越來越多的日常數字設備，包括智能手機、門鎖，甚至最新的汽車，現在都使用一種稱為空間感知的無線功能。具有空間感知功能的數字設備可以了解它相對于其他設備的位置，然后對這些設備的位置變化做出響應。空間感知功能使我們——這些數字設備的用戶們，可以更輕松地度過每一天。
以空間感知門鎖為例。這種鎖可以安裝在車門、倉庫入口或前門上，它可以感應到您所攜帶的智能手機的靠近，并且在您離門足夠近，準備進入時，它會自動解鎖。同樣，當您離開時，門鎖可以感應到您的離開；當您離得足夠遠，表明您已經離開時，門鎖會自動重新鎖上。
空間感知功能對我們人類有幫助的另一種方式是，找到我們放錯地方的東西。您可以在錢包、眼鏡或遙控器上安裝一個小型跟蹤裝置，下次找不到這個物品時，你的智能手機就可以利用其空間感知功能定位它，并引導你找到它。你的智能手機甚至可以在屏幕上呈現帶有增強現實視圖的圖像，引導你找到丟失的物體。
與空間感知設備的交互簡單直觀，但設計支持空間感知的人機體驗可能相當具有挑戰性，因為其中涉及許多步驟。此外，開發人員還發現，使用兩種不同的無線技術，即低能耗藍牙和超寬帶，可以創建一種空間感知的增強型解決方案。
設計中的藍牙低能耗（BLE）部分提供一種低功耗方法，可通過被動接近檢測來識別是否存在其他設備。而設計中的超寬帶（UWB）部分基于寬帶測距提供精確定位功能，可檢測距離和運動方向的微小變化。檢測到附近的物體后，設計的BLE端觸發UWB端，并使用UWB生成的數據向人機界面傳達運動的位置和方向。
要在BLE、UWB和人機界面之間實現這些交互可能會很棘手。它涉及復雜的嵌入式算法和復雜的射頻設計。此外，終端產品還需要進行徹底測試，才能確保這兩種無線技術能夠無縫地協同工作。
以下是開發人員在使用空間感知時需要考慮的問題。
通過低功耗藍牙（BLE）實現接近傳感技術和通信
因為使用廣泛，藍牙是物聯網設備的合理選擇。根據監督藍牙規范和許可的標準組織藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group,SIG）2021年市場最新信息，估計有130億臺支持藍牙的物聯網設備已經投入使用。Bluetooth SIG在BLE的成功中發揮了重要作用，因為它們不僅定義了通信協議，還通過認證計劃強制遵守協議。結果是， BLE無處不在且普遍可互操作。開發人員可以確信，支持BLE的設備將能與他們遇到的其他支持BLE的設備進行通信，終端用戶無須為設備設置和配置操心。
互操作性使BLE成為兩點之間短距離數據傳輸的絕佳選擇。在使用空間感知的應用中，這意味著BLE可用于配置、鏈路協商和通信人機界面。
BLE也可用于定位，但在確定物品的準確位置方面不如UWB精確。BLE使用一種叫做接收信號強度指示器（Received Signal Strength Indicator，簡稱RSSI）的技術來計算距離。這與其他常用的定位協議（包括Wi-Fi）使用的技術相同。RSSI測量使用信號強度來表示距離，這是基于信號越近越強的理念，但這種方法更容易受到射頻干擾和人體障礙等問題的影響。如果應用需要超越BLE的空間感知水平，那么UWB就發揮作用了。
通過超寬帶（UWB）實現精確定位
最近由IEEE在802.15.4a/z中定義的UWB，是一種無線標準，它提供比當前使用的任何其他定位技術（包括BLE和Wi-Fi）更精確的讀數。使用飛行時間（ToF）和到達角（AoA）計算，超寬帶可以精確地確定+/-10cm范圍內的位置。
最新版本的超寬帶基于軍事雷達應用。它與其他無線協議不同之處在于，它使用的脈沖信號短至2ns。此外，與BLE、Wi-Fi和一些專有解決方案運行更擁擠的2.4 GHz頻譜中使用窄帶不同，超寬帶在6-8 GHz頻譜中使用500 MHz的寬帶。
超寬帶的獨特結構意味著它可以精確地執行安全測距，同時使用很小的功率發送信號，即使在具有挑戰性的射頻環境中，也能提供非常穩定的連接，幾乎不受干擾。
成功的組合
BLE和UWB的定位結合惠及智能家居、汽車、消費類和工業等廣泛用例。
回到門鎖的例子，你接近車門時，車門會自動打開，這是BLE和UWB提供的最佳體驗。BLE可以在鄰近的外部邊界進行初始發現，然后可以與車身周圍的多個錨點協調，以激活UWB測距。新激活的超寬帶錨可以檢測智能手機中相應的超寬帶無線。使用協調的ToF和AoA測量，這些超寬帶無線可以確保高度精確的距離測量。
在物品跟蹤器中，BLE和UWB之間也會發生類似的切換。電池供電的小標簽可以貼在包上、車鑰匙上、寵物的項圈上，或者任何你可能丟失的東西上。BLE將追蹤器與您的手機相關聯。配對兩個BLE端點可啟用加密的BLE通信，以確保隱私。之后，當你找不到你要找的東西時，可以使用手機上的應用啟動搜索。BLE會尋找相關標簽，一旦接近，BLE就會激活UWB測距，你的應用會引導你找到丟失物品的準確位置。
迎接設計挑戰
BLE和UWB的結合意味著每個協議都可以提供關鍵功能，打造更好的用戶體驗。但是，采用結合的無線技術開發從概念到產品的設計給開發人員帶來了獨特的挑戰。
編碼固件和設計硬件實現BLE和UWB的全部結合潛力，需要每一項技術的專業知識。此外，了解這兩種技術如何在一個系統中協同集成意味著要注意許多其他因素，包括非易失性內存和RAM的限制、系統級電流消耗的預算以及板卡的設計約束。
使用同一家供應商的好處
設計者需要依賴可靠且易于集成的BLE和UWB解決方案，理想情況下，它們還可以在單個系統中相互結合工作。確保BLE和UWB IC能夠成功集成到產品中的一種方法是，與能夠提供這兩種IC的單一供應商合作。
例如，恩智浦為空間受限設計提供BLE和UWB片上系統（SoC）選項，并通過模塊合作伙伴提供BLE和UWB解決方案的預認證PCB模塊變體。此外，采用恩智浦的參考設計和設計指南來設計硬件，可使系統開發人員處于領先地位，并確保客戶板的設計符合最佳射頻和其他性能指標。
在單個項目中結合BLE和UWB軟件也面臨一系列挑戰。這是選擇單個供應商可能有所幫助的另一種情況，因為您更有可能找到協同工作的軟件組件。例如，恩智浦的MCUXpresso SDK提供預集成的UWB驅動程序、BLE堆棧、其他關鍵系統組件（如引導加載程序）和應用層功能，在一組參考示例中演示UWB驅動的用例。
恩智浦的Finder V3參考板作為附加的設計工具，提供了最佳的硬件設計指南和緊密集成的嵌入式軟件。此參考設計演示了Finder的使用案例，其中包含一個小型電池供電板，支持BLE接近和發現、UWB測距，甚至還有一個帶有源代碼的演示移動應用。
Finder V3的參考設計基于QN9090無線MCU和Trimension SR040，這是恩智浦為UWB跟蹤應用量身定制的UWB解決方案。Trimension SR040支持實時定位服務（RTLS）標簽中的到達時差（TDoA），其設計符合FiRa聯盟對UWB即將提出的要求。
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利用BLE和UWB的互補特性，開發人員可以解鎖創新的用戶體驗，并幫助我們的互聯世界變得更加無縫和可靠。
作者簡介：
Parker Dorris，恩智浦汽車BLE產品經理
Parker Dorris是恩智浦汽車BLE產品的產品經理。此外，他還幫助管理恩智浦的連接產品軟件，重點關注易用性和一些第三方生態合作體系。Parker作為微控制器和無線技術的固件開發人員和營銷經理，擁有超過15年的工作經驗。