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2019-05-24

厘米级精准定位、室内导航,详解蓝牙 5.1 寻向功能的原理和创新应用

作为一大无线通讯技术,蓝牙已经遍布我们生活的各个角落,被广泛应用到音频传输、低功耗数据传输、定位、设备网络,而四大服务也被称为蓝牙历史上的四大创新应用

同时,在蓝牙技术联盟(SIG)的推动下,蓝牙技术不断革新以满足日益复杂的通讯需求、完善各项服务,也让创新应用成为可能。

今年初,蓝牙技术联盟正式宣布向开发者开放蓝牙 5.1 标准。在蓝牙 5.0 的基础上,蓝牙 5.1 新增了寻向(direction finding)功能,并且蓝牙定位精度提高到了厘米级别,满足了市场对更精确定位服务能力的需求。

5 月 23 日,2019 年蓝牙亚洲大会(Bluetooth Asia 2019)在深圳会展中心举行。蓝牙技术联盟亚太区开发者关系经理任凯发表演讲,系统讲解了蓝牙寻向功能的技术原理,以及技术改善用户体验的应用案例。

技术原理

基于位置的蓝牙服务解决方案通常分为两类:接近类解决方案和定位系统。目前,不管是实时定位、室内定位还是物品追踪,基于蓝牙的定位服务原理是:由传输数据包中加入 (Received Signal Strength Indication 接收信号强度)机制,由 Beacon 发射信号,蓝牙设备接收信号并反馈,当设备进入范围内时,估算系统中各蓝牙设备之间的距离。通过这种技术,定位系统在确定特定设备的位置时,精确度可达到米级。

蓝牙 5.1 中增加的寻向功能,系统可以同时通过信号强度和方向来明确设备位置,其精度可提升至厘米级。

寻向功能主要采用了两种定位技术,一种是到达角(Angle-of-Arrival:AOA)的测量技术,另一种是出发角(AoD,Angle of Departure)测量。

到达角测量(Angle-of-Arrival:AOA)

到达角(AOA)测量,是发射器通过单一天线发送特殊的数据包,接收器通过多天线接收,由于各个天线到发射器的距离不同,会产生相位差。通过相位差和天线间的距离计算出相互之间的角度关系,利用三边测量法寻向。

出发角((Angle of Departure:AOD)

出发角(AOD)与到达角相反,接收器是单天线,发射器多个天线发射特殊的数据包,接收器根据产生的相位差、天线距离,计算出相对的方向和距离。

一般来说,到达角(AOA)测量主要应用在 RTLS(实时定位系统)、物品追踪和地标信息,出发角(AOD)主要应用在物流、仓储等行业。

基于蓝牙寻向功能的应用

蓝牙 5.1 的寻向功能,不仅能找到目标追踪物品所处的方向,还能将定位精度提升至厘米级,大大提升以及用户体验以及工作的效率,应用方向包括但不限于以下几点。

物品追踪(防丢失)

当智能手机供应商将支持到达角寻向的蓝牙集成到手机中时,就能够检测物品的距离与方向。比如最常见的找钥匙、找遥控器。

地标信息解决方案(博物馆)

地标(POI)信息解决方案同样基于智能手机的到达角寻向功能。典型的应用场景比如博物馆,每件展品位置安装 Beacon。智能手机上的地标信息应用程序可为用户提供展厅展品的位置信息。另外,将手机指向展品时,用户还能获取该展品的详细信息。

蓝牙的实时定位系统(RTLS)解决方案(资产追踪、安全管理)

蓝牙的实时定位系统(RTLS)解决方案可追踪重要资产,比如确定仓库、医院中的重要设备资产。资产上安装由电池供电的低功耗蓝牙发射器(标签),将资产当前位置和接收信号强度发送到固定位置的蓝牙接收器上,精准定位。

一方面可精准的追踪物品所在的位置或所处的工序,另一方面厘米级的定位能够在工人在进入危险区域时及时发出警报提醒。

室内定位系统(IPS)解决方案:改善导航体验

室内定位系统(IPS)解决方案与 RTLS 解决方案工作方式相反,对应 AOA 到达角的测量方式。在设施固定位置安装 Beacon(蓝牙发射器),通过手机应用程序定位 Beacon 以及来自各已知位置的接收信号强度,通过三边测量法计算出其当前位置。

典型应用在于机场、商超、体育馆等场所,不仅能提供精准的导航、货架指示,还能收集该区域产品受用户欢迎的程度。

目前,美国商城、美国知名零售商 Target 和盖特威机场等众多大型场所已使用蓝牙 IPS 解决方案为来访者提供导航服务。

另外,在出口众多的地铁交通枢纽(如上海的人民广场地铁站,共有 20 个出口),室内定位能帮助用户快速找准出口。

除了以上四大解决方案之外,任凯还指出,蓝牙寻向功能在创新应用有着巨大的发挥空间,比如汽车、房屋的门禁系统,以及汽车胎压检测等。

汽车、房屋门禁

在车内安装定位器,通过寻向功能检测符合条件用户的手机,从而判断用户的位置(在前门、后门)与车门的距离、角度,在接近车门的时候自动打开车门,房屋门禁也同理。

因每辆车固定只配给一把车钥匙,这种无钥匙进入的方式,有望让车主通过授权给家庭其他成员发放车钥匙,让他们利用手机即可打开车门。

另外,蓝牙寻向功能也将能在胎压检测、停车(车桩 AOA 测量)等方面得到应用,给用户带来实际的体验提升。

以上这些是 SIG 会员公司提供的潜在应用场景,而能否在实际中应用,还有待检验。

市场潜力巨大

据蓝牙技术联盟(SIG)联合 ABI Research 最新发布的《蓝牙市场最新资讯(Bluetooth Maket update 2019)》中的预测,蓝牙基于位置的服务的市场机会在过去几年中迅速增长,蓝牙位置服务设备年出货量将由 2018 年的 720 万增长到 2023 年的 4.31 亿,未来 5 年复合增长率达到了 43%。其中,预计有 17 亿台智能手机将采用蓝牙位置服务,而蓝牙标签 (Tag)年出货量也将到 3 亿。

关注深圳湾(微信号:shenzhenware),并回复「蓝牙」,获取《蓝牙市场最新资讯(Bluetooth Maket update 2019)》全文。

任凯表示,从 2019 年开始,蓝牙寻向功能的垂直市场有稳固的提升,报告上的数据说明,未来有超过 4 亿的寻向产品将投放到市场上。

蓝牙寻向功能并不是现有蓝牙位置方案的替代方案,而是其中的一种增强型的方案。基于RSSI 蓝牙位置服务能够检测目标物的大致范围,寻向功能进一步提供方向和厘米级的精准距离,两者是相辅相成的关系。

任凯表示,蓝牙寻向功能的增加有望激发很多创新应用,而蓝牙技术联盟(SIG)作为一个合作型社区,积极支持各蓝牙创新项目的发展,也是蓝牙技术取得成功的关键。

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