兼顧工業安全/社交距離維持　BLE晶片巧助聯網資產追蹤

雖然幾年前，人們還沒有意識到社交網路濫用個人隱私資料的問題，但現在它卻受到關注，這是因為可能透過公共基礎設施而默默傳播的健康資訊。對全世界許多人來說，更擔憂的是其對個人軌跡和活動的實際追蹤。同樣地，在應用中被用以改善員工安全的智慧型地理圍欄設備，在西方市場中被採用的比例也很低。

即使是在大規模推廣疫苗或預防性治療的情況下，維持社交或人身距離仍被全球大多數國家視為控制疫情的重要方式。這一點因為新型變種病毒的出現，而變得越來越重要，尤其是面對難以預測的情況。

雖有幾種方法可協助管理人身距離，包括地面標記或手動計算進出封閉空間的人數，例如體育場館、博物館、餐廳等。然而，由於現有的方法繁瑣而耗時，需要幫助做到社交距離管理的自動化，選項之一是開發一種方便且輕巧的設備，當佩戴者與他人距離太靠近時，便會向他們即時發出危險警告。這類設備也可用於其他領域，如：工業4.0的員工安全。

考慮到上述趨勢，因此向市場推出人員管理解決方案是有意義的，包括：

1.高效能技術，包括廣泛使用的、可靠的無線協定，如低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)。

2.以點對點為基礎的設備辨識。

3.當察覺兩個設備之間的距離太近或太遠時，具備能夠立即發出警示的能力。

為了使這樣的設備付諸實行，有幾個技術要求。首先，最重要的是該設備必須是安全的，因為它包含將被發送到行動應用程式的個人數據。同時由於該設備是穿戴式的，因此它的重量也必須輕、可用電池供電，且生產必須符合經濟效益。本文將會說明低功耗藍牙如何支援無線電和各種定位技術—基於接收訊號強度指示(RSSI)或即時定位系統(RTLS)的測量，並結合智慧演算法，帶來符合經濟效益、安全和持久的人員管理解決方案，而低功耗藍牙系統單晶片是成功實施此應用的必備條件。

低功耗藍牙無線協定目前是用於資產管理的一個熱門選項，占B2B應用的50%。低功耗藍牙提供一個內建的生態系統，平衡了低功耗、連接範圍、資產特徵和安全性，同時提供幾個強化功能，包括：局限性、安全性和靈活應用(如點對點、邊緣對智慧手機、邊緣對閘道等)。 目前有一些應用在定位與距離測量、基於低功耗藍牙的系統。

透過行動應用程式維持社交距離

本文稍後將舉出方案，其目標應用是穿戴式設備，並且可滿足室內及室外的情況。此應用是對稱雙向的，因為它需要在兩邊執行相同應用程式，且需要一個智慧手機上執行的行動應用程式。智慧手機已很普遍，有些開發人員已開發出可用於追蹤連絡人的行動應用程式，如法國的STOPCovid。

儘管人們對用戶資料的保護感到擔憂，但截至2020年6月底，應用程式STOPCovid的下載已超過180萬次；到2020年10月底，已有260萬用戶。以法國來說，該國的行動用戶總數為1.08億，總人口為6,740萬人。

智慧手機應用程式推廣問題

追蹤連絡人的應用程式在不同地區有著相去甚遠的接受程度。接下來比較一下德國、英國和法國。

在法國，截至2020年6月23日，在260萬一般用戶中(約占人口的3.8%)，僅登記了472名近距離接觸者，並有18起高風險案例被通報。該應用程式的維護費用，估計每個月要花費法國政府10至20萬歐元。到2020年11月底，下載量已經達到1,000萬。

在德國和英國，類似的聯絡人追蹤應用程式的使用程度則高得多，大約有2,000萬用戶，大約是德國人口的24.1%、英國人口的30%。

全球推廣有個主要問題是，這些針對特定國家開發的應用程式都不能彼此相容。如果在硬體、應用程式，和雲端資料管理層面進行更廣泛的協調和標準化，將會是個重大改進。

疫情期間近距離接觸情況及因應方式

在COVID-19的情況下，近距離接觸的定義是在1公尺以內密切接觸達15分鐘。此一定義適用於任何追蹤技術，但根據科學資訊、時間而可能產生變化。

如果要在智慧手機的應用程式中實施，主要有兩種做法：透過雲端和透過點對點偵測。

．透過雲端

在基於雲端的應用中，手機將地理定位足跡和過往應用群聚史以加密格式發送到伺服器。當有人被確診為COVID-19陽性時，就會向任何曾與其近距離接觸過的個體發送通知，但並不會提及確診者是誰。

採用雲端技術的情況下，系統會記錄手機掃描到的其他MAC位址，並以匿名的方式將其發送到雲端。然後，雲端應用程式會發出 「暴露於風險通知」。若沒有即時距離或暴露警告，一旦監測到並且發送到雲端，雲端演算法就會獲取資料並進行人工智慧(AI)處理。這些資訊與感染追蹤資料庫的個體資料連動，並反應給用戶。

．透過點對點

單純基於智慧手機應用的第二個選擇，是使用點對點的行動裝置間距離偵測。

目前大多數智慧手機都能偵測到附近的裝置(例如喇叭)，並在顯示配件和建議的操作時產生觸覺回饋。這通常是基於低功耗藍牙和超寬頻(UWB)技術的組合。它需要一些連續掃描並且會消耗大量電量。因此智慧手機在點對點掃描模式下，其自主性也會大幅降低。

基於上述原因，透過點對點是一種高階且高耗能的技術，但由於雲端並不是即時管理系統，本文不會進一步發展這類技術的應用，而是討論透過標籤的應用。

一般認為，專門用於特定目的的標籤(Tag)，像是儲存即時社交距離資訊，是個不錯的選擇，因為只有在需要時才佩戴。這減輕了對智慧手機電池壽命的影響。

RSSI透過低功耗藍牙廣播案例

．基於RSSI系統的功能和極限

在理想的射頻環境下，也就是「開放式場域(Open Field)」，無線電能量通量的傳輸，以平方反比定律隨著距離的增加而減弱消失(通過一個不斷成長的球體上的固定面積的通量)。

然而，在現實世界中，條件絕沒那麼理想，「接受訊號強度指示」隨著距離等一些因素的改變而產生變化。各種經驗常數可以被新增或刪除來校正模型，以補償影響無線電效能的因素，包括：無線電多路徑和添加區隔，其長期以來一直被認為造成900MHz和2.4GHz傳輸問題的原因、與封裝和穿戴式條件有關的無線電靈敏度變化，以及天線增益、外殼等項目。

由於這些變數，確定RSSI距離的常用方程式(RSSI=f(Distance)和Distance=g(RSSI))並不完全準確。過去有人提出一個更複雜的模型[1]，將其加入考量後：

RSSI = −10 n log d + A(d=距離；A=Tx功率；n=訊號傳播常數；RSSI=dBm)。

一個常見的錯誤是把公式想得過於簡單，意即輸入實際的功率Tx，並調整公式中的常數「n」。相反的，最好的做法是將公式作為相對參考點，並將一些經驗驗證導入開發過程。同樣地，在自由空間時n=2，但它會根據局部幾何形狀而變化(表1)。例如，一道牆會使RSSI降低約3dBm，並對n產生相對影響。

實驗似乎強調了接收訊號強度的可變性質。此外，公式的對數性質表明，在距離小於5公尺的情況下，估計距離會使RSSI值產生顯著變化；因此，計算和距離估計的錯誤可能成為關鍵。

．需要實驗驗證

從圖1觀察來看，研究團隊認為在開始計算距離之前，需要用硬體特徵進行實驗驗證。為了達到必要的精準度，需要根據測量的統計資料進行額外的計算。本文後續將進一步闡述為什麼微控制器必須以最小功耗提供足夠的處理能力。

．基於RSSI的即時危險警報系統

在邊緣的點對點系統中，設備會持續監測它們的距離，並在同級設備太靠近時，即時警告用戶(圖2)。該系統是個主動的即時監測系統(RTMS)。它完全是以邊緣為基礎的(不同於之前的智慧手機應用程式例子)，由於沒有與雲端互動來使其運作，它僅僅是預防性的。

這類系統能夠用於社交距離應用，因其能夠即時發送警報，但也必須使用小型、輕便且可重複使用的設備。它保障個人資料的完整性和機密性，但如果當地法規允許，有種選擇是讓用戶能決定是否將個人聯繫資訊上傳到雲端，並允許於暴露風險後追蹤。該系統是非連接模式系統的例子，因為兩個設備之間沒有主動互動。每項設備都在「聽」周圍環境，並判定是否離同級設備太近。

．定義點對點相互影響

為了獲得理想效能，每個穿戴式設備都必須做到交錯的投放和掃描。在偵測狀態下，信標在兩種模式之間循環：廣播和掃描。

1.在廣播模式下，信標執行無方向性且不可連接的投放(Tx)。幀的內容被定義為廣播格式。廣播期是隨機定義的。隨機化使得近距離範圍內，標籤之間同步投放和掃描的機率達到最小(圖3)。

2.在掃描模式下，設備在頻道37(2,402MHz)、頻道38(2,426MHz)和頻道39(2,480MHz)上的掃描窗口期間分別按這個順序進行掃描(Rx)。掃描週期是隨機定義的。

其中一個同級設備以不可連接的投放訊息形式發送其特有ID。其他同級設備都在監聽(掃描)周圍的環境，並偵測附近是否受到警告。發送警報的臨界值是可經由程式設計控制的，並可指定從輕微警報到嚴重警報(圖4)。為了方便起見，用戶可以停止警報的蜂鳴聲。

特有的MAC位置在警報期間被交換，以便提出進一步服務。發送特有ID和掃描環境的比例對於改良電池壽命至關重要。

．平衡接收(Rx)和發射(Tx)功率

社交距離標籤在設計上必須針對耗能進行改良，且能被有效偵測。在標籤計算距離的同時，也將交替傳送其識別資訊並接收周圍的識別資訊。Rx和Tx都是交替進行的，其交錯比例有待進一步分析，因為每個階段的能量分配是極為不同的(圖5)。本文接下來將探討原因，假設在一秒鐘內做以下事情：

1.每24毫秒掃描20次Rx時槽(於3個低功耗藍牙投放頻道：每個頻道掃描約7×24毫秒=168毫秒)。在這種情況下，1秒內找到一個特有Tx信標的機率為16.8%，換言之6秒後達到100%。每次掃描動作消耗205uJ，10秒的Rx能量分配為41,000uJ。

2.每1毫秒中3×7Tx時槽(乘上3個頻道：7×1毫秒)；各頻道中的每次Tx動作會消耗7uJ能量，即10秒的Tx能量分配為1,470uJ。在這種情況下，在1秒鐘內找到7個Tx信標中的其中一個，其機率為100%，且Rx時間/Tx時間之比值為24。

．改良功耗和能量分配

雖然運作的反應時間很快(1秒)，但Rx相位與Tx相位在總能量分配的比重是非常不平衡的。本文使用的電池必須在不傷及偵測效果的前提下進行改良，為此，將Rx的持續時間調整為1/2或1/3，同時將Tx以同樣係數增加。這個方程式提供較好的結果(表2)。

雖然投放間隔極小(20毫秒)，但應該解讀成一秒鐘內僅能完成50次Tx。因此，團隊將在24毫秒內掃描8次，每秒消耗的總能量約為24,200uJ。

．接收效能影響

若採用傳統投放信標(非連接模式)，開發人員將著重在改善傳輸過程中的能量消耗。

然而，若採用點對點感測信標，接收能量消耗占總能量分配的60%至90%。如圖6所示，由於受到低功耗藍牙標準的限制，每秒Tx投放數量最多為50個，因此Rx槽最少為8個。

由於這些因素，當務之急是提供一個在接收和傳輸無線資料時，具有較佳功耗的低功耗藍牙無線電。

．24小時任務概況和智慧感測器作用

雖然改善設備中所使用的低功耗藍牙無線電的功耗，能大幅改善其整體能量分配，使用智慧型運動偵測器可進一步幫助改善未使用時的功耗。 首先，必須考慮設備的任務配置概況，或是說在24小時內的使用方式。若根據普通人的活動來計算，假設每周平均工作40個小時：一周5天、每天工作8小時、休息16小時。這也是根據使用微型210mAh電池供電的設備而來(圖7)。

．無線電晶片運算效率

雖然Rx和Tx的效能對功耗有很大的影響，但必須考慮到運算距離、管理即時設備行為，和創建一個簡單、高效的人機介面(MMI)，這些也會影響性能。本文列舉之無線電晶片，其運算能力是根據各種元素的組合：Arm Cortex-M3核心、低功耗32位元DSP、低功耗記憶體架構，以及低功耗核心。若以「每MHz消耗多少mA電流」作為單位來計算，這些組合提供了良好的效能。

RTLS/AoA應用於保持社交距離

定義RTLS/AoA

AoA，或稱到達角，是計算設備與參考平面之角度的技術(圖8)。通常採用AoA是由安裝有預定參考方向的固定基礎設施所組成。透過AoA原理，可以結合多個平面的交叉點來完成定位(圖9)。此外，可使用特定頻道創建即時定位系統。

現有技術

．低功耗藍牙

藍牙5.1標準為低功耗藍牙導入額外的定向輔助功能。該標準描述如何使用移動物體向固定基礎設施發送的低功耗藍牙投放訊息框，以便計算與參考平面所夾的角度(定向)。

這個演變是以應用為前提的，這意謂著投放訊息框的內容和定義、系統的時間和角色都是考量到應用的目標而制定的。

事實上，藍牙5.1是個公共標準，為開發人員提供了一些實際應用的引導。然而，完整的系統架構並未完整被定義，像是受電腦與即時限制的定位方式。此外，目前還沒有藍牙5.1商業應用。

．智慧定位系統

Quuppa智慧定位系統是藍牙5.1的替代方案，採用低功耗藍牙2.4GHz頻段無線電前端，和某些低功耗藍牙通訊原理(圖10)。不過，還有一些重要的補充技術，可使該技術更有效率。

Quuppa技術的實際應用有幾種變化，本文今天討論的是Quuppa Tag Emulation Pro。該技術包括：1MHz頻道轉移與低功耗藍牙相比，更不受頻寬堵塞影響；具改良的投放結構，獲得更好的即時效能；透過單通道傳輸，以改良能耗；具完善的安裝者環境，易於安裝和系統部署。當這些特點結合起來，使得耗能較低，並使其成為使用標籤的連絡人追蹤解決方案的選擇。

室內用即時定位系統

RTLS AoA系統是不對稱的，因為藍牙信標的運算需求和資源，遠遠低於固定的相對系統。周邊角色輕，中心角色重，有著複雜的多天線硬體架構。中心角色往往與訊號處理和下層飛行時間、相位差參數計算相輔相成，如同Quuppa的應用。在室內情況下，定位的準確度可達10公分。

低功耗即時室內定位方案

有半導體業者安森美(onsemi)與Quuppa便共同發布了一個以無線電晶片為基礎、用於室內資產追蹤的軟體解決方案，該方案結合低功耗藍牙技術和Quuppa的智慧定位系統(圖11)。安森美的無線電晶片支援標籤側的固定RTLS架構。在雲端計算距離，然後由演算法將近乎即時的資訊回傳給標籤，並發出警報通知，如閃爍的LED燈或觸覺回饋。此功能是透過所謂的「回傳」訊息而實踐，從固定的基礎設施到標籤。

該無線電晶片的優勢體現於功耗。團隊分析了在相同工作條件下，各種現有低功耗藍牙元件的性能，可以看到該晶片的表現優於主要競爭對手，且不影響整合(圖12)。

社交距離手環

對於一個完整的端對端解決方案，有標籤業者如Tatwah Sa便提供一個具備各種套件組合選項的硬體平台，使製造商能輕鬆開發資產追蹤或社交距離管理標籤。Tatwah Sa憑藉RFID和無接觸技術開發經驗，創造一個以無線電晶片為基礎、用於社交距離應用的新型IP68/65穿戴式裝置。這些新設備在使用者位於1.5公尺距離內時，發出聲響警報，並具備確保用戶資料隱私的功能。此手環可額外客製功能，如顏色或二維條碼/QR Code。

本文得出的結論是，本文舉出的低功耗藍牙無線電晶片，搭配用於距離估算的智慧演算法，可做到RSSI室內或室外環境的社交距離應用，或室內環境即時定位系統。歸功於這兩種技術，還可同時保護個人資料隱私，並維持電池使用壽命。取決於技術的選擇，當使用單顆電池，產品的使用壽命將可從幾個月到幾年不等，這在消費者和B2B應用中是可接受的。這類設備不僅有利於追蹤社交距離，也適用於勞工安全或地理防護需求。

(本文由安森美提供)