蓝牙5.1“寻向功能”让IoT走向新高度

翻译自—microcontrollertip，Mark de Clercq，Dialog半导体公司

摘要：

最新版蓝牙通信标准于2018年1月发布，值得注意的是蓝牙5.1的特性是一种有效的识别蓝牙发射机和接收机方向的新方法。该规范还介绍了其他旨在加快通信和提高能源效率的进展。蓝牙集成电路制造商已经发布了支持新5.0规范特性的硬件。以下介绍一下蓝牙5.1带来的变化，以及应用案例。

蓝牙接收器凭借信号强度来预测到达蓝牙发射器的距离。蓝牙5.1提供了两种使用多个发射/接收天线从而更精确的寻向方法。为了实现“Angle of Arrival”（AoA）抵达角[1]，接收机必须至少有两个天线(最小间距6.2 cm)，而发射机可以有一个。在AoA中，接收机利用多个接收到的信号来推断源的角度。同样，出发角(AoD)则需要至少有两个天线的发射机。该接收装置可以有一个天线，接收多个信号，并从中获得源的角度。

蓝牙5.1规范中规定，蓝牙测向功能支持两种确定方向的方法蓝牙信号，两者都基于天线阵列的使用到达角（AoA）和出发角（AoD）。

在蓝牙5.1实现的到达角(AoA)方法中，蓝牙5.1是一种在实时定位系统(RTLS)中传输信号的一种设备。两个蓝牙设备之间必定得有个多天线阵列的规划，多天线组成一个平面，经过这些天线承受的数据的不同导致产生相位差，进而核算出一个角，丈量出信号的方向，当然，与之前核算间隔的方法相结合，最终就算出方位信息了。

在出发角(AoD)方法中，蓝牙定位信标等设备通过天线阵列传输信号。接收设备，如智能手机，使用一个天线接收信号，解码后计算相对信号方向。这种测向方法用于室内定位系统，如寻路系统。

需要注意的一点是:遵循5.1规范的设备范围与早期版本相同。但是，当障碍物在视线范围内时，仅使用信号强度来定位蓝牙源的准确性就会严重下降。三角算法定位的能力可能会带来实时定位系统和室内定位系统等功能。

测向功能使用同相和正交(IQ)采样来测量天线接收到的射频相位。在AoA中，采样过程应用于阵列中的每个天线，每次一个，并按照阵列设计的顺序进行。采样数据通过主机控制器接口(HCI)向上传递到蓝牙协议栈，其中算法计算一个设备与另一个设备的方向。

测向功能使用同相和正交(IQ)采样来测量天线接收到的射频相位。在AoA中，采样过程应用于阵列中的每个天线，每次一个，并按照阵列设计的顺序进行。采样数据通过主机控制器接口(HCI)向上传递到蓝牙协议栈，其中算法计算一个设备与另一个设备的方向。

蓝牙协议的某些部分进行了修改以支持IQ采样，并通过栈中较高层使用。例如，在链路层定义了一个名为Constant Tone Extension（CTE）的新字段，它提供了一个恒频率和波长的信号材料，可以对其进行IQ采样，所以不用担心干扰问题。

5.1规范还对GATT(通用属性配置文件)进行了一些增强，它定义了两个BLE设备使用称为服务和特征的概念来回传输数据的方式。这些改进通常是为了提高蓝牙设备之间的能源效率和更快的“握手”速度。但是其中一些正在为将来的规范版本的增强做准备。

传统蓝牙位置服务多是基于RSSI和三点定位来实现的：(左图是3个接收器+1个发射器，通过3点定位来追踪tag的位置<实时定位>；右图是3个发射器+1个接收器，通过分析3个发射器信号来计算接收器的位置<室内定位>）。传统的方法可用来提供米级别的定位方案，精度并不太高、且部署安装复杂。

蓝牙5.1中的AoA和AoD功能旨在为实时定位系统(RTLS)和室内定位系统(IPS)带来更高的精度。用于资产跟踪的蓝牙RTLS设置使用蓝牙接收器，通常称为定位器，在整个设施的固定位置。定位器连接到称为位置引擎的集中服务器。蓝牙发射器通常被称为标签，被附加到系统正在跟踪的实体上。标签周期性地向定位引擎发送一个信号，该信号估计每个定位器的位置。在ip中，称为定位信标的蓝牙发射机驻留在固定位置。游客通常使用智能手机上的应用程序来监听定位信标。该应用程序使用接收到的信号强度来计算其实时位置。

从根本上说，蓝牙5.1定义了如何让BLE客户端跳过设备上的服务发现，在这些设备上，自上次通信以来没有发生任何变化。客户端现在可以推断它所连接的设备与之前的连接类型是否相同，并且具有客户端已经缓存的属性表。如果某些细节相同，客户机可能决定跳过连接协议的某些部分，因为它已经拥有了所需的数据。

蓝牙智能锁就是一个典型的例子，当户主走近时，智能手机就会打开门锁。这种技术只需要在用户第一次打开智能锁时进行激活。用户可能只是在第一次开门时会注意到门被延迟了，但从那之后，他们将体验到近乎瞬间的响应。

先进的架构

蓝牙5.1包含的新特性给蓝牙控制器增加了额外的计算负载。在处理额外的工作时，某些体系结构特性可以派上用场。例如，三角测量过程可以采用复杂的算法。因此，包括数字信号处理和大内存在内的架构特性都是很有帮助的。

此外，由于三角测量涉及来自多个天线信号，蓝牙控制器必须包含处理多个射频信号的方法。由于单天线蓝牙的市场仍然很大，实现蓝牙5.1标准的控制器可能通过包含用于快速操作外部RF开关的架构特性来处理对多个RF路径的需求，而不是包括蓝牙控制器IC本身的开关。

目前已经有一些厂商开发出了符合蓝牙5.1标准的蓝牙芯片，Dialog就是其中之一。他们发布了支持蓝牙5.1的DA1469x系列产品，可以到AoA和AoD特性实现精准定位，Dialog业务总监Mark De Clercq表示凭借其世界级的无线电前端性能和可配置协议引擎，DA1469x可为楼宇门禁和远程无钥开锁系统等需要精准室内定位设备开辟了新的机会，他表示，在寻向功能实现中，天线设计至关重要，Dialog提供天线参考设计，这是Dialog在给媒体演示蓝牙5.1开发套件。

关于DA1469x芯片需要注意的另一点是，编程人员可以通过API[2]使用AoA和AoD函数。这消除了对如何处理原始AoA/AoD数据的详细知识的需要。

DA1469x集成电路的其他一些特性与AoA/AoD功能没有特别的关系，但是对于现代物联网的需求非常有用。这些特性包括触觉反馈驱动程序、步进电机驱动程序(旨在处理混合模拟/数字时钟中的模拟时钟运动)、LCD驱动程序、用于读取传感器的高精度ADC和其他专用模拟块。最后，一些版本的集成电路包括内置的锂离子和锂聚合物电池充电设施。总而言之，蓝牙5.1引入了许多功能，在增加用户体验的同时，可以更好地跟踪人和物体。

自低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)2010年正式推出以后，开发者就能够利用蓝牙为消费类、零售、医疗保健、公共场所及制造领域的各类应用创建功能强大、低成本的位置服务解决方案。全新寻向功将使蓝牙更好地满足位置服务行业中不断变化的需求，使部署更加灵活，更具可扩展性，且能够应对未来需求，进一步加速蓝牙在当前基于位置服务市场当中的普及率，同时为全新的应用和用例开启商机。

[1] AOA定位通过两直线相交确定位置，不可能有多个交点，避免了定位的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度，接收机必须配备方向性强的天线阵列。

[2]蓝牙API(ApplicationProgrammingInterface,应用程序编程接口)是一套用来控制蓝牙的各个部件(从窗口的外观到为一个新进程分配的内存)的外观和行为的一套预先定义的函数.用户的每个动作都会引发一个或几个函数的运行以告诉蓝牙和操作系统发生了什么。