基于RF的室内定位和资产跟踪所面临的挑战

关于蓝牙测向（Bluetooth Direction Finding）功能的讨论近来非常火热，Silicon Labs物联网产品高级产品经理Mikko Savolainen特别针对这项标准技术撰写了一篇技术文章，帮助行业人士了解其崛起的来龙去脉，以及后续技术和应用发展的关注焦点。

自20世纪80年代民用全球定位系统（GPS）开放以来，GPS已经成为户外定位和资产跟踪的主流和实质的技术标准，应用范围从商用飞机到智能手机，从智能手表到火柴盒大小的GPS跟踪器等。然而，尽管存在许多尝试，但迄今为止，仍没有与GPS相当的主流技术出现在室内资产跟踪和定位领域。蓝牙测向技术现在正在改变室内资产跟踪和定位应用的格局，并极可能成为主流技术。

已经有许多技术尝试解决基于RF的室内定位和资产跟踪所面临的挑战，例如超宽带（UWB）、基于Wi-Fi或蓝牙接收信号强度指示（RSSI）的解决方案。虽然这些RF技术可以在一定程度上解决挑战，但它们都有各自的局限性，因此无法成为室内资产跟踪的理想选择。

UWB可能是室内定位应用中使用最广泛的技术。尽管众所周知UWB可以提供极高的厘米级精确度，但它尚未成为主流技术，这使得IC和模块价格居高不下，并限制了该技术的广泛应用。此外，UWB无线电的高功耗也限制了资产标签的电池寿命，从而增加了物料清单（BOM）或标签维护成本。

Wi-Fi是另一项已用于基于RF的室内定位服务的技术。尽管Wi-Fi拥有无处不在的基础设施优势（尤其是在零售和商业场所），可以为笔记本电脑、智能手机和其他终端提供互联网接入，但是基于RSSI的定位却无法提供高精度，通常仅限于5-10米的精度。此外，Wi-Fi也主要针对高速无线数据传输，因此创建低成本、低功耗的Wi-Fi标签极具挑战。

自从引入低功耗蓝牙（Bluetooth LE）技术，特别是诸如Apple iBeacon和Google EddyStone之类的信标标准发布以来，人们进行了许多尝试去将低功耗蓝牙用于室内定位服务。蓝牙具有成为广泛、主流和低功耗技术的优势，这意味着可以使用蓝牙构建低成本的资产标签或信标，即使使用纽扣电池，它们也可以轻松提供5至10年的电池寿命。低功耗蓝牙也广泛用于智能手机和平板电脑，使得这些设备能够检测资产。

尽管已经成功地大规模部署了基于蓝牙信标的室内定位解决方案，但是基于信标的解决方案还是使用基于RSSI的定位技术，并且也有与基于Wi-Fi RSSI的解决方案类似的精度限制。当然，还需要部署基于蓝牙的基础设施。

蓝牙测向技术简介蓝牙测向技术是于2019年1月作为蓝牙核心规范版本5.1的一部分而引入的。测向技术的目的是通过能够检测传入的蓝牙信号的方向而不是依靠简单的传输（TX）功率和基于RSSI的机制来增强蓝牙技术的定位能力。

测向规范的核心依赖于两种方法，称为到达角（AoA）和离开角（AoD）。（对于AoA方法，参见图1。）两种方法都依赖于至少一个带有天线阵列的蓝牙设备，并且该设备在不同天线之间切换时能够接收或发送蓝牙信号。

图1： 到达角操作

使用AoA方法，下一个关键步骤是测量和检测不同接收天线之间的蓝牙信号相位差（参见图2），然后根据该信息和不同天线间的已知距离来计算到达信号的角度。

图2： 从不同天线信号相位差推导出AoA

AoA或AoD技术仅仅在发送和接收设备之间提供相对的方位角（azimuth）和/或仰角（elevation angle）数据，需要其他信息来计算蓝牙资产标签的绝对X、Y和Z坐标。图3显示了实现此计算的机制。在此示例中，接收器坐标、方向是已知的，而AoA被用于从蓝牙资产标签导出方位角和仰角数据。

图3： 从蓝牙接收器的已知位置以及AoA产生的方位角和仰角信息来确定蓝牙资产标签的X、Y和Z坐标

还有其他方法可以计算被跟踪设备的X、Y和Z坐标，例如使用多个接收器检测资产标签发送的信号，然后使用三角测量或三边测量来计算资产位置。 蓝牙测向技术的现状拥有可用的规范和标准是一回事，而准备将实际技术部署到现实应用中则是另一回事。让我们仔细研究一下蓝牙测向技术的最新发展。 系统架构一个典型的室内定位解决方案至少由三个部分组成（参见图4）：被跟踪的资产、发现和跟踪资产所需的基础设施，以及通常负责先进的定位逻辑与资产和/或基础设施管理的后端系统。

图4： 室内资产跟踪解决方案架构示例 资产资产是解决方案中最易解决的部分。低功耗蓝牙技术已经成熟，蓝牙无线电足够节能，可以在纽扣电池上运行5-10年，并且可以相当低的成本构建专用资产标签。诸如Silicon Labs EFR32BG22 SoC之类的无线设备也支持蓝牙5.1标准和AoA或AoD技术，这使得该类SoC成为蓝牙资产标签的理想选择。

低功耗蓝牙另一个具有吸引力的方面是，它已集成在许多资产中，例如可与智能手机进行连接和数据传输的医疗设备和电动工具。无需额外的硬件成本即可启用这些设备的跟踪功能。

基础设施资产跟踪基础设施是解决方案中更复杂但必不可少的部分，它需要使用天线阵列、AoA技术和与蓝牙5.1兼容的蓝牙无线电。由于蓝牙5.1标准在2019年1月发布，因此这些设备仍不是主流或广泛可用的。但是，诸如Quuppa等这项技术的早期采用者已经具有与AoA兼容的基础设施，包括Quuppa的Q17蓝牙定位器（参见图5）。

图5： 支持蓝牙AoA技术的Quuppa Q17定位器

蓝牙也已经进入商用Wi-Fi接入点和基于RSSI的跟踪解决方案，例如Cisco Meraki MR53。这些解决方案采用增量成本相对较低的RF开关和天线阵列，并且这些设备可以成为支持蓝牙AoA的设备。

基础设施设备供应商正在其产品中实现蓝牙AoA技术。例如，Silicon Labs开发了具有4 x 4天线阵列（参见图6）的蓝牙5.1 AoA参考设计，该设计能够接收来自标签的AoA传输，并可精确检测到低至几度的方位角和仰角。

图6： Silicon Labs 4 x 4天线阵列参考和EFR32BG22蓝牙5.1兼容SoC 定位和管理引擎在任何室内位置解决方案中，最后一个至关重要的组件是负责计算和维护资产位置和状态的位置和/或管理引擎。尽管有多家供应商提供采用各种技术的不同的位置引擎解决方案，但由于该技术相对较新，因此如今只有少数供应商支持蓝牙AoA技术。

最成熟的解决方案可能是Quuppa的QPE定位引擎。QPE引擎不仅提供跟踪资产的X、Y和Z坐标，而且还可以从标签收集并显示IoT数据，并提供返回到标签的反馈通道，从而实现资产跟踪和双向数据传输。

结论就像GPS基础设施的开放带来了室外跟踪和定位方面的突破一样，蓝牙测向可以使精确、价格实惠的室内资产跟踪和定位应用成为未来十年的主流解决方案。

低功耗蓝牙技术已经达到一定的成熟度，蓝牙无线电的价格水平甚至使得将蓝牙集成到一次性设备中在商业上变得可行，同时使用典型的纽扣电池可提供5至10年的电池寿命。

蓝牙AoA基础设施仍需要进一步开发和部署，但Quuppa等早期采用者已经为市场提供了解决方案，并且蓝牙也已进入商用Wi-Fi基础设施，例如Cisco Meraki设备。芯片和软件供应商（例如Silicon Labs）正在提供关键任务的构建模块，以帮助基础设施供应商实施和部署该技术。

首批具有AoA功能的定位引擎（如Quuppa QPE）已经上市，而更多家供应商推出基于AoA的解决方案也只是时间问题。