一項流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：室內(nèi)導航

在本文中，我們將比較用于不同類型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各種無線連接方案，和介紹另一項流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：室內(nèi)導航。

什么是室內(nèi)導航？

室內(nèi)導航解決方案（也稱為尋路解決方案）一般用于GPS無法正常運行的室內(nèi)環(huán)境。在更詳細地研究室內(nèi)導航解決方案之前，我們需要先定義一些高層次概念。

通常情況下，我們用“位置服務(wù)”這一術(shù)語概述與位置有關(guān)的解決方案。位置服務(wù)可以分為兩大類：

接近類解決方案：兩種方案中較簡單的方案，通過使用一種或多種技術(shù)確定兩個設(shè)備的相對位置。

定位系統(tǒng)：用于確定設(shè)備的物理位置，需要部署更復雜的基礎(chǔ)設(shè)施。

接近解決方案可以細分成兩類（如上圖左側(cè)所示）：

尋物解決方案：尋物解決方案的一個例子是尋物標簽，它附在鑰匙鏈、行李、遙控器和其他個人物品上，以便在物品放錯位置或丟失時追蹤和定位物品。

地標信息系統(tǒng)：當用戶位于位置固定的設(shè)備附近時，地標信息系統(tǒng)會通過智能手機向用戶顯示相關(guān)信息。例如當用戶在逛購物中心時，一旦接近購物中心移動應(yīng)用中所銷售的商品，用戶的智能手機就會收到通知。

定位系統(tǒng)可以細分成兩類（如上圖右側(cè)所示）：

實時定位系統(tǒng)（RTLS）：用于資產(chǎn)追蹤以及設(shè)施內(nèi)人員追蹤。RTLS解決方案是一套以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)，可以追蹤位置并向后臺服務(wù)器報告位置，后臺服務(wù)器向用戶提供這些信息。一般情況下，設(shè)備本身并不知道其位置。

此類解決方案可以定位和追蹤倉庫中的托盤、叉車和工人或醫(yī)院中超聲儀和患者的位置等，從而幫助確保人員和設(shè)施的安全，并優(yōu)化緊急情況下的響應(yīng)時間。

室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）：IPS解決方案與RTLS解決方案的工作方式相反 —— 該系統(tǒng)以設(shè)備為中心，設(shè)備知道自身位置并向設(shè)備用戶報告位置（通常通過智能手機應(yīng)用程序）。室內(nèi)定位系統(tǒng)包括各場所中的室內(nèi)導航，如機場、博物館、購物中心、主題公園、醫(yī)療設(shè)施、會議中心等。

IPS解決方案示例包括室內(nèi)導航系統(tǒng)（尋路）和自動導引車輛（Automated Guided Vehicles，AGV）。本文將重點介紹室內(nèi)導航（尋路）系統(tǒng)。我們現(xiàn)在已經(jīng)介紹了高層次位置服務(wù)概念，下面就來了解一下室內(nèi)導航的一般設(shè)計理念。

室內(nèi)導航系統(tǒng)背后的基本原理是利用無線技術(shù)確定用戶在區(qū)域內(nèi)的位置，并將該位置在智能手機應(yīng)用內(nèi)的地圖上呈現(xiàn)出來，這樣用戶就能夠瀏覽周邊區(qū)域。

根據(jù)所使用的一種或多種技術(shù)，可以使用不同的方法和計算來確定用戶的位置。大多數(shù)方法使用RSSI測量值或TOF測距方法（Time of Flight，中文譯為“飛行時間測距法”），通過多邊測量法或三角測量法計算來確定用戶的位置。

多邊測量法的基本概念是根據(jù)物體與多個固定位置站點之間的多個距離計算值來確定物體的位置。

三邊測量法是該領(lǐng)域中常用的另一個術(shù)語，指結(jié)合使用多邊測量與三個已測距的已知固定點來計算移動物體的位置。

三角測量法則通過測量角度來確定位置和到固定站點的距離。

另一項更先進的技術(shù)是無線電尋向。這項技術(shù)是一種確定接收信號發(fā)射方向的方法。無線電尋向自二十世紀初以來一直用于實踐，為從航空和航海導航到野生動植物追蹤等各類系統(tǒng)提供支持。尋向的定位計算精度比多邊測量法和三角測量法更高，但通常成本也更高。

在一些應(yīng)用中，室內(nèi)導航系統(tǒng)還可以向后臺服務(wù)器報告所計算出的用戶位置，以便進行數(shù)據(jù)分析并提高空間的可用性。

室內(nèi)導航有哪些優(yōu)點？

一般情況下，室內(nèi)導航具有以下優(yōu)點：

在無法使用GPS的室內(nèi)空間中為用戶提供更好的用戶體驗

提高商業(yè)建筑內(nèi)工人的工作效率

改善擁堵區(qū)域的交通流量

幫助用戶在設(shè)施內(nèi)找到彼此

推進智能建筑的運作和改善

利用采集的位置數(shù)據(jù)優(yōu)化工作流程，從而提高空間的可用性

室內(nèi)導航能夠提供的優(yōu)點取決于相關(guān)特定應(yīng)用的目標，利用室內(nèi)導航的應(yīng)用實例包括：

機場

博物館

購物中心和超市

主題公園

醫(yī)療機構(gòu)

會議中心

餐廳

將無線技術(shù)用于室內(nèi)導航時需要考慮的關(guān)鍵屬性

將無線技術(shù)用于室內(nèi)導航時，需要考慮下列的關(guān)鍵屬性：

可擴展性

隱私和安全

定位分辨率（準確度和延遲）

普遍性和普及度

比較：最適合用于室內(nèi)導航的無線技術(shù)

最適合用于室內(nèi)導航應(yīng)用的無線技術(shù)有：

低功耗藍牙

超寬帶（UWB）

Wi-Fi

超聲波

下面我們一起來了解這些無線技術(shù)如何適合室內(nèi)導航應(yīng)用。

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低功耗藍牙

憑借多項優(yōu)勢，低功耗藍牙是室內(nèi)導航系統(tǒng)中最常用的無線技術(shù)。低功耗藍牙用于室內(nèi)導航系統(tǒng)時所具有的一些關(guān)鍵優(yōu)勢包括：

保障隱私和安全

在全球智能手機中的高普及度和普遍適用性

支持大規(guī)模部署

蘋果于2013年發(fā)布了iBeacon標準格式后，藍牙beacon便開始流行并應(yīng)用于許多用例，尤其是在零售營銷和室內(nèi)導航應(yīng)用中。

低功耗藍牙beacon一直廣泛應(yīng)用于室內(nèi)導航系統(tǒng)解決方案。此類系統(tǒng)的基本原理是將藍牙beacon安裝在設(shè)施內(nèi)的固定位置，并發(fā)送能夠被用戶智能手機接收的廣播數(shù)據(jù)包。然后，智能手機能夠基于從beacon處接收到的數(shù)據(jù)包中的RSSI來計算自己的位置，并且將計算出的位置顯示在用戶的地圖上。

2019年，藍牙核心規(guī)格5.1版本加入了一項激動人心的新功能 ——藍牙尋向?；谶@項新功能，低功耗藍牙設(shè)備可以基于出發(fā)角（AoD）和/或到達角（AoA）來提高藍牙設(shè)備的定位精度。正如前文提到的，提高精度通常需要付出更高的成本。

出發(fā)角方法一般更加適合室內(nèi)導航。在該方法中，待確定方向的設(shè)備（例如IPS解決方案中的定位beacon）使用排列成陣列的多根天線發(fā)送特殊信號。接收設(shè)備（例如同一IPS解決方案中的移動電話）配備單根天線。當來自發(fā)送設(shè)備的多個信號穿越接收設(shè)備中的天線時，接收設(shè)備就會采集IQ樣本并基于IQ樣本數(shù)據(jù)計算相對信號方向。

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超寬帶（UWB）

超寬帶是一種短距離無線電技術(shù)，常用于室內(nèi)導航系統(tǒng)。UWB的運行頻率范圍是3.1到10.6 GHz，帶寬至少為500 MHz。

基于UWB的室內(nèi)定位系統(tǒng)與低功耗藍牙beacon解決方案的不同之處在于，UWB利用TOF測距方法，而非RSSI測量值來估算距離（該距離會被用于三邊測量計算以確定設(shè)備位置）。

這種方法的基本原理是根據(jù)以下兩個數(shù)值來計算從一個設(shè)備到另一個設(shè)備的距離：

（1）信號從發(fā)射器傳播到接收器所花費的時間；

（2）信號速度。最后將這些數(shù)值用于三邊測量法，確定目標設(shè)備的位置。

以下是UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)點：

由于運行頻帶范圍極寬，因此精度高于其他技術(shù)中使用的RSSI技術(shù)（任何無線電信號飛行時間的測量都與其帶寬相關(guān)）

憑借UWB信號的低發(fā)射功率和短發(fā)射持續(xù)時間，可以減少對其他信號的干擾

缺點包括：

成本高昂，有時令人望而卻步

在智能手機和主流設(shè)備中的普及度不夠，并且由于該解決方案要求用戶佩戴專用的UWB標簽（或腕帶），有可能影響系統(tǒng)的可用性和用戶體驗

缺乏全球統(tǒng)一的規(guī)范化標準

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Wi-Fi

可以用于室內(nèi)導航系統(tǒng)的另一種無線技術(shù)是Wi-Fi。Wi-Fi的主要優(yōu)勢在于其無處不在的基礎(chǔ)設(shè)施。在許多情況下，選擇Wi-Fi用于室內(nèi)導航似乎簡單便捷，但它有一些嚴重的缺點，包括：

精度較低

當需要支持以設(shè)備為中心的應(yīng)用時，與Android相比，對iOS設(shè)備的支持有限（或不支持）

在基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，需要專用的硬件，可能會導致高昂的部署成本

使用Wi-Fi的解決方案不一定需要連接到定位器節(jié)點/接入點，但不基于連接的解決方案會影響系統(tǒng)的精度和延遲時間。此類系統(tǒng)中使用的兩個主要參數(shù)是：

RSSI – 用于近似距離計算

MAC地址–用于設(shè)備識別

RSSI測量法可以與三邊測量法一起使用，從而確定設(shè)備在空間中的大致位置。通過Wi-Fi確定位置的另一個方法是位置指紋識別。它能通過歷史RSSI信息以及已知位置來更準確地確定設(shè)備的位置。

TOF測距方法有時也會被用于WiFi室內(nèi)導航。其基本理念是使用無線接口提供的時間戳來計算信號的飛行時間，然后使用該信息估算一個客戶端設(shè)備相對于接入點的距離和相對位置。TOF測距方法需要在設(shè)備與本地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間建立連接，這可能會損害隱私和安全并帶來可擴展性方面的問題。

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超聲波

超聲波技術(shù)使用聲波以20 kHz以上的頻率傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。用于室內(nèi)導航系統(tǒng)的超聲波技術(shù)使用TOF計算值探測物體的位置。同時使用TOF與三邊測量法可以將物體位置探測精度提高至幾厘米。

與無線電信號不同，超聲波信號一般會被空間中的墻壁和物體阻擋。在室內(nèi)導航中，這一特點有了用武之地 —— 它可以確定設(shè)備在某個房間內(nèi)的精確位置。

超聲波室內(nèi)導航系統(tǒng)除了需要貼在導航用戶身上的標簽外，還需要在設(shè)施內(nèi)部署定位設(shè)備。

現(xiàn)在，讓我們根據(jù)所列出的關(guān)鍵屬性來比較這幾種最常用的技術(shù)：

后續(xù)討論

請注意，一些室內(nèi)導航應(yīng)用可能更適合使用上述技術(shù)中的一種或多種技術(shù)組合，而不是某一項無線技術(shù)。

除了使用RSSI、TOF和其他方法確定位置外，室內(nèi)導航系統(tǒng)還可以通過先進的軟件算法和傳感器融合（使用來自多個傳感器的測量值）來提高定位計算的精度。

責任編輯：xj

原文標題：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線連接選項——室內(nèi)導航

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