借助最新一代低功耗藍牙核心規(guī)范5.1，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)為基于廣泛流行的藍牙標(biāo)準(zhǔn)的高精確度位置追蹤服務(wù)創(chuàng)造了更有利的條件。市調(diào)機構(gòu)ABI Research預(yù)計到2023年支持藍牙位置追蹤服務(wù)的產(chǎn)品銷售量將高達4.31億個。

除了采用RSSI技術(shù)的已知距離追蹤功能之外，全新藍牙核心規(guī)范還提供了可以確定信號方向的測向(direction-finding)功能，這可以實現(xiàn)精確度在幾厘米以內(nèi)的極精確位置追蹤，并且允許在消費領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用中提供各種嶄新潛在應(yīng)用。

基于接近性的解決方案和定位系統(tǒng)

藍牙位置追蹤服務(wù)可以采用基于接近性 (proximity-based) 的解決方案或定位系統(tǒng)的形式(圖1)。前者通常是用于估計兩個藍牙設(shè)備(通常是智能手機)之間的距離(在有效距離之內(nèi))的應(yīng)用。目前已投入服務(wù)的接近性解決方案的典型應(yīng)用包括信息點(point-of-interest, POI)解決方案，例如在零售業(yè)或博物館中，當(dāng)訪客接近POI時，他們會接收到有關(guān)他們面前物品的詳細信息。許多針對日用物品的功能也是基于接近性解決方案的概念。在這些應(yīng)用中，將信標(biāo)標(biāo)簽安置在需要定位的對象(鑰匙串、貨物托盤等)上，然后就可以使用智能手機找到這個信標(biāo)。

第二種類型是定位系統(tǒng)，它可確定封閉系統(tǒng)中各個物品的位置，所謂封閉系統(tǒng)是指封閉的空間區(qū)域，例如倉庫、博物館或機場大廳。最常見的應(yīng)用是即時定位系統(tǒng)(real-time location system, RTLS)和室內(nèi)定位系統(tǒng)(indoor positioning system, IPS)。

RTLS可以在封閉的系統(tǒng)中追蹤配備了合適標(biāo)簽的多個人員或物品，適用于諸如倉庫中設(shè)備、拖架或人員的定位和追蹤的應(yīng)用。

室內(nèi)定位系統(tǒng)與GPS有相似之處，但室內(nèi)定位系統(tǒng)可以在封閉的空間中運作。永久安裝的定位信標(biāo)會定時發(fā)送可由智能手機等設(shè)備接收到的信號，這些設(shè)備會根據(jù)與各個信標(biāo)的距離來計算出其相對位置。這些應(yīng)用可讓人們在機場或購物中心內(nèi)更容易找到目的地。

先前，所有基于藍牙的位置追蹤系統(tǒng)都是根據(jù)接收信號強度指示器(RSSI)所計算出來的估計距離來進行計算。接收器使用參考數(shù)值和實際測得的信號強度，便可計算出與信標(biāo)的距離，計算數(shù)值可以精確到幾公尺 (約1 m至10 m)以內(nèi)。

天線mesh實現(xiàn)測向

測向是藍牙5.1中的新功能，不僅可以確定信號的距離，還可以確定信號源的方向。基于接近度的傳統(tǒng)解決方案也可從中受益，因為信號的方向是一項十分重要的信息，它可以讓物品尋找變得更加容易。

為了確定信號的方向，位置信號的接收器(到達角(angle of arrival, AoA))或發(fā)送器(出發(fā)角(angle of departure, AoD))必須具有永久安裝的天線mesh (圖2)。在這兩種情況中，接收器都可確定信號的發(fā)出方向。

不過，測向算法不屬于藍牙5.1核心規(guī)范的一部分?？梢詫σ訟oA或AoD計算的一個或幾個角度進行三角測量以及使用RSSI測量的距離來確定這些角度，從而讓位置確定(location determination)精確到幾厘米以內(nèi)。

在封閉空間中AoA用于追蹤，AoD用于導(dǎo)航

在基于AoA的應(yīng)用中，發(fā)射器是帶有單一天線的信標(biāo)，例如智能手機或簡單標(biāo)簽。多個永久安裝的接收器(定位器)可用來確定所接收到信號的方向，其中每一個接收器都配備了復(fù)雜的天線mesh。

AoA應(yīng)用特別適合追蹤物品(RTLS)，例如在自動化生產(chǎn)或倉庫中。當(dāng)在信息點使用信標(biāo)時，這些AoA應(yīng)用還可以提高精確度?；贏oD的應(yīng)用會使用信標(biāo)信號發(fā)送器上的天線mesh，按順序通過不同的天線發(fā)送信號。在這種情況下，接收器(未來通?？赡苁侵悄苁謾C)將配備天線以接收這些順序信號。如果信標(biāo)的位置已知，則接收器可以確定其相對于發(fā)射器的位置。這使得基于AoD的應(yīng)用特別適合室內(nèi)定位系統(tǒng)(IPS)，例如在機場這種封閉的空間中進行簡易的導(dǎo)航。與當(dāng)前的IPS不同，用戶現(xiàn)在不僅可以接收其位置的信息，還可以接收有關(guān)其目的地方向的信息。與基于AoA的應(yīng)用不同，AoD方法更適合依靠無連接通信的情況。

天線mesh設(shè)計

不管使用哪種方法，測向功能最重要的成功關(guān)鍵之一就是天線的數(shù)量和配置。簡單地按照一個接一個方式排列的一系列天線，只能確定角度；但在三維空間中更復(fù)雜的配置，則可以確定水平和垂直的角度。藍牙SIG尚未提供有關(guān)天線配置的特定要求或建議，但當(dāng)更多關(guān)于新位置追蹤服務(wù)的規(guī)范公開發(fā)表時，便很可能會提供。

藍牙5.1潛力雄厚

隨著藍牙最新一代核心規(guī)范5.1及其測向功能的推出，藍牙 SIG已經(jīng)朝著提高位置追蹤服務(wù)精確度的方向邁出了重要的一步，這可以顯著改善各種應(yīng)用場景中的精確度。不過，如果要充分利用潛力，則還有許多問題需要考慮。例如，理想的應(yīng)用場景必須將反射和多徑干擾減到最少。理想的配置是一個封閉的系統(tǒng)，且具有足夠的永久安裝的定位器信標(biāo)，無論標(biāo)簽在任何位置也能夠檢測到。為了讓使用智能手機的室內(nèi)導(dǎo)航功能能夠在整個區(qū)域內(nèi)工作，必須將藍牙 5.1整合到所有現(xiàn)成的智能手機中。使用智能手機時還必須考慮極化(polarization)的問題，因為其方向幾乎無法控制。智能手機內(nèi)的空間有限，很可能只有一根天線，甚至在將來也是這樣，這就是為什么智能手機只能用作基于AoA應(yīng)用中的發(fā)送器或基于AoD應(yīng)用中的接收器。

展望

Nordic Semiconductor是首批可以提供支持全新藍牙核心規(guī)范5.1的多協(xié)議芯片級系統(tǒng) (SoC)的制造商之一，其nRF52833不僅支持藍牙測向和藍牙長距離(Bluetooth Long Range)，而且還支持藍牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及專有2.4 GHz協(xié)議，從而使得涉及距離測量的應(yīng)用可提供厘米精確度和方向信息。這款SoC器件采用具有512 kB閃存和128 kB RAM 的64 MHz ARM Cortex-M4F處理器。其它功能包括全速12 Mbit / s USB、高速32 MHz SPI和+8 dBm輸出功率。其模擬和數(shù)字接口包括NFC-A、ADC、UART / SPI / TWI、PWM、I2 S和PDM。nRF52833電源電壓范圍為1.7 V至5.5V，并可在–40°C至+105°C擴展溫度范圍內(nèi)工作。