手镯硬件上的蓝牙片上系统设计方案

蓝牙联系人跟踪已成为管理COVID-19大流行的一项重要技术。使用蓝牙手环执行此任务比使用智能手机更可取，因为它们具有隐私优势。

本系列的上一篇文章介绍了用于接触追踪蓝牙手链的系统设计注意事项；在这里，我们将介绍所需的硬件和软件构建块。

一个简单的手镯硬件设计包括一个蓝牙片上系统（SoC），一个天线和一个纽扣电池。SoC是手镯的核心，​​负责对收集的数据执行必要的计算，并操作蓝牙无线电以与网关或智能手机进行通信以连接到服务器。它的至关重要的作用使SoC的选择对于其余设计至关重要。

在确定选择哪个SoC时，所使用的邻近技术是必不可少的。接收信号强度指示器（RSSI）技术提供了一种简单的接近度检测解决方案，而实时定位系统（RTLS）技术则提供了更准确的接近度数据，并且增加了网关基础设施的成本。半导体公司提供丰富的蓝牙SoC解决方案。

天线还需要仔细设计，因为效率低下的天线会严重降低系统性能。RSSI技术使用信号强度来确定接近度，这意味着还应该仔细分析天线，并在路径损耗方程中考虑天线以确定信号强度。天线类型很多，尽管在可穿戴解决方案（如手镯）中可能需要使用柔性材料天线。柔性天线材料可以使手镯变大并围绕手腕折叠。

要考虑的另一个概念是天线分集：同一SoC使用多个天线。借助RF开关，SoC可以从多个天线收集测量值，并对测量值求平均，以构建信号矢量，或者将任何数学算法应用于RSSI接近度检测。

纽扣电池为SoC和手镯内的任何其他电子零件供电。有不同类型的电池技术，选择取决于手镯是否设计为一次性，可回收或可充电。例如，不能放置锂离子电池，而碱性电池则非常适合此目的。如果目标手镯是可充电的，则必须添加电源管理芯片。在此要做出的另一个决定是电池是否可更换。手镯会被密封吗？

尽管这些是简单易懂的组件，但是您在初始设计中所做的选择可能会对上市时间和成本产生重大影响。半导体解决方案提供商通常为产品设计师提供设计参考。利用设计参考可以加快设计过程并实现SoC的最佳性能。另外，半导体公司还提供系统级封装（SiP）模块，这些模块将所有需要的组件集成到封装内。

下表显示了硬件组件如何影响RF性能。资料来源：Silicon Labs

软件和云连接

意识是使人体印象深刻的原因。同样，手镯的硬件需要一个软件来执行其奇迹。一些半导体公司向其蓝牙软件堆栈提供其芯片，从而加快了设计过程。除了蓝牙软件外，SoC还需要运行目标接近算法。

该软件并不止于此。有服务器端以及云集成。部署正确的安全技术以保护用户数据免受恶意攻击者非常重要。构建正确的蓝牙到云软件对于保护用户数据的隐私和安全至关重要。

云连接可能具有挑战性，容易出现错误和潜在的启动延迟，从而影响物联网应用程序的成功。获取和维护可靠的云连接并正确收集数据需要有效而安全地完成。开发人员面临的另一个挑战可能是不可靠的链接和连接性。

固件更新是产品维护的另一个重要部分，可以外包，或者开发人员可以使用已经具有用于添加云连接性的基础架构的集成解决方案。后者可以为开发人员节省几个月的框架开发时间。

RTLS：RSSI的替代方法

在构建用于接近度检测的软件时，RSSI的主要替代方案是RTLS，它与RSSI的不同之处在于其到达角（AoA）和离开角（AoD）解决方案。可以以节省时间的方式来设置RTLS软件解决方案，该解决方案可提供亚表位置的准确性并具有高度的可移植性。RTLS位置测量使用雷达和相控阵技术的原理，如下图所示。

RLTS技术可使位置检测精度达到亚米级的水平。

从远处接收同一波的天线阵列会产生多个波形，这些波形的不同路径之间会根据接收波的方向发生相位变化。通过在设施中的已知位置使用两个天线阵列或信标，可以在亚米精度内检测设施中每个低功耗蓝牙（BLE）标签的位置。

关键是使用一些几何技巧来估计来自两个定位器的每个标签的距离和角度。但是，由于多径，极化和抖动变化，每个位置读数都相当复杂。在这里，复杂的算法会介入以纠正错误，并将位置测量的精度提高到小于一米。

可靠性至关重要

蓝牙手镯已在多个国家/地区用于COVID-19公共卫生紧急情况，许多组织也正在考虑使用它们。在这种对时间敏感的危机中，必须非常紧急地评估这项技术的可靠性。需要评估接近检测的可信度，并与解决方案一起披露。错误的否定会威胁到人类的生命，而错误的肯定会触发不良的连锁反应。

为了使人们安全地依赖此技术，他们需要意识到它的局限性。例如，已知RSSI可以检测到几厘米内的接近度。在实验室环境中进行评估以及在不同环境下进行的现场实验和比较分析都是全面分析系统可靠性的必要条件。从中立的角度评估系统的性能是其影响的基础，尤其是由于缺少管理机构或标准化机构。

编者注：本文仅作一般参考之用，并概述了不断发展的特定发展状况。它不旨在也不应被解释为公共卫生指南。—玛吉德·艾哈迈德（Majeed Ahmad）

Asem Elshimi是Silicon Labs的IoT无线解决方案的RFIC设计工程师。

编辑：hfy