關(guān)于藍(lán)牙測向（Bluetooth Direction Finding）功能的討論近來非常火熱，Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品高級產(chǎn)品經(jīng)理Mikko Savolainen特別針對這項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)撰寫了一篇技術(shù)文章，幫助行業(yè)人士了解其崛起的來龍去脈，以及后續(xù)技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的關(guān)注焦點。

自20世紀(jì)80年代民用全球定位系統(tǒng)（GPS）開放以來，GPS已經(jīng)成為戶外定位和資產(chǎn)跟蹤的主流和實質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍從商用飛機(jī)到智能手機(jī)，從智能手表到火柴盒大小的GPS跟蹤器等。然而，盡管存在許多嘗試，但迄今為止，仍沒有與GPS相當(dāng)?shù)闹髁骷夹g(shù)出現(xiàn)在室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位領(lǐng)域。藍(lán)牙測向技術(shù)現(xiàn)在正在改變室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位應(yīng)用的格局，并極可能成為主流技術(shù)。

已經(jīng)有許多技術(shù)嘗試解決基于RF的室內(nèi)定位和資產(chǎn)跟蹤所面臨的挑戰(zhàn)，例如超寬帶（UWB）、基于Wi-Fi或藍(lán)牙接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）的解決方案。雖然這些RF技術(shù)可以在一定程度上解決挑戰(zhàn)，但它們都有各自的局限性，因此無法成為室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤的理想選擇。

UWB可能是室內(nèi)定位應(yīng)用中使用最廣泛的技術(shù)。盡管眾所周知UWB可以提供極高的厘米級精確度，但它尚未成為主流技術(shù)，這使得IC和模塊價格居高不下，并限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，UWB無線電的高功耗也限制了資產(chǎn)標(biāo)簽的電池壽命，從而增加了物料清單（BOM）或標(biāo)簽維護(hù)成本。

Wi-Fi是另一項已用于基于RF的室內(nèi)定位服務(wù)的技術(shù)。盡管Wi-Fi擁有無處不在的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢（尤其是在零售和商業(yè)場所），可以為筆記本電腦、智能手機(jī)和其他終端提供互聯(lián)網(wǎng)接入，但是基于RSSI的定位卻無法提供高精度，通常僅限于5-10米的精度。此外，Wi-Fi也主要針對高速無線數(shù)據(jù)傳輸，因此創(chuàng)建低成本、低功耗的Wi-Fi標(biāo)簽極具挑戰(zhàn)。

自從引入低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）技術(shù)，特別是諸如Apple iBeacon和Google EddyStone之類的信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，人們進(jìn)行了許多嘗試去將低功耗藍(lán)牙用于室內(nèi)定位服務(wù)。藍(lán)牙具有成為廣泛、主流和低功耗技術(shù)的優(yōu)勢，這意味著可以使用藍(lán)牙構(gòu)建低成本的資產(chǎn)標(biāo)簽或信標(biāo)，即使使用紐扣電池，它們也可以輕松提供5至10年的電池壽命。低功耗藍(lán)牙也廣泛用于智能手機(jī)和平板電腦，使得這些設(shè)備能夠檢測資產(chǎn)。

盡管已經(jīng)成功地大規(guī)模部署了基于藍(lán)牙信標(biāo)的室內(nèi)定位解決方案，但是基于信標(biāo)的解決方案還是使用基于RSSI的定位技術(shù)，并且也有與基于Wi-Fi RSSI的解決方案類似的精度限制。當(dāng)然，還需要部署基于藍(lán)牙的基礎(chǔ)設(shè)施。

藍(lán)牙測向技術(shù)簡介藍(lán)牙測向技術(shù)是于2019年1月作為藍(lán)牙核心規(guī)范版本5.1的一部分而引入的。測向技術(shù)的目的是通過能夠檢測傳入的藍(lán)牙信號的方向而不是依靠簡單的傳輸（TX）功率和基于RSSI的機(jī)制來增強(qiáng)藍(lán)牙技術(shù)的定位能力。

測向規(guī)范的核心依賴于兩種方法，稱為到達(dá)角（AoA）和離開角（AoD）。（對于AoA方法，參見圖1。）兩種方法都依賴于至少一個帶有天線陣列的藍(lán)牙設(shè)備，并且該設(shè)備在不同天線之間切換時能夠接收或發(fā)送藍(lán)牙信號。

圖1： 到達(dá)角操作

使用AoA方法，下一個關(guān)鍵步驟是測量和檢測不同接收天線之間的藍(lán)牙信號相位差（參見圖2），然后根據(jù)該信息和不同天線間的已知距離來計算到達(dá)信號的角度。

圖2： 從不同天線信號相位差推導(dǎo)出AoA

AoA或AoD技術(shù)僅僅在發(fā)送和接收設(shè)備之間提供相對的方位角（azimuth）和/或仰角（elevation angle）數(shù)據(jù)，需要其他信息來計算藍(lán)牙資產(chǎn)標(biāo)簽的絕對X、Y和Z坐標(biāo)。圖3顯示了實現(xiàn)此計算的機(jī)制。在此示例中，接收器坐標(biāo)、方向是已知的，而AoA被用于從藍(lán)牙資產(chǎn)標(biāo)簽導(dǎo)出方位角和仰角數(shù)據(jù)。

圖3： 從藍(lán)牙接收器的已知位置以及AoA產(chǎn)生的方位角和仰角信息來確定藍(lán)牙資產(chǎn)標(biāo)簽的X、Y和Z坐標(biāo)

還有其他方法可以計算被跟蹤設(shè)備的X、Y和Z坐標(biāo)，例如使用多個接收器檢測資產(chǎn)標(biāo)簽發(fā)送的信號，然后使用三角測量或三邊測量來計算資產(chǎn)位置。 藍(lán)牙測向技術(shù)的現(xiàn)狀擁有可用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是一回事，而準(zhǔn)備將實際技術(shù)部署到現(xiàn)實應(yīng)用中則是另一回事。讓我們仔細(xì)研究一下藍(lán)牙測向技術(shù)的最新發(fā)展。 系統(tǒng)架構(gòu)一個典型的室內(nèi)定位解決方案至少由三個部分組成（參見圖4）：被跟蹤的資產(chǎn)、發(fā)現(xiàn)和跟蹤資產(chǎn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，以及通常負(fù)責(zé)先進(jìn)的定位邏輯與資產(chǎn)和/或基礎(chǔ)設(shè)施管理的后端系統(tǒng)。

圖4： 室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤解決方案架構(gòu)示例 資產(chǎn)資產(chǎn)是解決方案中最易解決的部分。低功耗藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)成熟，藍(lán)牙無線電足夠節(jié)能，可以在紐扣電池上運行5-10年，并且可以相當(dāng)?shù)偷某杀緲?gòu)建專用資產(chǎn)標(biāo)簽。諸如Silicon Labs EFR32BG22 SoC之類的無線設(shè)備也支持藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)和AoA或AoD技術(shù)，這使得該類SoC成為藍(lán)牙資產(chǎn)標(biāo)簽的理想選擇。

低功耗藍(lán)牙另一個具有吸引力的方面是，它已集成在許多資產(chǎn)中，例如可與智能手機(jī)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)尼t(yī)療設(shè)備和電動工具。無需額外的硬件成本即可啟用這些設(shè)備的跟蹤功能。

基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)跟蹤基礎(chǔ)設(shè)施是解決方案中更復(fù)雜但必不可少的部分，它需要使用天線陣列、AoA技術(shù)和與藍(lán)牙5.1兼容的藍(lán)牙無線電。由于藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)在2019年1月發(fā)布，因此這些設(shè)備仍不是主流或廣泛可用的。但是，諸如Quuppa等這項技術(shù)的早期采用者已經(jīng)具有與AoA兼容的基礎(chǔ)設(shè)施，包括Quuppa的Q17藍(lán)牙定位器（參見圖5）。

圖5： 支持藍(lán)牙AoA技術(shù)的Quuppa Q17定位器

藍(lán)牙也已經(jīng)進(jìn)入商用Wi-Fi接入點和基于RSSI的跟蹤解決方案，例如Cisco Meraki MR53。這些解決方案采用增量成本相對較低的RF開關(guān)和天線陣列，并且這些設(shè)備可以成為支持藍(lán)牙AoA的設(shè)備。

基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備供應(yīng)商正在其產(chǎn)品中實現(xiàn)藍(lán)牙AoA技術(shù)。例如，Silicon Labs開發(fā)了具有4 x 4天線陣列（參見圖6）的藍(lán)牙5.1 AoA參考設(shè)計，該設(shè)計能夠接收來自標(biāo)簽的AoA傳輸，并可精確檢測到低至幾度的方位角和仰角。

圖6： Silicon Labs 4 x 4天線陣列參考和EFR32BG22藍(lán)牙5.1兼容SoC 定位和管理引擎在任何室內(nèi)位置解決方案中，最后一個至關(guān)重要的組件是負(fù)責(zé)計算和維護(hù)資產(chǎn)位置和狀態(tài)的位置和/或管理引擎。盡管有多家供應(yīng)商提供采用各種技術(shù)的不同的位置引擎解決方案，但由于該技術(shù)相對較新，因此如今只有少數(shù)供應(yīng)商支持藍(lán)牙AoA技術(shù)。

最成熟的解決方案可能是Quuppa的QPE定位引擎。QPE引擎不僅提供跟蹤資產(chǎn)的X、Y和Z坐標(biāo)，而且還可以從標(biāo)簽收集并顯示IoT數(shù)據(jù)，并提供返回到標(biāo)簽的反饋通道，從而實現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤和雙向數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)論就像GPS基礎(chǔ)設(shè)施的開放帶來了室外跟蹤和定位方面的突破一樣，藍(lán)牙測向可以使精確、價格實惠的室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤和定位應(yīng)用成為未來十年的主流解決方案。

低功耗藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定的成熟度，藍(lán)牙無線電的價格水平甚至使得將藍(lán)牙集成到一次性設(shè)備中在商業(yè)上變得可行，同時使用典型的紐扣電池可提供5至10年的電池壽命。

藍(lán)牙AoA基礎(chǔ)設(shè)施仍需要進(jìn)一步開發(fā)和部署，但Quuppa等早期采用者已經(jīng)為市場提供了解決方案，并且藍(lán)牙也已進(jìn)入商用Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，例如Cisco Meraki設(shè)備。芯片和軟件供應(yīng)商（例如Silicon Labs）正在提供關(guān)鍵任務(wù)的構(gòu)建模塊，以幫助基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商實施和部署該技術(shù)。

首批具有AoA功能的定位引擎（如Quuppa QPE）已經(jīng)上市，而更多家供應(yīng)商推出基于AoA的解決方案也只是時間問題。