【技术干货】实现蓝牙定位技术的多场景应用

=作者：Silicon Labs（亦称“芯科科技”）无线产品经理PriyankaSukumar

近年来，随着蓝牙技术的普及，个人和诸多行业都选择蓝牙而非传统的RF设备作为定位技术，并从中受益。蓝牙技术由蓝牙技术联盟（SIG）认证，蓝牙技术提供标准化的无线技术解决方案，可在许多现有产品中轻松获得，这些产品（例如智能手机）可以用作通用接收器。因此，许多企业都在大力投资蓝牙领域以扩展其功能、进一步延长电池寿命并提升产品销量。

蓝牙测距技术是通过信号属性或包传输特征，对两个或更多设备之间的距离进行测量。现在蓝牙测距技术开始替代RFID或NFC用于各种目标测距应用。这些应用可以分为两类：接近感知系统（例如数字钥匙）和定位应用，在定位应用中可以使用三边测量或三角测量来追踪目标。定位应用的示例包括资产追踪、个人物品查找和室内导航等。

下面将针对上述不同的应用场景详细介绍蓝牙技术为其带来的好处，并将深入探讨如何使用不同的测距方法来扩展蓝牙测距技术。此外，本文也将介绍一些新兴的蓝牙技术，并探讨Silicon Labs（亦称“芯科科技”）为开发强大、可靠和安全的蓝牙连接技术提供的一个生态系统、解决方案和产品组合。

蓝牙位置服务的主要应用

许多基于位置的接近感知系统和定位系统，例如医疗行业、制造设施和政府机构的相关系统，都可以通过使用蓝牙进行定位并从中获益。例如在医院场景中，出于健康和安全考虑，某些场所仅限某些患者和医生进入。借助蓝牙数字钥匙技术，可以轻松实现进入权限管理和进入安全警报。

蓝牙智能资产管理使追踪诸如便携式医疗设备等关键资产成为可能，例如病床和各种急救设施。智能资产管理不仅可以提高工作效率，还可以通过降低寻找正确设备所需的时间来挽救生命。此外，由于医院是大型基础设施，因此还可以通过蓝牙技术实现室内导航。

下面将更详细地介绍这些定位技术是如何通过蓝牙实现的。

室内资产追踪

为了提高效率、生产力和员工安全性，医院和工厂等大型机构都需要配备能够准确追踪其重要资产的系统。下文探讨了蓝牙实时定位系统（RTLS）的几种不同实现方式，这些实现方式为资产追踪提供了不同级别的追踪精度和接近度等详细信息。

对于不需要精确定位的应用，当今最常见的解决方案是使用接收信号强度指示（RSSI），这是衡量接收器蓝牙信号功率级别的指标。简而言之，RSSI数据允许仅通过查看接收信号的强度来确定资产的大致位置。由于RSSI值是负数，因此当RSSI值越接近零时，资产也越接近接收器。

如今，由于大多数企业级Wi‑Fi接入点都内置了能够测量RSSI的蓝牙射频功能，因此如需了解资产的大致位置，RSSI是非常不错的低成本方案，通常可实现五米左右的测量精度。

要实现更精确的定位则需要测向技术。蓝牙5.1中发布的到达角（AoA）可实现亚米级精度定位资产。为了通过AoA追踪资产，蓝牙发射器芯片需要连接到资产上并不断发送蓝牙数据包。数据包由天线阵列捕获，天线阵列可以安装在天花板上。

资产标签发送的蓝牙信号在蓝牙数据包的末尾添加了连续波扩展（CTE）。一旦天线阵列接收到这些数据包，天线阵列就会利用所有天线捕获信号的相位差。然后将天线捕获的数据发送到实时定位（RTL）库，在该库中执行三角测量以计算资产的x、y、z坐标。

为了实现蓝牙设备间的高精度距离测量（HADM）（具备厘米级精度），蓝牙技术联盟目前正在制定一项相关规范。虽然该规范尚未正式发布，但是它将可能利用HADM技术实现更准确的资产追踪。

室内导航

虽然如今使用GPS进行户外导航十分普遍，但在诸如医院或机场等大型、复杂的室内空间中进行定位导航却具有挑战性，因为这些场合缺乏导航基础设施来确定人员的当前位置。然而，蓝牙技术提供了多种方案来实现可靠的室内导航。

方案一是将蓝牙信标技术整合到现有的基础设施中。信标可以提供持续的无线电传输，可以被信标半径内的任何蓝牙扫描仪发现。对于大多数商业设施而言，一种方案是将信标添加到现有的Wi‑Fi接入点和网关。另一种方案是将无线或蓝牙连接整合到照明系统，之后发送信标，这样做还可以降低电缆使用的数量。一旦信标就位并且访客可以在智能手机等支持蓝牙的设备上访问室内楼层地图，蓝牙信标系统就可以像在室外使用GPS一样轻松地用于室内导航。

信标技术的准确性取决于安装的信标数量、环境因素或多径衰落程度等因素。如果有更高的精度要求，蓝牙5.1中引入的出发角（AoD）技术是一个不错的选择。AoD技术的工作方式与我们所探讨的AoA技术相反。采用AoD时，天线阵列充当发射器，不断发送数据包，数据包由支持AoD的移动设备接收。之后接收器通过这些信号计算相对信号方向和位置。虽然目前部分智能手机支持蓝牙5.1协议，但手机还不支持测向。当手机支持测向功能时，AoD就极有可能使室内导航变得更加普遍。

数字钥匙

由于所有的智能手机都具有蓝牙技术，而且全球大约有83%的人都拥有智能手机，因此数字钥匙应用相关的技术已经得到了良好的发展。虽然传统上RFID和NFC技术被应用于数字钥匙技术，但使用蓝牙技术也会带来一些好处。存储在智能手机上的蓝牙数字钥匙增加了额外的安全层，因为需要密码或面部ID才能登录手机以访问数字钥匙。

智能手机的数字钥匙可以轻松共享车辆或家庭钥匙。例如，如果您有汽车数字钥匙，您便可以通过应用程序安全地向另一用户授予访问权限，而无需提供实体钥匙。

个人物品查找

虽然在上文的医院场景中没有提及个人物品查找功能，但这是通过蓝牙技术获取的另一项关键定位技术。如今，Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag等设备已经在利用蓝牙技术实现个人物品查找。专家预测到2026年将出货1.4亿个用于个人物品查找的设备追踪器，因此，这也是一个快速增长的细分市场。

例如每个Apple AirTag都会发出一个唯一的蓝牙标识符，它可以被附近的iPhone、iPad和Mac设备检测到，而这些设备是Apple FindMy网络的一部分。Find My网络中接收信号的设备将标识符连同位置数据一起中继到Apple服务器。因此，要找到丢失的物品，只需在手机上登录Apple Find My应用程序，然后在地图上查看物品的位置即可。为了进一步提高准确性，我们也正在努力在蓝牙设备之间实现HADM。

通过RSSI和其它技术改进蓝牙测距技术

定位追踪蓝牙技术在个人应用和商业用途中越来越受欢迎，但很明显，现有的测距技术将无法满足性能要求，尤其是无法满足密集的室内环境所提出的要求。虽然RSSI与上文讨论的AoA或AoD等测向技术相结合，与单独使用RSSI相比可显著提高准确性，但将这些新功能添加到设备时会增加基础设施成本和设计复杂性。

相反，使用单个天线而非相控矩阵，这种更简单的替代解决方案可以降低所需的系统资源和部署的成本。除了高精度之外，对于高机密应用而言，蓝牙RSSI测距也不是理想的选择，这是因为设备接收到的信号强度很容易通过RF信号放大进行篡改。

测量两个设备之间的数据包传输时间（或飞行时间）和测量RF信号的相位可以进一步提高蓝牙测距的准确性、简单性和安全性。

测量数据包传输时间

测量两个设备之间的数据包传输时间需要知道设备间发送信号所需的往返时间。往返时间是在发起设备发送数据包到响应设备时开始，并且在响应设备接收到数据包并返回到发起设备时结束。当发送第一个数据包时，发起设备启动一个计时器，当收到数据包时，响应设备启动计时器。

在响应设备上，定时器在发送数据包时结束，而在发起设备上，定时器在收到数据包时结束。通过使用两个设备上的到达时间和离开时间，可以得到两个计时器值用于查找飞行时间。下图显示了数据包是如何发送的以及计算是如何进行的。

由于与无线电中采用的晶体频率相比，光速更快，因此使用分数定时技术来提高精度并解决IQ采样过程中出现的采样不确定性，从而在仅使用一个通道时实现米级精度。然而，对于多个蓝牙通道而言，平均多个蓝牙通道的测量结果有助于实现更高的准确度。

此外，由于测量是在蓝牙连接间隔期间进行的，如果连接间隔较长，则可以进行更多的测量，这也有助于提高准确性。这意味着整个测量过程的持续时间是可变的，具体取决于配置的参数，例如通道数和连接间隔时间。此外，当使用飞行时间来测距时，其安全性本质上比使用RSSI更好，这是因为这些测量是基于时间的，并且时间不能逆转。

RF信号相位测量

测量RF信号的相位是基于这样一个事实，即电磁波的相位可以建模为频率和传输距离的函数。因此，空间传输引起的相位差可用于计算距离。假设频率相同，测量传输相位需要使用发起设备和响应设备本地振荡器的相位偏移。实际上，频率可能不一样，但可以进行校准。

响应设备接收信号时查看测量的相位，它等于发起设备的相位加上传输相位减去响应设备的相位。同样地，发起设备接收到信号时，测得的相位等于响应设备的相位加上传输相位减去发起设备的相位。通过将这些测量值相加，就会得到要计算的传输相位，这也就意味着可以得到往返相位的测量值。这里的测量值是至少在两个频率上测得的。

现在分三个阶段来分析整个距离估计过程。第一阶段是校准，这时设备之间的频率偏移必须通过偏移估计进行补偿。接下来是测量阶段，通过在多个信道上交换未调制的载波来测量相位差。最后是计算阶段，在该阶段，测距算法采用来自发起设备解调器的IQ样本进行后置滤波和测距计算。

同时要关注安全性，这一点同样重要。攻击者要操纵相位比较困难，这是因为攻击者需要知道节点的精确空间知识和高级RF生成逻辑。因此，与基于RSSI的解决方案相比，使用相位测距是相对安全的。

用于资产追踪的RF相位测量示例

在现实世界中，我们可以使用访问点和标签来替换上文所讨论的发起设备和响应设备。试想，如何测定标签和接入点之间的距离来追踪资产？这就需要一个基于连接的双向测距方案；因此，首先要在两个设备之间建立蓝牙连接。连接经过加密和保护，然后配置测距算法参数，包括信道数、发射功率和连接间隔。接入点在第一个信道上启动相位测量程序，之后在配置的信道数量上重复测量。通常，至少需要40个信道才能达到亚米级精度。但是，如果最终应用无需亚米级精度，则可以减少信道数。

最后，一旦完成所有相位测量，测距算法软件将IQ样本作为输入内容并进行处理，并应用滤波以去除任何异常值并减轻多径效应以计算距离。只要保持连接并且设备能够每秒产生多个距离计算值，这一过程可不断重复。

为了说明相位测距优于RSSI测距，现在通过比较使用这两种技术在最远30m的几个距离处测量的错误率进行验证。在本示例中，测量是在多径干扰不可避免的室内办公环境中进行的。每个距离都采集了数百个样本以确定绝对误差并绘制出如下所示的数据集。

一般而言，相位测距精度的目标是小于60cm。如上所示，相位测距的测量值是稳定的，并且25m内误差小于60cm，30m内精度达到1m以内。而使用RSSI，即使在很短的距离上也不太可能达到亚米级精度，而且错误率会随着距离的增加而增加，在距离超过25m时，误差可达到10m以上。

借助Silicon Labs技术将蓝牙定位技术推向市场

Silicon Labs提供各种各样的蓝牙片上系统（SoC）和模块选项以及丰富的开发工具，为开发稳健、可靠和安全的蓝牙连接解决方案提供了一站式资源和服务。无论用户所需是超紧凑型、低功耗、远距离还是极高的RF灵敏度，Silicon Labs都能为每种应用提供最佳解决方案。

例如Silicon Labs的2.4GHz无线SoC和模块的BG24系列具有大闪存和RAM容量以及PSA Level 3 Secure Vault保护，使该SoC成为家居、医疗和工业应用的理想选择。如果电池寿命和尺寸是要考虑的关键因素，Silicon Labs还提供BG22 SiP模块和SoC，在纽扣电池供电下可运行长达10年，并配备软件以实现资产追踪、亚米级精度室内导航等。Silicon Labs所有的蓝牙模块和SoC提供共享和重用的开发者体验，这意味着开发者可以去进行面向未来的产品设计，并持续演进其产品组合。

本文同步刊载于单片机与嵌入式系统应用杂志

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