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原创深度:简单一文,快速了解蓝牙的发展历程与未来发展方向

2019-08-07
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原创文章

蓝牙®无线技术的不断发展给人留下了深刻的印象;它最初用于手机之间的无线传输,但自2010年推出蓝牙4.0的“标志性元素”的低能耗(LE)版本以来,得以迅猛发展。蓝牙LE将这项技术的应用范围扩展到使用普通电池资源的设备上,让数千种以前的"哑终端"拥有了无线连接功能。


在早期,蓝牙LE的发展主要是由"附件"市场推动的,可穿戴设备、玩具、自行车灯和咖啡机等可以通过智能手机直接控制的无线产品。该技术的主要属性使其能很好地满足作为物联网(IoT)基础的无线传感器的需求。而近期推出的蓝牙® 5更是提升了吞吐量,扩大了传输范围,增强了共存性,巩固了蓝牙技术在推动“智能”未来方面的重要地位。


蓝牙4.0和蓝牙5的成功离不开市场营销人员的大力宣传,不过这些标准的修订也确实推动了技术的迅猛发展。相比之下,最新升级版蓝牙5.1的市场宣传力度虽有所下降,但它却能解决其他无线技术无法解决的问题。


定位问题


伽利略、全球定位系统(GPS)和全球导航卫星系统(GLONASS - GLObal NAvigation Satellite System)等全球导航卫星服务是许多导航和跟踪应用的主要组成部分,但如果无法与卫星保持"视线可及"关系,这些系统就将无法运行。虽然工程师们已经提出了其他解决方案,例如根据Wi-Fi路由器的已知位置来确定系统位置,但这些解决方案的精度仅有10米左右。


蓝牙技术采用了接收信号强度指示器(RSSI - Received Signal Strength Indicator)的方法来估计蓝牙收发器的位置(例如,嵌入在消费者智能手机中)。顾名思义,该技术的工作原理是根据蓝牙信号强度来估计从收发器到已知固定点(例如信标)的距离。这种系统通常无法确定目标收发器的确切位置,只能将范围缩小至信标周围已知半径范围内的区域,而且仅限于放置在水平面(如地板)上的蓝牙收发器。墙壁和其他障碍物会导致信号发生一定程度的衰减(具体程度未知),进而降低精度。


采用Wi-Fi和蓝牙技术的接近系统已广泛应用于零售行业,这种系统可以根据消费者的大致位置向其提供信息,但各种方法都不是特别精确,无法满足室内导航或资产跟踪需求。


角度计算法


蓝牙芯片供应商NordicSemiconductor的高级产品营销经理John Leonard称,蓝牙5.1引入了一种“测向”技术,大大提高了该协议在室内导航和资产跟踪方面的用途。


Leonard解释说,这次修订引入了三维空间精确定位功能,此功能对于室内环境的影响如同GPS之于室外定位。


蓝牙5.1测向功能将RSSI与信号源角度相结合,从而将收发器在空间中的位置精确到一米左右,而不只是圆周上的某个位置。这项新技术解释起来非常复杂,可能需要很长的篇幅,本文就简单地介绍一下两种确定方向的方法:


  • 接收信号的到达角(AoA)

  • 发射信号的出发角(AoD)


具体来说,AoA是通过测量到达多个天线的特定信号源之间的相位差来确定的。如果天线垂直于发射器,则相位差实际上为零;随着角度的增加,发射器到每个天线的距离将发生细微变化,相位差也会随之增加。然后,通过算法对相位差数据进行处理,以估算出发送器和接收器之间的角度。借助于AoA方法,接收设备便能估计出发射器的位置。


当采用AoD技术时,接收器仅使用一个天线,而发射器装有多个天线,并依次发射信号。AoD使接收设备能够利用多个固定接收器的角度计算其在空间中的位置。


测向功能可以运用在二维或三维空间中,具体取决于天线阵列的复杂程度。AoA和AoD采用了精心设计的天线阵列和软件,保证了±2°的角精度和约半米的位置精度。


设计难题


蓝牙5.1测向功能只是一种理想状态下的理论,虽然一些制造商已经提出了商业解决方案,但开发实际应用时并没有那么简单。许多蓝牙开发者都了解单独的收发器天线,但对于天线阵列却不够熟悉。即使有了合适的阵列,极化、多径干扰、时钟抖动和传播延迟等因素也会增加从噪声中提取纯相位信息的难度。


由于医疗、安防和军事应用在很早之前就已经开始运用一些算法来计算无线电信号角度,因此有一些经过验证的算法可供设计者用作蓝牙测向的基础。但是,还需要进行大量的微调来适应目标应用场景。此外,这些算法还要求蓝牙片上系统(SoC)拥有强大的处理器以及大容量闪存和RAM。


将蓝牙5.1测向技术添加到无线技术中,为许多新应用提供了潜力,包括室内导航、资产跟踪和新一代更复杂的信标。据蓝牙技术保管人即蓝牙特别兴趣小组(SIG)预测,到2022年每年将会推出4亿个蓝牙“定位服务”产品。但这个过程将非常艰辛。建议对此技术充满好奇心的工程师,在开始第一个项目之前,向信任的分销商寻求指导和建议。


 

作者简介

Steven Keeping拥有英国布莱顿大学(荣誉)本科学位。在Eurotherm和BOC公司电子部工作7年后,他加入了《电子产品》杂志,并在接下来的13年里,担任电子产品制造、测试和设计等领域的高级编辑和出版人,包括英国和澳大利亚的三一镜报、CMP和RBI的《电子产品的新技术》、《澳大利亚电子工程》等。2006年,史蒂文成为专攻电子领域的自由撰稿人,目前在悉尼定居。


原文链接:

https://www.mouser.cn/blog/bluetooth-heads-in-new-direction


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