基于LoRa技術的地理位置解決方案解析

首先，舉個例子：

假如你和好朋友約好在某個廣場見面，你跟朋友說你在距離A大廈200m的位置。此時，在你朋友看來，你所處的位置有無數種可能：

如果你再補充一個信息：你距離旁邊的肯德基大概150m。此時，在你朋友看來，你所處的位置有兩種可能：

若是再多給一個信息：距離你100m的地方有個麥當勞。那么，你朋友便能準確知道你所在的位置：

此時，如果把A大廈、肯德基和麥當勞這三個已知的地點換成是三個固定的網關，而你本人比作是一個移動的物聯(lián)網終端的話，那么就可以理解為，通過三個網關是能夠確定一個終端的位置，這也正是為什么實現地理位置功能至少需要三個網關接收數據包的原因所在。

LoRa定位方法及原理

最初，LoRa作為一種窄帶無線通信技術為人們所熟知，但是近兩年來，LoRa在定位方面開始嶄露頭角。

在LoRaWAN協(xié)議提供的兩種定位方法中，有一種叫到達時間差定位(TDoA)，其定位原理與開頭的例子正有共通之處。只是在TDoA中，不再直接用距離作為參數來確定終端的位置，而是用數據包到達時間差為參數，因此要求所有的網關必須共享一個共同的時基。

相比于LoRaWAN協(xié)議提供的另外一種基于接收信號強度指示(RSSI)的定位方法，TDoA的定位更加精準，其精度范圍在20-200m之間，而RSSI的精度范圍在1-2Km之間，主要用于粗略定位。

接下來，我們繼續(xù)來看看LoRa技術完成LoRa終端定位的完整過程，這個過程包含了兩個步驟，一是從終端節(jié)點到網關之間數據傳輸，二是網關到網絡服務器之間的數據傳輸。

當任何一個LoRaWAN終端設備發(fā)送一個數據包時，數據包會被所在網絡范圍內的所有網關接收。這些上行數據并不需要是特定的位置信息，它們可以普通的LoRaWAN數據幀結構。

當數據包被送到時，網關并不知道數據包來自哪個LoRa終端設備，因此所有網關需要給接每個接受到的數據包加上精確的時間戳，之后一并被轉發(fā)到網絡服務器上。

當帶有時間戳的數據包被傳輸到網絡服務器后，只有經過授權的網絡服務提供商才能提供解密服務，根據訂閱的服務級別對數據進行解密，通過網絡服務器端的算法對到達時間、信號強度、信噪比及其他參數來計算LoRa終端節(jié)點的位置。

到此，整個LoRa定位的完成過程基本已經結束。

影響LoRa定位精度元素及提高方法

LoRa定位的精確度主要與以下幾個因素相關：

1、傳播環(huán)境和路徑

2、網關部署策略和密度

3、用于定位的算法

4、網關時間同步的精度

5、終端設備的動態(tài)和結構

從前文也可以看出，到達時間差的精準度直接影響了最終終端位置的準確度，那么有何方法可以提高到達時間差的精準度?

一是，可以利用混合數據融合技術和地圖匹配增強來改善到達時間差。

二是，更多、更密集的網關也能提高定位精度和容量。這是因為當更多的網關接收到相同的數據包時，網絡服務器會得到更多信息，從而提高了地理位置精度。

三是，減少多路徑傳輸。如下圖所示，一些數據包直接送到了網關，一些數據包并沒有送到，但是它有一個反射信號，還有另外一些數據包可能包含了以上兩種情況。因此可以使用更多數據包傳輸來減少多路徑傳輸。

LoRa定位優(yōu)勢及特點

基于LoRa技術的地理位置解決方案將能夠實現作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應用。這樣做的好處在于，新功能可由任何正在工作的LoRaWAN終端支持，消除了額外的成本，并且不需要額外的處理能力，同時保持數據和位置的最佳安全性。

1、最低功耗

傳感器中沒有位置任務的處理

發(fā)送位置數據不需要“空中時間”

可能使用盡可能小的LoRaWAN數據包進行地理位置定位

2、最低成本

傳感器中沒有GNSS或其他硬件

更小的電池，因為沒有使用傳感器電源來獲取位置

最小尺寸，包括電子部分，電池，外殼

3、最低環(huán)境影響

傳感器硬件最小化(包括電子部分，電池，外殼尺寸等)

許多傳感器安裝一個終生電池

LoRa定位的應用場景

目前，定位類技術已有很多，總體上可分為室外和室內定位技術。最初，LoRa定位技術主要集中在室外的應用場景中，但是隨著技術的迭代，開始在室內定位場景中發(fā)力，為LoRa貢獻新的增長點。

以下列舉一些LoRa定位應用場景：

1、車輛監(jiān)管

汽車應用中的地理位置定位功能可用于事故跟蹤和通知，以及預測性維護需求，可在車輛上安裝監(jiān)控器，實時監(jiān)控車輛狀態(tài)、智能管理車輛使用狀況，為車輛監(jiān)管提供規(guī)范用車系統(tǒng)。

2、動產監(jiān)管

安裝定位、位移等感知設備在資產上，這些資產一旦偏離設定狀態(tài)，即刻預警，地理位置服務用于動產監(jiān)管科實現更有效的管理。

3、共享單車

安裝定位、位移等感知設備在單車上，自動定時發(fā)送位置信息，云端后臺智能監(jiān)控、記錄運動軌跡、異常預警。為共享單車提供規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)。

4、牧群/家畜定位

對牧群及個體進行位置定位實現有效管理，同時可設立電子圍欄，當牧群離開圍欄，監(jiān)控平臺會及時提出預警，有效解決畜牧走失隱患，甚至在一些瀕危物種上也能發(fā)揮巨大價值。

5、工業(yè)資產管理

除了簡單地提供資產位置信息以外，也能夠協(xié)助供應鏈和工業(yè)管理公司更高效地監(jiān)控其設備健康狀況并預測維護情況。

此外，基于LoRa技術的位置定位服務還可應用在建筑、保險和消費行業(yè)等，用于跟蹤高價值資產，如建筑材料、保險商品、寵物或者人員。

結 語

位置服務并不是一個新的產業(yè)，無論是GNSS還是室內小無線定位技術，都已經經歷了數十年的積累。隨著最近幾年物聯(lián)網產業(yè)的強勢崛起，相關應用對定位的要求越來越多，定位技術商業(yè)機遇開始大量涌現，尤其是一些資產跟蹤等的應用。關注物聯(lián)網定位領域的人或許看過以下兩組數據：

根據Machina Research研究，到2020年底，物聯(lián)網將會有超過15億臺連接設備。其中約三分之一將嚴重依賴地理數據，60%應用將可能包括地理數據。

科技行業(yè)數據公司IDTechEx預測，至2024年，僅室內定位產品市場的規(guī)模將超過100億美元。健康管理、資產追蹤、智能制造，每一個相關領域都將產生一個千億級別的定位需求市場。

可見，未來物聯(lián)網定位市場有著廣闊的應用前景。當然了隨著技術的不斷進步，基于LoR技術，結合TDoA定位算法，打造高精度、低成本的地理位置解決方案同樣大有可為。
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