超寬帶和低功耗藍(lán)牙結(jié)合實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新

越來(lái)越多的日常用品或設(shè)備，包括智慧手機(jī)、門(mén)鎖，甚至最新的汽車(chē)，現(xiàn)在都使用一種稱(chēng)為空間感知的無(wú)線功能。具有空間感知功能的數(shù)字設(shè)備可以感測(cè)它相對(duì)于其他設(shè)備的位置，然后對(duì)這些設(shè)備的位置變化做出回應(yīng)?？臻g感知功能使我們—這些數(shù)字設(shè)備的用戶(hù)們，可以更輕松地度過(guò)每一天。

以空間感知門(mén)鎖為例。這種鎖可以安裝在車(chē)門(mén)、倉(cāng)庫(kù)入口或前門(mén)上，它可以感應(yīng)到使用者所攜帶的智能手機(jī)靠近它，并且在人離門(mén)足夠近、準(zhǔn)備進(jìn)門(mén)時(shí)自動(dòng)解鎖。同樣，當(dāng)人離開(kāi)時(shí)，門(mén)鎖可以感應(yīng)到離開(kāi)；而當(dāng)離得足夠遠(yuǎn)，顯示人已經(jīng)離開(kāi)時(shí)，門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)重新鎖上。

空間感知功能說(shuō)明的另一種方式，在于找到被放錯(cuò)地方的東西。使用者可以在錢(qián)包、眼鏡或遙控器上安裝一個(gè)小型追蹤裝置，當(dāng)下次找不到這個(gè)物品時(shí)，智慧手機(jī)就可以利用其空間感知功能定位它，并引導(dǎo)找到它。在智能手機(jī)上甚至可以在屏幕呈現(xiàn)帶有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像，引導(dǎo)著找到丟失的物體。

與空間感知設(shè)備的互動(dòng)操作簡(jiǎn)單直觀，但設(shè)計(jì)支持空間感知的人機(jī)體驗(yàn)可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠渲猩婕霸S多的步驟。此外，開(kāi)發(fā)人員還發(fā)現(xiàn)使用兩種不同的無(wú)線技術(shù)，即低功耗藍(lán)牙和超寬帶，可以創(chuàng)建一種空間感知的增強(qiáng)型解決方案。

設(shè)計(jì)中的藍(lán)牙低能耗（BLE）部分提供一種低功耗感知方法，可通過(guò)被動(dòng)接近檢測(cè)來(lái)識(shí)別是否存在其他設(shè)備。而設(shè)計(jì)中的超寬帶（UWB）部分基于寬帶測(cè)距提供精確定位功能，可檢測(cè)距離和運(yùn)動(dòng)方向的微小變化。檢測(cè)到附近的物體后，設(shè)計(jì)的BLE端觸發(fā)UWB端，并使用UWB生成的數(shù)據(jù)向人機(jī)接口傳達(dá)運(yùn)動(dòng)的位置和方向。

要在BLE、UWB和人機(jī)接口之間實(shí)現(xiàn)這些互操作可能會(huì)很棘手，它涉及復(fù)雜的嵌入式算法和復(fù)雜的射頻設(shè)計(jì)。此外，終端產(chǎn)品還需要進(jìn)行徹底測(cè)試，才能確保這兩種無(wú)線技術(shù)能夠無(wú)縫地協(xié)同工作。以下是開(kāi)發(fā)人員在使用空間感知時(shí)需要考慮的問(wèn)題。


通過(guò)BLE實(shí)現(xiàn)接近感測(cè)技術(shù)和通信
因?yàn)槭褂脧V泛，藍(lán)牙是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的合理選擇。根據(jù)監(jiān)督藍(lán)牙規(guī)范和許可的標(biāo)準(zhǔn)組織藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group；SIG）2021年市場(chǎng)最新信息，估計(jì)有130億臺(tái)支持藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)投入使用。

Bluetooth SIG在BLE的成功中發(fā)揮了重要作用，因?yàn)樗鼈儾粌H定義了通訊協(xié)議，還通過(guò)認(rèn)證計(jì)劃強(qiáng)制遵守協(xié)議。結(jié)果是， BLE無(wú)處不在且普遍可互操作。開(kāi)發(fā)人員可以確信，支持BLE的設(shè)備將能與他們遇到的其他支持BLE的設(shè)備進(jìn)行通信，終端使用者無(wú)須為設(shè)備設(shè)置和配置操心?；ゲ僮餍允笲LE成為兩點(diǎn)之間短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化選擇。在使用空間感知的應(yīng)用中，這意味著B(niǎo)LE可用于配置、鏈路協(xié)商和通信人機(jī)接口。

BLE也可用于定位，但在確定物品的準(zhǔn)確位置方面不如UWB精確。BLE使用一種叫做接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（Received Signal Strength Indicator；RSSI）的技術(shù)來(lái)計(jì)算距離。這與其他常用的定位協(xié)議（包括Wi-Fi）使用的技術(shù)相同。

RSSI測(cè)量使用信號(hào)強(qiáng)度來(lái)表示距離，這是基于信號(hào)越近越強(qiáng)的理念，但這種方法更容易受到射頻干擾和人體障礙等問(wèn)題的影響。如果應(yīng)用需要超越BLE的空間感知水平，那么UWB就發(fā)揮作用了。


通過(guò)UWB實(shí)現(xiàn)精確定位
最近由IEEE在802.15.4a/z中定義的UWB，是一種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，它提供比當(dāng)前使用的任何其他定位技術(shù)（包括BLE和Wi-Fi）更精確的讀數(shù)。使用飛行時(shí)間（ToF）和到達(dá)角（AoA）計(jì)算，超寬帶可以精確地確定+/-10cm范圍內(nèi)的位置。

最新版本的超寬帶基于軍事雷達(dá)應(yīng)用，它與其他無(wú)線協(xié)議不同之處，在于它使用的脈沖信號(hào)短至2ns。此外，與BLE、Wi-Fi和一些專(zhuān)有解決方案運(yùn)行更擁擠的2.4 GHz頻譜中使用窄帶不同，超寬帶在6-8 GHz頻譜中使用500 MHz的寬帶。

超寬帶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)意味著它可以精確地執(zhí)行安全測(cè)距，同時(shí)使用很小的功率發(fā)送信號(hào)，即使在具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中，也能提供非常穩(wěn)定的連接，幾乎不受干擾。


成功的組合
BLE和UWB的定位結(jié)合惠及智慧家庭、汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)等廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。回到門(mén)鎖的例子，當(dāng)接近車(chē)門(mén)時(shí)，車(chē)門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，這是BLE和UWB提供的最佳體驗(yàn)。

BLE可以在鄰近的外部邊界進(jìn)行初始發(fā)現(xiàn)，然后可以與車(chē)身周?chē)亩鄠€(gè)錨點(diǎn)協(xié)調(diào)，以啟動(dòng)UWB測(cè)距。新啟動(dòng)的超寬帶錨可以檢測(cè)智慧手機(jī)中相應(yīng)的超寬帶無(wú)線。使用協(xié)調(diào)的ToF和AoA測(cè)量，這些超寬帶無(wú)線可以確保高度精確的距離測(cè)量。

在物品追蹤器中，BLE和UWB之間也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的切換。電池供電的小標(biāo)簽可以貼在包包上、車(chē)鑰匙上、寵物的項(xiàng)圈上，或者任何你可能遺失的東西上。BLE將追蹤器與您的手機(jī)相配對(duì)。配對(duì)兩個(gè)BLE端點(diǎn)可啟用加密的BLE通信，以確保隱私。

之后，當(dāng)你找不到自己要找的東西時(shí)，可以使用手機(jī)上的應(yīng)用啟動(dòng)搜索。BLE會(huì)尋找相關(guān)標(biāo)簽，一旦接近，BLE就會(huì)啟動(dòng)UWB測(cè)距，透過(guò)應(yīng)用會(huì)引導(dǎo)找到遺失物品的準(zhǔn)確位置。


迎接設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
BLE和UWB的結(jié)合意味著每個(gè)協(xié)議都可以提供關(guān)鍵功能，打造更好的用戶(hù)體驗(yàn)。但是，采用結(jié)合的無(wú)線技術(shù)開(kāi)發(fā)從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

編碼韌體和設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)BLE和UWB的全部結(jié)合潛力，需要每一項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。此外，了解這兩種技術(shù)如何在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同整合操作意味著要注意許多其他因素，包括非易失性?xún)?nèi)存（nonvolatile memory）和RAM的限制、系統(tǒng)級(jí)電流消耗的預(yù)算以及板卡的設(shè)計(jì)局限。


使用同一家供貨商的好處
設(shè)計(jì)者需要依賴(lài)可靠且易于整合的BLE和UWB解決方案，理想情況下，它們還可以在單個(gè)系統(tǒng)中相互結(jié)合工作。確保BLE和UWB IC能夠成功整合到產(chǎn)品中的一種方法是，與能夠提供這兩種IC的單一供貨商合作。

例如，恩智浦為空間受限設(shè)計(jì)提供BLE和UWB片上系統(tǒng)（SoC）選項(xiàng)，并通過(guò)模塊合作伙伴提供BLE和UWB解決方案的預(yù)認(rèn)證PCB模塊。此外，采用恩智浦的參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)指南來(lái)設(shè)計(jì)硬件，可使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員處于領(lǐng)先地位，并確?？蛻?hù)板的設(shè)計(jì)符合最佳射頻和其他性能指針。

在單個(gè)項(xiàng)目中結(jié)合BLE和UWB軟件也面臨一系列挑戰(zhàn)。這是選擇單個(gè)供貨商能夠解決的另一種情況，因?yàn)楦锌赡苷业絽f(xié)同工作的軟件。例如恩智浦的MCUXpresso SDK提供預(yù)整合的UWB驅(qū)動(dòng)程序、BLE堆棧、其他關(guān)鍵系統(tǒng)組件（如引導(dǎo)加載程序）和應(yīng)用層功能，在參考設(shè)計(jì)中演示UWB驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

恩智浦的Finder V3參考板作為附加的設(shè)計(jì)工具，提供優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)指南和緊密整合的嵌入式軟件。此參考設(shè)計(jì)演示了Finder的使用范例，其中包含一個(gè)小型電池供電板，支持BLE接近和發(fā)現(xiàn)、UWB測(cè)距，甚至還有一個(gè)帶有源代碼的演示移動(dòng)應(yīng)用。
Finder V3的參考設(shè)計(jì)基于QN9090無(wú)線MCU和Trimension SR040，這是恩智浦為UWB追蹤應(yīng)用量身定制的UWB解決方案。Trimension SR040支持立即尋址服務(wù)（RTLS）標(biāo)簽中的到達(dá)時(shí)差（TDoA），其設(shè)計(jì)符合FiRa聯(lián)盟對(duì)UWB即將提出的要求。

利用BLE和UWB的互補(bǔ)特性，開(kāi)發(fā)人員可以解鎖創(chuàng)新的用戶(hù)體驗(yàn)，并幫助世界互聯(lián)變得更加無(wú)縫和可靠。