如何快速運用藍牙到達角和離開角進行室內物流追蹤

倉庫和工廠的即時資產追蹤是工業 4.0 很重要的一個層面。目前已有多種技術可進行即時定位服務 (RTLS) 部署，以執行資產追蹤並提升物流系統。全球定位系統 (GPS) 廣泛用於戶外即時定位服務實作，但有時候在建築物內會無訊號。可考慮使用 Wi-Fi，但其準確性往往有限、需要大量電力，而且可能會有高昂的部署成本。無線射頻辨識 (RFID) 功率低、精密度高，但價格昂貴。越來越多工業 4.0 即時定位服務裝置轉用藍牙 5.1 測向技術；這種技術結合高精密度室內定位和低功耗、低藍牙硬體成本、低部署成本的優點。

開發人員從頭開始設計藍牙即時定位服務系統看似有不少優點。不過，從無線射頻訊號中取得到達角 (AoA) 和離開角 (AoD) 資料的射頻 (RF) 同相和正交 (IQ) 資訊，以便計算收發器位置實屬不易，並且需要整合多條天線。即使可以擷取到達角和離開角資料，要準確判定欲追蹤物體的位置，其計算也可能會因多項因素而更複雜，包括多徑傳播、訊號極化、傳播延遲、抖動、雜訊等。

設計人員可以在工業 4.0 即時定位服務應用轉用藍牙無線系統單晶片 (SoC)、無線射頻模組和天線。本文簡要回顧各種即時定位服務技術選擇的效能權衡，並說明藍牙到達角和離開角定位的實作方式。接著介紹藍牙系統單晶片和無線射頻模組，包括快速實作基於到達角和離開角的即時定位服務所需的軟體，以及 Silicon Labs 和 u-blox 的相關天線。並介紹可進一步加速上市時間的評估套件。

最常用的室內即時定位服務技術使用 Wi-Fi 和藍牙實作 (表 1)：

• Wi-Fi 指紋識別使用建築物每個 Wi-Fi 存取點 (AP) 的位置和基地台 ID (BSSID) 資料庫。資產標籤掃描 Wi-Fi 環境並回報 Wi-Fi 存取點清單及其訊號強度。然後使用此調查的資料庫，評估標籤的可能位置。此技術不支援高精密即時定位服務 。
• Wi-Fi 飛時測距 (ToF) 更準確。這會測量 Wi-Fi 訊號在裝置間傳輸所需的時間。飛時測距需要密集部署存取點，以提高即時定位服務的準確性。飛時測距和指紋識別都需要高裝置成本和高能量。
• 藍牙接收訊號強度指示器 (RSSI) 比較接收訊號強度與已知信標位置，讓裝置能確定與附近藍牙信標的大致距離，進而支援即時定位服務。藍牙接收訊號強度指示器比 Wi-Fi 指紋識別或飛時測距使用更少的能量和更低的成本，但其準確性有限。其準確性可能會因濕度等級和機器人等環境因素，或人員在設施中移動並干擾藍牙訊號程度而進一步降低。
• 藍牙到達角是最新、最準確的室內即時定位服務技術。除了提供高精密度，還使用相對較低的功率及低成本。但是，與其他替代方案相比，實作起來更為複雜。

表 1：使用各種 Wi-Fi 和藍牙技術可實作室內即時定位服務，這些技術在精密度、功耗和成本之間進行權衡。(表格來源：u-blox)

藍牙到達角和相關的離開角、即時定位服務解決方案依據天線陣列評估資產位置 (圖 1)。在到達角解決方案中，資產從單一天線發送特定的測向訊號。接收裝置有一個天線陣列，用來量測每個天線與資產因距離不同導致的訊號相位差。接收裝置藉由切換陣列中的主動天線，取得同相和正交資訊。然後使用同相和正交資料，計算資產位置。在離開角解決方案中，確定位置的定位器信標使用陣列中的多條天線傳輸訊號，而接收裝置則有單一天線。接收裝置使用多個訊號確定同相和正交資料並評估其位置。到達角通常用於追蹤資產的位置，而離開角可讓機器人以優良的準確性和低延遲，確定其在設施中的位置。

圖 1：天線陣列構成藍牙到達角和離開角即時定位服務實作的基礎。(圖片來源：Silicon Labs)

到達角架構即時定位服務追蹤的基本概念很簡單：Θ = arccos x ((相位差 x 波長) / (2 π x 天線之間的距離)) (圖 2)。現實中的實作更為複雜，需要考量環境變數、多徑訊號、變化的訊號極化等因素引起的訊號傳播延遲。此外，天線以陣列使用時，可能會相互耦合，影響彼此的響應。最後，若要考慮所有這些變數，開發演算法並在資源受限的嵌入式環境時間關鍵型解決方案中有效實作，也可能具有高挑戰性。對於開發人員而言，幸好完整的藍牙到達角和離開角解決方案包括同相和正交資料收集和預處理、多徑分量抑制、環境因素補償，以及天線之間的相互耦合。

圖 2：確定到達角的方程式 (右上) 使用到達訊號的相位差、訊號波長和相鄰天線之間的距離。(圖片來源：u-blox)

用於藍牙到達角和離開角的系統單晶片

開發人員可以使用 Silicon Labs 的 EFR32BG22C222F352GN32-C 等系統單晶片實作藍牙 5.2 網路以及到達角和離開角。此系統單經片屬於 EFR32BG22 Wireless Gecko 系列，該系列包括一個 32 位元 Arm® Cortex®-M33 核心，最大工作頻率為 76.8 MHz；一個 2.4 GHz 節能無線電核心，具有低活動和睡眠電流；一個整合式功率放大器，採用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝，發射 (TX) 功率高達 6 dBm (圖 3)。具有信任根和安全加載 (RTSL) 的安全啟動。其他安全特點包括 AES128/256、SHA-1、SHA-2 (最高 256 位元)、ECC (最高 256 位元)、ECDSA 和 ECDH 的硬體加密加速，以及符合 NIST SP800-90 和 AIS-31 的真實亂數產生器 (TRNG)。此外，根據型號，這些系統單晶片具有高達 512 kB 的快閃記憶體和 32 kB 的 RAM，除了 QFN32 外，還提供 5 × 5 × 0.85 mm QFN40 和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封裝。

圖 3：支援到達角和離開角的 EFR32BG22 無線 Gecko 藍牙系統單晶片採用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝(圖片來源：Silicon Labs)

BG22-RB4191A 無線專業套件包括一個基於 2.4 GHz EFR32BG22 無線 Gecko 系統單晶片的測向無線電板和一個針對精確測向經過最佳化的天線陣列；該天線陣列使用到達角和離開角協定，加速藍牙 5.1 架構即時定位服務應用的開發 (圖 4)。主機板含多種工具，可輕鬆評估和開發無線應用，包括：

• 板載 J-Link 除錯器，可用乙太網路或 USB 在目標裝置上進行編程和偵錯
• 使用先進能量監視器，進行即時電流和電壓量測
• Virtual COM Port 介面透過乙太網路或 USB 提供序列埠連接
• 封包追蹤介面提供接收和傳輸的無線封包偵錯資料

圖 4：含 EFR32BG22 無線 Gecko 系統單晶片和天線陣列的 BG22-RB4191A 無線專業套件，可以加速到達角和離開角即時定位服務應用開發。(圖片來源：Silicon Labs)

藍牙到達角和離開角模組

u-blox 提供有無整合式天線的藍牙模組，支援到達角和離開角。針對無整合式天線的模組應用，設計人員可以轉用 NINA-B41x 系列，例如採用 Nordic Semiconductor nRF52833 IC 的 NINA-B411-01B (圖 5)。這些模組包括整合無線射頻核心並含浮點處理器的 Arm® Cortex®-M4，並在所有藍牙 5.1 模式下作業，包括到達角和離開角。這些模組的工作溫度範圍為 -40 至 +105°C，非常適合工業環境中的即時定位服務應用。此外，具有 1.7 至 3.6 V 的輸入電壓範圍，適用於單節電池供電系統。

圖 5：NINA-B41x 系列模組支援使用外部天線的緊湊型即時定位服務解決方案。(圖片來源：DigiKey)

u-blox 的 NINA-B40x 系列 (如 NINA-B406-00B)，包括整合到 10 x 15 x 2.2 mm 模組 PCB 中的內部 PCB 跡線天線 (圖 6)。NINA-B406 模組可提供高達 +8 dBm 的輸出功率。除了支援藍牙 5.1 模式 (包括到達角和離開角) 之外，這些模組還支援 802.15.4 (Thread 和 Zigbee) 和 Nordic 專有的 2.4 GHz 協定，使設計人員能夠在單一模組標準化，以完成多種物聯網裝置設計。

圖 6：運用整合式天線的到達角和離開角應用，可以使用 NINA-B40x 系列模組。(圖片來源：DigiKey)

為加速上市，設計人員可以使用 u-blox 的 XPLR-AOA-1 探索套件；該套件允許實驗藍牙 5.1 測向功能並支援到達角和離開角功能。此探索套件包括一個標籤和一個含 NINA-B411 低功耗藍牙模組的天線板 (圖 7)。此標籤以 NINA-B406 藍牙模組為基礎建構，包括用於傳送藍牙 5.1 廣告訊息的軟體。天線板設計用於接收訊息並套用角度計算演算法，確定標籤的方向。使用板載天線陣列，以二維方式計算角度。

圖 7：XPLR-AOA-1 探索套件包括一個標籤 (左) 和一個天線板 (右)，支援藍牙到達角和離開角的評估。(圖片來源：u-blox)

XPLR-AOA-1 套件具有靈活性，可讓設計人員探索各種應用，例如：

• 檢測是否有物體向門靠近
• 讓攝影機追蹤在房間內移動的資產
• 追蹤通過閘門或特定位置的貨物
• 避免機器人或自動導引車之間碰撞

此外，可以使用多個 XPLR-AOA-1 套件並從三個以上的天線板進行三角測量方向，建立更複雜的定位系統。

結論

藍牙到達角和離開角可以為工業 4.0 提供準確、符合成本效益的即時定位服務實作。設計人員可以選擇涵蓋所需軟體的系統單晶片和模組，快速實作部署藍牙到達角和離開角所需的複雜軟體。這些系統單晶片和模組針對低功耗經過最佳化，可支援電池供電的位置標籤，專為在嚴峻的工業環境中運作所設計。