開(kāi)拓室內定位市場(chǎng)，誰(shuí)來(lái)提供神助攻？

如何讓建筑智能起來(lái)？在這方面人們已經(jīng)做了諸多嘗試，比如在照明、門(mén)禁、空調、能源管理等方面引入更多自動(dòng)化的功能，現在可能還要增加一個(gè)新的選項——室內定位。

對于“定位”，大家并不陌生。在戶(hù)外活動(dòng)時(shí)，人們已經(jīng)習慣了通過(guò)GPS、北斗等全球衛星定位系統確定自己或者被監測對象的精確地理坐標，并在此基礎上衍生出了導航、資產(chǎn)追蹤等應用和服務(wù)?？墒且坏┍槐O測對象進(jìn)入了室內，衛星定位就失靈了，這時(shí)就需要室內定位技術(shù)來(lái)接棒。

室內定位的原理，其實(shí)和戶(hù)外衛星定位的原理很相似，都是通過(guò)測量移動(dòng)的被測物與多個(gè)固定參照點(diǎn)之間的位置關(guān)系，并基于專(zhuān)門(mén)的算法計算出被測物的精確位置。不難理解，完成這一過(guò)程，需要三個(gè)核心技術(shù)要素：

標簽設備

通常是指“附著(zhù)”在被測人或物體上的通信模塊，其作用是通過(guò)發(fā)射或接收信標信號，完成定位系統的識別和測量工作。在衛星定位中，這種“標簽”就是帶有GPS或北斗功能的手機或車(chē)載定位/導航設備；而在室內定位中，則是隨被測對象移動(dòng)的各種無(wú)線(xiàn)通信組件。

定位基站（定位器）

也就是定位系統中位置相對固定的參照點(diǎn)。在GPS和北斗定位系統中，衛星顯然就扮演著(zhù)這一角色；而在室內定位中，也需要在相應的空間內部署這樣的定位器，以及時(shí)獲取標簽設備的特征信息并確定其準確位置。

通信方式

為了實(shí)現定位，就需要在定位基站和標簽之間數據傳輸方式，交互距離和方向等信息，這時(shí)就需要無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)幫忙了。其中，射頻技術(shù)（如藍牙、UWB、Wi-Fi等），肯定是當仁不讓的主角，有時(shí)我們也能看到超聲波的身影。值得一提的是，基于可見(jiàn)光的通信（VCL）也開(kāi)始加入這一賽道的角逐（我們將在后文詳述），這也讓室內定位的技術(shù)選項更為豐富。

圖1：室內定位在倉儲管理中的應用

（圖源：安森美）

PoE技術(shù)：助力定位基站快速部署

嚴格來(lái)講，室內定位技術(shù)可以分為兩種體系——實(shí)時(shí)定位（Real-Time Location System, RTLS）和室內定位（Indoor Position System，IPS）。這兩者主要的區別在于：RTLS是在標簽設備上部署信標，由位置固定的定位基站不斷“偵聽(tīng)”信標發(fā)出的信息，并將其傳輸給定位引擎進(jìn)行定位計算，這種方式適用于對敏感人或物的實(shí)時(shí)追蹤；而IPS則正好相反，它的信標是部署在固定的定位基站上，而由移動(dòng)的標簽設備去“偵聽(tīng)”這些信標，進(jìn)而計算出自己的位置，因此IPS更適合于室內導航應用。

不論是哪種方式，定位基站都是室內定位系統中不可或缺的要素，而且為了優(yōu)化定位精度以及覆蓋范圍，未來(lái)定位基站部署的數量會(huì )更多，密度會(huì )更大，而且也需要具有良好的可擴展性。

定位基站部署時(shí)，需要重點(diǎn)考慮兩個(gè)功能：一是數據通信，比如定位器需要將數據傳輸給定位引擎，考慮到數據傳輸的可靠性，往往需要通過(guò)有線(xiàn)通信（如以太網(wǎng)）來(lái)完成；二是電源供電，由于這些定位基站需要長(cháng)期運轉，且隨著(zhù)性能提升和功能擴展，其對于功率的需求也會(huì )越來(lái)越高。如果使用電池供電就會(huì )增加后續的維護工作量，也無(wú)法滿(mǎn)足功率提升的要求，因此并不是優(yōu)選方案。若要同時(shí)滿(mǎn)足數據通信和電源供電兩個(gè)功能要求，以太網(wǎng)供電（PoE）顯然是一個(gè)理想的解決方案。

通過(guò)單一網(wǎng)絡(luò )同時(shí)支持數據傳輸和電源供電兩個(gè)功能，是PoE主要的優(yōu)勢，它避免了為部署定位基站而開(kāi)墻打洞、布設配電網(wǎng)絡(luò )的麻煩。今天最新的IEEE 802.3bt PoE標準，已經(jīng)可以支持90W的功率，可以滿(mǎn)足絕大多數以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設備的供電需求，也包括室內定位基站。而且由于PoE被歸類(lèi)為低功率范疇，由網(wǎng)絡(luò )工程師架構即可，無(wú)需強電技術(shù)人員的介入，這也大大增強了定位基站部署的便利性。

為了滿(mǎn)足IEEE 802.3bt這一最新PoE標準的應用開(kāi)發(fā)要求，安森美（onsemi）推出了NCP1095和NCP1096大功率PoE-PD控制器，其可提供高達90W的功率，甚至可以支持專(zhuān)有的100W+應用。

這兩款PoE-PD控制器將PoE系統所需的檢測、分類(lèi)和浪涌保護功能都集成在一個(gè)器件內，而且還支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，使得PD受電設備能夠將其特定的功率需求傳遞給PSE供電設備，以實(shí)現更精準的控制，并符合最新PoE規范的要求。

圖2：NCP1095和NCP1096大功率PoE-PD控制器

（圖源：安森美）

可以說(shuō)，采用上述安森美的芯片解決方案，可以將定位基站快速打造為支持PoE功能的受電設備，以獲得PoE帶來(lái)的便利性和靈活性，讓室內定位基站可以根據需要部署到任何一個(gè)角落。

低功耗藍牙SoC：加速標簽設備開(kāi)發(fā)

聊完了定位基站，下面我們來(lái)看看標簽設備。作為與被測對象如影隨形的電子模塊，標簽的設計需要滿(mǎn)足兩個(gè)要求：首先在性能上，要盡可能支持最新的技術(shù)標準，以實(shí)現更優(yōu)的定位精度；其次，由于是“綁定”在移動(dòng)的人或物上的，其通常需要電池供電，因此低功耗、小型化的需求也是一個(gè)硬指標。

如上文所述，目前可用于室內定位的無(wú)線(xiàn)技術(shù)有很多，它們也各具特色，滿(mǎn)足不同應用需求。而要論開(kāi)發(fā)生態(tài)最成熟，應用覆蓋面最廣泛的技術(shù)，肯定非藍牙莫屬了，且低功耗藍牙（BLE）的低功耗特性更是有口皆碑。在其他IoT應用中積累的大量設計經(jīng)驗，也可以移植到室內定位應用中，有助于打造出理想的定位標簽解決方案。

傳統的藍牙室內定位是基于RSSI信號強度測量原理。簡(jiǎn)單地講，就是根據接收到的無(wú)線(xiàn)電信號強度與傳輸距離對應關(guān)系，估算出被測物體的遠近，再根據標簽與多個(gè)定位器之間的距離換算出準確的位置信息，一般來(lái)講這種方式的定位精度在1至10米之間。

為了進(jìn)一步提高定位精度，在藍牙5.1規范中特別引入了尋向功能。具體來(lái)講就是在獲取藍牙設備之間距離數據的同時(shí)，還可以通過(guò)測量到達角度（AoA）和離開(kāi)角度（AoD）等方向信息，計算出更精確的位置數據。據藍牙技術(shù)聯(lián)盟估算，此舉可以將藍牙室內定位精度提升到厘米級！借助藍牙技術(shù)廣泛的影響力，這無(wú)疑會(huì )在室內定位市場(chǎng)激起巨大的漣漪，讓更多的開(kāi)發(fā)者對藍牙室內定位產(chǎn)生濃厚的興趣。

圖3：藍牙尋向AoA和AoD方法原理圖

（圖源：藍牙技術(shù)聯(lián)盟）

藍牙室內定位應用的興起，必然會(huì )帶旺市場(chǎng)對藍牙標簽的需求。安森美的RSL10多協(xié)議藍牙片上系統就是一個(gè)非常適合于藍牙標簽開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺。

圖4：RSL10多協(xié)議藍牙SoC

（圖源：安森美）

在低功耗方面，RSL10 SoC專(zhuān)門(mén)設計用于1.2V和1.5V電池供電的應用，提供超低功耗無(wú)線(xiàn)連接，可在1.1V到3.6V的電源電壓范圍內工作，無(wú)需外部DC/DC轉換器。同時(shí)，RSL10采用雙核架構以及2.4GHz收發(fā)器，可靈活地支持帶有尋向功能的BLE技術(shù)和2.4GHz專(zhuān)有或定制協(xié)議。

圖5：RSL10多協(xié)議藍牙SoC系統框圖

（圖源：安森美）

在提供硬件芯片的同時(shí)，安森美也在不斷完善基于RSL10 SoC的生態(tài)開(kāi)發(fā)系統。比如，安森美與Quuppa合作，將RSL10出類(lèi)拔萃的低功耗特性與Quuppa強大的智能定位系統（Quuppa Intelligent Locating System?）相結合，基于獨特的AoA測向方法和定位算法實(shí)時(shí)跟蹤標簽設備，可在充滿(mǎn)挑戰的環(huán)境中實(shí)現厘米級的測量定位精度，為設計開(kāi)發(fā)超低功耗、實(shí)時(shí)可靠的室內資產(chǎn)追蹤應用，提供了一種理想的解決方案。而且，與之配套的傳感器開(kāi)發(fā)套件和軟件資源，以及交鑰匙解決方案，更是能夠讓藍牙定位標簽的開(kāi)發(fā)和部署愈發(fā)靈活和快捷。

圖6：Quuppa智能定位系統架構

（圖源：Quuppa）

可見(jiàn)光通信：引領(lǐng)室內定位新模式

上文我們談到了定位基站和標簽設備的發(fā)展趨勢、設計要求，以及創(chuàng )新的賦能技術(shù)。下面讓我們將目光聚焦在通信方式這個(gè)要素上。

顯而易見(jiàn)，在為室內定位解決方案選擇通信技術(shù)時(shí)，藍牙等射頻技術(shù)往往是優(yōu)先考慮的選項，這主要是因為射頻技術(shù)具有傳輸距離長(cháng)、技術(shù)成熟、應用范圍廣等優(yōu)勢。不過(guò)，基于射頻技術(shù)的解決方案并不“完美”，特別是隨著(zhù)室內定位應用的拓展，其短板也會(huì )逐漸暴露出來(lái)。

比如說(shuō)，如今射頻頻譜越來(lái)越擁擠，特別是在空間有限的室內環(huán)境中，擁擠的射頻頻譜意味著(zhù)來(lái)自相鄰頻率的干擾會(huì )很大，解決這個(gè)問(wèn)題就要考慮額外的屏蔽和濾波功能，因而會(huì )增加設計成本。此外，在一些特殊的環(huán)境中——如有爆炸風(fēng)險的石油、天然氣和采礦等行業(yè)，或者是醫療和飛機等對于電磁干擾特別敏感的場(chǎng)所——射頻通信的應用是受限的，這時(shí)要部署室內定位系統，就需要其他技術(shù)來(lái)補位了。

近年來(lái)，人們逐漸認識到，可見(jiàn)光通信（VLC）有望在室內定位領(lǐng)域大顯身手，為開(kāi)發(fā)者提供一種全新的系統設計思路。

圖7：VLC系統使用的光譜范圍

（圖源：安森美）

所謂可見(jiàn)光通信（VLC），就是對LED燈具的光強度或頻率進(jìn)行調制，利用其進(jìn)行數據傳輸。具體到室內定位的技術(shù)方案：我們可以在室內每個(gè)LED燈具的鎮流器中嵌入唯一標識符或地址，并將其調制到LED驅動(dòng)器中，也就是說(shuō)建筑物內的每個(gè)燈具都可以傳輸一個(gè)與其確切位置相關(guān)的唯一代碼。這一由LED燈具發(fā)出的信號可被智能手機或是其他標簽設備上的攝像頭檢測到，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法對三個(gè)（或更多）燈具信號進(jìn)行三角測量，即可完成定位，定位的精度小于30厘米。

VLC室內定位可以帶來(lái)的好處還包括：

●    可見(jiàn)光頻譜涵蓋了430THz到790THz頻段，該頻段不受管制且完全可用。

●    光信號傳輸的及時(shí)性，使其相比射頻通信具有更低的延遲，更適合于實(shí)時(shí)定位應用。

●    光雖然無(wú)法像射頻信號那樣穿透墻壁，但正是這種“局部特性”為其增加了獨特的安全性。

●    燈光的閃爍容易被接收器檢測到，而其頻率對人類(lèi)視覺(jué)不會(huì )產(chǎn)生影響。

●    可在特殊的媒介中傳輸（如水），有助于開(kāi)辟新的應用。

●    實(shí)現VLC不需要比LED燈具更高的功率，可以很方便地與現有的LED照明系統，特別是基于PoE的智能照明系統融合在一起，安裝部署成本較低。

圖8：將基于PoE的智能LED照明系統作為室內定位的骨干網(wǎng)

（圖源：安森美）

設計光VLC系統，高效率和小型化是兩個(gè)重要的考量因素，這對于缺乏經(jīng)驗的人無(wú)疑是個(gè)挑戰性。以往，室內定位應用的開(kāi)發(fā)者與LED照明的交集并不多，因此在VLC方面的經(jīng)驗也有限，這就需要有一個(gè)功能全面、使用簡(jiǎn)便的解決方案，來(lái)幫助開(kāi)發(fā)者跨越VLC室內定位實(shí)現過(guò)程中的各種技術(shù)“鴻溝”。

安森美先進(jìn)的光引擎NCL31000 LED驅動(dòng)器恰好可以起到這個(gè)作用。該器件將可見(jiàn)光通信所需的所有功能集成到一個(gè)緊湊的IC中，具有PWM調光至零電流的97%高效LED驅動(dòng)器，支持0.1%調光精度和高線(xiàn)性度，非常適用于VLC室內定位應用。

同時(shí)，NCL31000還集成了兩個(gè)高效的DC-DC轉換器，用于為傳感器和MCU等系統供電；一個(gè)板載的模數轉換器（ADC）可以提供準確而詳細的診斷，并通過(guò)內置的I2C或SPI總線(xiàn)發(fā)送到本地MCU。此外，NCL31000還具有出色的抗電磁干擾（EMI）特性，在測試中，它的表現比CISPR15/EN55015的要求低14dB以上。

總之，NCL31000這一“LED驅動(dòng)器 + 電源管理”集成解決方案，極大地優(yōu)化了系統架構，有助于開(kāi)發(fā)者快速設計出高能效的VCL室內定位系統，為需求日趨多樣化的室內定位市場(chǎng)引入一種新模式。

圖9：NCL31000 LED驅動(dòng)器框圖

（圖源：安森美）

本文小結

據Market&Market預測，全球室內定位市場(chǎng)將從2017年的71.1億美元擴大到2022年的409.9億美元，年復合成長(cháng)率高達42％。在這高速成長(cháng)市場(chǎng)的背后，新技術(shù)的推動(dòng)和應用功不可沒(méi)。

順應這一市場(chǎng)趨勢，安森美已經(jīng)做好了布局，圍繞著(zhù)室內定位方案的三要素——定位基站、標簽設備和通信技術(shù)——推出了一系列針對性的產(chǎn)品和解決方案，不僅能夠為當下的應用開(kāi)發(fā)提供助力，也在積極引領(lǐng)VLC室內定位等“新概念”技術(shù)的探索和實(shí)現。