新的蓝牙规范赋予物联网方向感

最新发布的蓝牙5.1规范有效地创建了精确定位BLE发射器和接收器的方法。

作者：Dialog半导体公司Mark de Clercq

最新版本的蓝牙通信标准于2019年1月份发布。蓝牙5.1最值得注意的功能是辨别蓝牙发射器和接收器方向的有效方法。该规范还介绍了旨在加速通信和提高能效的其他进展。

不少蓝牙IC制造商已经发布了具有新5.0规范功能的硬件。以下我们大概介绍一下蓝牙5.1带来的变化，并例举一家供应商如何已经开始采用该新规范。

已经有蓝牙接收器用信号强度来估算到蓝牙发射器的距离。5.1规范提供了两种更加精确定位的方法，代价是使用多个发射/接收天线。要实现到达角度（AoA）方法，接收器必须至少有两个天线（最小间距为6.2厘米），而发射器可以只有一个天线。通过AoA方法，接收器使用接收到的多个信号来计算出信号源的角度。类似地，离开角度（AoD）方法需要发射器具有至少两个天线。接收器可以只有一个天线，接收多个信号并计算出信号源的角度。

在蓝牙5.1中实现的到达角度（AoA）方法中，例如实时定位系统（RTLS）中的标签之类的设备从单个天线发射信号。接收器包含多个天线，因为每个接收天线到发射天线的距离不同，从而接收器可以得出相位差。在离开角度（AoD）方法中，例如蓝牙定位信标通过天线阵列发射信号，而像智能手机这样的接收设备使用单个天线来接收信号，并将信号解码以计算出相对信号方向。这种寻向方法目标用于室内定位系统，例如寻路系统。

需要注意的一点是：遵循5.1规范的设备范围与早期版本的设备范围相同。但是当障碍物在视线内时，使用信号强度定位蓝牙源的准确性会严重下降。三角测量的能力将有可能实现实时定位系统和室内定位系统等功能。

该寻向功能使用同相和正交（IQ）采样来测量天线接收的RF相位。在AoA方法中，采样过程应用于阵列中的每个天线，一次一个，按照阵列设计设置好的顺序。采样数据通过主机控制器接口（HCI）传递到蓝牙协议栈，然后用算法计算出一台设备相对于另一台设备的方向。

蓝牙协议的某些部分已更改，以支持IQ采样和在协议栈中的较高层使用IQ样本。细节变得有点复杂。例如，在链路层，有一个称为恒定频率扩展信号（CTE）的新字段，它提供一个恒定的频率和波长信号材料，可以对照其进行IQ采样。

5.1规范还对GATT（通用属性配置文件）进行了一些增强，GATT定义了两个BLE设备使用称为服务和特性的概念来回传输数据的方式。这些增强通常是为了提升能效，和实现蓝牙设备之间更快的握手。但其中有些是为未来要发布的规范版本的增强功能做准备。

从根本上说，5.1规范定义了BLE客户端如何可以在曾经通信过且未发生变化的两个设备之间跳过服务查找的步骤。客户端现在可以推断出它所连接的设备与先前连接的类型相同，并且客户端已经缓存了属性表。如果某些细节相同，则客户端可以决定跳过部分连接协议，因为它已经拥有了所需的数据。

这可能派上用场的典型应用是蓝牙智能门锁，智能手机可以在主人接近时打开门。服务查找只需在用户第一次打开智能锁时进行一次。用户在第一次打开门锁时可能会有延迟，但从那之后，门锁的响应几乎是瞬间的。

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。用于物品跟踪的蓝牙实时定位系统设置调用安装在整个场地中多个固定位置的蓝牙接收器，通常称为定位器。定位器连接到俗称为定位引擎的集中式服务器。将俗称为标签的蓝牙发射器放置到系统要跟踪的物品上。标签周期性地向定位引擎发送信号，定位引擎估算每个定位器的位置。在室内定位系统中，俗称为定位信标的蓝牙发射器放置于固定位置。访客一般可以使用智能手机上的应用程序来收听定位信标。应用程序使用接收到的信号强度来计算其实时位置。

先进的架构

蓝牙5.1包含的新功能为蓝牙控制器带来了额外的计算负担。某些架构功能可以对额外处理工作带来帮助。例如，三角测量处理可以采用复杂的算法。因此，包含数字信号处理和大容量内存的架构非常有用。

另外，由于三角测量涉及来自多个天线的信号，因此蓝牙控制器必须包含处理所涉及的多个RF信号的功能。由于单天线蓝牙的市场仍然很大，采用5.1标准的控制器可以通过结合用于快速操控外部RF开关的架构特性，来处理对多个RF路径的需求，而不是将开关包含在蓝牙控制器IC本身上。

这种蓝牙5.1控制器芯片的一个例子就是Dialog SmartBond DA1469x系列。它是第一个基于ARM Cortex M33处理器的无线多核MCU系列。该处理器具有数字信号处理和浮点功能，有助于进行三角测量计算。此外，这些处理器具有I/O，有助于以高精度控制外部RF开关，以实现AoA和AoD定位。使用外部RF开关处理AoA和AoD，而不是集成在蓝牙芯片中的开关，可以降低单天线蓝牙应用的成本。

此外，DA1469x器件上的内存是可扩展的，对处理复杂应用很有用，同时可以确保基本应用的成本足够低。

降低蓝牙应用中的功耗通常是有利的，所以DA1469x芯片中包含了电源管理功能，芯片中的部分功能只在需要时才开启。例如，当应用不启用寻向定位时，芯片将仅为处理无线电和简单蓝牙功能的电路供电。当要求执行AoA或AoD任务时，整个Cortex M33处理器则会启用。

Dialog半导体公司的SmartBond DA1469x系列蓝牙控制器结合了蓝牙5.1标准的AoA和AoD寻向定位特性。该器件系列还包含一个传感器节点控制器（SNC），可自主运行并独立处理来自与其接口相连的传感器的数据。此外，DA1469x系列还具有内置电源管理单元，仅在需要时启动芯片上的处理内核，同时取消了对独立PMIC的需求。

关于DA1469x芯片的另一点值得注意的是，设计人员可以通过应用程序编程接口（API）获得AoA和AoD功能。这有助于设计人员无需掌握如何处理原始AoA / AoD数据的具体知识。

DA1469x IC还有一些其他功能，它们与AoA / AoD功能相关不大，但对现代物联网需求非常有用。这些功能包括触觉反馈驱动器、步进电机驱动器（用于驱动混合模拟/数字钟表中的模拟钟表机芯）、LCD驱动器、用于读取传感器的高精度ADC、以及其他专用模拟模块。 最后，该IC系列的一些版本包含内置充电功能，用于锂离子和锂聚合物电池充电。

上图是来自Dialog半导体公司的配置为蓝牙接收器的开发板，可检测蓝牙发射器的到达角度（AoA）。该特定设备设置为十次/秒进行与发射器角度的测量，并在LCD上显示测量到的角度。

总而言之，蓝牙5.1引入了许多功能，可以帮助设备更好地跟踪人和物品，同时增强用户体验。