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NXP新感測方案擴展UWB產品 支援物聯網使用情境

恩智浦半導體(NXP)在年度開發者大會上宣布,在推動安全超寬頻(Ultra-Wide Band;UWB)技術成為精準定位和高精確度感測全球標準的過程中,恩智浦已經實現全新里程碑。繼推出行動裝置和汽車領域UWB解決方案後,恩智浦已擴展其產品組合,涵蓋全新UWB IC。Trimension SR040和SR150 IC針對全新物聯網使用情境進行最佳化,適用於智慧鎖和即時定位系統(real-time location system;RTLS)標籤,能夠以極高精準度提供「相對位置」。恩智浦推出Trimension作為其久經驗證的UWB平台的全新品牌名稱,此系列涵蓋針對汽車、行動裝置和物聯網市場特定需求而設計的解決方案。 恩智浦半導體執行副總裁暨安全與連接業務總經理Rafael Sotomayor表示,恩智浦堅信真正的創新發生在生態系統的交叉點。為加快UWB的採用並創造有意義的新體驗,無論是智慧手機、汽車還是其他物聯網裝置,智慧邊緣裝置需要獲得空間感知能力。想像一下未來裝置能在日常生活預知我們的行動,消除生活中的障礙。該公司的全新物聯網IC與恩智浦連接產品相結合,幫助開發者為裝置和物件增加新的維度(dimensionality),進而實現此願景。 UWB將創造這樣的世界。門禁可以根據使用者實際位置進行上鎖和解鎖;透過簡單的螢幕觸碰操作即可共用汽車或是無鑰匙進入;智慧家庭自動化系統能夠直觀且高效地跟隨屋主移動,而人們可以透過立即定位追蹤放錯位置的物品,減少翻箱倒櫃的時間。 HID Global資深副總裁暨技術長Ramesh Songukrishnasamy表示,與其他射頻(RF)技術相較,UWB的定位功能具備較高的精確度和資料安全性,有望大幅改善辦公室、醫院、教育機構和家庭等場所的無鑰匙門禁使用體驗。藉由此技術的精確測距功能,亦相信UWB將在消費性產品和工業應用中實現許多全新定位服務,以及裝置到裝置的物聯網應用。
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解鎖藍牙5.1新功能 方位尋向助精準定位

借助最新一代的低功耗藍牙5.1核心規範,藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)為建基於廣泛藍牙標準的位置追蹤服務創造有利於提高精確度的發展條件。根據ABI Research預估到2023年,支援藍牙位置追蹤服務的產品銷售量將高達4.31億個。 除了已知採用RSSI技術的遠距離追蹤功能外,新的核心規範還提供方位尋向(Direction-finding)功能,此功能可以確定訊號方向,也可以達成非常精確的位置追蹤,而其精確度在數公分以內,並且在消費領域和工業應用中提供各種新型潛在應用。 以藍牙實現位置追蹤/目標定位 藍牙位置追蹤服務可以採用以鄰近為基礎(Proximity-based)的解決方案或定位系統的形式(圖1)。前者通常是用於估計彼此(三者以上)範圍之內的兩個藍牙裝置(通常是智慧手機)之間的距離的應用。早已投入使用,以鄰近為基礎的解決方案,其典型應用包括興趣點(Point-of-interest, POI)解決方案,例如在零售業或博物館中,當訪客接近POI時,他們會接收到有關訪客所瀏覽物品的詳細資訊。許多針對日常物品的功能也是基於該鄰近解決方案的概念。在這些應用中,將信標(Beacon)標籤安置在要定位的物品(鑰匙串、托盤等)上,然後就可以使用智慧手機找到該信標。 圖1 藍牙位置追蹤服務 第二種類型是定位系統,它可確定封閉系統中各個物品的位置,所謂封閉系統是指封閉的空間區域,例如倉庫、博物館或機場大廳。最常見的應用是即時定位系統(Real-time Location System, RTLS)和室內定位系統(Indoor Positioning System, IPS)。 藉由RTLS,可以在封閉的系統中追蹤配備了適當標籤的多個人員或物品。這使其適用於諸如對裝置、棧板或倉庫中人員的定位和追蹤應用。 室內定位系統可與GPS相提並論,但與之不同的是,它還可以在封閉的空間中運作。永久安裝的定位信標會定期發送可由智慧手機等裝置接收到的訊號,這些裝置會根據與各個信標的距離來計算出其相對位置,讓機場或購物中心的乘客或遊客可以更容易且更快地找到他們要找的路。 以往所有藍牙位置追蹤系統都是根據以接收訊號強度指示器(RSSI)所計算出來的估計距離。接收器使用參考值和實際測得的訊號強度,便可計算出與信標的距離,計算出來的值可精確到數公尺(約1m至10m)以內。 訊號接收器設天線網格實現方位尋向 方位尋向是藍牙5.1中的一項新功能,不僅可以確定訊號的距離,還可以確定其訊號源的方向。以鄰近為基礎的傳統解決方案也可從中受益,因為訊號的方向是一項不可或缺的資訊,可提供各種協助,例如使尋找物品變得更加容易。 為了確定訊號的方向,位置訊號的接收器,意即到達角(Angle of Arrival, AoA)或發送器,意即出發角(Angle of Departure, AoD)必須具有永久安裝的天線網格(圖2)。在這兩種情況下,接收器都可確定訊號的發出方向。 圖2 左:天線網格位於接收器中;右:天線網格位於發射器中 但是,方位尋向演算法不屬於藍牙5.1核心規範的一部分。可以針對使用AoA或AoD來計算的一個或數個角度進行三角測量,以及使用RSSI測量的距離來確定這些角度,這可讓位置確定(Location Determination)精確到數公分以內。 封閉空間中AoA用於追蹤/AoD用於導航 在建基於AoA的應用中,發射器是帶有單一天線的信標,例如智慧手機或簡單標籤。多個永久安裝的接收器(定位器)可用來確定所接收到訊號的方向,其中每一個接收器都配備了複雜的天線網格。 AoA應用尤其適合追蹤物品(RTLS),例如在自動化生產或倉庫中。當在興趣點使用信標時,這些AoA應用還可以提高準確性;建基於AoD的應用會使用信標訊號發送器上的天線網格,按順序透過不同的天線發送訊號。在這種情況下,接收器(未來通常可能是智慧手機)將配備天線以接收順序訊號。如果信標的位置已知,則接收機可以確定其相對於發射機的位置。這使得建基於AoD的應用特別適合室內定位系統,例如在機場這種封閉的空間中進行簡易的導航。與當前的IPS不同,用戶現在不僅可以接收其位置的資訊,還可以接收到其目的地方向的相關資訊。不同於AoA的應用,AoD的方法更適合仰賴無連接通訊的情況。 天線網格設計成就方位尋向功能 不管使用哪種方法,方位尋向功能最重要的成功因素之一就是天線的數量和配置。簡單地按照一個接一個方式排列的系列天線,只能確定角度。在三度空間中更複雜的配置則可以確定水平的和垂直的角度。藍牙SIG尚未提供有關天線配置的特定要求或建議,但當更多關於新位置追蹤服務的規範公開發表時,情況可能會改變。 藍牙5.1強化多項新興功能 隨著藍牙最新一代5.1核心規範及其方位尋向功能的推出,藍牙SIG已朝著提高位置追蹤服務的精確度邁出了重要的一步,這可以顯著改善各種應用場景情況下的精確度。但是,如果要利用這種潛力,則還有許多問題需要考慮。例如,理想的應用場景必須將反射和多徑干擾降到最低。理想的配置是一個封閉的系統,該系統具有足夠的永久安裝的定位器信標,而這些信標始終處於可見狀態。 為了讓使用智慧手機的室內導航能夠在整個區域運作,必須將藍牙5.1整合到所有現成的智慧手機中。而使用手機時也必須考慮極化(Polarization)的問題,因為其方向幾乎無法控制。智慧手機中有限的空間讓它只能使用一根天線,甚至在將來也是,這就是為什麼智慧手機只能作為AoA應用中的發送器或於AoD應用中接收器的原因。 舉例來說,半導體商Nordic是可以提供多協定系統單晶片(SoC)並支援新藍牙5.1核心規範的製造商之一。該公司產品nRF52833不僅支援藍牙方位尋向和藍牙長距離(Bluetooth Long Range),並且支援藍牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及專有的2.4GHz協定,進而讓涉及距離測量的應用可提供精確到公分和方向的資訊。該款SoC採用具有512kB快閃記憶體和128kB RAM的64MHz...
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