浅谈物联网技术发展下的三种主流室内定位技术

2016-05-26 16:22:49 sophie

工作人员以及资产的管理一直是办公场景中避不开的问题。看看市面上款式众多指纹打卡机就知道这个需求有多强烈。

不管员工乐意不乐意,管理者总是有强烈意愿想要了解其在工作时间内所处的位置。传统打卡或者指纹打卡的方式依靠员工主动行为,收集到的数据量小,仅能检测上下班的时间,分析价值低。另外由于行为数据少,数据也就容易造假。需要有一种综合的办法,简单可靠又数据详尽,甚至可以根据位置和时间数据来进行数据分析,评估员工一天的工作状态。

在某些特定环境中监测资产位置的需求同样强烈!比如说一些病房或实验室,经常会出现找某件仪器设备的情况。其实跟上一个场景很像,如果抽象一下,核心其实都是电子标签+传感器+云端定位的模式。电子标签佩戴在被监控物上,传感器感知标签后通过互联网上报具体数据至云端,云端完成定位及其后续业务逻辑。

  定位的基本过程

一般情况下,根据无线技术完成测距,就可以根据已知点BS1,BS2,BS3的坐标以及测距完成后确定的r1,r2,r3值求得被测试点E点的位置。这种过程叫三角计算。

对于RSSI(Received Signal Strength Indication)和TOA(Time of Arrival)两种测距原理的三角计算过程都是一样的,都是基于平面解析几何的公式:

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(三角定位原理图)

不一样的地方就是测距的的技术原理:

RSSI方式字面上是指根据测试信号场强确定距离的定位方式, TOA方式指的是根据传输时延计算距离的定位方式。

1)由于无线信号传输符合衰减公式:

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所以已知传感器接收到的信号强度P0和蓝牙标签发射的信号强度Pd,就可以根据公司计算出r。可以直观的看到下图

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2)TOA方式字面上就是说时间抵达,也就是说根据传输时延计算距离的方法,公式如下:

ri=(ti-t0)c 根据被测试点E到3个基站的时间信号延时,乘以光速就可以得到距离r。

众所周知,由于传输或器件原因,信号频率越高传输中信号强度越不稳定, RSSI值的测量结果经常会无端变化,可以解释为噪声,这个噪声会影响测距的精度。所以相对于测量RSSI来说,TOA方式回避了射频信号的稳定性问题,不会因为遮挡而变化。比如戴上耳罩,你听到的声音音量会减小,但是只要在一个范围内,说话的内容都能正确解码。所以采用TOA方式的UWB技术定位精度高,时延(从标签移动到系统定位完成的时间)小。当前技术条件下定位时延蓝牙方式能做到500ms以内,UWB可以做到几个ms。

  随着物联网技术的发展,当前市面上大致能看到下面这3种主流技术。

  三大主流室内定位技术

忠厚持重的RFID技术。这个技术大致于5年前在国内兴起,但是由于作用距离近(无源设备一般在10cm内,有源的RFID卡可以提升到几十米)和天线成本问题(远距离的天线成本大约在1000-2000RMB),基本上处于叫好不叫座的境地。但是RFID技术带有一个加密的属性,天生防伪。结合特色可以做出类似ETC卡那样的支付场景,我们在车辆通道口往往能看到一个白色的天线盒,当车辆靠近时候读取卡内数据,账务扣款并开启闸道。

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低价时髦的蓝牙定位。这个技术大约是2年前开始在国内兴起。由于传统蓝牙演进到低功耗蓝牙(BLE)后,蓝牙标签的信号发射电流降低到mA级,待机电流uA级。使用纽扣电池的续航能力拓展到几年甚至10年的范畴。以BLE技术为基础的iBeacon标签标准的产业化进展迅速,各种外形续航能力的标签市面上都很容易找到,成本也降低到几十元的程度。

浅谈物联网技术发展下的三种主流室内定位技术

标签的普及倒逼感应天线的产品化,以至于整体定位平台技术瞬间升温。当前蓝牙技术阵营的活跃也让使用蓝牙定位的方式很有吸引力。现在主流的智能终端都支持蓝牙协议,所以使用这种方式其实有一个附加的好处——标签其实可以被手机识别,这样的功能点可以创造出不少使用上的便利。现在市面上的相关产品有蝙蝠定位平台。

高富帅的UWB(Ultra Wideband)技术。这个技术也是这几年逐步兴起的。根据我们前文介绍的原理。TOA方式的精度相当可靠。时延也短,可以说UWB技术是室内定位界的高富帅了。成为高附加值场景里的不二之选。但是事物总是有其两面性。由于光速传播的无线电信号时延相当短,需要很强的计算能力跟算法保障精度,所以系统复杂度也高,动辄近万元的传感器网络也常常让普通场景高攀不起。UWB技术国内也有多家公司提供,典型的服务商如清研讯科。

总结一下。由于RFID的天线尺寸比较大,部署起来不方便,也不美观。所以我们叙述的对于人员和资产管理的定位支持不大匹配。前些年,后面两种技术还未产生,曾经有过大量的关于RFID定位的实施方案出台,但实施部署的不多,近些年已经基本被第一线甩开;蓝牙定位方式成本低,标签和传感器尺寸都不大,部署方便,适应于对于定位结果要求不高的场景;而UWB适应于定位结果要求高且高附加值的定位场景。

  技术本身并不可耻

技术归技术,对于人员的监控行为总是让人产生不法或不道德的担忧。除过“技术本身并不可耻”的辩护外,有必要厘清一下事实的真相,顺便替行业企业普及一下法律常识。经过咨询律师,我们得知,针对工作区域的监控行为本身并不违法,但是作为管理者首先有告知的义务,需要告知员工这样的管理尺度。

另外非公共场合,比如更衣室,卫生间应当避免这种监控。还有一点需要注意,就是要做到对于员工行为数据的保密和定期销毁的工作,避免数据被用于其余非工作的目的。

  总结

由于现实需求中需要定位的场景越来越多,校园,景区,狱所,工厂都需要人员定位而牧场需要对牲畜进行定位。各行业的开发企业对于行业需求比较熟悉,但对于定位技术比较陌生。好在物联网技术发展下以位置为基础的服务已经逐步普遍。希望通过上文介绍,各行业开发企业可以根据应用场景的特点正确选取适应于自身的方案。还有一点,尽量利用现有平台性的服务来集成,这样可以更轻松的构建符合客户需求的定位产品。