=作者：Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）無線產品經理PriyankaSukumar

近年來，隨著藍牙技術的普及，個人和諸多行業都選擇藍牙而非傳統的RF設備作為定位技術，并從中受益。藍牙技術由藍牙技術聯盟（SIG）認證，藍牙技術提供標準化的無線技術解決方案，可在許多現有產品中輕松獲得，這些產品（例如智能手機）可以用作通用接收器。因此，許多企業都在大力投資藍牙領域以擴展其功能、進一步延長電池壽命并提升產品銷量。

藍牙測距技術是通過信號屬性或包傳輸特征，對兩個或更多設備之間的距離進行測量。現在藍牙測距技術開始替代RFID或NFC用于各種目標測距應用。這些應用可以分為兩類：接近感知系統（例如數字鑰匙）和定位應用，在定位應用中可以使用三邊測量或三角測量來追蹤目標。定位應用的示例包括資產追蹤、個人物品查找和室內導航等。

下面將針對上述不同的應用場景詳細介紹藍牙技術為其帶來的好處，并將深入探討如何使用不同的測距方法來擴展藍牙測距技術。此外，本文也將介紹一些新興的藍牙技術，并探討Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）為開發強大、可靠和安全的藍牙連接技術提供的一個生態系統、解決方案和產品組合。

藍牙位置服務的主要應用

許多基于位置的接近感知系統和定位系統，例如醫療行業、制造設施和政府機構的相關系統，都可以通過使用藍牙進行定位并從中獲益。例如在醫院場景中，出于健康和安全考慮，某些場所僅限某些患者和醫生進入。借助藍牙數字鑰匙技術，可以輕松實現進入權限管理和進入安全警報。

藍牙智能資產管理使追蹤諸如便攜式醫療設備等關鍵資產成為可能，例如病床和各種急救設施。智能資產管理不僅可以提高工作效率，還可以通過降低尋找正確設備所需的時間來挽救生命。此外，由于醫院是大型基礎設施，因此還可以通過藍牙技術實現室內導航。

下面將更詳細地介紹這些定位技術是如何通過藍牙實現的。

室內資產追蹤

為了提高效率、生產力和員工安全性，醫院和工廠等大型機構都需要配備能夠準確追蹤其重要資產的系統。下文探討了藍牙實時定位系統（RTLS）的幾種不同實現方式，這些實現方式為資產追蹤提供了不同級別的追蹤精度和接近度等詳細信息。

對于不需要精確定位的應用，當今最常見的解決方案是使用接收信號強度指示（RSSI），這是衡量接收器藍牙信號功率級別的指標。簡而言之，RSSI數據允許僅通過查看接收信號的強度來確定資產的大致位置。由于RSSI值是負數，因此當RSSI值越接近零時，資產也越接近接收器。

如今，由于大多數企業級Wi?Fi接入點都內置了能夠測量RSSI的藍牙射頻功能，因此如需了解資產的大致位置，RSSI是非常不錯的低成本方案，通常可實現五米左右的測量精度。

要實現更精確的定位則需要測向技術。藍牙5.1中發布的到達角（AoA）可實現亞米級精度定位資產。為了通過AoA追蹤資產，藍牙發射器芯片需要連接到資產上并不斷發送藍牙數據包。數據包由天線陣列捕獲，天線陣列可以安裝在天花板上。

資產標簽發送的藍牙信號在藍牙數據包的末尾添加了連續波擴展（CTE）。一旦天線陣列接收到這些數據包，天線陣列就會利用所有天線捕獲信號的相位差。然后將天線捕獲的數據發送到實時定位（RTL）庫，在該庫中執行三角測量以計算資產的x、y、z坐標。

為了實現藍牙設備間的高精度距離測量（HADM）（具備厘米級精度），藍牙技術聯盟目前正在制定一項相關規范。雖然該規范尚未正式發布，但是它將可能利用HADM技術實現更準確的資產追蹤。

室內導航

雖然如今使用GPS進行戶外導航十分普遍，但在諸如醫院或機場等大型、復雜的室內空間中進行定位導航卻具有挑戰性，因為這些場合缺乏導航基礎設施來確定人員的當前位置。然而，藍牙技術提供了多種方案來實現可靠的室內導航。

方案一是將藍牙信標技術整合到現有的基礎設施中。信標可以提供持續的無線電傳輸，可以被信標半徑內的任何藍牙掃描儀發現。對于大多數商業設施而言，一種方案是將信標添加到現有的Wi?Fi接入點和網關。另一種方案是將無線或藍牙連接整合到照明系統，之后發送信標，這樣做還可以降低電纜使用的數量。一旦信標就位并且訪客可以在智能手機等支持藍牙的設備上訪問室內樓層地圖，藍牙信標系統就可以像在室外使用GPS一樣輕松地用于室內導航。

信標技術的準確性取決于安裝的信標數量、環境因素或多徑衰落程度等因素。如果有更高的精度要求，藍牙5.1中引入的出發角（AoD）技術是一個不錯的選擇。AoD技術的工作方式與我們所探討的AoA技術相反。采用AoD時，天線陣列充當發射器，不斷發送數據包，數據包由支持AoD的移動設備接收。之后接收器通過這些信號計算相對信號方向和位置。雖然目前部分智能手機支持藍牙5.1協議，但手機還不支持測向。當手機支持測向功能時，AoD就極有可能使室內導航變得更加普遍。

數字鑰匙

由于所有的智能手機都具有藍牙技術，而且全球大約有83%的人都擁有智能手機，因此數字鑰匙應用相關的技術已經得到了良好的發展。雖然傳統上RFID和NFC技術被應用于數字鑰匙技術，但使用藍牙技術也會帶來一些好處。存儲在智能手機上的藍牙數字鑰匙增加了額外的安全層，因為需要密碼或面部ID才能登錄手機以訪問數字鑰匙。

智能手機的數字鑰匙可以輕松共享車輛或家庭鑰匙。例如，如果您有汽車數字鑰匙，您便可以通過應用程序安全地向另一用戶授予訪問權限，而無需提供實體鑰匙。

個人物品查找

雖然在上文的醫院場景中沒有提及個人物品查找功能，但這是通過藍牙技術獲取的另一項關鍵定位技術。如今，Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag等設備已經在利用藍牙技術實現個人物品查找。專家預測到2026年將出貨1.4億個用于個人物品查找的設備追蹤器，因此，這也是一個快速增長的細分市場。

例如每個Apple AirTag都會發出一個唯一的藍牙標識符，它可以被附近的iPhone、iPad和Mac設備檢測到，而這些設備是Apple FindMy網絡的一部分。Find My網絡中接收信號的設備將標識符連同位置數據一起中繼到Apple服務器。因此，要找到丟失的物品，只需在手機上登錄Apple Find My應用程序，然后在地圖上查看物品的位置即可。為了進一步提高準確性，我們也正在努力在藍牙設備之間實現HADM。

通過RSSI和其它技術改進藍牙測距技術

定位追蹤藍牙技術在個人應用和商業用途中越來越受歡迎，但很明顯，現有的測距技術將無法滿足性能要求，尤其是無法滿足密集的室內環境所提出的要求。雖然RSSI與上文討論的AoA或AoD等測向技術相結合，與單獨使用RSSI相比可顯著提高準確性，但將這些新功能添加到設備時會增加基礎設施成本和設計復雜性。

相反，使用單個天線而非相控矩陣，這種更簡單的替代解決方案可以降低所需的系統資源和部署的成本。除了高精度之外，對于高機密應用而言，藍牙RSSI測距也不是理想的選擇，這是因為設備接收到的信號強度很容易通過RF信號放大進行篡改。

測量兩個設備之間的數據包傳輸時間（或飛行時間）和測量RF信號的相位可以進一步提高藍牙測距的準確性、簡單性和安全性。

測量數據包傳輸時間

測量兩個設備之間的數據包傳輸時間需要知道設備間發送信號所需的往返時間。往返時間是在發起設備發送數據包到響應設備時開始，并且在響應設備接收到數據包并返回到發起設備時結束。當發送第一個數據包時，發起設備啟動一個計時器，當收到數據包時，響應設備啟動計時器。

在響應設備上，定時器在發送數據包時結束，而在發起設備上，定時器在收到數據包時結束。通過使用兩個設備上的到達時間和離開時間，可以得到兩個計時器值用于查找飛行時間。下圖顯示了數據包是如何發送的以及計算是如何進行的。

由于與無線電中采用的晶體頻率相比，光速更快，因此使用分數定時技術來提高精度并解決IQ采樣過程中出現的采樣不確定性，從而在僅使用一個通道時實現米級精度。然而，對于多個藍牙通道而言，平均多個藍牙通道的測量結果有助于實現更高的準確度。

此外，由于測量是在藍牙連接間隔期間進行的，如果連接間隔較長，則可以進行更多的測量，這也有助于提高準確性。這意味著整個測量過程的持續時間是可變的，具體取決于配置的參數，例如通道數和連接間隔時間。此外，當使用飛行時間來測距時，其安全性本質上比使用RSSI更好，這是因為這些測量是基于時間的，并且時間不能逆轉。

RF信號相位測量

測量RF信號的相位是基于這樣一個事實，即電磁波的相位可以建模為頻率和傳輸距離的函數。因此，空間傳輸引起的相位差可用于計算距離。假設頻率相同，測量傳輸相位需要使用發起設備和響應設備本地振蕩器的相位偏移。實際上，頻率可能不一樣，但可以進行校準。

響應設備接收信號時查看測量的相位，它等于發起設備的相位加上傳輸相位減去響應設備的相位。同樣地，發起設備接收到信號時，測得的相位等于響應設備的相位加上傳輸相位減去發起設備的相位。通過將這些測量值相加，就會得到要計算的傳輸相位，這也就意味著可以得到往返相位的測量值。這里的測量值是至少在兩個頻率上測得的。

現在分三個階段來分析整個距離估計過程。第一階段是校準，這時設備之間的頻率偏移必須通過偏移估計進行補償。接下來是測量階段，通過在多個信道上交換未調制的載波來測量相位差。最后是計算階段，在該階段，測距算法采用來自發起設備解調器的IQ樣本進行后置濾波和測距計算。

同時要關注安全性，這一點同樣重要。攻擊者要操縱相位比較困難，這是因為攻擊者需要知道節點的精確空間知識和高級RF生成邏輯。因此，與基于RSSI的解決方案相比，使用相位測距是相對安全的。

用于資產追蹤的RF相位測量示例

在現實世界中，我們可以使用訪問點和標簽來替換上文所討論的發起設備和響應設備。試想，如何測定標簽和接入點之間的距離來追蹤資產？這就需要一個基于連接的雙向測距方案；因此，首先要在兩個設備之間建立藍牙連接。連接經過加密和保護，然后配置測距算法參數，包括信道數、發射功率和連接間隔。接入點在第一個信道上啟動相位測量程序，之后在配置的信道數量上重復測量。通常，至少需要40個信道才能達到亞米級精度。但是，如果最終應用無需亞米級精度，則可以減少信道數。

最后，一旦完成所有相位測量，測距算法軟件將IQ樣本作為輸入內容并進行處理，并應用濾波以去除任何異常值并減輕多徑效應以計算距離。只要保持連接并且設備能夠每秒產生多個距離計算值，這一過程可不斷重復。

為了說明相位測距優于RSSI測距，現在通過比較使用這兩種技術在最遠30m的幾個距離處測量的錯誤率進行驗證。在本示例中，測量是在多徑干擾不可避免的室內辦公環境中進行的。每個距離都采集了數百個樣本以確定絕對誤差并繪制出如下所示的數據集。

一般而言，相位測距精度的目標是小于60cm。如上所示，相位測距的測量值是穩定的，并且25m內誤差小于60cm，30m內精度達到1m以內。而使用RSSI，即使在很短的距離上也不太可能達到亞米級精度，而且錯誤率會隨著距離的增加而增加，在距離超過25m時，誤差可達到10m以上。

借助Silicon Labs技術將藍牙定位技術推向市場

Silicon Labs提供各種各樣的藍牙片上系統（SoC）和模塊選項以及豐富的開發工具，為開發穩健、可靠和安全的藍牙連接解決方案提供了一站式資源和服務。無論用戶所需是超緊湊型、低功耗、遠距離還是極高的RF靈敏度，Silicon Labs都能為每種應用提供最佳解決方案。

例如Silicon Labs的2.4GHz無線SoC和模塊的BG24系列具有大閃存和RAM容量以及PSA Level 3 Secure Vault保護，使該SoC成為家居、醫療和工業應用的理想選擇。如果電池壽命和尺寸是要考慮的關鍵因素，Silicon Labs還提供BG22 SiP模塊和SoC，在紐扣電池供電下可運行長達10年，并配備軟件以實現資產追蹤、亞米級精度室內導航等。Silicon Labs所有的藍牙模塊和SoC提供共享和重用的開發者體驗，這意味著開發者可以去進行面向未來的產品設計，并持續演進其產品組合。

本文同步刊載于單片機與嵌入式系統應用雜志

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