【導讀】如何讓建筑智能起來？在這方面人們已經做了諸多嘗試，比如在照明、門禁、空調、能源管理等方面引入更多自動化的功能，現(xiàn)在可能還要增加一個新的選項——室內定位。
對于“定位”，大家并不陌生。在戶外活動時，人們已經習慣了通過GPS、北斗等全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定自己或者被監(jiān)測對象的精確地理坐標，并在此基礎上衍生出了導航、資產追蹤等應用和服務。可是一旦被監(jiān)測對象進入了室內，衛(wèi)星定位就失靈了，這時就需要室內定位技術來接棒。
室內定位的原理，其實和戶外衛(wèi)星定位的原理很相似，都是通過測量移動的被測物與多個固定參照點之間的位置關系，并基于專門的算法計算出被測物的精確位置。不難理解，完成這一過程，需要三個核心技術要素：
標簽設備
通常是指“附著”在被測人或物體上的通信模塊，其作用是通過發(fā)射或接收信標信號，完成定位系統(tǒng)的識別和測量工作。在衛(wèi)星定位中，這種“標簽”就是帶有GPS或北斗功能的手機或車載定位/導航設備；而在室內定位中，則是隨被測對象移動的各種無線通信組件。
定位基站（定位器）
也就是定位系統(tǒng)中位置相對固定的參照點。在GPS和北斗定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星顯然就扮演著這一角色；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
為了實現(xiàn)定位，就需要在定位基站和標簽之間數(shù)據(jù)傳輸方式，交互距離和方向等信息，這時就需要無線技術來幫忙了。其中，射頻技術（如藍牙、UWB、Wi-Fi等），肯定是當仁不讓的主角，有時我們也能看到超聲波的身影。值得一提的是，基于可見光的通信（VCL）也開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：助力定位基站快速部署
嚴格來講，室內定位技術可以分為兩種體系——實時定位（Real-Time Location System, RTLS）和室內定位（Indoor Position System，IPS）。這兩者主要的區(qū)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”信標發(fā)出的信息，并將其傳輸給定位引擎進行定位計算，這種方式適用于對敏感人或物的實時追蹤；而IPS則正好相反，它的信標是部署在固定的定位基站上，而由移動的標簽設備去“偵聽”這些信標，進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(tǒng)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，未來定位基站部署的數(shù)量會更多，密度會更大，而且也需要具有良好的可擴展性。
定位基站部署時，需要重點考慮兩個功能：一是數(shù)據(jù)通信，比如定位器需要將數(shù)據(jù)傳輸給定位引擎，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰ㄟ^有線通信（如以太網）來完成；二是電源供電，由于這些定位基站需要長期運轉，且隨著性能提升和功能擴展，其對于功率的需求也會越來越高。如果使用電池供電就會增加后續(xù)的維護工作量，也無法滿足功率提升的要求，因此并不是優(yōu)選方案。若要同時滿足數(shù)據(jù)通信和電源供電兩個功能要求，以太網供電（PoE）顯然是一個理想的解決方案。
通過單一網絡同時支持數(shù)據(jù)傳輸和電源供電兩個功能，是PoE主要的優(yōu)勢，它避免了為部署定位基站而開墻打洞、布設配電網絡的麻煩。今天最新的IEEE 802.3bt PoE標準，已經可以支持90W的功率，可以滿足絕大多數(shù)以太網聯(lián)網設備的供電需求，也包括室內定位基站。而且由于PoE被歸類為低功率范疇，由網絡工程師架構即可，無需強電技術人員的介入，這也大大增強了定位基站部署的便利性。
為了滿足IEEE 802.3bt這一最新PoE標準的應用開發(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，甚至可以支持專有的100W+應用。
這兩款PoE-PD控制器將PoE系統(tǒng)所需的檢測、分類和浪涌保護功能都集成在一個器件內，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，以實現(xiàn)更精準的控制，并符合最新PoE規(guī)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，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帶來的便利性和靈活性，讓室內定位基站可以根據(jù)需要部署到任何一個角落。
低功耗藍牙SoC：加速標簽設備開發(fā)
聊完了定位基站，下面我們來看看標簽設備。作為與被測對象如影隨形的電子模塊，標簽的設計需要滿足兩個要求：首先在性能上，要盡可能支持最新的技術標準，以實現(xiàn)更優(yōu)的定位精度；其次，由于是“綁定”在移動的人或物上的，其通常需要電池供電，因此低功耗、小型化的需求也是一個硬指標。
如上文所述，目前可用于室內定位的無線技術有很多，它們也各具特色，滿足不同應用需求。而要論開發(fā)生態(tài)最成熟，應用覆蓋面最廣泛的技術，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(tǒng)的藍牙室內定位是基于RSSI信號強度測量原理。簡單地講，就是根據(jù)接收到的無線電信號強度與傳輸距離對應關系，估算出被測物體的遠近，再根據(jù)標簽與多個定位器之間的距離換算出準確的位置信息，一般來講這種方式的定位精度在1至10米之間。
為了進一步提高定位精度，在藍牙5.1規(guī)范中特別引入了尋向功能。具體來講就是在獲取藍牙設備之間距離數(shù)據(jù)的同時，還可以通過測量到達角度（AoA）和離開角度（AoD）等方向信息，計算出更精確的位置數(shù)據(jù)。據(jù)藍牙技術聯(lián)盟估算，此舉可以將藍牙室內定位精度提升到厘米級！借助藍牙技術廣泛的影響力，這無疑會在室內定位市場激起巨大的漣漪，讓更多的開發(fā)者對藍牙室內定位產生濃厚的興趣。
圖3：藍牙尋向AoA和AoD方法原理圖
（圖源：藍牙技術聯(lián)盟）
藍牙室內定位應用的興起，必然會帶旺市場對藍牙標簽的需求。安森美的RSL10多協(xié)議藍牙片上系統(tǒng)就是一個非常適合于藍牙標簽開發(fā)的技術平臺。
圖4：RSL10多協(xié)議藍牙SoC
（圖源：安森美）
在低功耗方面，RSL10 SoC專門設計用于1.2V和1.5V電池供電的應用，提供超低功耗無線連接，可在1.1V到3.6V的電源電壓范圍內工作，無需外部DC/DC轉換器。同時，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技術和2.4GHz專有或定制協(xié)議。
圖5：RSL10多協(xié)議藍牙SoC系統(tǒng)框圖
（圖源：安森美）
在提供硬件芯片的同時，安森美也在不斷完善基于RSL10 SoC的生態(tài)開發(fā)系統(tǒng)。比如，安森美與Quuppa合作，將RSL10出類拔萃的低功耗特性與Quuppa強大的智能定位系統(tǒng)（Quuppa Intelligent Locating System?）相結合，基于獨特的AoA測向方法和定位算法實時跟蹤標簽設備，可在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中實現(xiàn)厘米級的測量定位精度，為設計開發(fā)超低功耗、實時可靠的室內資產追蹤應用，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發(fā)和部署愈發(fā)靈活和快捷。
圖6：Quuppa智能定位系統(tǒng)架構
（圖源：Quuppa）
可見光通信：引領室內定位新模式
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。下面讓我們將目光聚焦在通信方式這個要素上。
顯而易見，在為室內定位解決方案選擇通信技術時，藍牙等射頻技術往往是優(yōu)先考慮的選項，這主要是因為射頻技術具有傳輸距離長、技術成熟、應用范圍廣等優(yōu)勢。不過，基于射頻技術的解決方案并不“完美”，特別是隨著室內定位應用的拓展，其短板也會逐漸暴露出來。
比如說，如今射頻頻譜越來越擁擠，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來自相鄰頻率的干擾會很大，解決這個問題就要考慮額外的屏蔽和濾波功能，因而會增加設計成本。此外，在一些特殊的環(huán)境中——如有爆炸風險的石油、天然氣和采礦等行業(yè)，或者是醫(yī)療和飛機等對于電磁干擾特別敏感的場所——射頻通信的應用是受限的，這時要部署室內定位系統(tǒng)，就需要其他技術來補位了。
近年來，人們逐漸認識到，可見光通信（VLC）有望在室內定位領域大顯身手，為開發(fā)者提供一種全新的系統(tǒng)設計思路。
圖7：VLC系統(tǒng)使用的光譜范圍
（圖源：安森美）
所謂可見光通信（VLC），就是對LED燈具的光強度或頻率進行調制，利用其進行數(shù)據(jù)傳輸。具體到室內定位的技術方案：我們可以在室內每個LED燈具的鎮(zhèn)流器中嵌入唯一標識符或地址，并將其調制到LED驅動器中，也就是說建筑物內的每個燈具都可以傳輸一個與其確切位置相關的唯一代碼。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，通過簡單的算法對三個（或更多）燈具信號進行三角測量，即可完成定位，定位的精度小于30厘米。
VLC室內定位可以帶來的好處還包括：
● 可見光頻譜涵蓋了430THz到790THz頻段，該頻段不受管制且完全可用。
● 光信號傳輸?shù)募皶r性，使其相比射頻通信具有更低的延遲，更適合于實時定位應用。
● 光雖然無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，而其頻率對人類視覺不會產生影響。
● 可在特殊的媒介中傳輸（如水），有助于開辟新的應用。
● 實現(xiàn)VLC不需要比LED燈具更高的功率，可以很方便地與現(xiàn)有的LED照明系統(tǒng)，特別是基于PoE的智能照明系統(tǒng)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(tǒng)作為室內定位的骨干網
（圖源：安森美）
設計光VLC系統(tǒng)，高效率和小型化是兩個重要的考量因素，這對于缺乏經驗的人無疑是個挑戰(zhàn)性。以往，室內定位應用的開發(fā)者與LED照明的交集并不多，因此在VLC方面的經驗也有限，這就需要有一個功能全面、使用簡便的解決方案，來幫助開發(fā)者跨越VLC室內定位實現(xiàn)過程中的各種技術“鴻溝”。
安森美先進的光引擎NCL31000 LED驅動器恰好可以起到這個作用。該器件將可見光通信所需的所有功能集成到一個緊湊的IC中，具有PWM調光至零電流的97%高效LED驅動器，支持0.1%調光精度和高線性度，非常適用于VLC室內定位應用。
同時，NCL31000還集成了兩個高效的DC-DC轉換器，用于為傳感器和MCU等系統(tǒng)供電；一個板載的模數(shù)轉換器（ADC）可以提供準確而詳細的診斷，并通過內置的I2C或SPI總線發(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(xiàn)比CISPR15/EN55015的要求低14dB以上。
總之，NCL31000這一“LED驅動器 + 電源管理”集成解決方案，極大地優(yōu)化了系統(tǒng)架構，有助于開發(fā)者快速設計出高能效的VCL室內定位系統(tǒng)，為需求日趨多樣化的室內定位市場引入一種新模式。
圖9：NCL31000 LED驅動器框圖
（圖源：安森美）
本文小結
據(jù)Market&Market預測，全球室內定位市場將從2017年的71.1億美元擴大到2022年的409.9億美元，年復合成長率高達42％。在這高速成長市場的背后，新技術的推動和應用功不可沒。
順應這一市場趨勢，安森美已經做好了布局，圍繞著室內定位方案的三要素——定位基站、標簽設備和通信技術——推出了一系列針對性的產品和解決方案，不僅能夠為當下的應用開發(fā)提供助力，也在積極引領VLC室內定位等“新概念”技術的探索和實現(xiàn)。
來源：貿澤電子
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