越來越多的日常數(shù)字設(shè)備，包括智能手機(jī),、門鎖,，甚至最新的汽車,，現(xiàn)在都使用一種稱為空間感知的無線功能,。具有空間感知功能的數(shù)字設(shè)備可以了解它相對于其他設(shè)備的位置,，然后對這些設(shè)備的位置變化做出響應(yīng),?？臻g感知功能使我們——這些數(shù)字設(shè)備的用戶們,，可以更輕松地度過每一天。
以空間感知門鎖為例,。這種鎖可以安裝在車門,、倉庫入口或前門上，它可以感應(yīng)到您所攜帶的智能手機(jī)的靠近,，并且在您離門足夠近,，準(zhǔn)備進(jìn)入時(shí)，它會自動解鎖,。同樣,，當(dāng)您離開時(shí),，門鎖可以感應(yīng)到您的離開；當(dāng)您離得足夠遠(yuǎn),，表明您已經(jīng)離開時(shí),，門鎖會自動重新鎖上。
空間感知功能對我們?nèi)祟愑袔椭牧硪环N方式是,，找到我們放錯地方的東西,。您可以在錢包、眼鏡或遙控器上安裝一個(gè)小型跟蹤裝置,，下次找不到這個(gè)物品時(shí),，你的智能手機(jī)就可以利用其空間感知功能定位它，并引導(dǎo)你找到它,。你的智能手機(jī)甚至可以在屏幕上呈現(xiàn)帶有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視圖的圖像,，引導(dǎo)你找到丟失的物體。
與空間感知設(shè)備的交互簡單直觀,，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多步驟。此外,，開發(fā)人員還發(fā)現(xiàn),，使用兩種不同的無線技術(shù)，即低能耗藍(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方法，可通過被動接近檢測來識別是否存在其他設(shè)備,。而設(shè)計(jì)中的超寬帶（UWB）部分基于寬帶測距提供精確定位功能,，可檢測距離和運(yùn)動方向的微小變化。檢測到附近的物體后,，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)界面?zhèn)鬟_(dá)運(yùn)動的位置和方向。
要在BLE,、UWB和人機(jī)界面之間實(shí)現(xiàn)這些交互可能會很棘手,。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)行徹底測試,，才能確保這兩種無線技術(shù)能夠無縫地協(xié)同工作。
以下是開發(fā)人員在使用空間感知時(shí)需要考慮的問題,。
通過低功耗藍(lán)牙（BLE）實(shí)現(xiàn)接近傳感技術(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年市場最新信息，估計(jì)有130億臺支持藍(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定義了通信協(xié)議，還通過認(rèn)證計(jì)劃強(qiáng)制遵守協(xié)議,。結(jié)果是,， BLE無處不在且普遍可互操作。開發(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,，終端用戶無須為設(shè)備設(shè)置和配置操心。
互操作性使BLE成為兩點(diǎn)之間短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^佳選擇,。在使用空間感知的應(yīng)用中,，這意味著BLE可用于配置、鏈路協(xié)商和通信人機(jī)界面,。
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強(qiáng)度指示器（Received Signal Strength Indicator,，簡稱RSSI）的技術(shù)來計(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測量使用信號強(qiáng)度來表示距離,，這是基于信號越近越強(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。
通過超寬帶（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。它與其他無線協(xié)議不同之處在于,，它使用的脈沖信號短至2ns,。此外，與BLE,、Wi-Fi和一些專有解決方案運(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)行安全測距,，同時(shí)使用很小的功率發(fā)送信號,，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)合惠及智能家居,、汽車、消費(fèi)類和工業(yè)等廣泛用例,。
回到門鎖的例子,，你接近車門時(shí)，車門會自動打開,，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)，然后可以與車身周圍的多個(gè)錨點(diǎn)協(xié)調(diào),，以激活UWB測距,。新激活的超寬帶錨可以檢測智能手機(jī)中相應(yīng)的超寬帶無線。使用協(xié)調(diào)的ToF和AoA測量,，這些超寬帶無線可以確保高度精確的距離測量,。
在物品跟蹤器中，BLE和UWB之間也會發(fā)生類似的切換,。電池供電的小標(biāo)簽可以貼在包上,、車鑰匙上、寵物的項(xiàng)圈上,，或者任何你可能丟失的東西上,。BLE將追蹤器與您的手機(jī)相關(guān)聯(lián)。配對兩個(gè)BLE端點(diǎn)可啟用加密的BLE通信,，以確保隱私,。之后，當(dāng)你找不到你要找的東西時(shí),，可以使用手機(jī)上的應(yīng)用啟動搜索,。BLE會尋找相關(guān)標(biāo)簽，一旦接近,，BLE就會激活UWB測距,，你的應(yīng)用會引導(dǎo)你找到丟失物品的準(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,，打造更好的用戶體驗(yàn),。但是，采用結(jié)合的無線技術(shù)開發(fā)從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)給開發(fā)人員帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn),。
編碼固件和設(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)的專業(yè)知識。此外,，了解這兩種技術(shù)如何在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同集成意味著要注意許多其他因素,，包括非易失性內(nèi)存和RAM的限制、系統(tǒng)級電流消耗的預(yù)算以及板卡的設(shè)計(jì)約束。
使用同一家供應(yīng)商的好處
設(shè)計(jì)者需要依賴可靠且易于集成的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能夠成功集成到產(chǎn)品中的一種方法是,，與能夠提供這兩種IC的單一供應(yīng)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),，并通過模塊合作伙伴提供BLE和UWB解決方案的預(yù)認(rèn)證PCB模塊變體,。此外，采用恩智浦的參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)指南來設(shè)計(jì)硬件,，可使系統(tǒng)開發(fā)人員處于領(lǐng)先地位,，并確保客戶板的設(shè)計(jì)符合最佳射頻和其他性能指標(biāo),。
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)供應(yīng)商可能有所幫助的另一種情況，因?yàn)槟锌赡苷业絽f(xié)同工作的軟件組件,。例如,，恩智浦的MCUXpresso SDK提供預(yù)集成的UWB驅(qū)動程序、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,，在一組參考示例中演示UWB驅(qū)動的用例,。
恩智浦的Finder V3參考板作為附加的設(shè)計(jì)工具,，提供了最佳的硬件設(shè)計(jì)指南和緊密集成的嵌入式軟件。此參考設(shè)計(jì)演示了Finder的使用案例,，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測距,，甚至還有一個(gè)帶有源代碼的演示移動應(yīng)用,。
Finder V3的參考設(shè)計(jì)基于QN9090無線MCU和Trimension SR040，這是恩智浦為UWB跟蹤應(yīng)用量身定制的UWB解決方案,。Trimension SR040支持實(shí)時(shí)定位服務(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UWB即將提出的要求。
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利用BLE和UWB的互補(bǔ)特性,，開發(fā)人員可以解鎖創(chuàng)新的用戶體驗(yàn),，并幫助我們的互聯(lián)世界變得更加無縫和可靠。
作者簡介：
Parker Dorris,，恩智浦汽車BLE產(chǎn)品經(jīng)理
Parker Dorris是恩智浦汽車BLE產(chǎn)品的產(chǎn)品經(jīng)理,。此外，他還幫助管理恩智浦的連接產(chǎn)品軟件，重點(diǎn)關(guān)注易用性和一些第三方生態(tài)合作體系,。Parker作為微控制器和無線技術(shù)的固件開發(fā)人員和營銷經(jīng)理,，擁有超過15年的工作經(jīng)驗(yàn)。