------ 【導(dǎo)讀】------
人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中,先后發(fā)明羅盤、指南針等工具,衛(wèi)星定位的問世,解決了“我在哪里”的問題。在高度城市化的今天,室內(nèi)空間越來越龐大復(fù)雜。人類戰(zhàn)勝了大自然,卻在自己構(gòu)筑的鋼筋水泥中迷了路。
東晉高僧法顯西行求法乘船回國時寫道:大海彌漫無邊,不識東西,唯望日、月、星宿而進(jìn)。大意就是說,大海遼闊無邊,分不清東西南北,只能看星星,盼月亮來進(jìn)行定位。
1
起源
人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中,先后發(fā)明羅盤、指南針等工具,衛(wèi)星定位的問世,解決了“我在哪里”的問題。在高度城市化的今天,室內(nèi)空間越來越龐大復(fù)雜。人類戰(zhàn)勝了大自然,卻在自己構(gòu)筑的鋼筋水泥中迷了路。
在醫(yī)院,即使有樓層分布圖以及引導(dǎo)標(biāo)志,但看病的大部分時間仍然會浪費在尋找科室上。在停車場,找不著停車位而四處亂轉(zhuǎn)的人也比比皆是。
在越來越迫切的需求下,近年室內(nèi)定位引起了高度的關(guān)注。
室內(nèi)定位顧名思義就是在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)定位。其意義,諾基亞在多年前闡述他們?yōu)槭裁匆鍪覂?nèi)定位時,把問題說得很明白了。
數(shù)據(jù)來源:諾基亞
衛(wèi)星無法在室內(nèi)定位,人們大部分的時間又在室內(nèi)度過,而相關(guān)服務(wù)并未普及,可以說室內(nèi)定位隱藏著巨大商機(jī)。
商業(yè)應(yīng)用中,根據(jù)不同的應(yīng)用場景,室內(nèi)定位技術(shù)又分消費級和工業(yè)級。
消費市場應(yīng)用有:商場導(dǎo)購、停車場反向?qū)ぼ?、家人防走散等。對定位精度要求不高?m的精度已經(jīng)可以滿足大多數(shù)應(yīng)用,不過它要求系統(tǒng)兼容現(xiàn)已普及的移動智能終端。
企業(yè)市場應(yīng)用有:人流監(jiān)控和分析、智能制造、緊急救援和人員資產(chǎn)管理等。工業(yè)級技術(shù)的定位精度要求更高,要區(qū)分操作對象、人群中的個人等,與專用標(biāo)簽和傳感器配套使用,一般不考慮與現(xiàn)有智能終端的兼容性。
2
技術(shù)門派
與室外衛(wèi)星定位一統(tǒng)天下的情況不一樣,室內(nèi)定位各種技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的場景。
室內(nèi)定位百花齊放
室內(nèi)定位的商業(yè)價值跟精度成正比。當(dāng)精度是3-5米的時候,能判定你是站在7-11便利店門口還是杰克瓊斯門口。當(dāng)精度是1米的時候,則能判定你是站在可口可樂的貨架前還是杜蕾斯的貨架前。
目前,室內(nèi)定位常用的定位方法,從原理上來說,主要分為:鄰近探測法、質(zhì)心法、極點法、多邊定位法、指紋法和航位推算法。
主要室內(nèi)定位方法對比
定位方法 |
描述 |
應(yīng)用案例 |
特點 |
鄰近探測法 |
通過一些有范圍限制的物理信號的接收,從而判斷移動設(shè)備是否出現(xiàn)在某一個發(fā)射點附近。 |
基站定位 |
操作簡單,精度不高,依賴參考點分布密度 |
質(zhì)心定位法 |
根據(jù)移動設(shè)備可接收信號范圍內(nèi)所有已知的信標(biāo)位置,計算其質(zhì)心坐標(biāo)作為移動設(shè)備的坐標(biāo) |
基站定位 |
精度不高,依賴參考點分布密度 |
多邊定位法 |
通過測量待測目標(biāo)到已知參考點之間的距離,從而確定待測目標(biāo)的位置。 |
超聲波 |
精度高,應(yīng)用廣 |
極點法 |
測量相對某一已知參考點的距離和角度從而確定待測點的位置 |
激光掃描 |
測量簡單,精度高,應(yīng)用不廣 |
指紋定位 |
在定位空間中建立指紋數(shù)據(jù)庫,通過將實際信息與數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進(jìn)行對比來實現(xiàn)定位 |
地磁 |
精度高,前期工作大,不適合環(huán)境變化區(qū)域 |
航位推算法 |
根據(jù)預(yù)先確定的位置、估計或已知的速度和時間來估計當(dāng)前的位置 |
慣性導(dǎo)航 |
數(shù)據(jù)穩(wěn)定,無依賴,誤差隨時間積累 |
全球物聯(lián)網(wǎng)觀察制表 |
各種原理各有優(yōu)劣,在不同應(yīng)用場景、不同預(yù)算要求下,也可將不同的原理組合使用。主流技術(shù)有以下幾種:
WiFi定位技術(shù)
目前WiFi是相對成熟且應(yīng)用較多的技術(shù),這幾年有不少公司投入到了這個領(lǐng)域。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)主要有兩種。
WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷,即最靠近哪個熱點或基站,即認(rèn)為處在什么位置,如附近有多個信源,則可以通過交叉定位(三邊定位),提高定位精度。
由于WiFi已普及,因此不需要再鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位。用戶在使用智能手機(jī)時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網(wǎng)絡(luò),就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴(kuò)展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢,因此最先實現(xiàn)了規(guī)?;?。
不過,WiFi熱點受到周圍環(huán)境的影響會比較大,精度較低。為了做得準(zhǔn)一點有公司就做了WiFi指紋采集,事先記錄巨量的確定位置點的信號強(qiáng)度,通過用新加入的設(shè)備的信號強(qiáng)度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,來確定位置。
由于采集工作需要大量的人員來進(jìn)行,并且要定期進(jìn)行維護(hù),技術(shù)難以擴(kuò)展,很少有公司能把國內(nèi)的這么多商場定期的更新指紋數(shù)據(jù)。
WiFi定位可以實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位,但精度只能達(dá)到2米左右,無法做到精準(zhǔn)定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航,可以于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導(dǎo)航的場合。
代表公司有:WIFISLAM、Sensewhere、圖聚智能
另,地磁定位技術(shù)是利用室內(nèi)不同位置的地磁場差異,來確定室內(nèi)位置。與WiFi指紋類似,故不再作介紹。
慣性導(dǎo)航技術(shù)
這是一種純客戶端的技術(shù),主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù),如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息,基于航位推測法,經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。
隨著行走時間增加,慣性導(dǎo)航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進(jìn)行校準(zhǔn)。所以現(xiàn)在慣性導(dǎo)航一般和WiFi指紋結(jié)合在一起, 每過一段時間通過WiFi請求室內(nèi)位置,以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。該技術(shù)目前的商用得也比較成熟,在掃地機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)
藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)目前部署的也比較多,也是相對比較成熟的技術(shù)。藍(lán)牙跟WiFi的區(qū)別不是太大,精度會比WiFi稍微高一點。
該技術(shù)最先由諾基亞最先發(fā)起,但影響不大。2013年,蘋果發(fā)布了基于藍(lán)牙4.0低功耗協(xié)議(BLE)的iBeacon協(xié)議,主要針對零售業(yè)應(yīng)用,引起廣泛關(guān)注。
iBeacon藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)的正常運作,需要藍(lán)牙信標(biāo)硬件、智能終端上的應(yīng)用、云端上的應(yīng)用后臺協(xié)同工作。
信標(biāo)通過藍(lán)牙向周圍廣播自身的ID,終端上的應(yīng)用在獲得附近信標(biāo)的ID后會采取相應(yīng)行動,如從云端后臺拉取此ID對應(yīng)的位置信息、營銷資訊等。終端可以測量其所在處的接收信號強(qiáng)度,以此估算與信標(biāo)間的距離。因此,只要終端附近有三個或以上信標(biāo),就可以用三邊定位方法計算出終端的位置。
在蘋果強(qiáng)大的號召力影響下,大量創(chuàng)業(yè)公司爭先恐后涌入iBeacon應(yīng)用的開發(fā)和推廣。目前主要問題在于beacon電池更換,如果一個廠家部署了幾萬個beacon裝置,一年之后或者電池耗盡之后的電池更換工作量是很繁重的。
另,ZigBee技術(shù)和藍(lán)牙類似,故不再作介紹。
RFID技術(shù)
RFID定位的基本原理是,通過一組固定的閱讀器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息(如身份ID、接收信號強(qiáng)度等),同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強(qiáng)度等方法確定標(biāo)簽所在位置。
射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近,但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息,且由于電磁場非視距等優(yōu)點,傳輸范圍很大,而且標(biāo)識的體積比較小,造價比較低。但其不具有通信能力,抗干擾能力較差,不便于整合到其他系統(tǒng)之中,且用戶的安全隱私保障和國際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。
目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技術(shù),廣泛應(yīng)用于緊急救援、資產(chǎn)管理、人員追蹤等領(lǐng)域。
紅外技術(shù)
紅外定位主要有兩種具體實現(xiàn)方法,一種是將定位對象附上一個會發(fā)射紅外線的電子標(biāo)簽,通過室內(nèi)安放的多個紅外傳感器測量信號源的距離或角度,從而計算出對象所在的位置。
這種方法在空曠的室內(nèi)容易實現(xiàn)較高精度,可實現(xiàn)對紅外輻射源的被動定位,但紅外很容易被障礙物遮擋,傳輸距離也不長,因此需要大量密集部署傳感器,造成較高的硬件和施工成本。此外紅外易受熱源、燈光等干擾,造成定位精度和準(zhǔn)確度下降。
該技術(shù)目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導(dǎo)彈等紅外輻射源的被動定位,此外也用于室內(nèi)自走機(jī)器人的位置定位。
另一種紅外定位的方法是紅外織網(wǎng),即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間,直接對運動目標(biāo)進(jìn)行定位。
這種方式的優(yōu)勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標(biāo)簽,隱蔽性強(qiáng),常用于安防領(lǐng)域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器,成本非常高,因此只有高等級的安防才會采用此技術(shù)。
超聲波技術(shù)
超聲波定位主要采用反射式測距法,通過多邊定位等方法確定物體位置,系統(tǒng)由一個主測距器和若干接收器組成,主測距儀可放置在待測目標(biāo)上,接收器固定于室內(nèi)環(huán)境中。定位時,向接收器發(fā)射同頻率的信號,接收器接收后又反射傳輸給主測距器,根據(jù)回波和發(fā)射波的時間差計算出距離,從而確定位置。
超聲波定位整體定位精度較高,結(jié)構(gòu)簡單,但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大,且超聲波頻率受多普勒效應(yīng)和溫度影響,同時也需要大量基礎(chǔ)硬件設(shè)施,成本較高。
代表公司:Shopkick
超寬帶技術(shù)
超寬帶(UWB)定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點,與新加入的盲節(jié)點進(jìn)行通訊,并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。
從技術(shù)上看,無論是從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度來分析,UWB無疑是最理想的工業(yè)定位技術(shù)之一。
UWB其他幾種技術(shù)的綜合比較:
不過UWB的劣勢也很突出,一方面難以實現(xiàn)大范圍室內(nèi)覆蓋,另一方面系統(tǒng)建設(shè)成本遠(yuǎn)高于RFID、藍(lán)牙信標(biāo)等技術(shù),這也限制了該技術(shù)的推廣和普及。
代表公司:Ubisense、中海達(dá)子公司聯(lián)睿電子、清華系公司清研訊科。
LED可見光技術(shù)
可見光是一個新興領(lǐng)域,通過對每個LED燈進(jìn)行編碼,將ID調(diào)制在燈光上,燈會不斷發(fā)射自己的ID,通過利用手機(jī)的前置攝像頭來識別這些編碼。利用所獲取的識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應(yīng)的位置信息,完成定位。
根據(jù)燈光到達(dá)的角度進(jìn)一步細(xì)化定位的結(jié)果,高通公司做到了厘米級定位精度。由于不需要額外部署基礎(chǔ)設(shè)施,終端數(shù)量的擴(kuò)大對性能沒有任何的影響,并且可以達(dá)到一個非常高的精度,該技術(shù)被高通公司所看好。
目前,可見光技術(shù)在北美有很多商場已經(jīng)在部署。用戶下載應(yīng)用后,到達(dá)商場里的某一個貨架,通過檢測貨架周圍的燈光即可知曉具體位置,商家在通過這樣的方法向消費者推動商品的折扣等信息。
代表企業(yè):華策光通信
3
技術(shù)融合是趨勢
室內(nèi)定位技術(shù)處在不斷的發(fā)展中,是當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域,有著良好的應(yīng)用前景。不過,當(dāng)前還缺乏特別大規(guī)模的商用案例。行業(yè)主要存在以下難點:
1. 室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜
室內(nèi)環(huán)境布局復(fù)雜多變,障礙物很多,包括家具、房間和行人等。同時室內(nèi)環(huán)境干擾源多,燈光、溫度、聲音等干擾源都會對定位造成一定影響。
各技術(shù)綜合比較
技術(shù) |
成本 |
優(yōu)點 |
劣勢 |
WiFi |
低 |
網(wǎng)絡(luò)廣泛、通信能力強(qiáng) |
易受環(huán)境干擾 |
RFID |
中 |
成本不高、精度高 |
標(biāo)識沒有通信能力、距離短 |
藍(lán)牙 |
低 |
設(shè)備體積小、易集成、易普及 |
傳播距離短、穩(wěn)定性差 |
慣性 |
低 |
不依賴外部環(huán)境 |
存在累計誤差、不適合長期使用 |
紅外線 |
高 |
精度高 |
直線視距、傳輸距離短、易干擾 |
超聲波 |
高 |
精度高 |
受環(huán)境溫度影響、傳輸距離短 |
UWB |
高 |
精度高、穿透性強(qiáng) |
成本高、覆蓋范圍小 |
可見光 |
高 |
通訊速率高、抗干擾能力強(qiáng) |
覆蓋范圍小 |
全球物聯(lián)網(wǎng)觀察制表 |
2. 缺乏統(tǒng)一的規(guī)范
室內(nèi)定位技術(shù)眾多,各種技術(shù)都有自己的局限性,彼此間又在一定程度上存在互相競爭。市場相對混亂,極大地影響了室內(nèi)定位行業(yè)的發(fā)展。如室外定位衛(wèi)星定位成為事實上的標(biāo)準(zhǔn),目前沒有其他技術(shù)可以和衛(wèi)星定位進(jìn)行競爭。
3. 精度與成本難以兼顧
目前的高精度室內(nèi)定位技術(shù)均需要比較昂貴的額外輔助設(shè)備或前期大量的人工處理,這些都大大制約了技術(shù)的推廣普及。低成本的定位技術(shù)則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎(chǔ)上降低成本也是室內(nèi)定位的一個方向。
天下大勢,分久必合,合久必分。目前,室內(nèi)定位技術(shù)實在太多,已嚴(yán)重阻礙行業(yè)發(fā)展,未來的趨勢一定是多種技術(shù)融合使用,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,以面對復(fù)雜環(huán)境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術(shù)越容易普及。
室內(nèi)定位相關(guān)文章:
-
諾基亞
+關(guān)注
關(guān)注
9文章
3179瀏覽量
83055 -
物聯(lián)網(wǎng)
+關(guān)注
關(guān)注
2899文章
43823瀏覽量
369368 -
室內(nèi)定位
+關(guān)注
關(guān)注
30文章
298瀏覽量
36469
原文標(biāo)題:干貨!物聯(lián)網(wǎng)十大室內(nèi)定位技術(shù)原理解析
文章出處:【微信號:qd053267722128,微信公眾號:物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論