基于LoRa技術的地理位置解決方案解析

首先，舉個例子：

假如你和好朋友約好在某個廣場見面，你跟朋友說你在距離A大廈200m的位置。此時，在你朋友看來，你所處的位置有無數(shù)種可能：

如果你再補充一個信息：你距離旁邊的肯德基大概150m。此時，在你朋友看來，你所處的位置有兩種可能：

若是再多給一個信息：距離你100m的地方有個麥當勞。那么，你朋友便能準確知道你所在的位置：

此時，如果把A大廈、肯德基和麥當勞這三個已知的地點換成是三個固定的網(wǎng)關，而你本人比作是一個移動的物聯(lián)網(wǎng)終端的話，那么就可以理解為，通過三個網(wǎng)關是能夠確定一個終端的位置，這也正是為什么實現(xiàn)地理位置功能至少需要三個網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)包的原因所在。

LoRa定位方法及原理

最初，LoRa作為一種窄帶無線通信技術為人們所熟知，但是近兩年來，LoRa在定位方面開始嶄露頭角。

在LoRaWAN協(xié)議提供的兩種定位方法中，有一種叫到達時間差定位(TDoA)，其定位原理與開頭的例子正有共通之處。只是在TDoA中，不再直接用距離作為參數(shù)來確定終端的位置，而是用數(shù)據(jù)包到達時間差為參數(shù)，因此要求所有的網(wǎng)關必須共享一個共同的時基。

相比于LoRaWAN協(xié)議提供的另外一種基于接收信號強度指示(RSSI)的定位方法，TDoA的定位更加精準，其精度范圍在20-200m之間，而RSSI的精度范圍在1-2Km之間，主要用于粗略定位。

接下來，我們繼續(xù)來看看LoRa技術完成LoRa終端定位的完整過程，這個過程包含了兩個步驟，一是從終端節(jié)點到網(wǎng)關之間數(shù)據(jù)傳輸，二是網(wǎng)關到網(wǎng)絡服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

當任何一個LoRaWAN終端設備發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)包會被所在網(wǎng)絡范圍內的所有網(wǎng)關接收。這些上行數(shù)據(jù)并不需要是特定的位置信息，它們可以普通的LoRaWAN數(shù)據(jù)幀結構。

當數(shù)據(jù)包被送到時，網(wǎng)關并不知道數(shù)據(jù)包來自哪個LoRa終端設備，因此所有網(wǎng)關需要給接每個接受到的數(shù)據(jù)包加上精確的時間戳，之后一并被轉發(fā)到網(wǎng)絡服務器上。

當帶有時間戳的數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡服務器后，只有經(jīng)過授權的網(wǎng)絡服務提供商才能提供解密服務，根據(jù)訂閱的服務級別對數(shù)據(jù)進行解密，通過網(wǎng)絡服務器端的算法對到達時間、信號強度、信噪比及其他參數(shù)來計算LoRa終端節(jié)點的位置。

到此，整個LoRa定位的完成過程基本已經(jīng)結束。

影響LoRa定位精度元素及提高方法

LoRa定位的精確度主要與以下幾個因素相關：

1、傳播環(huán)境和路徑

2、網(wǎng)關部署策略和密度

3、用于定位的算法

4、網(wǎng)關時間同步的精度

5、終端設備的動態(tài)和結構

從前文也可以看出，到達時間差的精準度直接影響了最終終端位置的準確度，那么有何方法可以提高到達時間差的精準度?

一是，可以利用混合數(shù)據(jù)融合技術和地圖匹配增強來改善到達時間差。

二是，更多、更密集的網(wǎng)關也能提高定位精度和容量。這是因為當更多的網(wǎng)關接收到相同的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡服務器會得到更多信息，從而提高了地理位置精度。

三是，減少多路徑傳輸。如下圖所示，一些數(shù)據(jù)包直接送到了網(wǎng)關，一些數(shù)據(jù)包并沒有送到，但是它有一個反射信號，還有另外一些數(shù)據(jù)包可能包含了以上兩種情況。因此可以使用更多數(shù)據(jù)包傳輸來減少多路徑傳輸。

LoRa定位優(yōu)勢及特點

基于LoRa技術的地理位置解決方案將能夠實現(xiàn)作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應用。這樣做的好處在于，新功能可由任何正在工作的LoRaWAN終端支持，消除了額外的成本，并且不需要額外的處理能力，同時保持數(shù)據(jù)和位置的最佳安全性。

1、最低功耗

傳感器中沒有位置任務的處理

發(fā)送位置數(shù)據(jù)不需要“空中時間”

可能使用盡可能小的LoRaWAN數(shù)據(jù)包進行地理位置定位

2、最低成本

傳感器中沒有GNSS或其他硬件

更小的電池，因為沒有使用傳感器電源來獲取位置

最小尺寸，包括電子部分，電池，外殼

3、最低環(huán)境影響

傳感器硬件最小化(包括電子部分，電池，外殼尺寸等)

許多傳感器安裝一個終生電池

LoRa定位的應用場景

目前，定位類技術已有很多，總體上可分為室外和室內定位技術。最初，LoRa定位技術主要集中在室外的應用場景中，但是隨著技術的迭代，開始在室內定位場景中發(fā)力，為LoRa貢獻新的增長點。

以下列舉一些LoRa定位應用場景：

1、車輛監(jiān)管

汽車應用中的地理位置定位功能可用于事故跟蹤和通知，以及預測性維護需求，可在車輛上安裝監(jiān)控器，實時監(jiān)控車輛狀態(tài)、智能管理車輛使用狀況，為車輛監(jiān)管提供規(guī)范用車系統(tǒng)。

2、動產(chǎn)監(jiān)管

安裝定位、位移等感知設備在資產(chǎn)上，這些資產(chǎn)一旦偏離設定狀態(tài)，即刻預警，地理位置服務用于動產(chǎn)監(jiān)管科實現(xiàn)更有效的管理。

3、共享單車

安裝定位、位移等感知設備在單車上，自動定時發(fā)送位置信息，云端后臺智能監(jiān)控、記錄運動軌跡、異常預警。為共享單車提供規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)。

4、牧群/家畜定位

對牧群及個體進行位置定位實現(xiàn)有效管理，同時可設立電子圍欄，當牧群離開圍欄，監(jiān)控平臺會及時提出預警，有效解決畜牧走失隱患，甚至在一些瀕危物種上也能發(fā)揮巨大價值。

5、工業(yè)資產(chǎn)管理

除了簡單地提供資產(chǎn)位置信息以外，也能夠協(xié)助供應鏈和工業(yè)管理公司更高效地監(jiān)控其設備健康狀況并預測維護情況。

此外，基于LoRa技術的位置定位服務還可應用在建筑、保險和消費行業(yè)等，用于跟蹤高價值資產(chǎn)，如建筑材料、保險商品、寵物或者人員。

結 語

位置服務并不是一個新的產(chǎn)業(yè)，無論是GNSS還是室內小無線定位技術，都已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的積累。隨著最近幾年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的強勢崛起，相關應用對定位的要求越來越多，定位技術商業(yè)機遇開始大量涌現(xiàn)，尤其是一些資產(chǎn)跟蹤等的應用。關注物聯(lián)網(wǎng)定位領域的人或許看過以下兩組數(shù)據(jù)：

根據(jù)Machina Research研究，到2020年底，物聯(lián)網(wǎng)將會有超過15億臺連接設備。其中約三分之一將嚴重依賴地理數(shù)據(jù)，60%應用將可能包括地理數(shù)據(jù)。

科技行業(yè)數(shù)據(jù)公司IDTechEx預測，至2024年，僅室內定位產(chǎn)品市場的規(guī)模將超過100億美元。健康管理、資產(chǎn)追蹤、智能制造，每一個相關領域都將產(chǎn)生一個千億級別的定位需求市場。

可見，未來物聯(lián)網(wǎng)定位市場有著廣闊的應用前景。當然了隨著技術的不斷進步，基于LoR技術，結合TDoA定位算法，打造高精度、低成本的地理位置解決方案同樣大有可為。
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