System, RTLS)和可用于室内导航的室内定位系统(Indoor Location System, IPS)。如今,蓝牙定位系统在明确设备物理位置时的精度可达到米级。通过添加寻向功能,此类定位系统可将位置精度提升至厘米级。

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应用痛点

在接近类的解决方案中,有两个典型应用,一个是物品追踪,比如我们常常找不到钥匙、钱包等,可以通过蓝牙链路来确定两台蓝牙设备之间的距离。比如在钱包当中加入了一个蓝牙防丢器tag。

在接近类服务当中,还有另外一个典型应用,就是地标信息解决方案,也就是我们常说的Beacon,当我们进入一个商场,或者进入一个超市,可以通过手机,接收商场或者超市推送的Beacon信息,比如打折新品。

另外两个典型应用,来自于定位系统,首先是实时定位功能,RTLS主要应用在资产跟踪,这在工业、智能建筑里面都有应用场景。再有就是室内定位,蓝牙在这方面的应用是非常成熟的。

无论是实时定位,还是室内定位,包括接近类的应用,原理是类似的,都是基于数据包传输当中的接收信号强度,也就是RSSI – Radio Signal Strength Indication这样一个机制。通过接收到的RSSI强度,来虚拟产品在周围的大致范围。但是这种传统定位只能给出一个大致的方位,无法实现精确定位。这也就是为什么要在蓝牙最新的核心规范当中推出蓝牙寻向功能的原因。

 

寻向功能是怎么实现的?

蓝牙寻向功能,是将之前在其他频段、通过无线电寻向机制,加入到Buletooth Radio当中实现的。所以这是一种成熟的技术。

那么,蓝牙的寻向究竟是如何实现的呢?首先看一下第一种方式,也就是到达角Angle of Arrival(AoA),这里有一个蓝牙发射机,会通过单一天线,周期性地发送一些特殊的数据包,在蓝牙的接收机端,需要做多天线阵列,至少要有两个天线,这个接收机可以通过不断地使能各个天线来接收蓝牙发射机的特殊数据包,因为是不同的天线,所以在各个接收天线上收到的无线电信号,相位是有差别的。根据相位差。以及天线之间的距离,就可以算出到达角,有了这个到达角,问题就解决了,我们可以通过这个角度来实时了解我和设备相互之间的角度。

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还有另外一种机制,叫做Angle of Departure(AoD),出发角,它和Angle of Arrival是相反的。AoA的发射机是单天线,接收机是多天线。而Angle of Departure的发射机是多天线,接收机是单天线,发射机周期性地通过各个天线来发射低功耗蓝牙数据包,接收机通过一定的时系,通过各个天线发送出来的数据包,提取通过不同天线发出来无线电信号的相位差,通过相位差值,以及发射机天线之间的距离,就可以计算出Angle of Departure,也就是到达角,有了这个相对的角度,可以知道我们和被测节点之间的相对角度,从而实现寻向功能。这就是蓝牙寻向的基本原理。

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功耗方面,无论是AoA还是AoD,发射芯片并不需要提高发射功率,对于发射机的(物理层)变化没有任何干预,所以它的发射电流和接收电流,之前是多少,加入了AoA、AoD之后,它还是多少,主要是通过天线的切换,包括天线之间的距离,来计算出AoA、AoD的角度,是不会额外增加功耗的。

综上,自从推出了低功耗蓝牙以后,其定位服务应用就出现在了很多场景当中,比如博物馆、商场、工厂、仓库等等,这些应用主要是通过RSSI,也就是信号强度检测的机制,通过三边测量,来实现室内定位和实时定位功能。蓝牙技术联盟在最新的核心规范中推出的寻向功能,将室内定位的服务进行了增强,不仅可以使用原有的RSSI方案,还可以将蓝牙寻向功能中的AoA和AoD,加入到现有的这些蓝牙定位系统当中,实现更加精确的定位。

新的蓝牙寻向功能和现有的通过RSSI的定位机制,可以相互融合。相互之间进行补偿,进行校准,使得定位精度有质的提升。

 

智能家居专项组

蓝牙技术联盟于2017年7月发布了一个针对多点对多点的网络拓扑结构——蓝牙Mesh。它使低功耗蓝牙的拓扑结构从之前的点对点,点动多点,到现在的多点对多点。这样一个网络拓扑结构,对于蓝牙技术来说是一个革命性的变化。蓝牙点对点或者点对多点机制面对一些应用场景时是有缺陷的,通过蓝牙Mesh则可以解决这些问题,信息可以在网络当中进行路由,所以,这样的网络拓扑结构,对于控制系统、监控系统,包括一些自动化、照明应用,都会有极大的帮助和应用体验的提升。

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1月8日,蓝牙技术联盟宣布成立了一个智能家居专项组,其隶属于蓝牙技术联盟的自动化工作组,该专项组有两个特点:第一,组内的讨论将会使用中文;第二,开会时间将会采用北京时间。

可见,该专项组是蓝牙技术联盟专门针对大中华地区成立的,主要目的是解决目前蓝牙Mesh在智能家居领域应用的Model定义问题。因为蓝牙技术联盟在发布1.0版本的Model定义时,有通用的Model,但是当蓝牙Mesh应用到智能家居领域的时候,会员发现还有其他一些潜在的应用场景,需要有Model的支持。

据悉,已经有60多家公司加入到这个专项组当中。此外,该专项组不设会员等级界限,只要是蓝牙技术联盟的会员,都可以加入专项组进行讨论。

 

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