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室内定位技术方案---Wifi、RFID、bluetooth、Zigbee

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发表于 2020-10-29 22:03:31

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室内定位技术方案

　　一、室内定位系统原理

　　国内常规定位技术有Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位、Zigbee定位等几种方式，这几种定位方式有什么不同，各有什么利弊，下面我们将详细分析这几种定位原理、优缺点以供贵单位参考。

　　首先我们要明确，Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位只是数据传输方式不一样。用户选择wifi定位标签称呼为wifi定位，选择RFID定位标签，称呼为RFID定位，选择蓝牙ibeacon标签，称呼为蓝牙定位。这里侧重定位原理和定位利弊分析Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位。定位的效果取决于后台核心的定位算法，前端只是数据传输方式差异。目前室内定位常用的定位方法，从原理上主要分为七种：邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。

　　不同的室内定位方法选择不同的观测量，通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

　　根据上面介绍的定位原理和观测量，衍生出了多种室内定位技术，下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。

　　1.WiFi定位技术

　　目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术，这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。WiFi定位一般采用“近邻法”判断，即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置，如附近有多个信源，则可以通过交叉定位(三角定位)，提高定位精度。

　　由于WiFi已普及，因此不需要再铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启过Wi-Fi、移动蜂窝网络，就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势，因此最先实现了规模化。

　　不过，WiFi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集，事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。

　　由于采集工作需要大量的人员来进行，并且要定期进行维护，技术难以扩展，很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。特别的，数据采集受环境影响比较大，尤其对于人员定位，由于环境变化较大，定位漂移现象尤其严重。

　　wifi定位痛点：

　　WiFi定位可以实现复杂的大范围定位，方便组网，很容易架设在现有的无线wifi网络。wifi定位可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。Wifi定位痛点也明显存在，主要表现在以下几个方面：

　　1) wifi定位所用的wifi标签是非标设计，只是数据格式参照802.11b格式，不支持标准wifi协议。无线路由器不支持扫描wifi标签功能，需要对路由器二次开发，即在路由器加载wifi标签扫描固件。部分无线路由器支持wifi扫描功能，可以获取wifi标签的MAC地址，wifi标签定义的其他功能就不支持了。比如无线传感、按钮呼叫、低电告警等。这些是非标准协议，标准化的路由器不支持非标协议.

　　2)wifi标签功耗较大，连续发射电流在200ma以上，电池寿命限制了wifi定位标签的推广使用。

　　3)wifi标签成本相对较高，不利于大幅度推广商用。

　　4)wifi定位存在严重的同频干扰问题，系统会相互影响。

　　2.RFID定位

　　RFID定位的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等)，同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

　　这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。

　　目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中，无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。

　　上海网频成功将wifi定位技术应用到有源RFID定位系统，侧重解决了wifi定位存在的特出问题，实现了有源RFID室内精准定位。后台定位算法综合了近邻定位法、多边定位法、三角定位法、指纹定位法、路径轨迹法等。特别的，针对RFID定位布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大，网频推出了无线信标定位，不仅项目实施很容易，同时设备成本也大幅降低。RFID信标定位法实施容易、成本低、结合网频定位服务器算法，定位精度大大优越于传统的RFID区域定位，可望成为优选的室内定位技术。

　　3.红外技术

　　红外线是一种波长在无线电波和可见光波之间的电磁波。红外定位主要有两种具体实现方法，一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度，从而计算出对象所在的位置。

　　这种方法在空旷的室内容易实现较高精度，可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡，传输距离也不长，因此需要大量密集部署传感器，造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰，造成定位精度和准确度下降。

　　该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位，此外也用于室内自走机器人的位置定位。

　　另一种红外定位的方法是红外织网，即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。

　　这种方式的优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签，隐蔽性强，常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器，成本非常高，因此只有高等级的安防才会采用此技术。

　　4.超声波技术

　　超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。

　　定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。

　　目前，比较流行的基于超声波室内定位的技术还有两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种技术成本低，功耗小，精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。

　　超声波定位精度可达厘米级，精度比较高。缺陷是超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。

　　5.蓝牙技术

　　蓝牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication，信号场强指示)定位原理。根据定位端的不同，蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。

　　网络侧定位系统由终端(手机等带低功耗蓝牙的终端)、蓝牙beacon节点，蓝牙网关，无线局域网及后端数据服务器构成。其具体定位过程是：

　　1)首先在区域内铺设beacon和蓝牙网关。

　　2)当终端进入beacon信号覆盖范围，终端就能感应到beacon的广播信号，然后测算出在某beacon下的RSSI值通过蓝牙网关经过wifi网络传送到后端数据服务器，通过服务器内置的定位算法测算出终端的具体位置。

　　终端侧定位系统由终端设备(如嵌入SDK软件包的手机)和beacon组成。其具体定位原理是：

　　1)首先在区域内铺设蓝牙信标

　　2)beacon不断的向周围广播信号和数据包

　　3)当终端设备进入beacon信号覆盖的范围，测出其在不同基站下的RSSI值，然后再通过手机内置的定位算法测算出具体位置。

　　终端侧定位一般用于室内定位导航，精准位置营销等用户终端;而网络侧定位主要用于人员跟踪定位，资产定位及客流分析等情境之中。蓝牙定位的优势在于实现简单，定位精度和蓝牙信标的铺设密度及发射功率有密切关系。并且非常省电，可通过深度睡眠、免连接、协议简单等方式达到省电目的。

　　6.惯性导航技术

　　这是一种纯客户端的技术，主要利用终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息。

　　随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起，每过一段时间通过WiFi请求室内位置，以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟，在扫地机器人中得到广泛应用。

　　7.超宽带(UWB)定位技术

　　超宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

　　UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

　　超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

　　超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。

　　除了以上提及的，目前来看定位技术的种类有几十甚至上百种，而每种定位技术都有自己的优缺点和适合的应用场景，没有绝对的胜负之分。根据不用的需求因地制宜的部署解决方案，方为上策。

　　本系统采用无线信标定位器后，不仅使得项目实施维护更为方便，且极大降低了设备成本。用户需要提高定位精度，只需要适当增加定位信标即可。后台采用采用基于信号强度三角定位精准算法，对RFID人员定位及资产定位。本系统的特点是电子系统复杂性低，容易实现且成本低;定位精度高，抗干扰能力强。该系统可用于wifi室内定位、RFID室内定位、蓝牙室内定位及Zigbee室内定位等。

　　二、RFID信标定位解决方案

　　1、信标定位系统组成

　　信标定位系统由RFID电子标签、RFID远距离读写器、RFID信标和定位服务器组成。系统架构图如下：

　　说明：定位器采用RFID无线信标取代RFID读写器，RFID信标集成RFID标签读写器和数据中继功能，用于接收2.4G有源RFID标签信息，并通过433M无线发送给433M信标读写器定位基站。由定位基站通过无线wifi或以太网将数据发送到后台定位服务器。接收频段2.4G，与标签通讯距离50米～90米，发送频段433M，与定位基站通讯距离200米。

　　2. 信标定位系统实现

　　上海网频电子科技有限公司RFID信标定位系统引进了国外wifi室内定位技术，后台定位服务器集成近邻定位法、多边定位法、三角定位法、指纹定位法、路径轨迹法等室内定位算法。前端采用成本更低、功耗更低的有源RFID电子标签，RFID定位信标接收2.4G有源RFID电子标签并通过433M频率发送给433M RFID信标读写器定位基站。项目实施更方便，也更便于维护，且成本更低，定位精度更高等特点。Wifi-rfid室内定位系统核心表现在集成有信号强度三角定位核心算法的定位服务器软件。定位服务器是一个服务器运行程序，主要用于与标签的通讯，包括接收和发送指令以及标签实时定位的计算，同时提供标准API接口，用于第三方的二次开发。定位服务器是是整个实时定位系统运作的基石。定位服务器给出一种基于信号强度RSSI核心定位算法，结合信号强度绑定和信号强度指纹采样，给出rfid标签位置信息，定位精度3到5米。

　　需要指出的是定位引擎实质是一种定位算法，我公司采用基于RSSI信号强度定位，采用核心三角定位算法，特殊的干扰处理算法，并可以结合指纹识别采样算法。定位服务器软件可以用来WIFI人员定位、RFID人员定位、Zigbee人员定位、蓝牙人员定位等。也就是说物理传输层可以采用不同的方案，只要把定位器、被定位对象的MAC地址或ID号以及获取到的信号强度值传到服务器就可以实时定位。

　　定位服务器主要功能：

　　1) 与标签进行实时通信：定位服务器接收到从标签管理器,定位监控器发送的控制标签的指令内容以后，转为标签所能识别数据包，发送给标签,实现控制标签的功能。接收标签发送的数据，接收标签所发送的无线信号数据，以及温度等信息。经过分析以后，保存到系统中。

　　2) 计算标签所在位置：根据所保存的标签无线信号数据，分析出标签所在位置的坐标点，保存于系统中，并通过电子地图显示。

　　3) 二次开发的标准API接口：为其他应用程序调用定位服务器的功能所开放的二次开发标准API接口。通过API,可以方便的把定位服务器集成于其他应用程序中。方便的实现系统的扩展以及系统集成。API可以用于标签参数的设置、标签数据的采集、标签位置的信息、标签报警的信息。

　　定位监控器:定位监控器是一个基于WEB模式的定位管理平台，无需安装任何客户端软件,部署简单,易操作。定位监控器集监视、查询、采集定位信息于一身，结合实际的地图,在地图中实时显示标签所在的位置,移动的历史轨迹，还可以判断标签是否已经消失以及是否触发相应的警告等信息。人员、资产佩戴或绑定标签后，定位监控器就可以自动监视资产或人员的实时位置，直观可视的对人员和资产进行实时定位管理。

　　定位监控器主要功能：

　　1) 用户管理：显示所有用户的信息，设定并管理用户的基本信息。

　　2) 实时定位：国内首家自主研发，独创定位算法，精确定位标签实时位置可达3-5米。

　　3) 区域报警：服务器可设置报警区域，当标签进出报警设置区域，即会触发服务器区域报警功能。

　　4) 即时报警：标签向服务器主动发出报警信号，服务器界面即时显示报警信息。

　　5) 消失报警：标签断电或标签走出无线网络覆盖区域，会触发服务器报警。

　　6) 历史轨迹分析：服务器可对标签的运行轨迹进行回放，分析标签的历史位置信息。

　　7) 无线传感：通过对温度、湿度、气体密度、压力、振动等进行级数设置，超越级数即会触发服务器的无线传感控制功能。

　　8) 地图管理：根据标签的运行状况，可以自动切换标签所在位置的电子地图。

　　3. WIFI-RFID信标定位系统说明

　　1) 定位精度说明

　　系统定位精度：取决于定位算法和定位器部署，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节点。定位精度高低，和基站及无线信标部署有关系。如果希望精度5米，最好每隔10米部署一个基站或信标。在要求不高的情况下，可以适当减少定位器数量，采用对环境进行指纹采样。需要特别提出的是，定位精度高低与wifi传输、Zigbee传输、RFID传输等没有关系，定位精度的高低取决于定位服务器核心算法，还有定位器部署。

　　2) 定位器部署

　　定位器部署需要根据客户定位需求及实际场地结合。如果希望精度5米，建议每隔10米部署一个定位器。定位器可以是基站也可以是无线信标。定位可以采用指纹识别方式，对不同位置点进行RSSI信号强度采样。采样优点可以提高定位精度，缺点工程量大，采样值和实际值往往不一致，受环境影响比较大。环境有变化，需要重新采样。还有采样时候人和物体方向都会影响定位效果，因而容易漂移。对环境影响不大的场所可以通过采样提高定位精度。

　　3) WIFI-RFID实时定位系统和现有的WIFI定位有哪些优缺点

　　WIFI标签实际也是一种有源RFID标签，采用MCU加无线收发芯片设计。不同的调制方式和数据结构，没有WIFI协议，普通无线AP读取不了。WIFI-RFID实时定位系统侧重解决了以下问题：

　　1)标签功耗更低，同等条件下，标签功耗只有WIFI标签只分之一;

　　2)成本更低，节约成本至少一半;

　　3)系统更可靠，整合WIFI系统和RFID系统，WIFI定位存在严重的同频干扰，本系统频段已经避开常用的2.4G无线信号，尤其是避开无线WIFI频段，且采用无线跳频设计，不会存在电磁干扰现象，系统更稳定。

　　4)现有的WIFI定位技术不支持无线信标定位，只能采用WIFI基站，因而成本很高，不利于大规模推广。网频WIFI-RFID实时定位系统支持rfid信标定位，系统设备成本大幅降低，且稳定性、无线抗干扰能力更强。

　　5)WIFI定位通常采用信号强度指纹识别方式定位，需要对现场进行RSSI指纹采样，由于受环境影响很大，定位漂移现象很严重。且环境一旦有变化，需要重新采样。此外，采用指纹采样方式，不断采用指纹匹配比较，加大服务器运算，对服务器要求也很高。网频WIFI-RFID定位系统，引入rfid信标作定位器节点，实体节点取代指纹采用，基本消除漂移现象。同时也支持指纹识别采样定位。

　　4. 室内定位系统工具软件

　　1) 场景规划软件

　　针对系统场景部署设计的采样定位工具软件。通过本软件对定位系统进行场地，AP，定位点等功能的部署，加载地图，设定轨迹路线;对系统定位卡在采样点进行采样管理，上传到服务器，达到定位目的。

　　主要功能:

　　1)场地管理：设置多个场地、每个场地的各个场景、定位点信息、地图分布AP、地图区域、地图轨迹地图信息。

　　2)定位器管理：添加或者删除地图上的AP定位器。

　　3)标签管理:增加采样标签。

　　4)采样管理：设置现实采样组、场景、定位点、采样点、与标签绑定信息。

　　2) 定位器管理软件

　　定位器管理软件是一个专门管理和监控定位系统中定位器的管理软件，可以监控远端定位器运作状态，现场部署调试工具软件。

　　主要功能：

　　1)AP Locator列表：可以对列表中的AP进行新增、修改、删除等操作，并可以按MAC地址等条件来过滤列表中的AP, 对AP实现批量操作。