物联网应用的无线连接选项 —— 室内导航

在本文中,我们将继续比较用于不同类型物联网应用的各种无线连接方案。

在本系列上一篇文章中,我们介绍了状态监测(Condition Monitoring)应用、比较了各项技术并评估了哪项技术最适合该应用。本文将介绍另一项流行的物联网应用:室内导航 (Indoor Navigation)。

什么是室内导航?

室内导航解决方案(也称寻路解决方案)一般用于GPS无法正常运行的室内环境。但在更详细地研究室内导航解决方案之前,我们要先定义一些高级概念。

一般情况下,我们用位置服务(Location Services)概述与位置有关的解决方案。位置服务可以分为两大类:

1、接近解决方案(Proximity Solutions):两种方案中较简单的方案,使用一种或多种技术确定两个设备的相对位置。
2、定位系统(Positioning Systems):用于确定设备的物理位置并需要部署更复杂的基础设施。

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接近解决方案可以细分成两类(如上图左侧所示):

1. 物品追踪解决方案(Item Finding Solutions)

物品追踪解决方案的一个例子是粘贴在钥匙圈、行李箱,遥控器和其他个人物品上的物品追踪标签。该标签可以在物品放错位置或丢失时追踪和定位物品。

2. 地标信息系统(Point of Interest Information Systems)

当用户位于位置固定的设备附近时,通过智能手机向用户显示相关信息的应用。例如当用户在逛购物中心时,一旦接近购物中心移动应用中所销售的商品,用户就会收到通知。

定位系统可以细分成两类(如上图右侧所示):

1. 实时定位系统(Real-Time Locating Systems,RTLS)

用于资产追踪以及设施内人员追踪。RTLS解决方案是一套以网络为中心的系统,可以追踪位置并向后台服务器报告位置,之后由后台服务器向用户提供这些信息。一般情况下,设备本身并不知道其位置。

此类解决方案可以定位和追踪仓库中的托盘、叉车和工人,或医院中超声仪和患者的位置等,从而帮助确保安全并优化紧急情况下的响应时间。

2. 室内定位系统(Indoor Positioning Systems,IPS)

IPS解决方案与RTLS解决方案的工作方式相反 —— 它们以设备为中心,设备可以知道其位置并向设备用户报告位置(通常通过智能手机应用程序)。室内定位系统包括机场、博物馆、购物中心、主题公园、医疗设施、会议中心等中的室内导航。

IPS解决方案示例包括室内导航系统(寻路)和自动导引车(AGV)。本文将重点介绍室内导航(寻路)系统。

现在我们已经介绍了高级位置服务,下面就让我们来看一下室内导航的一般设计理念。

寻路解决方案背后的基本原理是利用无线技术确定用户在某个区域内的位置,然后在智能手机应用内的地图上呈现该位置,使用户能够浏览周边区域。

根据所使用的一种或多种技术,可以使用不同的方法和计算来确定用户的位置。大多数方法都使用RSSI测量值或传输时间测量值,通过多边测量法(multilateration)或三角测量法(triangulation)计算来确定用户的位置。

多边测量法的基本概念是根据物体与多个固定位置工作站之间的多个距离计算值来确定物体的位置。

三边测量法是该领域中常用的另一个术语,指结合使用多边测量与三个已测量了距离的已知固定点来计算移动物体的位置。

三角测量法则通过测量角度来确定位置和到固定站点的距离。

另一项更先进的技术是无线电寻向(radio direction finding)。这项技术是一种确定接收信号发射方向的方法。自二十世纪初以来,无线电定向一直都在被用于实践,为从航空和航海导航到野生动植物追踪等各类系统提供支持。寻向的定位计算精度比多边测量法和三角测量法更高,但通常成本也更高。

在一些应用中,还可以向后台服务器报告所计算出的用户位置以进行数据分析并提高空间的可用性。

室内导航有哪些优点?

一般情况下,室内导航具有以下优点:

  • 在无法使用GPS的室内空间中为用户提供更好的用户体验
  • 提高商业建筑内的工作效率
  • 改善拥堵区域的交通流量
  • 让用户能够在设施内找到彼此
  • 实现智能建筑的运营和增强
  • 使用所采集的位置数据优化工作流程并提高空间的可用性

能够实现的优点取决于相关特定应用的目标。室内导航往往被应用于:机场,博物馆,购物中心和超市,主题公园,医疗机构,会议中心及餐厅。

将无线技术用于室内导航需考虑的关键属性

以下是在将无线技术用于室内导航时,需要考虑的一些关键属性:

  • 可扩展性
  • 隐私和安全
  • 定位分辩率(准确性和延迟)
  • 普遍性和普及度

比较:最适合用于室内导航的无线技术

最适合用于室内导航应用的无线技术主要有四种:低功耗蓝牙;超宽带(UWB);Wi-Fi;超声波。

下面就让我们来了解这些无线技术如何适合室内导航应用。

低功耗蓝牙

凭借多项优势,低功耗蓝牙是室内导航系统中最常用的无线技术。低功耗蓝牙用于室内导航系统时所具有的一些关键优势包括:

  • 保障安全和隐私
  • 在全球智能手机中的高普及度和普遍性
  • 支持大规模部署

苹果于2013年发布了iBeacon标准格式后,蓝牙信标(Bluetooth beacons )便开始流行并在许多用例中被广泛采用,尤其是在零售营销和室内导航应用中。

低功耗蓝牙信标一直是流行的室内导航系统解决方案。此类系统的基本原理是将蓝牙信标安装在设施内的固定位置并发送能够被用户智能手机接收的广播态数据包(advertising packets)。然后,智能手机能够基于从信标处接收到的数据包中的RSSI来计算自己的位置,并且可以将计算出的位置显示在用户的地图上。

2019年,蓝牙标准技术规格5.1版本加入了一项激动人心的新功能 —— 蓝牙寻向。这项新功能令低功耗蓝牙设备可以基于出发角(Angle of Departure,AoD)和/或到达角(Angle of Arrival,AoA)来提高蓝牙设备的定位精度。

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AoD方法一般更加适合室内导航。在该方法中,待确定方向的设备(例如IPS解决方案中的定位信标)使用排列成阵列的多根天线发送特殊信号。接收设备(例如同一IPS解决方案中的移动电话)配备单根天线。当来自发送设备的多个信号穿越接收设备中的天线时,接收设备就会采集IQ样本并基于IQ样本数据计算相对信号方向。

超宽带(UWB)

超宽带是一项在室内导航系统中十分流行的短距离无线电技术。UWB的运行频率范围是3.1到10.6 GHz,带宽至少为500 MHz。

基于UWB的室内定位系统与低功耗蓝牙信标解决方案的不同之处在于,UWB利用传输时间而不是RSSI测量值来估算距离(该距离之后将被用于三边测量计算以确定设备位置)。

这种方法的基本原理是根据:(1)信号从发射器传播到接收器所花费的时间,以及(2)信号速度来计算从一个设备到另一个设备的距离。最后将这些值用于三边测量法,确定目标设备的位置。

下面是UWB室内定位系统的优点:

  • 由于运行频带范围极宽,因此精度高于其他技术中使用的RSSI技术(任何射频信号传输时间的测量都与其带宽相关)

  • 凭借UWB信号的低发射功率和短发射持续时间,可以减少对其他信号的干扰

但UWB室内定位同时也存在一些缺点:

  • 成本高昂,有时令人望而却步
  • 在智能手机和主流设备中的普及度不够,并且由于该解决方案要求用户佩戴专用的UWB标签(或腕带),这有可能影响系统的可用性和用户体验
  • 缺乏全球标准。全球没有统一的规范

Wi-Fi

可以用于室内导航系统的另一种无线技术是Wi-Fi。Wi-Fi的主要优势在于其基础设施几乎随处可见。这在许多情况下似乎令Wi-Fi成为明智的选择,但它也有一些严重的缺点,包括:

  • 精度较低
  • 与Android(在以设备为中心的实现中)相比,对iOS设备的支持有限(或不支持)
  • 需要专用的硬件,这可能会导致(在基于网络的实现中)付出高昂的部署成本

使用Wi-Fi的解决方案不一定需要连接到定位器节点/接入点,但不基于连接的解决方案会影响系统的精度和延迟时间。此类系统中使用的两个主要参数是:

1、RSSI – 用于近似距离计算

2、MAC地址–用于设备识别

RSSI测量可以与三边测量一起使用,从而确定设备在空间中的大致位置。通过Wi-Fi确定位置的另一个方法是指纹识别。它能通过历史RSSI信息以及已知位置来更准确地确定设备的位置。

传输时间(Time of Flight,ToF)有时也会被用于WiFi室内导航的实现。其基本理念是使用无线接口提供的时间戳来计算信号的ToF,然后使用该信息估算一个客户端设备相对于接入点的距离和相对位置。ToF方法需要设备与本地Wi-Fi网络之间建立连接,这可能会损害隐私和安全并带来可扩展性方面的问题。

超声波

超声波技术使用声波以20 kHz以上的频率传输数字数据。用于室内导航系统的超声波技术使用传输时间(ToF)计算值探测物体的位置。同时使用ToF与三边测量法可以将物体位置探测精度提高至几厘米。

与射频信号不同,超声波信号一般会被空间中的墙壁和物体阻挡。在室内导航中,这一特点有了用武之地 —— 它可以确定设备在某个房间内的精确位置。

超声波室内导航系统除了需要粘贴在导航用户身上的标签外,还需要在设施内部署定位器设备。

现在,让我们根据所列出的关键属性来比较这几种最常用的技术:

属性 低功耗蓝牙 WI-FI 超宽带 (UWB) 超声波
可扩展性
隐私和安全 低—中
分辩率(精度和延迟性) 中—高
普遍性和普及度 中—高
延迟

后续讨论

请注意,一些室内导航应用可能更适合使用上述技术中的一种或多种技术相组合,而不是某一项无线技术。

除了使用RSSI、ToF和其他方法确定位置外,室内导航系统还可以通过先进的软件算法和传感器融合(使用来自多个传感器的测量值)来提高定位计算的精度。

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本文转载自:蓝牙技术联盟
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