蓝牙技术的原理是什么？主要应用于哪些领域？

　　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。