6種室內RTLS(實時定位系統)技術比較

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RTLS 是實時定位系統的縮寫。

RTLS 是一種基於信號的無線電定位方法,可以是主動的,也可以是被動的。 其中主動分為AOA(到達角定位)和TDOA(到達時差定位)、TOA(到達時間)、TW-TOF(雙向飛行時間)、NFER(近場電磁測距)等在。

談到定位,大家首先會想到GPS,基於GNSS(全球導航衛星系統)的衛星定位已經隨處可見,但衛星定位有其局限性:信號無法穿透建築物實現室內定位。

那麼,如何解決室內定位問題呢?

隨著室內定位市場需求驅動以及無線通信技術、傳感器識別技術和大數據互聯技術、物聯網等技術的不斷發展,這一問題逐漸得到解決,產業鏈不斷豐富和成熟。

藍牙室內定位技術

藍牙室內技術是利用在房間內安裝的多個藍牙局域網接入點,將網絡維持為基於多用戶的基本網絡連接模式,並保證藍牙局域網接入點始終是微網絡的主要設備,並且然後通過測量信號強度對新添加的盲節點進行三角測量。

目前藍牙iBeacon的定位方式主要有兩種:基於RSSI(接收信號強度指示)和基於定位指紋,或者兩者的結合。

基於距離的最大問題是室內環境複雜,藍牙作為2.4GHZ高頻信號,會受到很大的干擾。 除了室內的各種反射和折射之外,手機獲取的RSSI值沒有太大的參考價值; 同時,為了提高定位精度,必須多次獲取RSSI值來平滑結果,這意味著延遲增加。 基於定位指紋的最大問題是前期獲取指紋數據的人力成本和時間成本非常高,數據庫維護困難。 而如果店家增加了新的基站或者進行了其他修改,原來的指紋數據可能不再適用。 因此,如何在定位精度、延遲和成本之間進行權衡和選擇,成為藍牙定位的主要問題。

缺點:藍牙傳輸不受視距影響,但對於復雜的空間環境,藍牙系統的穩定性稍差,受噪聲信號干擾,且藍牙設備和設備的價格相對較貴;

應用:藍牙室內定位主要用於對小範圍內的人員進行定位,例如單層大廳或商店。

Wi-Fi定位技術

WiFi定位技術有兩種,一種是通過移動設備和三個無線網絡接入點的無線信號強度,通過差分算法,更準確地三角定位人和車輛的位置。 另一種是提前記錄大量定位點的信號強度,通過將新增設備的信號強度與龐大的數據庫數據進行比較來確定位置。

優點:精度高、硬件成本低、傳輸速率高; 可用於實現複雜的大規模定位、監控和跟踪任務。

缺點:傳輸距離短,功耗高,一般為星形拓撲。

應用範圍:WiFi定位適用於人或汽車的定位導航,可應用於醫療機構、主題公園、工廠、商場等需要定位導航的場合。

RFID室內定位技術

射頻識別(RFID)室內定位技術採用射頻方式,通過固定天線將無線電信號調整進入電磁場,貼在物品上的標籤進入磁場後產生感應電流將數據傳輸出去,從而在多個雙向通信中交換數據以達到識別和三角測量的目的。

射頻識別(RFID)是一種無線通信技術,可以通過無線電信號識別特定目標並讀寫相關數據,而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

無線電信號通過調諧到射頻的電磁場從附著在物品上的標籤傳輸數據,以自動識別和跟踪物品。 有些標籤識別時,可以從識別器發射的電磁場中獲取能量,不需要電池; 還有一些標籤擁有自己的電源,可以主動發射無線電波(調諧到無線電頻率的電磁場)。 這些標籤包含電子存儲的信息,可以在幾米內識別。 與條形碼不同,射頻標籤不需要位於識別器的視線範圍內,也可以嵌入被跟踪的物體中。

優點:RFID室內定位技術非常接近,但可以在幾毫秒內獲得厘米級的定位精度信息; 標籤的尺寸比較小,成本較低。

缺點:無通信能力、抗干擾能力差、不易融入其他系統、用戶的安全和隱私保護及國際標準化不完善。

應用:RFID室內定位已廣泛應用於倉庫、工廠、商場中的貨物流動、商品定位。

Zigbee室內定位技術

ZigBee(基於IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議)室內定位技術在多個待測試節點和參考節點與網關之間形成網絡。 網絡中的待測節點發出廣播信息,收集各相鄰參考節點的數據,選擇信號最強的參考節點的X、Y坐標。 然後,計算與參考節點關聯的其他節點的坐標。 最後對定位引擎中的數據進行處理,考慮距最近參考節點的偏移值,得到待測節點在大網絡中的實際位置。

ZigBee協議層從下到上依次為物理層(PHY)、媒體訪問層(MAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。 網絡設備具有三種角色:ZigBee 協調器、ZigBee 路由器和 ZigBee 終端設備。 網絡拓撲可以是星型、樹型和網絡型。

優點:功耗低、成本低、時延短、容量大、安全性高、傳輸距離遠; 可支持網絡拓撲、樹形拓撲和星形拓撲結構,組網靈活,可實現多跳傳輸。

缺點:傳輸速率低,定位精度要求較高的算法。

應用:zigbee系統定位已廣泛應用於室內定位、工業控制、環境監測、智能家居控制等領域。

超寬帶定位技術

超寬帶(UWB)定位技術是一項新技術,與傳統的通信定位技術有很大不同。 它使用預先安排的位置已知的錨節點和橋節點與新添加的盲節點進行通信,並使用三角測量或“指紋”定位來確定位置。

超寬帶無線(UWB)技術是近年來提出的高精度室內無線定位技術,具有很高的納秒級時間分辨率,結合基於到達時間的測距算法,理論上可以達到厘米級的定位精度,可以滿足工業應用的定位需求。

整個系統分為三層:管理層、服務層和現場層。 系統層次劃分清晰,結構清晰。

Field層由定位Anchor點和定位Tag組成:

· 定位錨點

位置錨計算Tag與自身之間的距離,並以有線或WLAN方式將數據包發送回位置計算引擎。

· 位置標籤

標籤與被定位的人和物體相關聯,與錨進行通信並廣播其自己的位置。

優點:GHz帶寬,定位精度高; 穿透力強,抗多路徑效果好,安全性高。

缺點:由於新增盲節點還需要主動通信,功耗較高,系統成本較高。

應用:超寬帶技術可用於雷達探測,以及各個領域的室內精確定位和導航。

超聲波定位系統

超聲波定位技術是在超聲波測距系統的基礎上,由多個應答器和主測距儀共同發展起來的:主測距儀放置在被測物體上,應答器向應答器固定位置發射相同的無線電信號,應答器接收到信號後將超聲波信號傳輸至主測距儀,利用反射測距法和三角測量算法確定物體的位置。

優點:整體定位精度非常高,達到厘米級; 結構比較簡單,具有一定的穿透力且超聲波本身俱有較強的抗干擾能力。

缺點:在空氣中衰減大,不適合大型場合; 反射測距受多徑效應和非視距傳播影響較大,導致需要精確分析計算的底層硬件設施投入,成本過高。

應用:超聲波定位技術已廣泛應用於數碼筆,此類技術也應用於海上勘探,室內定位技術主要用於無人車間的物體定位。

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