基于Silicon Labs AOA解決方案介紹

隨著現(xiàn)在無線技術(shù)的發(fā)展，無線室內(nèi)定位技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展?，F(xiàn)在常用的室內(nèi)無線定位技術(shù)就有很多種，包括了基于AoX定位、RSSI定位、UWB超寬帶定位等多種室內(nèi)定位技術(shù)。

無線定位產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、機場、酒店、博物館、展館、工廠等大型室內(nèi)場景，尤其是高危行業(yè)人員定位管理。在化工廠、地鐵施工、隧道施工等高危施工場所，人員定位管理是一個剛需，在一些場景中地方政府有出臺一些強制性的文件，要求使用人員定位系統(tǒng)。在這些場景里面，一方面出于員工安全的角度，需要對員工進行定位，員工身處危險時進行呼救告警等；另一方面，在這些場所對訪客進行定位管理，防止訪客進入一些危險區(qū)域。

基于Silicon Labs AOA解決方案介紹

2022年6月，致力于安全、智能無線技術(shù)建立更互聯(lián)世界的全球領(lǐng)導(dǎo)者Silicon Labs（芯科科技）宣布全新藍牙定位服務(wù)解決方案，使用精準(zhǔn)、低功耗的藍牙器件以簡化到達角（AOA）和發(fā)出角（AOD）定位服務(wù)。Silicon Labs提供了軟件和硬件的參考設(shè)計，通過Silicon Labs BG22 SOC提供行業(yè)領(lǐng)先的能效，以及匹配的先進軟件，實現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤、改善室內(nèi)導(dǎo)航、得到亞米級的定位精度。

Silicon Labs EFR32BG22 SOC 支持標(biāo)準(zhǔn)藍牙5.1的AOX定位模式和Silicon Labs獨有的擴展AOX定位模式。

標(biāo)準(zhǔn)藍牙5.1定位模式分為：面向連接的AOX定位和面向廣播的AOX定位。面向連接的AOX定位方式向連接的AOX定位目前最大只支持32個標(biāo)簽進行連接；需要同時三個AOX locator連接到移動標(biāo)簽上再進行三邊測量，耗時和功耗比較大。面向廣播的AOX定位方式只能在ADV channel進行工作，系統(tǒng)容量要高于面向連接的定位模式，移動標(biāo)簽仍然需要同步到多個定位器進行三邊測量，同樣功耗還是偏高。

Silicon Labs擴展AOX定位模式可以在所有數(shù)據(jù)通道后添加CTE擴展幀，頻譜最大化的無連接工作，所以系統(tǒng)容量遠大于基于藍牙5.1標(biāo)準(zhǔn)模式下的系統(tǒng)容量，無需連接，多個locator可以同時接收到CTE數(shù)據(jù)，標(biāo)簽的功耗更低，系統(tǒng)設(shè)計也更簡單。

藍牙在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，會先發(fā)送前導(dǎo)碼部分，依次接入地址、數(shù)據(jù)單元、CRC檢測部分、CTE。數(shù)據(jù)包格式如下：

Silicon Labs數(shù)據(jù)包中增加了CTE字段（虛線框），此字段由一段連續(xù)的二進制符號1組成，由于BLE是使用GFSK調(diào)制，發(fā)送數(shù)據(jù)時的頻率不是穩(wěn)定的，在接收端并不能對這些調(diào)頻信號進行準(zhǔn)確采樣，所以不能獲得信號的精確相位信息，這也就是為什么在5.1版本之前，BLE不能支持計算波達角。改進后，發(fā)送端會以一個穩(wěn)定的頻率發(fā)送CTE，所以在接受端可以對這段穩(wěn)定的頻率進行采樣，獲取穩(wěn)定頻率的IQ數(shù)據(jù)，從而使得計算波達角。

在Silicon Labs AOD解決方案中提供了標(biāo)簽 Tag、基站Locator和服務(wù)器IQ數(shù)據(jù)解析軟件的支持。測量精度可以做到方位角±3°、俯仰角 ±5°，每秒可以對多達100個Tag進行定位。

下面來進行一一介紹。

1. 標(biāo)簽 Tag

采用EFR32BG22C224F512GM32 低功耗SOC作為藍牙5.2控制器，最大發(fā)射功率+6dBm，在 0 dBm 輸出功率的條件下，TX 電流為 4.1 mA，RX 電流為 3.6 mA （1 Mbps GFSK），1.40 μA EM2 深度睡眠電流，在 76.8 MHz 活動模式 （EM0） 下，運行功耗為 27 μA/MHz，優(yōu)異的功耗參數(shù)保證了Tag的長期穩(wěn)定運行。

2. 基站 Locator

Locator 設(shè)計采用4*4矩陣天線設(shè)計，面積160X160mm，比競爭對手小，可以對客戶提供設(shè)計文件和性能測試資料；可以支持AOA和AOD應(yīng)用，IQ數(shù)據(jù)通過串口進行輸出。

3. AOX定位模式介紹

AOA和AOD的工作模式見下圖：

4. RTL庫支持

Silicon Labs 不僅提供硬件部分設(shè)計，還提供邊緣網(wǎng)關(guān)RTL庫，支持Cortex-A和X86平臺處理器；當(dāng)Locator完成標(biāo)簽數(shù)據(jù)收集后將IQ數(shù)據(jù)傳輸給邊緣網(wǎng)關(guān)解析數(shù)據(jù)，過濾多徑的數(shù)據(jù)，計算出方位角和俯仰角。

無線室內(nèi)定位技術(shù)對比

目前市場上比較常見的定位模式有如下幾種：

1. 基于Zigbee/BLE RSSI定位技術(shù)

RSSI定位是根據(jù)信號強度和距離的關(guān)系計算位置的。這種定位模式一般采用至少三個固定標(biāo)簽+移動標(biāo)簽+網(wǎng)關(guān)（Sub-1G/Lora）的方式可以實現(xiàn)三角定位，移動標(biāo)簽通過掃描固定標(biāo)簽的信號，并將信號最強的3個數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器進行解析，并且在地圖中呈現(xiàn)出來。

優(yōu)勢：在于這種模式功耗相對較低，系統(tǒng)成本低。

缺點：在于需要部署相應(yīng)的固定標(biāo)簽和網(wǎng)關(guān)，相比之下網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，網(wǎng)絡(luò)維護的成本要增加不少，定位精度和固定標(biāo)簽的個數(shù)有關(guān)，一般定位精度可以做到1-5m范圍內(nèi)。

2. UWB 室內(nèi)定位技術(shù)

UWB是利用信號在標(biāo)簽和基站之間的飛行時間來計算距離，時間和距離線性相關(guān)，所以定位精度高。UWB定位方式分為TWR和TDOA兩種模式；由于基站到移動標(biāo)簽的距離清楚，采用三角定位算法就可以知道移動標(biāo)簽在空間的位置。

優(yōu)勢：在于同時具有實時定位和精確定位的雙重優(yōu)點，定位的延遲時間遠遠小于藍牙定位、WIFI定位等其他的室內(nèi)定位技術(shù)。精度可以達到10cm左右，是室內(nèi)高精度定位的首選。并且具備高動態(tài)、高容量、低功耗的優(yōu)點。

缺點：在于同樣需要部署網(wǎng)關(guān)，在定位標(biāo)簽和定位基站的價格上相比WIFI和BLE產(chǎn)品比高出了很多。其次，UWB所需要的頻段我國分配是從6G-9G，脈沖穿透性較差，如果產(chǎn)生遮擋，定位精度就會下降；還有UWB研發(fā)難度高，投入較大。

3. AOX定位技術(shù)

藍牙AOX定位技術(shù)采用藍牙AOX的基站，藍牙標(biāo)簽發(fā)送的藍牙信號到達不同天線之間會存在相位差，利用這個相位差，我們就能夠得到藍牙發(fā)射機到達接收機的角度。天線安裝高度已經(jīng)知道，就可以得出移動標(biāo)簽在空間的大概位置。

優(yōu)勢：在于標(biāo)簽成本較低，定位精度可以達到1m左右；部署比較簡單；手機也可以作為標(biāo)簽使用。

缺點：也比較明顯，單個定位天線覆蓋范圍不大，覆蓋范圍和基站天線的最大夾角45°左右；投影于地面就是一倍基站高度為半徑的圓形區(qū)域；基站高度越高，覆蓋范圍越大；例如目前房間高度為3米，在保持精度的前提下，覆蓋范圍為半徑為3m的圓形。

4. 對上述三種定位方式進行對比

定位方式RSSI 定位UWBAOD

定位精度2-5米小于1米1米左右

成本低高較低

標(biāo)簽功耗較低高低

使用場景定位精度較低，一般適用于檢測存在性對定位精度比較高的場合適合工廠、學(xué)校等環(huán)境

特別說明，AOA定位可以和RSSI定位進行融合，對局部區(qū)域定位精度進行提高。