如何快速利用蓝牙 AoA 和 AoD 进行室内物流追踪

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

仓库和工厂的实时资产追踪是工业 4.0 的一个重要方面。有各种技术可用来部署实时定位服务 (RTLS) ，以进行资产追踪和改善物流系统。全球定位系统 (GPS) 已广泛用于室外 RTLS 实施，但建筑物内无法实现始终有信号。Wi-Fi 是另一种选择，但其精确度往往有限，且电源需求大，部署成本很高。无线电频率识别 (RFID) 功耗低，准确性高，但往往成本高昂。工业 4.0 RTLS 装置正越来越多地转向蓝牙 5.1 测向技术，因为后者结合了高精度室内定位和低功耗蓝牙硬件的低成本、低部署成本优势。

对于开发者来说，从头开始设计蓝牙 RTLS 系统可能是很诱人的。遗憾的是，利用射频信号来获得计算收发器位置所需的到达角 (AoA) 和离开角 (AoD) 数据的射频 (RF) 同相和正交 (IQ) 信息极具挑战性，并且需要整合多个天线。即使能够捕获 AoA 和 AoD 数据，在准确判定被追踪物品的位置之前，位置计算也会因众多因素而变得复杂，这些因素包括多路径传播、信号极化、传播延迟、抖动、噪声等等。

不过，设计者可以采用蓝牙无线系统模块 (SoC) 、射频模块和天线，用于工业 4.0 RTLS 应用。本文简要回顾进行各种 RTLS 技术选择时所做的性能权衡，介绍如何实现蓝牙 AoA 和 AoD 定位。然后，介绍蓝牙 SoC 和射频模块，其中包括快速实现基于 AoA 和 AoD 的 RTLS 所需的软件。此外，还介绍来自 Silicon Labs 和 u-blox 的相关天线。本文还介绍可以进一步加快上市时间的评估套件。

最常用的室内 RTLS 技术是通过 Wi-Fi 和蓝牙实现的（表 1）：

Wi-Fi 指纹技术使用由建筑物中每个 Wi-Fi 接入点 (AP) 的位置和基站 ID (BSSID) 组成的数据库。资产标签会扫描 Wi-Fi 环境并报告 Wi-Fi AP 的列表及其相关的信号强度。然后，利用调查所得的数据库来估计该标签的可能位置。这种技术不支持高精度 RTLS。

Wi-Fi 飞行时间 (ToF) 更准确。这种技术测量的是 Wi-Fi 信号在设备之间传播所需的时间。ToF 需要密集地部署 AP，以提高 RTLS 的准确性。ToF 和指纹识别都有很高的设备成本和高能耗量要求。
蓝牙接收信号强度指示器 (RSSI) 支持 RTLS，通过比较接收信号强度和已知的信标位置，使设备能够确定与其附近的蓝牙信标的大致距离。与 Wi-Fi 指纹或 ToF 相比，RSSI 所需的能耗量更少，成本更低，但其精确度有限。RSSI 的准确性会因环境因素的影响而进一步降低，如湿度和机器人，或者人在设施中移动并干扰蓝牙信号水平。

蓝牙 AoA 是最新、最准确的室内 RTLS 技术。除了高精确度外，其能耗相对较小且成本低。然而，与其他替代方案相比，这种方法的实施更为复杂。

Wi-Fi         指纹识别                Wi-Fi 飞行时间                蓝牙 RSSI                蓝牙 AoA
精度                10 m                        1 m 至 2 m                5 m 至 10 m        0.5 m 至 1.0 m
功耗                高                        高                                中等                        低
安装成本        低                        中等                                低                        中等
设备成本        高                        高                                低                        低
表 1：室内 RTLS 可以使用各种 Wi-Fi 和蓝牙技术来实现，这些技术可以在精度、功耗和成本之间进行权衡。（表格来源: u-blox）

蓝牙 AoA 和相关的 AoD，RTLS 解决方案依靠天线阵列来估计资产位置（图 1） 。在 AoA 解决方案中，资产会从单一天线发出一个特定的测向信号。接收设备配有天线阵列，并测量由每个天线与资产的不同距离造成的各个天线之间的信号相位差。接收设备通过在阵列中的有源天线之间切换来获得 IQ 信息。然后，根据 IQ 数据计算资产的位置。在 AoD 解决方案中，待确定位置的定位信标使用阵列中的多根天线发射信号，而接收设备只有一根天线。接收设备使用多个信号来确定 IQ 数据并估计其位置。AoA 通常用于跟踪资产的位置，而 AoD 则是使机器人能够以高精确度、低延迟来确定其在设施中的位置的首选技术。


图 1：天线阵列是蓝牙 AoA 和 AoD RTLS 实施的基础。（图片来源：Silicon Labs）

基于 AoA 的 RTLS 跟踪的基本概念很简单：Θ = arccosx（相位差 x 波长）/（2π x 天线之间的距离）（图 2）。实际实施时会更加复杂，需要考虑环境变量、多路径信号、不同的信号极化和其他因素造成的信号传播延迟。此外，当天线在阵列中使用时，会相互耦合并影响彼此的反应。最后，开发时考虑所有这些变量所需的算法，并在资源受限的嵌入式环境中有效地实施时间关键型解决方案，可能是相当困难的。对开发者来说，幸运的是完整的蓝牙 AoA 和 AoD 解决方案包括了 IQ 数据收集和预处理、多路径成分抑制、环境因素补偿和天线间的相互耦合。


图 2：确定 AoA 的等式（右上方）使用了到达信号的相位差、信号波长和相邻天线之间的距离。（图片来源：u-blox）

用于蓝牙 AoA 和 AoD 的 SoC

开发人员可以采用 SoC，如 Silicon Labs 的 EFR32BG22C222F352GN32-C 来实现蓝牙 5.2 网络以及 AoA 和 AoD。该 SoC 是 EFR32BG22 Wireless Gecko 系列的一部分，包括一个最高工作频率为 76.8 MHz 的 32 位 Arm® Cortex®-M33 内核、一个具有低活动电流和低休眠电流的 2.4 GHz 高能效无线电内核、一个发射 (TX) 功率高达 6 dBm 的集成功率放大器。该 SoC 采用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封装（图 3）。该器件包括带有信任根和安全加载器 (RTSL) 的安全启动。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 NIST SP800-90 和 AIS-31 的真随机数发生器 (TRNG)。此外，根据不同型号，这些 SoC 具有高达 512 kB 的闪存和 32 kB 的 RAM，除了 QFN32 之外，还采用 5 × 5 × 0.85 mm 和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封装。


图 3：支持 AoA 和 AoD 的 EFR32BG22 无线 Gecko 蓝牙 SoC 采用 4×4×0.85 mm QFN32 封装（图片来源：Silicon Labs）。

BG22-RB4191A 无线专业套件包括一块基于 2.4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC 的测向无线电板和一个为精确测向经过优化的天线阵列，可以加快使用 AoA 和 AoD 协议的基于蓝牙 5.1 的 RTLS 应用的开发（图 4）。主板上包括几个方便评估和开发无线应用的工具，包括：

· 板载 J-Link 调试器：用于通过以太网或 USB 在目标设备上进行编程和调试
· 使用先进的能量监测器实时测量电流和电压
· 虚拟 COM 端口接口通过以太网或 USB 提供串行端口连接
· 数据包跟踪接口提供有关已接收和传输无线数据包的调试信息


图 4：具有 EFR32BG22 无线 Gecko SoC 和一个天线阵列的 BG22-RB4191A 无线专业套件能够加速 AoA 和 AoD RTLS 应用的开发。（图片来源：Silicon Labs）

用于蓝牙 AoA 和 AoD 的模块

u-blox 提供支持 AoA 和 AoD 且带或不带集成天线的蓝牙模块。对于那些获益于无集成天线模块的应用，设计者可以采用 NINA-B41x 系列，如基于Nordic Semiconductor nRF52833 IC 的 NINA-B411-01B（图 5）。这类模块具有一个集成射频内核和带有浮点处理器的 Arm® Cortex®-M4，且在所有蓝牙 5.1 模式下运行，包括 AoA 和 AoD。这类模块的工作温度范围为 -40℃ 至 +105℃ ，非常适合工业环境中的 RTLS 应用。此外，这类模块的输入电压范围为 1.7 V 至 3.6 V，因此在单电池供电系统中很有用。


图 5：NINA-B41x 系列模块支持使用外部天线的紧凑型 RTLS 解决方案。（图片来源：Digi-Key）

u-blox 的 NINA-B40x 系列，如 NINA-B406-00B，包括一个集成在 10 x 15 x 2.2 mm 模块 PCB 上的内置 PCB 印制线天线（图 6）。NINA-B406 模块可以提供高达 +8 dBm 的输出功率。除了支持包括 AoA 和 AoD 在内的蓝牙 5.1 模式外，这些模块还支持 802.15.4（Thread 和 Zigbee）和 Nordic 专有的 2.4 GHz 协议，使设计者能够在单一模块上实现广泛的物联网设备设计标准化。


图 6：受益于集成天线的 AoA 和 AoD 应用可以使用 NINA-B40x 系列模块。（图片来源：Digi-Key）

为了加快上市时间，设计者可以使用 u-blox 的 XPLR-OA-1 探索者套件，该套件允许对蓝牙 5.1 测向功能进行实验，并支持 AoA 和 AoD 功能。该探索者套件包括一个标签和一个带有 NINA-B411 低功耗蓝牙模块的天线板（图 7）。该标签基于 NINA-B406 蓝牙模块构建，包括发送蓝牙 5.1 广告信息的软件。天线板用于接收信息，并应用角度计算算法来确定标签的方向。角度是通过电路板上的天线阵列在两个维度上计算出来的。


图 7：XPLR-OA-1 探索者套件包括一个标签（左）和一个天线板（右），以支持评估蓝牙 AoA 和 AoD。（图片来源：u-blox）

XPLR-OA-1 套件灵活性高，能让设计者探索各种应用，例如：

· 检测物体是否在靠近门
· 使摄像机能够跟踪房间内移动的资产
· 追踪通过门或经过特定位置的货物
· 避免机器人或自动导引车相互碰撞

此外，还可以使用几个 XPLR-OA-1 套件并对三个或更多天线板的方向进行三角测量，以创建更复杂的定位系统。

结束语

蓝牙 AoA 和 AoD 可针对工业 4.0 实施准确和经济的 RTLS。对于那些可以从 SoC 和包含软件的模块中进行选择的设计者来说，需要快速实施部署蓝牙 AoA 和 AoD 需要的复杂软件。这些 SoC 和模块针对电池供电型定位标签进行了低功耗优化，且用于在恶劣的工业环境。