除了连耳机,蓝牙技术还可以找钥匙了

极客公园李昊原2019-03-01 09:17科技控
任凯表示,需要等待会员公司研发相应的产品,考虑到蓝牙技术的产业链漫长,距离其落地还将有一段时间,而是否将会有更高的商用成本等问题,也还不确定。不过他相信,这将是蓝牙技术发展的大趋势。

虽然技术尚实际落地,但底层技术的推进,最终会反馈到商业的表层上。

蓝牙通信技术最早在 1994 年被电信巨头爱立信研发,1997 年正式被命名为 Bluetooth,今天已经成为全世界通用的通信技术。据蓝牙技术联盟 2018 年年中发布的《蓝牙市场最新资讯》估计,2018 年全年全世界蓝牙设备的出货量约在 40 亿左右,仅智能手机、电脑和笔记本,就达到了 20.5 亿左右。

不夸张地说,很少有哪个标榜智能的电子设备,会没有蓝牙功能。而我们对这项不可或缺的技术,了解又有多少呢?

1 月 29 日,蓝牙技术联盟宣布推出全新的「寻向功能」(direction finding),并称将显著提升基于位置服务的蓝牙解决方案的性能。举个简单的例子,有焦虑症的盆友,出门前翻箱倒柜找不到钥匙或钱包,大概会急死,新的蓝牙技术却能更精准的定位到物品的位置和方向,这个定位精度,蓝牙技术联盟宣称,将是厘米级的。

而厘米级的精准定位,熟悉物联网的朋友大概都能感觉到,其商业化场景落地的可能性,绝不仅仅是找找东西这么简单。

通信技术的自我修养

广义上的物联网(IoT,Internet of Things)通信技术主要分为两类:一类是短距离通信技术,如 Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave 等;另一类是 LPWAN(低功耗广域网),即广域网通信技术。而 LPWA 又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的 LoRa、SigFox 等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP 支持的 2/3/4G 蜂窝通信技术,比如 EC-GSM、LTE-M、NB-IoT 等。

不同通信技术的特点,决定了其应用场景和发展路线。蓝牙技术就是在短距离内让两个智能设备能连接在一起,比如我们熟悉的无线耳机、无线扬声器、车载信息娱乐系统等;大概在 2010 年左右,低功耗蓝牙的出现,让其应用场景大幅度拓展,比如智能手环或是随身的医疗设备,可以做到长时间的续航。以上都还是点对点的连接,后来在蓝牙 4.0 时,出现了广播的网络拓扑结构,可以理解为「一带多」,这就是现在蓝牙技术重要的应用方向蓝牙 Beacon 室内定位,主要用在位置服务上,在澳大利亚的维多利亚州立美术馆,下载 App 后,就可以进行场馆内的定位和路线优化。由于众所周知的原因,电子地图上应用广泛的 GPS 技术到了室内往往就抖个不停,切换为蓝牙后准确度就会提升许多(额外说一句,wifi 技术同样可以做到室内定位,但功耗较高)。在北京的大悦城和上海的宜家商场,这项技术都已经被应用,通过打开微信公众号就可以进行定位和导航。

大概是觉得这样还不够,毕竟其他的通信技术也是日新月异咄咄逼人,而物联网时代时不我待。在 2016 年 12 月,蓝牙技术联盟推出新一代的核心规格「蓝牙 5」,并在次年 7 月相继推出蓝牙 mesh 网络功能。

这个 mesh 网络功能值得一说,之前的连接是点对点、点对多,而 mesh 就是多对多,多个蓝牙设备之间可以相互连接。脑补一下,这种进化就像是从对讲机、广播,一下子进化到了社交网络,与之而来的就是更广泛的应用场景。蓝牙技术联盟称之为「革命性的变化」,弥补了蓝牙技术在以往部分应用场景的缺陷,通过蓝牙 mesh 将带来在控制系统、监控系统、自动化系统等方面的应用场景,而非像以往主要集中在 C 端的电子消费品上。

套用一句熟悉的台词,蓝牙这是要从消费互联网进军产业互联网了。

蓝牙应用的传统市场是手机等智能设备、音频娱乐、汽车、互联设备等,在蓝牙技术联盟的报告中,智能楼宇、智能家居、智能工业、智慧城市等被归入到蓝牙应用的新兴市场中去,并预计至 2022 年,采用蓝牙的位置服务设备年出货量将增长 10 倍,在智能物联网市场分一杯羹的野心昭然。

三角函数式的胜利

蓝牙是一种短距离通信技术,这个距离目前大概是在 300 米左右,因此其应用场景主要会是在室内。在上一个核心规范版本当中,蓝牙技术提高了传输速率,增加了 mesh,覆盖范围也增大了。但除了数据传输外,位置服务也是蓝牙技术的重要应用。

蓝牙的位置服务主要有两种:接近类解决方案和定位系统。

简单地说,有一个不断发出信号的设备(蓝牙标签),和一个接收信号的设备(定位器),定位器通过收到的信号强度(RSSI)就能估算出两者间的距离,这就是接近类解决方案。

而定位系统运用了同样的道理,不过定位器有三个。假如有三个定位器分别告诉你这个蓝牙标签距离你有 3、4、5 米,然后以这三个定位器为圆心分别画半径为 3、4、5 米的圆,就会发现三个圆交会在同一个点上。几何学上三点可以确定一个圆,反过来已知半径的三个圆点也可以确认一个点,但可惜的是,这个精度并不高,只有米级。

对于蓝牙技术期望打进的智能楼宇、智能家居、智能工业、智慧城市等领域来说,仅仅有 mesh 是不够的,比如智能楼宇需要的精准定位,智能家居的搜索(尤其是小物件),还有在智能工厂对资产追踪等,都需要更高的精细度。

这也是蓝牙技术联盟,在 5.1 的版本中推出寻向功能的原因。据称,这一功能设计可以帮助设备明确蓝牙信号的方向,并实现厘米级精度的定位服务。

而具体的原理是怎么样的呢?一个发射器的信号,如果被一个接收器接收到,那么能感知到它们之间的距离;如果被两个接收器接收到,而且这两个接收器相对位置是固定的,那么除了获得距离发射器的大概距离外,还有这两个接收器接收到的信号各自的方向,也即是角度。已知一条线段和两个角能得到什么?利用三角函数的知识就知道,会确认一个三角形,以及对应的第三个点(发射器)的位置。当然,接收器更多也会更准确,但至少要有两个。

这就是所谓利用到达角(Angle of Arrival)方法,发射器通过单一天线发送特殊的数据封包,以阵列排布的多个天线由于天线到发射器的距离不同,接收到的信号存在相位差,在有源天线之间切换时,从接收到的信号中获取 IQ 样本,通过数据计算得出信号的相对方位。

而如果是多个发射器和一个接收器,就是出发角(Angle of Departure)方法,原理大致类似,但到达角方法更适用于物品追踪和地标信息,而出发角方法更适用于室内定位系统。这样同样是三边定位,和以前只知道距离相比,再加上三个对应角度后,既可以大幅提升精确度了。由于增强精准度依靠的是原理改造而非增强信号强度,其能耗并不会增加。

值得一提的是,这项技术的原理实际在其他的通信技术中已经得到了应用,可以说是成熟的技术,不过多是在室外,在蓝牙技术中是首次采用。其实际应用后,假如物品上贴着标签,找东西就不再是大致的范围而是有更详细的方位了,应用到仓储物流上,以前的蓝牙位置服务可以告诉货架上有多少货物和品类,而现在增加了寻向功能,具体的位置和角度也可以确认。不久前蓝牙技术联盟的会员公司之一,将非标准的 AOA、AOD 系统解决方案,在美国一家陶瓷厂进行了应用,对货品和运输工具进行实时定位,来优化流程节省人力。

Mesh+寻向=?

应该认识到,寻向功能对蓝牙来说并不是孤立的,蓝牙技术联盟亚太区开发者关系经理任凯介绍,除了解决普遍性的室内定位问题外,在有了蓝牙 Mesh 网络之后,例如像酒店的照明系统,可以通过蓝牙的链路实现集约型的控制。而灯球,烟感、路由器等设备,再加入天线可以天然的成为寻向功能的接收机或发射机,来实现更进一步的物质服务。除了智能楼宇、智能城市外,在蓝牙应用传统的领域,例如车载设备,加入寻向功能也可以识别车主的具体位置,在车内还是在车外。

实际仅就 Mesh 来说,应用范围就已经很广泛。在 1 月 9 日,蓝牙技术联盟宣布成立了全新智能家居专项组,旨在面向智能家居及相关应用创建更多蓝牙 mesh 模型规格,目前全球已经有 60 余家会员。值得一提的是,这一专项组的中国气息很浓厚,讨论将用中文进行,开会时间也已被时间为准,成员中包括阿里巴巴、联发科、美的集团 IoT 公司、小米等耳熟能详的公司。专项组主席由阿里巴巴集团标准化部高级主管刘大鹏担任,刘大鹏曾表示:「蓝牙 mesh 模型在加强智能家居设备间互联互通方面发挥着非常重要的作用。」

目前寻向功能还未进入到蓝牙设备的实际使用中,由于蓝牙技术联盟本身并不生产蓝牙设备,任凯表示,需要等待会员公司研发相应的产品,考虑到蓝牙技术的产业链漫长,距离其落地还将有一段时间,而是否将会有更高的商用成本等问题,也还不确定。不过他相信,这将是蓝牙技术发展的大趋势。

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