如何快速利用蓝牙AoA和AoD进行室内物流跟踪

作者：Jeff Shepard

来源： digikey

仓库和工厂的实时资产跟踪是工业4.0的一个重要方面。各种技术可用于部署实时定位服务 (RTLS) 用于资产跟踪和改进物流系统.全球定位系统 (GPS) 广泛用于室外 RTLS 实施， 但信号并不总是在建筑物内可用.Wi-Fi 是另一种选择，但它往往精度有限，需要大量功率，并且部署成本可能很高。射频识别(RFID)功耗低，精度高，但往往价格昂贵。工业 4.0 RTLS 装置越来越多地转向蓝牙 5.1 测向技术，因为它们结合了高精度室内定位和低功耗， 蓝牙硬件的低成本， 和低成本的部署.

开发人员可能很想从头开始设计蓝牙 RTLS 系统.不幸的是，从RF信号获取到达角(AoA)和离角(AoD)数据所需的射频(RF)同相和正交(IQ)信息具有挑战性，并且需要集成多个天线。即使可以捕获 AoA 和 AoD 数据，在准确确定被跟踪项目的位置之前，位置计算也可能因许多因素而变得复杂，包括多路径传播、信号极化、传播延迟、抖动、噪声等。

相反， 设计人员可以转向片上蓝牙无线系统 (SoC)， 射频模块， 和天线用于工业 4.0 RTLS 应用.本文简要回顾了各种 RTLS 技术选择的性能权衡，并描述了如何实现蓝牙 AoA 和 AoD 位置.然后，它介绍了蓝牙 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，以及来自 硅实验室 和 优宝.还介绍了可以进一步加快上市时间的评估套件。

最常用的室内 RTLS 技术是使用 Wi-Fi 和蓝牙实现的 (表 1)：

无线网络指纹识别 使用建筑物中每个 Wi-Fi 接入点 (AP) 的位置和基站 ID (BSSID) 的数据库。资产标记扫描 Wi-Fi 环境并报告 Wi-Fi AP 列表及其关联的信号强度。然后，调查中的数据库用于估计标签的可能位置。此技术不支持高精度 RTLS.

无线网络飞行时间 (ToF) 更准确。它测量 Wi-Fi 信号在设备之间传输所需的时间。ToF 需要密集部署 AP 以提高 RTLS 的准确性.ToF和指纹识别都具有高设备成本和高能量要求。

蓝牙接收信号强度指示器 (RSSI) 通过使设备能够通过将接收到的信号强度与已知信标位置进行比较来确定它们与附近蓝牙信标的大致距离来支持 RTLS.RSSI使用更少的能量，并且比Wi-Fi指纹或ToF成本更低，但它的准确性有限。湿度水平和机器人等环境因素或人员在设施周围移动并干扰蓝牙信号水平等环境因素可能会进一步降低其准确性。

蓝牙 AoA 是最新和最准确的室内 RTLS 技术.除了提供高精度外，它还使用相对较少的功率且成本低。但是，与其他替代方案相比，它的实现更复杂。

表 1： 室内 RTLS 可以使用各种 Wi-Fi 和蓝牙技术来实现，这些技术在精度之间进行权衡， 功耗， 和成本.(表格来源：u-blox)

蓝牙 AoA 和相关 AoD， RTLS 解决方案依靠天线阵列来估计资产的位置 (图 1).在 AoA 解决方案中，资产从单个天线发送特定的测向信号。接收设备具有天线阵列，并测量由每个天线与资产的距离不同引起的各种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取 IQ 信息。然后使用 IQ 数据计算资产的位置。在 AoD 解决方案中， 确定位置的定位器信标使用阵列中的多个天线传输信号，并且接收设备具有单个天线.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 是使机器人能够以良好的准确性和低延迟确定它们在设施中的位置的首选技术。

图 1：天线阵列构成了蓝牙 AoA 和 AoD RTLS 实施的基础。(图片来源：硅实验室)

基于 AoA 的 RTLS 跟踪的基本概念很简单： Θ = arccos x ((相位差 x 波长) / (2 π x 天线之间的距离))(图 2).实际实现更加复杂，需要考虑由环境变量、多径信号、变化信号极化和其他因素引起的信号传播延迟。此外，当天线在阵列中使用时，它们可能会经历相互耦合并影响彼此的响应。最后，开发将所有这些变量考虑在内并在资源受限的嵌入式环境中的时间关键型解决方案中有效实现它们所需的算法可能非常具有挑战性。对于开发人员来说幸运的是，完整的蓝牙 AoA 和 AoD 解决方案包括 IQ 数据收集和预处理、多路径组件抑制、 补偿环境因素，以及天线之间的相互耦合。

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

适用于蓝牙 AoA 和 AoD 的 SoC

开发人员可以求助于 SoC，例如 EFR32BG22C222F352GN32-C 从Silicon Labs实现蓝牙5.2网络和AoA和AoD。该 SoC 是 EFR32BG22 无线 Gecko系列的一部分，该系列包括一个最大工作频率为 76.8 MHz 的 32 位 Arm® Cortex-M33® 内核、一个具有低工作和睡眠电流的 2.4 GHz 节能无线电内核和一个集成功率放大器，在 4 × 4 × 0.85 毫米 (mm) QFN32 封装中具有高达 6 分贝米 (dBm) 的发射 (TX) 功率(图 3)。它们包括使用信任根和安全加载程序 (RTSL) 的安全启动。其他安全功能包括针对 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 的真随机数生成器 (TRNG)。此外，根据型号的不同，这些 SoC 具有高达 512 kB 的闪存和 32 kB 的 RAM， 除 QFN32 外，还提供 5 × 5 × 0.85 mm QFN40 封装和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封装。

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

这 BG22-RB4191A 无线专业套件包括一个基于 2.4 GHz EFR32BG22 无线壁虎 SoC 的测向无线电板和一个针对精确测向而优化的天线阵列，可以加速使用 AoA 和 AoD 协议开发基于蓝牙 5.1 的 RTLS 应用(图 4)。主板具有多种工具，可轻松评估和开发无线应用，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

　　使用先进的能量监控器进行实时电流和电压测量

　　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接收和传输的无线数据包的调试信息

图 4：BG22-RB4191A 无线专业套件与 EFR32BG22 无线壁虎 SoC 和天线阵列可以加速 AoA 和 AoD RTLS 应用的开发。(图片来源：硅实验室)

用于蓝牙 AoA 和 AoD 的模块

u-blox 提供带或不带集成天线的蓝牙模块，支持 AoA 和 AoD。对于受益于不带集成天线的模块的应用，设计人员可以转向 NINA-B41x 系列，例如 尼娜-B411-01B，基于北欧半导体 nRF52833 集成电路(图5)。这些模块包括一个集成的射频内核和带有浮点处理器的 Arm® Cortex-M4®，可在所有蓝牙 5.1 模式下运行，包括 AoA 和 AoD。工作温度范围为 -40 至 +105 摄氏度 (°C)， 这些模块非常适合工业环境中的 RTLS 应用.此外，其 1.7 至 3.6 V 的输入电压范围使其可用于单节电池供电系统。

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：数码钥匙)

u-blox 的 NINA-B40x 系列，例如 尼娜-B406-00B，包括一个集成到 10 x 15 x 2.2 mm 模块 PCB 中的内部 PCB 走线天线(图 6)。NINA-B406 模块可提供高达 +8 dBm 的输出功率。除了支持蓝牙 5.1 模式(包括 AoA 和 AoD)外，这些模块还支持 802.15.4(Thread 和 Zigbee)和北欧专有的 2.4 GHz 协议，使设计人员能够在单个模块上实现标准化，适用于各种物联网设备设计。

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：数码钥匙)

为了加快上市时间，设计人员可以使用 XPLR-AOA-1 u-blox 的探索套件，允许试验蓝牙 5.1 测向功能并支持 AoA 和 AoD 功能。该探索器套件包括一个标签和一个带有 NINA-B411 蓝牙 LE 模块的天线板(图 7)。该标签围绕 NINA-B406 蓝牙模块构建，包括用于发送蓝牙 5.1 广告消息的软件。天线板设计用于接收消息并应用角度计算算法来确定标签的方向。使用板上的天线阵列在二维空间中计算角度。

图 7：XPLR-AOA-1 浏览器套件包括一个标签(左)和一个天线板(右)，以支持蓝牙 AoA 和 AoD 的评估。(图片来源：u-blox)

XPLR-AOA-1套件的灵活性使设计人员能够探索各种应用，例如：

　　检测物体是否正在接近门

　　使摄像机能够跟踪在房间中移动的资产

　　跟踪通过闸口或经过特定位置的货物

　　避免机器人或自动导引车之间的碰撞

　　此外，可以使用多个XPLR-AOA-1套件创建更复杂的定位系统，并对三个或更多天线板的方向进行三角测量。

总结

蓝牙 AoA 和 AoD 可以为工业提供准确且经济高效的 RTLS 实施 4.0.设计人员可以从 SoC 和模块中进行选择，这些模块包含快速实现部署蓝牙 AoA 和 AoD 所需的复杂软件所需的软件。这些 SoC 和模块针对低功耗进行了优化，以支持电池供电的位置标签，设计用于在恶劣的工业环境中运行。