|
無(wú)線(xiàn)測距可以在自動(dòng)追蹤密切接觸者時(shí)起到關(guān)鍵作用，該技術(shù)能夠幫助識別并分析像新冠肺炎這樣可能通過(guò)密切接觸者傳播的傳染病的疫情。使用藍牙低能量（BLE）的傳統測距方法在理論上可以提供準確的數據，但射頻（RF）信號傳輸的實(shí)際限制會(huì )影響這種準確性。隨著(zhù)對幫助遏制COVID-19傳播的更有效方法的需求增長(cháng)，開(kāi)發(fā)商正在尋找傳統方法的替代品，以提供最大的準確性，同時(shí)仍然平衡成本和易于部署。 為了滿(mǎn)足這些需求，Dialog半導體公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)軟件解決方案，利用目前可用和部署的BLE技術(shù)和基礎設施。一旦作為公司BLE系統芯片（SoC）設備的軟件升級實(shí)施，該解決方案可以實(shí)現更精確的、類(lèi)似雷達的無(wú)線(xiàn)測距。 這篇文章介紹了聯(lián)系人追蹤的工作原理。然后介紹了Dialog半導體公司的藍牙設備和配套軟件，它們?yōu)閷?shí)現合同追蹤和其他接近檢測應用所需的精確無(wú)線(xiàn)測距提供了更精確的解決方案。 為什么接觸者追蹤對于遏制COVID-19至關(guān)重要？ 限制傳染病的傳播是流行病學(xué)的基石，在管理面臨像嚴重急性呼吸系統綜合癥冠狀病毒2（SARS-CoV-2）這樣的新病毒的人群健康方面尤為關(guān)鍵，該病毒引起COVID-19疾病。減少疫情爆發(fā)的最有效工具之一是使用接觸者追蹤做法。 接觸者追蹤在原則上聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單：識別并通知最近與傳染病人接近并可能自己被感染的人。在實(shí)踐中，接觸者追蹤的工作流程是相當復雜的，通常要依靠大量的個(gè)案工作人員來(lái)采訪(fǎng)受感染的人，并通知和幫助那些可能有后續感染風(fēng)險的人（圖1）。當這些被通知的人進(jìn)一步限制他們與其他人的接觸時(shí)，病毒的傳播鏈就會(huì )中斷。 
圖1：美國疾病控制和預防中心（CDC）建議采用接觸者追蹤工作流程，在感染者提供的接觸者名單的基礎上，通知那些可能需要在建議的14天內對推定的COVID-19感染者進(jìn)行自我隔離的個(gè)人。(圖片來(lái)源：CDC) 對于COVID-19來(lái)說(shuō)，需要快速識別和通知可能的感染，這一點(diǎn)特別重要，研究人員仍在努力全面了解其傳播和感染模式。事實(shí)上，關(guān)于COVID-19的基本醫學(xué)相關(guān)事實(shí)只是在最近才被開(kāi)發(fā)出來(lái)。例如，在SARS-CoV-2病毒被確認的幾個(gè)月后，流行病學(xué)家證實(shí)，尚未出現COVID-19癥狀的感染者有可能傳播病毒[Furukawa]1。 由于了解到這種無(wú)癥狀傳播是可能的，早期接觸者追蹤對于減緩COVID-19大流行病的傳播變得非常重要。使用標準的流行病學(xué)建模方法，CDCCOVIDTracer電子表格工具展示了早期接觸者追蹤對100,000人的代表性人口中每日病例的影響（圖2）。
圖2：CDC的一個(gè)模型說(shuō)明了在10萬(wàn)人口中，使用不同的策略可以使一年內發(fā)現的新病例的曲線(xiàn)變平。紅色虛線(xiàn)表示每個(gè)接觸追蹤策略的開(kāi)始。(圖片來(lái)源：CDC) 如圖2所示，疫情的發(fā)展過(guò)程會(huì )因選擇三種不同的接觸者追蹤策略之一而有很大不同。 · 策略1：只有在一個(gè)人已經(jīng)出現COVID-19的癥狀后，才開(kāi)始對其進(jìn)行接觸追蹤（在這個(gè)模型中，根據研究報告，在感染后7天）。 · 策略2：當受感染者首次出現癥狀時(shí)（感染后6天），立即開(kāi)始追蹤接觸者。 · 策略3：當COVID-19檢測發(fā)現一個(gè)感染者，但在該人出現癥狀之前（感染后4天，根據研究，此時(shí)無(wú)癥狀傳播成為可能），立即開(kāi)始追蹤接觸者。 即使在個(gè)人成為傳染病后立即開(kāi)始追蹤接觸者（策略3），進(jìn)行接觸者追蹤所需的個(gè)案工作者數量也會(huì )迅速增長(cháng)。疾病預防控制中心的模型說(shuō)明了每個(gè)感染個(gè)體病例平均5次接觸（圖3中的 "低"）和每個(gè)病例平均20次接觸（圖3中的 "高"）所需的人員增長(cháng)。
圖3：CDC模型顯示，假設每個(gè)案件平均有5個(gè)聯(lián)系人（"低"）或20個(gè)聯(lián)系人（"高"），使用不同的策略可以降低進(jìn)行接觸者追蹤所需的個(gè)案工作人員數量。(圖片來(lái)源：CDC) 盡可能早地追蹤接觸者和足夠的工作人員的雙重要求，促使人們努力尋找技術(shù)解決方案，以識別和聯(lián)系可能與受感染者接近的個(gè)人。與其要求受感染的個(gè)人記住聯(lián)系人，并要求個(gè)案工作者追查這些聯(lián)系人，適當的技術(shù)解決方案可以自動(dòng)記錄與可能使用相同技術(shù)的其他人接近的情況。事實(shí)上，這種方法可以提供第四種策略，能夠對在第0天遇到的個(gè)人進(jìn)行追溯性的接觸追蹤，而醫學(xué)研究表明，受感染的個(gè)人本身會(huì )從其他一些有傳染性的個(gè)人身上感染疾病。如上圖所示，提前通知聯(lián)系人可以極大地拉平每日案件和所需工作人員的曲線(xiàn)。 由于其在智能手機和其他個(gè)人移動(dòng)電子設備上的廣泛使用，藍牙立即成為自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的首選技術(shù)。它迅速成為制造商、醫療團體和政府組織的一些合作努力所開(kāi)發(fā)的移動(dòng)應用程序的基礎。然而，在對這些應用程序的有效性的研究中，藍牙的局限性導致了令人失望的結果。 為什么用藍牙自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的做法令人失望 原則上，藍牙技術(shù)似乎是自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的理想解決方案。它的普遍性確保了作為交付平臺的廣泛可用性，其能力似乎滿(mǎn)足了移動(dòng)應用程序的基本要求，旨在記錄與其他使用相同技術(shù)的個(gè)人的近距離接觸的情況。 記錄聯(lián)系人實(shí)例至少需要兩個(gè)信息：與聯(lián)系人的距離和一些與聯(lián)系人相關(guān)的全球唯一ID。通常實(shí)現為一個(gè)經(jīng)常變化的隨機值，這個(gè)獨特的ID被高級應用軟件用來(lái)通知聯(lián)系人，同時(shí)保持隱私，使用不同的方法超出本文的范圍。 藍牙廣告協(xié)議提供了一個(gè)滿(mǎn)足這些基本要求的現有機制。作為藍牙協(xié)議棧的一個(gè)標準功能，廣告協(xié)議允許設備以最小的功率消耗周期性地傳輸一個(gè)小的有效載荷，如唯一的ID。接收廣告協(xié)議包的設備也會(huì )接收到接收信號強度指標（RSSI）值，大多數無(wú)線(xiàn)射頻子系統提供的是信號強度的相對測量，范圍在0到100之間，或由設備制造商定義的其他上限。 從理論上講，隨著(zhù)發(fā)射器和接收設備之間的距離增加，接收器的無(wú)線(xiàn)電強度與距離的平方成正比下降。因此，相關(guān)的RSSI值將平滑地單調地減少。 在實(shí)踐中，RSSI和距離之間的關(guān)系可以有很大的變化，正如多年前監督藍牙發(fā)展的組織--藍牙特別興趣小組（SIG）所指出的那樣[Gao]2。信號反射、阻擋和干擾會(huì )大大改變信號強度。因此，RSSI和距離之間的關(guān)系可以從一個(gè)樣本到另一個(gè)樣本而變化，即使發(fā)射器和接收器保持靜止。在最近的一項關(guān)于藍牙RSSI對聯(lián)絡(luò )人追蹤的有效性的研究中，研究人員發(fā)現RSSI可以上升或下降，而發(fā)射器和接收器之間的物理距離沒(méi)有變化，這取決于智能手機被用戶(hù)持有的方式或被他們的身體屏蔽的方式，或者無(wú)線(xiàn)電信號被周?chē)Y構反射、阻擋或吸收的方式[Leith]3。 開(kāi)發(fā)人員采用了不同的策略，試圖平滑RSSI的變異性。除了簡(jiǎn)單地對多個(gè)RSSI測量值進(jìn)行平均，試圖利用RSSI提高距離測量的準確性，已經(jīng)采用了不同的過(guò)濾方法，但效果有限。其他接觸者追蹤建議使用其他無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，如超寬帶（UWB），但與藍牙不同，這些技術(shù)缺乏實(shí)現立即廣泛使用自動(dòng)接觸者追蹤應用程序以幫助管理COVID-19疫情所需的普遍安裝基礎。 相比之下，Dialog半導體公司提供了一種軟件解決方案，旨在輕松升級其藍牙硬件解決方案，以提供有效的接觸追蹤所需的精確無(wú)線(xiàn)測距。 升級藍牙片上系統以實(shí)現精確的接觸追蹤 Dialog半導體公司的無(wú)線(xiàn)測距（WiRa）軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）與其DA1469x系列BLE SoC器件配合使用，以解決現有藍牙技術(shù)的精確測距需求。Dialog Semiconductor的BLE SoC旨在滿(mǎn)足各種移動(dòng)產(chǎn)品的要求，它集成了Arm®Cortex®-M33和一個(gè)完整的藍牙5無(wú)線(xiàn)電子系統，具有自己集成的基于A(yíng)rm Cortex-M0+的控制器和一套完整的集成外設（圖4）。
圖4：Dialog Semiconductor DA1469x系列BLE SoC結合了一個(gè)Arm Cortex-M33主處理器、一個(gè)帶有自己的Arm Cortex-M0+的專(zhuān)用藍牙5無(wú)線(xiàn)電系統以及典型無(wú)線(xiàn)移動(dòng)產(chǎn)品所需的一套全面外設。（圖片來(lái)源：Dialog Semiconductor） 與任何藍牙兼容平臺一樣，Dialog半導體公司的DA1469x系列支持標準的廣告模式，其基礎是用于在零售場(chǎng)所提供特定位置的信息的信標技術(shù)。然而，使用WiRa SDK，開(kāi)發(fā)者可以部署一個(gè)類(lèi)似雷達的協(xié)議，能夠達到傳統藍牙RSSI無(wú)法達到的測距精度水平。最重要的是，這種新增能力可以部署在現有的基于DA1469x的設備上。 在這種增強的無(wú)線(xiàn)測距方法中，藍牙設備執行對話(huà)音交換（DTE）協(xié)議（圖5）。
圖5：Dialog Semiconductor WiRa SDK通過(guò)在兩個(gè)連接的設備之間實(shí)現DTE數據交換來(lái)實(shí)現類(lèi)似于雷達的無(wú)線(xiàn)測距，其中一個(gè)是標準的藍牙中心角色，另一個(gè)是標準的藍牙外設角色。（圖片來(lái)源：Dialog Semiconductor） 在該協(xié)議中，藍牙設備使用傳統的BLE中心和外圍角色成對連接。中央設備發(fā)出DTE啟動(dòng)請求，使兩個(gè)設備同步，然后在BLE空閑期間，在指定的時(shí)間和預先定義的頻率集上發(fā)送DTE音。反過(guò)來(lái)，每個(gè)設備的無(wú)線(xiàn)電子系統對收到的音爆進(jìn)行高分辨率采樣，并提供同相和正交（IQ）信號輸出。使用IQ樣本，每個(gè)設備為每個(gè)突發(fā)頻率（稱(chēng)為 "原子"）計算相位，產(chǎn)生一個(gè)該設備特有的頻率曲線(xiàn)。 在與其對應的設備交換其特定的頻率配置文件后，每個(gè)設備都使用這些數據，使用WiRa SDK支持的兩種方法之一來(lái)計算距離。在反快速傅里葉變換（IFFT）方法中，IFFT計算將頻率曲線(xiàn)數據轉化為時(shí)域，并將與脈沖響應峰值相關(guān)的時(shí)間延遲映射為距離測量。 在基于相位的方法中，計算使用兩個(gè)裝置的每個(gè)原子的相位數據來(lái)尋找相位差異。利用這些結果，根據公式1，計算將平均相位差映射到距離（D），單位為米（m）。
其中： 𝑐=光速，單位為米/秒(m/s) ∆𝜑 = 相位差，弧度 ∆𝑓=頻率差，赫茲（Hz）。 𝑁 = 原子的數量 雖然底層機制和計算相當復雜，但Dialog半導體公司使開(kāi)發(fā)人員能夠簡(jiǎn)單地評估這種方法并在他們自己的設計中實(shí)施。開(kāi)發(fā)人員可以將Dialog半導體公司的DA14695無(wú)線(xiàn)測距開(kāi)發(fā)套件（DA14695-00HQDEVKT-RANG）插入他們的個(gè)人電腦USB端口，并立即開(kāi)始使用該公司的樣本軟件探索無(wú)線(xiàn)測距功能。 基于Dialog SemiconductorDA14695BLE SoC，該無(wú)線(xiàn)測距套件的電路板可作為一個(gè)有效的平臺，通過(guò)在樣本軟件的基礎上實(shí)現定制軟件，或在定制軟件應用中使用WiRa SDK無(wú)線(xiàn)測距服務(wù)程序。 除了其WiRa SDK，Dialog半導體公司還提供了一個(gè)樣本社會(huì )測距軟件包，用DTE實(shí)現增強型無(wú)線(xiàn)測距，并提供了一套相關(guān)的軟件程序，包括基于IFFT和基于相位的距離測量方法。例如，清單1中所示的基于相位的計算例程cwd_calc_distance()是對上述基于相位的距離測量方程的直接實(shí)現。 副本 float cwd_calc_distance(float *init_phase_atom, float *refl_phase_atom) { float *dd_phi = d_phi; /* reuse d_phi, or: float dd_phi[CWD_N_ATOM_MAX-1];*/ float dd_phi_mean; int i; for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom; i++) { /* phase "difference" between initiator and responder */ d_phi = init_phase_atom + refl_phase_atom; if (i != 0) { /* phase difference between neighboring frequencies */ dd_phi[i-1] = d_phi - d_phi[i-1]; } } unwrap_phase(dd_phi, cwd_parm.n_atom - 1, 1); /* average dd_phi */ dd_phi_mean = 0; for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom - 1; i++) { dd_phi_mean += dd_phi; } dd_phi_mean = dd_phi_mean / (cwd_parm.n_atom - 1); dd_phi_mean = wrap_to_two_pi(dd_phi_mean - CWD_PHASE_OFFSET); /* distance */ return (dd_phi_mean * CWD_C_AIR/(4 * M_PI * cwd_parm.f_step * 1e6)); } 清單1：這個(gè)計算程序是對上述基于相位的距離測量方程式的直接實(shí)現。（代碼來(lái)源：Dialog Semiconductor） 結語(yǔ) 無(wú)線(xiàn)測距可以為自動(dòng)追蹤接觸者提供重要的推動(dòng)力，以幫助識別COVID-19等傳染病的爆發(fā)，但傳統的藍牙協(xié)議未能可靠地提供所需的精確距離測量。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，Dialog半導體公司的一個(gè)軟件解決方案提供了一個(gè)更準確的、類(lèi)似雷達的無(wú)線(xiàn)測距解決方案，可以作為一個(gè)軟件升級來(lái)實(shí)現基于該公司藍牙低能量系統芯片的系統。這種方法提高了準確性，同時(shí)控制了成本，并能在目前活躍的設備上快速部署。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Stephen Evanczuk |
