【導讀】如何讓建筑智能起來？在這方面人們已經(jīng)做了諸多嘗試，比如在照明、門禁、空調(diào)、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(nèi)定位。
對于“定位”，大家并不陌生。在戶外活動時，人們已經(jīng)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(chǎn)追蹤等應用和服務?？墒且坏┍槐O(jiān)測對象進入了室內(nèi)，衛(wèi)星定位就失靈了，這時就需要室內(nèi)定位技術來接棒。
室內(nèi)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(nèi)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(nèi)定位中，也需要在相應的空間內(nèi)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(nèi)定位的技術選項更為豐富。
圖1：室內(nèi)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(nèi)定位技術可以分為兩種體系——實時定位（Real-Time Location System, RTLS）和室內(nèi)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(nèi)導航應用。
不論是哪種方式，定位基站都是室內(nèi)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?，往往需要通過有線通信（如以太網(wǎng)）來完成；二是電源供電，由于這些定位基站需要長期運轉(zhuǎn)，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(wǎng)供電（PoE）顯然是一個理想的解決方案。
通過單一網(wǎng)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(wǎng)絡的麻煩。今天最新的IEEE 802.3bt PoE標準，已經(jīng)可以支持90W的功率，可以滿足絕大多數(shù)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設備的供電需求，也包括室內(nèi)定位基站。而且由于PoE被歸類為低功率范疇，由網(wǎng)絡工程師架構(gòu)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(nèi)，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?qū)⑵涮囟ǖ墓β市枨髠鬟f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(nèi)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(nèi)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(jīng)驗，也可以移植到室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)定位市場激起巨大的漣漪，讓更多的開發(fā)者對藍牙室內(nèi)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：藍牙技術聯(lián)盟）
藍牙室內(nèi)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(nèi)工作，無需外部DC/DC轉(zhuǎn)換器。同時，RSL10采用雙核架構(gòu)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(jié)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(nèi)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(gòu)
（圖源：Quuppa）
可見光通信：引領室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)制，利用其進行數(shù)據(jù)傳輸。具體到室內(nèi)定位的技術方案：我們可以在室內(nèi)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(diào)制到LED驅(qū)動器中，也就是說建筑物內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)定位的骨干網(wǎng)
（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(jīng)驗的人無疑是個挑戰(zhàn)性。以往，室內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(qū)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(diào)光至零電流的97%高效LED驅(qū)動器，支持0.1%調(diào)光精度和高線性度，非常適用于VLC室內(nèi)定位應用。
同時，NCL31000還集成了兩個高效的DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器（ADC）可以提供準確而詳細的診斷，并通過內(nèi)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(qū)動器 + 電源管理”集成解決方案，極大地優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)，有助于開發(fā)者快速設計出高能效的VCL室內(nèi)定位系統(tǒng)，為需求日趨多樣化的室內(nèi)定位市場引入一種新模式。
圖9：NCL31000 LED驅(qū)動器框圖
（圖源：安森美）
本文小結(jié)
據(jù)Market&Market預測，全球室內(nèi)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(jīng)做好了布局，圍繞著室內(nèi)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(chǎn)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(nèi)定位等“新概念”技術的探索和實現(xiàn)。
來源：貿(mào)澤電子
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