【導讀】藍牙 AoA 和 AoD 可針對工業 4.0 實施準確和經濟的 RTLS。對於那些可以從 SoC 和包含軟件的模塊中進行選擇的設計者來說，需要快速實施部署藍牙 AoA 和 AoD 需要的複雜軟件。這些 SoC 和模塊針對電池供電型定位標簽進行了低功耗優化，且用於在惡劣的工業環境。

倉庫和工廠的實時資產追蹤是工業 4.0 的一個重要方麵。有各種技術可用來部署實時定位服務 (RTLS) 

，以進行資產追蹤和改善物流係統。全球定位係統 (GPS) 已廣泛用於室外 RTLS 實施，但建築物內無法實現始終有信號。Wi-Fi 是另一種選擇，但其精確度往往有限
，且電源需求大，部署成本很高。無線電頻率識別 (RFID) 功耗低
，準確性高，但往往成本高昂。工業 4.0 RTLS 裝置正越來越多地轉向藍牙 5.1 測向技術，因為後者結合了高精度室內定位和低功耗藍牙硬件的低成本、低部署成本優勢。

對於開發者來說
，從頭開始設計藍牙 RTLS 係統可能是很誘人的。遺憾的是
，利用射頻信號來獲得計算收發器位置所需的到達角 (AoA) 和離開角 (AoD) 數據的射頻 (RF) 同相和正交 (IQ) 信息極具挑戰性
，並且需要整合多個天線。即使能夠捕獲 AoA 和 AoD 數據，在準確判定被追蹤物品的位置之前，位置計算也會因眾多因素而變得複雜，這些因素包括多路徑傳播
、信號極化
、傳播延遲
、抖動、噪聲等等。

不過，設計者可以采用藍牙無線係統模塊 (SoC) 、射頻模塊和天線，用於工業 4.0 RTLS 應用。本文簡要回顧進行各種 RTLS 技術選擇時所做的性能權衡，介紹如何實現藍牙 AoA 和 AoD 定位。然後，介紹藍牙 SoC 和射頻模塊，其中包括快速實現基於 AoA 和 AoD 的 RTLS 所需的軟件。此外，還介紹來自 Silicon Labs 和 u-blox 的相關天線。本文還介紹可以進一步加快上市時間的評估套件。

最常用的室內 RTLS 技術是通過 Wi-Fi 和藍牙實現的（表 1）：

Wi-Fi 指紋技術使用由建築物中每個 Wi-Fi 接入點 (AP) 的位置和基站 ID (BSSID) 組成的數據庫。資產標簽會掃描 Wi-Fi 環境並報告 Wi-Fi AP 的列表及其相關的信號強度。然後，利用調查所得的數據庫來估計該標簽的可能位置。這種技術不支持高精度 RTLS。

Wi-Fi 飛行時間 (ToF) 更準確。這種技術測量的是 Wi-Fi 信號在設備之間傳播所需的時間。ToF 需要密集地部署 AP
，以提高 RTLS 的準確性。ToF 和指紋識別都有很高的設備成本和高能耗量要求。
藍牙接收信號強度指示器 (RSSI) 支持 RTLS
，通過比較接收信號強度和已知的信標位置，使設備能夠確定與其附近的藍牙信標的大致距離。與 Wi-Fi 指紋或 ToF 相比，RSSI 所需的能耗量更少
，成本更低，但其精確度有限。RSSI 的準確性會因環境因素的影響而進一步降低，如濕度和機器人，或者人在設施中移動並幹擾藍牙信號水平。

藍牙 AoA 是最新
、最準確的室內 RTLS 技術。除了高精確度外，其能耗相對較小且成本低。然而，與其他替代方案相比，這種方法的實施更為複雜。

Wi-Fi           指紋識別                Wi-Fi 飛行時間                藍牙 RSSI            藍牙 AoA
精度             10 m                      1 m 至 2 m                 5 m 至 10 m          0.5 m 至 1.0 m
功耗               高                        高                              中等                     低
安裝成本        低                        中等                              低                       中等
設備成本         高                        高                                低                       低
表 1：室內 RTLS 可以使用各種 Wi-Fi 和藍牙技術來實現，這些技術可以在精度、功耗和成本之間進行權衡。（表格來源: u-blox）

藍牙 AoA 和相關的 AoD，RTLS 解決方案依靠天線陣列來估計資產位置（圖 1） 。在 AoA jiejuefanganzhong，zichanhuicongdanyitianxianfachuyigetedingdecexiangxinhao。jieshoushebeipeiyoutianxianzhenlie，bingceliangyoumeigetianxianyuzichandebutongjulizaochengdegegetianxianzhijiandexinhaoxiangweicha。jieshoushebeitongguozaizhenliezhongdeyouyuantianxianzhijianqiehuanlaihuode IQ 信息。然後，根據 IQ 數據計算資產的位置。在 AoD 解決方案中
，待確定位置的定位信標使用陣列中的多根天線發射信號，而接收設備隻有一根天線。接收設備使用多個信號來確定 IQ 數據並估計其位置。AoA 通常用於跟蹤資產的位置，而 AoD 則是使機器人能夠以高精確度、低延遲來確定其在設施中的位置的首選技術。

圖 1：天線陣列是藍牙 AoA 和 AoD RTLS 實施的基礎。（圖片來源：Silicon Labs）

基於 AoA 的 RTLS 跟蹤的基本概念很簡單：Θ = arccosx（相位差 x 波長）/（2π x 天線之間的距離）（圖 2）。實際實施時會更加複雜
，需要考慮環境變量、多路徑信號、butongdexinhaojihuaheqitayinsuzaochengdexinhaochuanboyanchi。ciwai，dangtianxianzaizhenliezhongshiyongshi，huixianghuouhebingyingxiangbicidefanying。zuihou，kaifashikaolvsuoyouzhexiebianliangsuoxudesuanfa
，bingzaiziyuanshouxiandeqianrushihuanjingzhongyouxiaodishishishijianguanjianxingjiejuefangan

，kenengshixiangdangkunnande。duikaifazhelaishuo

，xingyundeshiwanzhengdelanya AoA 和 AoD 解決方案包括了 IQ 數據收集和預處理、多路徑成分抑製
、環境因素補償和天線間的相互耦合。

圖 2：確定 AoA 的等式（右上方）使用了到達信號的相位差
、信號波長和相鄰天線之間的距離。（圖片來源：u-blox）

用於藍牙 AoA 和 AoD 的 SoC

開發人員可以采用 SoC，如 Silicon Labs 的 EFR32BG22C222F352GN32-C 來實現藍牙 5.2 網絡以及 AoA 和 AoD。該 SoC 是 EFR32BG22 Wireless Gecko 係列的一部分，包括一個最高工作頻率為 76.8 MHz 的 32 位 Arm® Cortex®-M33 內核
、一個具有低活動電流和低休眠電流的 2.4 GHz 高能效無線電內核、一個發射 (TX) 功率高達 6 dBm 的集成功率放大器。該 SoC 采用 4 × 4 × 0.85 mm QFN32 封裝（圖 3）。該器件包括帶有信任根和安全加載器 (RTSL) 的安全啟動。其他安全功能包括 AES128/256
、SHA-1、SHA-2（最高 256 位）、ECC（最高 256 位）、ECDSA 和 ECDH 的硬件加密加速，以及符合 NIST SP800-90 和 AIS-31 的真隨機數發生器 (TRNG)。此外
，根據不同型號，這些 SoC 具有高達 512 kB 的閃存和 32 kB 的 RAM，除了 QFN32 之外，還采用 5 × 5 × 0.85 mm 和 4 × 4 × 0.30 mm TQFN32 封裝。

圖 3：支持 AoA 和 AoD 的 EFR32BG22 無線 Gecko 藍牙 SoC 采用 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塊基於 2.4 GHz EFR32BG22 Wireless Gecko SoC 的測向無線電板和一個為精確測向經過優化的天線陣列，可以加快使用 AoA 和 AoD 協議的基於藍牙 5.1 的 RTLS 應用的開發（圖 4）。主板上包括幾個方便評估和開發無線應用的工具，包括：

· 板載 J-Link 調試器：用於通過以太網或 USB 在目標設備上進行編程和調試
· 使用先進的能量監測器實時測量電流和電壓
· 虛擬 COM 端口接口通過以太網或 USB 提供串行端口連接
· 數據包跟蹤接口提供有關已接收和傳輸無線數據包的調試信息

圖 4：具有 EFR32BG22 無線 Gecko SoC 和一個天線陣列的 BG22-RB4191A 無線專業套件能夠加速 AoA 和 AoD RTLS 應用的開發。（圖片來源：Silicon Labs）

用於藍牙 AoA 和 AoD 的模塊

u-blox 提供支持 AoA 和 AoD 且帶或不帶集成天線的藍牙模塊。對於那些獲益於無集成天線模塊的應用，設計者可以采用 NINA-B41x 係列
，如基於Nordic Semiconductor nRF52833 IC 的 NINA-B411-01B（圖 5）。這類模塊具有一個集成射頻內核和帶有浮點處理器的 Arm® Cortex®-M4，且在所有藍牙 5.1 模式下運行，包括 AoA 和 AoD。這類模塊的工作溫度範圍為 -40℃ 至 +105℃ ，非常適合工業環境中的 RTLS 應用。此外
，這類模塊的輸入電壓範圍為 1.7 V 至 3.6 V，因此在單電池供電係統中很有用。

圖 5：NINA-B41x 係列模塊支持使用外部天線的緊湊型 RTLS 解決方案。（圖片來源：Digi-Key）

u-blox 的 NINA-B40x 係列，如 NINA-B406-00B，包括一個集成在 10 x 15 x 2.2 mm 模塊 PCB 上的內置 PCB 印製線天線（圖 6）。NINA-B406 模塊可以提供高達 +8 dBm 的輸出功率。除了支持包括 AoA 和 AoD 在內的藍牙 5.1 模式外，這些模塊還支持 802.15.4（Thread 和 Zigbee）和 Nordic 專有的 2.4 GHz 協議，使設計者能夠在單一模塊上實現廣泛的物聯網設備設計標準化。

圖 6：受益於集成天線的 AoA 和 AoD 應用可以使用 NINA-B40x 係列模塊。（圖片來源：Digi-Key）

為了加快上市時間，設計者可以使用 u-blox 的 XPLR-OA-1 探索者套件

，該套件允許對藍牙 5.1 測向功能進行實驗，並支持 AoA 和 AoD 功能。該探索者套件包括一個標簽和一個帶有 NINA-B411 低功耗藍牙模塊的天線板（圖 7）。該標簽基於 NINA-B406 藍牙模塊構建

，包括發送藍牙 5.1 guanggaoxinxideruanjian。tianxianbanyongyujieshouxinxi，bingyingyongjiaodujisuansuanfalaiquedingbiaoqiandefangxiang。jiaodushitongguodianlubanshangdetianxianzhenliezailianggeweidushangjisuanchulaide。

圖 7：XPLR-OA-1 探索者套件包括一個標簽（左）和一個天線板（右），以支持評估藍牙 AoA 和 AoD。（圖片來源：u-blox）

XPLR-OA-1 套件靈活性高，能讓設計者探索各種應用，例如：

· 檢測物體是否在靠近門
· 使攝像機能夠跟蹤房間內移動的資產
· 追蹤通過門或經過特定位置的貨物
· 避免機器人或自動導引車相互碰撞

此外，還可以使用幾個 XPLR-OA-1 套件並對三個或更多天線板的方向進行三角測量，以創建更複雜的定位係統。

結束語

藍牙 AoA 和 AoD 可針對工業 4.0 實施準確和經濟的 RTLS。對於那些可以從 SoC 和包含軟件的模塊中進行選擇的設計者來說，需要快速實施部署藍牙 AoA 和 AoD 需要的複雜軟件。這些 SoC 和模塊針對電池供電型定位標簽進行了低功耗優化
，且用於在惡劣的工業環境。

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