超寬帶和低功耗藍牙結合實(shí)現創(chuàng )新

越來(lái)越多的日常用品或設備，包括智慧手機、門(mén)鎖，甚至最新的汽車(chē)，現在都使用一種稱(chēng)為空間感知的無(wú)線(xiàn)功能。具有空間感知功能的數字設備可以感測它相對于其他設備的位置，然后對這些設備的位置變化做出回應?？臻g感知功能使我們—這些數字設備的用戶(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)、倉庫入口或前門(mén)上，它可以感應到使用者所攜帶的智能手機靠近它，并且在人離門(mén)足夠近、準備進(jìn)門(mén)時(shí)自動(dòng)解鎖。同樣，當人離開(kāi)時(shí)，門(mén)鎖可以感應到離開(kāi)；而當離得足夠遠，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，當下次找不到這個(gè)物品時(shí)，智慧手機就可以利用其空間感知功能定位它，并引導找到它。在智能手機上甚至可以在屏幕呈現帶有增強現實(shí)的圖像，引導著(zhù)找到丟失的物體。

與空間感知設備的互動(dòng)操作簡(jiǎn)單直觀(guān)，但設計支持空間感知的人機體驗可能相當具有挑戰性，因為其中涉及許多的步驟。此外，開(kāi)發(fā)人員還發(fā)現使用兩種不同的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，即低功耗藍牙和超寬帶，可以創(chuàng )建一種空間感知的增強型解決方案。

設計中的藍牙低能耗（BLE）部分提供一種低功耗感知方法，可通過(guò)被動(dòng)接近檢測來(lái)識別是否存在其他設備。而設計中的超寬帶（UWB）部分基于寬帶測距提供精確定位功能，可檢測距離和運動(dòng)方向的微小變化。檢測到附近的物體后，設計的BLE端觸發(fā)UWB端，并使用UWB生成的數據向人機接口傳達運動(dòng)的位置和方向。

要在BLE、UWB和人機接口之間實(shí)現這些互操作可能會(huì )很棘手，它涉及復雜的嵌入式算法和復雜的射頻設計。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(wú)線(xiàn)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)現接近感測技術(shù)和通信
因為使用廣泛，藍牙是物聯(lián)網(wǎng)設備的合理選擇。根據監督藍牙規范和許可的標準組織藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group；SIG）2021年市場(chǎng)最新信息，估計有130億臺支持藍牙的物聯(lián)網(wǎng)設備已經(jīng)投入使用。

Bluetooth SIG在BLE的成功中發(fā)揮了重要作用，因為它們不僅定義了通訊協(xié)議，還通過(guò)認證計劃強制遵守協(xié)議。結果是， 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的設備將能與他們遇到的其他支持BLE的設備進(jìn)行通信，終端使用者無(wú)須為設備設置和配置操心?；ゲ僮餍允笲LE成為兩點(diǎn)之間短距離數據傳輸的優(yōu)化選擇。在使用空間感知的應用中，這意味著(zhù)BLE可用于配置、鏈路協(xié)商和通信人機接口。

BLE也可用于定位，但在確定物品的準確位置方面不如UWB精確。BLE使用一種叫做接收信號強度指示器（Received Signal Strength Indicator；RSSI）的技術(shù)來(lái)計算距離。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測量使用信號強度來(lái)表示距離，這是基于信號越近越強的理念，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)現精確定位
最近由IEEE在802.15.4a/z中定義的UWB，是一種無(wú)線(xiàn)標準，它提供比當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。使用飛行時(shí)間（ToF）和到達角（AoA）計算，超寬帶可以精確地確定+/-10cm范圍內的位置。

最新版本的超寬帶基于軍事雷達應用，它與其他無(wú)線(xiàn)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(zhuān)有解決方案運行更擁擠的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。

超寬帶的獨特結構意味著(zhù)它可以精確地執行安全測距，同時(shí)使用很小的功率發(fā)送信號，即使在具有挑戰性的射頻環(huán)境中，也能提供非常穩定的連接，幾乎不受干擾。


成功的組合
BLE和UWB的定位結合惠及智慧家庭、汽車(chē)、消費類(lèi)和工業(yè)等廣泛應用場(chǎng)景?；氐介T(mén)鎖的例子，當接近車(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。

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

在物品追蹤器中，BLE和UWB之間也會(huì )發(fā)生類(lèi)似的切換。電池供電的小標簽可以貼在包包上、車(chē)鑰匙上、寵物的項圈上，或者任何你可能遺失的東西上。BLE將追蹤器與您的手機相配對。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，當你找不到自己要找的東西時(shí)，可以使用手機上的應用啟動(dòng)搜索。BLE會(huì )尋找相關(guān)標簽，一旦接近，BLE就會(huì )啟動(dòng)UWB測距，透過(guò)應用會(huì )引導找到遺失物品的準確位置。


迎接設計挑戰
BLE和UWB的結合意味著(zhù)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。但是，采用結合的無(wú)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)從概念到產(chǎn)品的設計給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了獨特的挑戰。

編碼韌體和設計硬件實(shí)現BLE和UWB的全部結合潛力，需要每一項技術(shù)的專(zhuān)業(yè)知識。此外，了解這兩種技術(shù)如何在一個(gè)系統中協(xié)同整合操作意味著(zhù)要注意許多其他因素，包括非易失性?xún)却妫╪onvolatile memory）和RAM的限制、系統級電流消耗的預算以及板卡的設計局限。


使用同一家供貨商的好處
設計者需要依賴(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)系統中相互結合工作。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計提供BLE和UWB片上系統（SoC）選項，并通過(guò)模塊合作伙伴提供BLE和UWB解決方案的預認證PCB模塊。此外，采用恩智浦的參考設計和設計指南來(lái)設計硬件，可使系統開(kāi)發(fā)人員處于領(lǐng)先地位，并確?？蛻?hù)板的設計符合最佳射頻和其他性能指針。

在單個(gè)項目中結合BLE和UWB軟件也面臨一系列挑戰。這是選擇單個(gè)供貨商能夠解決的另一種情況，因為更有可能找到協(xié)同工作的軟件。例如恩智浦的MCUXpresso SDK提供預整合的UWB驅動(dòng)程序、BLE堆棧、其他關(guān)鍵系統組件（如引導加載程序）和應用層功能，在參考設計中演示UWB驅動(dòng)的應用場(chǎng)景。

恩智浦的Finder V3參考板作為附加的設計工具，提供優(yōu)化的硬件設計指南和緊密整合的嵌入式軟件。此參考設計演示了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、UWB測距，甚至還有一個(gè)帶有源代碼的演示移動(dòng)應用。
Finder V3的參考設計基于QN9090無(wú)線(xiàn)MCU和Trimension SR040，這是恩智浦為UWB追蹤應用量身定制的UWB解決方案。Trimension SR040支持立即尋址服務(wù)（RTLS）標簽中的到達時(shí)差（TDoA），其設計符合FiRa聯(lián)盟對UWB即將提出的要求。

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