UWB + BLE:双“芯”结合的空间感知方案,我们帮你一站搞定!

标签:空间
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越来越多的日常数字设备,包括智能手机、门锁,甚至最新的汽车,现在都使用一种称为空间感知的无线功能。具有空间感知功能的数字设备可以了解它相对于其他设备的位置,然后对这些设备的位置变化做出响应。空间感知功能使我们——这些数字设备的用户们,可以更轻松地度过每一天。

以空间感知门锁为例。这种锁可以安装在车门、仓库入口或前门上,它可以感应到您所携带的智能手机的靠近,并且在您离门足够近,准备进入时,它会自动解锁。同样,当您离开时,门锁可以感应到您的离开;当您离得足够远,表明您已经离开时,门锁会自动重新锁上。 

 

空间感知功能对我们人类有帮助的另一种方式是,找到我们放错地方的东西。您可以在钱包、眼镜或遥控器上安装一个小型跟踪装置,下次找不到这个物品时,你的智能手机就可以利用其空间感知功能定位它,并引导你找到它。你的智能手机甚至可以在屏幕上呈现带有增强现实视图的图像,引导你找到丢失的物体。 

 

与空间感知设备的交互简单直观,但设计支持空间感知的人机体验可能相当具有挑战性,因为其中涉及许多步骤。此外,开发人员还发现,使用两种不同的无线技术,即低能耗蓝牙和超宽带,可以创建一种空间感知的增强型解决方案。 

 

设计中的蓝牙低能耗 (BLE) 部分提供一种低功耗方法,可通过被动接近检测来识别是否存在其他设备。而设计中的超宽带 (UWB) 部分基于宽带测距提供精确定位功能,可检测距离和运动方向的微小变化。检测到附近的物体后,设计的BLE端触发UWB端,并使用UWB生成的数据向人机界面传达运动的位置和方向。 

 

要在BLE、UWB和人机界面之间实现这些交互可能会很棘手。它涉及复杂的嵌入式算法和复杂的射频设计。此外,终端产品还需要进行彻底测试,才能确保这两种无线技术能够无缝地协同工作。 

 

以下是开发人员在使用空间感知时需要考虑的问题。

 

通过BLE实现接近传感技术和通信

 

因为使用广泛,蓝牙是物联网设备的合理选择。根据监督蓝牙规范和许可的标准组织蓝牙技术联盟 (Bluetooth Special Interest Group,SIG) 2021年市场最新信息,估计有130亿台支持蓝牙的物联网设备已经投入使用。

 

Bluetooth SIG在低功耗蓝牙 (BLE)的成功中发挥了重要作用,因为它们不仅定义了通信协议,还通过认证计划强制遵守协议。结果是,BLE无处不在且普遍可互操作。开发人员可以确信,支持BLE的设备将能与他们遇到的其他支持BLE的设备进行通信,终端用户无须为设备设置和配置操心。 

 

互操作性使BLE成为两点之间短距离数据传输的绝佳选择。在使用空间感知的应用中,这意味着BLE可用于配置、链路协商和通信人机界面。 

 

BLE也可用于定位,但在确定物品的准确位置方面不如UWB精确。BLE使用一种叫做接收信号强度指示器 (Received Signal Strength Indicator,简称RSSI) 的技术来计算距离。这与其他常用的定位协议 (包括Wi-Fi) 使用的技术相同。RSSI测量使用信号强度来表示距离,这是基于信号越近越强的理念,但这种方法更容易受到射频干扰和人体障碍等问题的影响。如果应用需要超越BLE的空间感知水平,那么UWB就发挥作用了。

 

通过超宽带 (UWB) 实现精确定位

 

最近由IEEE在802.15.4a/z中定义的UWB,是一种无线标准,它提供比当前使用的任何其他定位技术 (包括BLE和Wi-Fi) 更精确的读数。使用飞行时间 (ToF) 和到达角 (AoA) 计算,超宽带可以精确地确定+/-10cm范围内的位置。 

 

最新版本的超宽带基于军事雷达应用。它与其他无线协议不同之处在于,它使用的脉冲信号短至2ns。此外,与BLE、Wi-Fi和一些专有解决方案运行在更拥挤的2.4GHz频谱中使用窄带不同,超宽带在6-8GHz频谱中使用500MHz的宽带。 

 

超宽带的独特结构意味着它可以精确地执行安全测距,同时使用很小的功率发送信号,即使在具有挑战性的射频环境中,也能提供非常稳定的连接,几乎不受干扰。 

 

成功的组合

 

BLE和UWB的定位结合惠及智能家居、汽车、消费类和工业等广泛用例。 

 

回到门锁的例子,你接近车门时,车门会自动打开,这是BLE和UWB提供的最佳体验。BLE可以在邻近的外部边界进行初始发现,然后可以与车身周围的多个锚点协调,以激活UWB测距。新激活的超宽带锚可以检测智能手机中相应的超宽带无线。使用协调的ToF和AoA测量,这些超宽带无线可以确保高度精确的距离测量。 

 

在物品跟踪器中,BLE和UWB之间也会发生类似的切换。电池供电的小标签可以贴在包上、车钥匙上、宠物的项圈上,或者任何你可能丢失的东西上。BLE将追踪器与您的手机相关联。配对两个BLE端点可启用加密的BLE通信,以确保隐私。之后,当你找不到你要找的东西时,可以使用手机上的应用启动搜索。BLE会寻找相关标签,一旦接近,BLE就会激活UWB测距,你的应用会引导你找到丢失物品的准确位置。

 

迎接设计挑战

 

BLE和UWB的结合意味着每个协议都可以提供关键功能,打造更好的用户体验。但是,采用结合的无线技术开发从概念到产品的设计给开发人员带来了独特的挑战。 

 

编码固件和设计硬件实现BLE和UWB的全部结合潜力,需要每一项技术的专业知识。此外,了解这两种技术如何在一个系统中协同集成意味着要注意许多其他因素,包括非易失性内存和RAM的限制、系统级电流消耗的预算以及板卡的设计约束。

 

使用同一家供应商的好处

 

设计者需要依赖可靠且易于集成的BLE和UWB解决方案,理想情况下,它们还可以在单个系统中相互结合工作。确保BLE和UWB IC能够成功集成到产品中的一种方法是——与能够提供这两种IC的单一供应商合作。

 

例如,恩智浦为空间受限设计提供BLE和UWB片上系统 (SoC) 选项,并通过模块合作伙伴提供BLE和UWB解决方案的预认证PCB模块变体。此外,采用恩智浦的参考设计和设计指南来设计硬件,可使系统开发人员处于领先地位,并确保客户板的设计符合最佳射频和其他性能指标。 

 

在单个项目中结合BLE和UWB软件也面临一系列挑战。这是选择单个供应商可能有所帮助的另一种情况,因为您更有可能找到协同工作的软件组件。例如,恩智浦的MCUXpresso SDK提供预集成的UWB驱动程序、BLE堆栈、其他关键系统组件 (如引导加载程序) 和应用层功能,在一组参考示例中演示UWB驱动的用例。 

 

恩智浦的Finder V3参考板作为附加的设计工具,提供了最佳的硬件设计指南和紧密集成的嵌入式软件。此参考设计演示了Finder的使用案例,其中包含一个小型电池供电板,支持BLE接近和发现、UWB测距,甚至还有一个带有源代码的演示移动应用。 

 

Finder V3的参考设计基于QN9090无线MCU和Trimension SR040,这是恩智浦为UWB跟踪应用量身定制的UWB解决方案。Trimension SR040支持实时定位服务(RTLS)标签中的到达时差(TDoA),其设计符合FiRa联盟对UWB即将提出的要求。

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