室內定位技術方案

　　一、室內定位系統原理

　　國內常規定位技術有Wifi定位、RFID定位、藍芽定位、Zigbee定位等幾種方式，這幾種定位方式有什麼不同，各有什麼利弊，下面我們將詳細分析這幾種定位原理、優缺點以供貴單位參考。

　　首先我們要明確，Wifi定位、RFID定位、藍芽定位只是資料傳輸方式不一樣。使用者選擇wifi定位標籤稱呼為wifi定位，選擇RFID定位標籤，稱呼為RFID定位，選擇藍芽ibeacon標籤，稱呼為藍芽定位。這裡側重定位原理和定位利弊分析Wifi定位、RFID定位、藍芽定位。定位的效果取決於後臺核心的定位演算法，前端只是資料傳輸方式差異。目前室內定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推演算法。

　　不同的室內定位方法選擇不同的觀測量，通過不同的觀測量提取演算法所需要的資訊。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。

　　根據上面介紹的定位原理和觀測量，衍生出了多種室內定位技術，下面將對主流的室內定位技術進行簡要介紹。

　　1.WiFi定位技術

　　目前WiFi是相對成熟且應用較多的技術，這幾年有不少公司投入到了這個領域。WiFi室內定位技術主要有兩種。WiFi定位一般採用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認為處在什麼位置，如附近有多個信源，則可以通過交叉定位(三角定位)，提高定位精度。

　　由於WiFi已普及，因此不需要再鋪設專門的裝置用於定位。使用者在使用智慧手機時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網路，就可能成為資料來源。該技術具有便於擴充套件、可自動更新資料、成本低的優勢，因此最先實現了規模化。

　　不過，WiFi熱點受到周圍環境的影響會比較大，精度較低。為了做得準一點有公司就做了WiFi指紋採集，事先記錄巨量的確定位置點的訊號強度，通過用新加入的裝置的訊號強度對比擁有巨量資料的資料庫，來確定位置。

　　由於採集工作需要大量的人員來進行，並且要定期進行維護，技術難以擴充套件，很少有公司能把國內的這麼多商場定期的更新指紋資料。特別的，資料採集受環境影響比較大，尤其對於人員定位，由於環境變化較大，定位漂移現象尤其嚴重。

　　wifi定位痛點：

　　WiFi定位可以實現複雜的大範圍定位，方便組網，很容易架設在現有的無線wifi網路。wifi定位可以於醫療機構、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。Wifi定位痛點也明視訊記憶體在，主要表現在以下幾個方面：

　　1) wifi定位所用的wifi標籤是非標設計，只是資料格式參照802.11b格式，不支援標準wifi協議。無線路由器不支援掃描wifi標籤功能，需要對路由器二次開發，即在路由器載入wifi標籤掃描韌體。部分無線路由器支援wifi掃描功能，可以獲取wifi標籤的MAC地址，wifi標籤定義的其他功能就不支援了。比如無線感測、按鈕呼叫、低電告警等。這些是非標準協議，標準化的路由器不支援非標協議.

　　2)wifi標籤功耗較大，連續發射電流在200ma以上，電池壽命限制了wifi定位標籤的推廣使用。

　　3)wifi標籤成本相對較高，不利於大幅度推廣商用。

　　4)wifi定位存在嚴重的同頻干擾問題，系統會相互影響。

　　2.RFID定位

　　RFID定位的基本原理是，通過一組固定的閱讀器讀取目標RFID標籤的特徵資訊(如身份ID、接收訊號強度等)，同樣可以採用近鄰法、多邊定位法、接收訊號強度等方法確定標籤所在位置。

　　這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內得到釐米級定位精度的資訊，且傳輸範圍很大，成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點，可望成為優選的室內定位技術。

　　目前，射頻識別研究的熱點和難點在於理論傳播模型的建立、使用者的安全隱私和國際標準化等問題。優點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通訊能力，而且不便於整合到其他系統之中，無法做到精準定位，佈設讀卡器和天線需要有大量的工程實踐經驗難度大。

　　上海網頻成功將wifi定位技術應用到有源RFID定位系統，側重解決了wifi定位存在的特出問題，實現了有源RFID室內精準定位。後臺定位演算法綜合了近鄰定位法、多邊定位法、三角定位法、指紋定位法、路徑軌跡法等。特別的，針對RFID定位佈設讀卡器和天線需要有大量的工程實踐經驗難度大，網頻推出了無線信標定位，不僅專案實施很容易，同時裝置成本也大幅降低。RFID信標定位法實施容易、成本低、結合網頻定位伺服器演算法，定位精度大大優越於傳統的RFID區域定位，可望成為優選的室內定位技術。

　　3.紅外技術

　　紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要有兩種具體實現方法，一種是將定位物件附上一個會發射紅外線的電子標籤，通過室內安放的多個紅外感測器測量訊號源的距離或角度，從而計算出物件所在的位置。

　　這種方法在空曠的室內容易實現較高精度，可實現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感測器，造成較高的硬體和施工成本。此外紅外易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準確度下降。

　　該技術目前主要用於軍事上對飛行器、坦克、導彈等紅外輻射源的被動定位，此外也用於室內自走機器人的位置定位。

　　另一種紅外定位的方法是紅外織網，即通過多對發射器和接收器織成的紅外線網覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。

　　這種方式的優勢在於不需要定位物件攜帶任何終端或標籤，隱蔽性強，常用於安防領域。劣勢在於要實現精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發射器，成本非常高，因此只有高等級的安防才會採用此技術。

　　4.超聲波技術

　　超聲波定位目前大多數採用反射式測距法。系統由一個主測距器和若干個電子標籤組成，主測距器可放置於移動機器人本體上，各個電子標籤放置於室內空間的固定位置。

　　定位過程如下：先由上位機發送同頻率的訊號給各個電子標籤，電子標籤接收到後又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標籤到主測距器之間的距離，並得到定位座標。

　　目前，比較流行的基於超聲波室內定位的技術還有兩種：一種為將超聲波與射頻技術結合進行定位。由於射頻訊號傳輸速率接近光速，遠高於射頻速率，那麼可以利用射頻訊號先啟用電子標籤而後使其接收超聲波訊號，利用時間差的方法測距。這種技術成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術。該技術採用全域性定位，可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波感測器，將待定位空間分割槽，由超聲波感測器測距形成座標，總體把握資料，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。

　　超聲波定位精度可達釐米級，精度比較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效範圍。

　　5.藍芽技術

　　藍芽定位基於RSSI(Received Signal Strength Indication，訊號場強指示)定位原理。根據定位端的不同，藍芽定位方式分為網路側定位和終端側定位。

　　網路側定位系統由終端(手機等帶低功耗藍芽的終端)、藍芽beacon節點，藍芽閘道器，無線區域網及後端資料伺服器構成。其具體定位過程是：

　　1)首先在區域內鋪設beacon和藍芽閘道器。

　　2)當終端進入beacon訊號覆蓋範圍，終端就能感應到beacon的廣播訊號，然後測算出在某beacon下的RSSI值通過藍芽閘道器經過wifi網路傳送到後端資料伺服器，通過伺服器內建的定位演算法測算出終端的具體位置。

　　終端側定位系統由終端裝置(如嵌入SDK軟體包的手機)和beacon組成。其具體定位原理是：

　　1)首先在區域內鋪設藍芽信標

　　2)beacon不斷的向周圍廣播訊號和資料包

　　3)當終端裝置進入beacon訊號覆蓋的範圍，測出其在不同基站下的RSSI值，然後再通過手機內建的定位演算法測算出具體位置。

　　終端側定位一般用於室內定位導航，精準位置營銷等使用者終端;而網路側定位主要用於人員跟蹤定位，資產定位及客流分析等情境之中。藍芽定位的優勢在於實現簡單，定位精度和藍芽信標的鋪設密度及發射功率有密切關係。並且非常省電，可通過深度睡眠、免連線、協議簡單等方式達到省電目的。

　　6.慣性導航技術

　　這是一種純客戶端的技術，主要利用終端慣性感測器採集的運動資料，如加速度感測器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等資訊，基於航位推測法，經過各種運算得到物體的位置資訊。

　　隨著行走時間增加，慣性導航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的資料來源對其進行校準。所以現在慣性導航一般和WiFi指紋結合在一起， 每過一段時間通過WiFi請求室內位置，以此來對MEMS產生的誤差進行修正。該技術目前的商用得也比較成熟，在掃地機器人中得到廣泛應用。

　　7.超寬頻(UWB)定位技術

　　超寬頻技術是近年來新興一項全新的、與傳統通訊技術有極大差異的通訊無線新技術。它不需要使用傳統通訊體制中的載波，而是通過傳送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈衝來傳輸資料，從而具有3.1~10.6GHz量級的頻寬。目前，包括美國，日本，加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的前景。

　　UWB技術是一種傳輸速率高，發射功率較低，穿透能力較強並且是基於極窄脈衝的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。

　　超寬頻(UWB)定位技術利用事先佈置好的已知位置的錨節點和橋節點，與新加入的盲節點進行通訊，並利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

　　超寬頻可用於室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬頻系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬頻技術可以應用於室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。根據不同公司使用的技術手段或演算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。

　　除了以上提及的，目前來看定位技術的種類有幾十甚至上百種，而每種定位技術都有自己的優缺點和適合的應用場景，沒有絕對的勝負之分。根據不用的需求因地制宜的部署解決方案，方為上策。

　　本系統採用無線信標定位器後，不僅使得專案實施維護更為方便，且極大降低了裝置成本。使用者需要提高定位精度，只需要適當增加定位信標即可。後臺採用採用基於訊號強度三角定位精準演算法，對RFID人員定位及資產定位。本系統的特點是電子系統複雜性低，容易實現且成本低;定位精度高，抗干擾能力強。該系統可用於wifi室內定位、RFID室內定位、藍芽室內定位及Zigbee室內定位等。

　　二、RFID信標定位解決方案

　　1、信標定位系統組成

　　信標定位系統由RFID電子標籤、RFID遠距離讀寫器、RFID信標和定位伺服器組成。系統架構圖如下：

　　說明：定位器採用RFID無線信標取代RFID讀寫器，RFID信標整合RFID標籤讀寫器和資料中繼功能，用於接收2.4G有源RFID標籤資訊，並通過433M無線傳送給433M信標讀寫器定位基站。由定位基站通過無線wifi或乙太網將資料傳送到後臺定位伺服器。接收頻段2.4G，與標籤通訊距離50米～90米，傳送頻段433M，與定位基站通訊距離200米。

　　2. 信標定位系統實現

　　上海網頻電子科技有限公司RFID信標定位系統引進了國外wifi室內定位技術，後臺定位伺服器整合近鄰定位法、多邊定位法、三角定位法、指紋定位法、路徑軌跡法等室內定位演算法。前端採用成本更低、功耗更低的有源RFID電子標籤，RFID定位信標接收2.4G有源RFID電子標籤並通過433M頻率傳送給433M RFID信標讀寫器定位基站。專案實施更方便，也更便於維護，且成本更低，定位精度更高等特點。Wifi-rfid室內定位系統核心表現在整合有訊號強度三角定位核心演算法的定位伺服器軟體。定位伺服器是一個伺服器執行程式，主要用於與標籤的通訊，包括接收和傳送指令以及標籤實時定位的計算，同時提供標準API介面，用於第三方的二次開發。定位伺服器是是整個實時定位系統運作的基石。 定位伺服器給出一種基於訊號強度RSSI核心定位演算法，結合訊號強度繫結和訊號強度指紋取樣，給出rfid標籤位置資訊，定位精度3到5米。

　　需要指出的是定位引擎實質是一種定位演算法，我公司採用基於RSSI訊號強度定位，採用核心三角定位演算法，特殊的干擾處理演算法，並可以結合指紋識別取樣演算法。定位伺服器軟體可以用來WIFI人員定位、RFID人員定位、Zigbee人員定位、藍芽人員定位等。也就是說物理傳輸層可以採用不同的方案，只要把定位器、被定位物件的MAC地址或ID號以及獲取到的訊號強度值傳到伺服器就可以實時定位。

　　定位伺服器主要功能：

　　1) 與標籤進行實時通訊：定位伺服器接收到從標籤管理器,定位監控器傳送的控制標籤的指令內容以後，轉為標籤所能識別資料包，傳送給標籤,實現控制標籤的功能。接收標籤傳送的資料，接收標籤所傳送的無線訊號資料，以及溫度等資訊。經過分析以後，儲存到系統中。

　　2) 計算標籤所在位置：根據所儲存的標籤無線訊號資料，分析出標籤所在位置的座標點，保存於系統中，並通過電子地圖顯示。

　　3) 二次開發的標準API介面：為其他應用程式呼叫定位伺服器的功能所開放的二次開發標準API介面。通過API,可以方便的把定位伺服器集成於其他應用程式中。方便的實現系統的擴充套件以及系統整合。API可以用於標籤引數的設定、標籤資料的採集、標籤位置的資訊、標籤報警的資訊。

　　定位監控器:定位監控器是一個基於WEB模式的定位管理平臺，無需安裝任何客戶端軟體,部署簡單,易操作。定位監控器集監視、查詢、採集定位資訊於一身，結合實際的地圖,在地圖中實時顯示標籤所在的位置,移動的歷史軌跡，還可以判斷標籤是否已經消失以及是否觸發相應的警告等資訊。人員、資產佩戴或繫結標籤後，定位監控器就可以自動監視資產或人員的實時位置，直觀可視的對人員和資產進行實時定位管理。

　　定位監控器主要功能：

　　1) 使用者管理：顯示所有使用者的資訊，設定並管理使用者的基本資訊。

　　2) 實時定位：國內首家自主研發，獨創定位演算法，精確定位標籤實時位置可達3-5米。

　　3) 區域報警：伺服器可設定報警區域，當標籤進出報警設定區域，即會觸發伺服器區域報警功能。

　　4) 即時報警：標籤向伺服器主動發出報警訊號，伺服器介面即時顯示報警資訊。

　　5) 消失報警：標籤斷電或標籤走出無線網路覆蓋區域，會觸發伺服器報警。

　　6) 歷史軌跡分析：伺服器可對標籤的執行軌跡進行回放，分析標籤的歷史位置資訊。

　　7) 無線感測：通過對溫度、溼度、氣體密度、壓力、振動等進行級數設定，超越級數即會觸發伺服器的無線感測控制功能。

　　8) 地圖管理：根據標籤的執行狀況，可以自動切換標籤所在位置的電子地圖。

　　3. WIFI-RFID信標定位系統說明

　　1) 定位精度說明

　　系統定位精度：取決於定位演算法和定位器部署，通常定位精度在3到5米。如果需要更高的定位精度，需要部署更多的定位器節點。定位精度高低，和基站及無線信標部署有關係。如果希望精度5米，最好每隔10米部署一個基站或信標。在要求不高的情況下，可以適當減少定位器數量，採用對環境進行指紋取樣。需要特別提出的是，定位精度高低與wifi傳輸、Zigbee傳輸、RFID傳輸等沒有關係，定位精度的高低取決於定位伺服器核心演算法，還有定位器部署。

　　2) 定位器部署

　　定位器部署需要根據客戶定位需求及實際場地結合。如果希望精度5米，建議每隔10米部署一個定位器。定位器可以是基站也可以是無線信標。 定位可以採用指紋識別方式，對不同位置點進行RSSI訊號強度取樣。取樣優點可以提高定位精度，缺點工程量大，取樣值和實際值往往不一致，受環境影響比較大。環境有變化，需要重新取樣。還有采樣時候人和物體方向都會影響定位效果，因而容易漂移。對環境影響不大的場所可以通過取樣提高定位精度。

　　3) WIFI-RFID實時定位系統和現有的WIFI定位有哪些優缺點

　　WIFI標籤實際也是一種有源RFID標籤，採用MCU加無線收發晶片設計。不同的調製方式和資料結構，沒有WIFI協議，普通無線AP讀取不了。WIFI-RFID實時定位系統側重解決了以下問題：

　　1)標籤功耗更低，同等條件下，標籤功耗只有WIFI標籤只分之一;

　　2)成本更低，節約成本至少一半;

　　3)系統更可靠，整合WIFI系統和RFID系統，WIFI定位存在嚴重的同頻干擾，本系統頻段已經避開常用的2.4G無線訊號，尤其是避開無線WIFI頻段，且採用無線跳頻設計，不會存在電磁干擾現象，系統更穩定。

　　4)現有的WIFI定位技術不支援無線信標定位，只能採用WIFI基站，因而成本很高，不利於大規模推廣。網頻WIFI-RFID實時定位系統支援rfid信標定位，系統裝置成本大幅降低，且穩定性、無線抗干擾能力更強。

　　5)WIFI定位通常採用訊號強度指紋識別方式定位，需要對現場進行RSSI指紋取樣，由於受環境影響很大，定位漂移現象很嚴重。且環境一旦有變化，需要重新取樣。此外，採用指紋取樣方式，不斷採用指紋匹配比較，加大伺服器運算，對伺服器要求也很高。網頻WIFI-RFID定位系統，引入rfid信標作定位器節點，實體節點取代指紋採用，基本消除漂移現象。同時也支援指紋識別取樣定位。

　　4. 室內定位系統工具軟體

　　1) 場景規劃軟體

　　針對系統場景部署設計的取樣定位工具軟體。通過本軟體對定位系統進行場地，AP，定位點等功能的部署，載入地圖，設定軌跡路線;對系統定位卡在取樣點進行取樣管理，上傳到伺服器，達到定位目的。

　　主要功能:

　　1)場地管理：設定多個場地、每個場地的各個場景、定位點資訊、地圖分佈AP、地圖區域、地圖軌跡地圖資訊。

　　2)定位器管理：新增或者刪除地圖上的AP定位器。

　　3)標籤管理:增加取樣標籤。

　　4)取樣管理：設定現實取樣組、場景、定位點、取樣點、與標籤繫結資訊。

　　2) 定位器管理軟體

　　定位器管理軟體是一個專門管理和監控定位系統中定位器的管理軟體，可以監控遠端定位器運作狀態，現場部署除錯工具軟體。

　　主要功能：

　　1)AP Locator列表：可以對列表中的AP進行新增、修改、刪除等操作，並可以按MAC地址等條件來過濾列表中的AP, 對AP實現批量操作。

　　2)配置AP：批量配置AP引數，可配置引數包括：SSID、Channel、IP、DHCP、MAC過濾等。

　　3)設定AP的基礎資訊：為了方便對AP進行管理，為AP設定一些管理資訊(如MAC、登入名、密碼等，這些資訊只儲存到資料庫中，並非寫到AP中)。

　　4)檢視定位器掃描：檢視該AP返回的掃描訊號強度，幫助使用者調整定位器部署，優化定位效果。

　　5. wifi-rfid室內定位系統特點：

　　1) 可架設在現有的無線區域網，安裝實施靈活方便迅捷;定位標籤可以放置於任何資產和人員上，實現對資產和人員的實時準確定位。

　　2) 超低功耗，普通鈕釦電池500mAH，標籤每秒發射一次，電池壽命可達3年以上。

　　3) 裝置成本更低，包括定位標籤和定位器。遠低於wifi定位系統，適宜大面積推廣商用。

　　4) 遠距離識別，室內、外定位，採用RSSI場強定位，精度在3到5米。

　　5) 系統更穩定，可靠性更高，不存在wifi定位同頻干擾問題。

　　6) RFID定位信標使得系統實施和維護更為方便，且大幅降低系統裝置成本。

　　7) 高可靠性,工作溫度-30℃~75℃，防水，防塵，在惡劣環境下24小時正常工作。