淺析室內(nèi)導航對比無線技術有何優(yōu)劣？

什么是室內(nèi)導航？

室內(nèi)導航方案也被稱為空間導向方案，常用在GPS效果差的室內(nèi)環(huán)境。但在我們深入了解技術細節(jié)之前，不妨先來看一下頂層概念。

用于描述位置相關的方案一般被稱為位置服務。位置服務主要分為兩大類。

1.近距離方案：這是兩者中相對簡單的一種，利用一種或多種技術來確定兩個設備的相對位置。

2.定位系統(tǒng)：用于確定設備的物理位置，涉及更加復雜的基礎設施部署。

近距離方案可以進一步分為兩類：

(1)尋物方案：尋物方案的應用之一就是在鑰匙鏈、行李箱、遙控器和其他個人物品上加入尋物標簽，以便在設備丟失時進行跟蹤和定位。

(2)POI系統(tǒng)：當用戶靠近固定位置的特定設備時，在手機上顯示相關信息的應用系統(tǒng)。比如逛商場時，當用戶接近一個正在打折的商品，他們可以從商場的手機應用中獲取通知。

定位系統(tǒng)也可以被分為兩類：

(1)實時定位系統(tǒng)（RTLS）：用于資產(chǎn)跟蹤和設施內(nèi)人員跟蹤。實時定位系統(tǒng)是以網(wǎng)絡為中心的系統(tǒng)，位置信息實時提供給后臺服務器，再提供給用戶。但設備本身無法得知自己所在的位置。比如定位和跟蹤倉庫中托盤、叉車和工作人員的位置，或是醫(yī)院中超聲波儀和病人的位置，優(yōu)化緊急響應時間并確保安全。

(2)室內(nèi)導航系統(tǒng)（IPS）：IPS與RTLS相反，它以設備為核心，設備知道自己的范圍，并向設備使用者報告定位情況（通過手機應用等）。室內(nèi)導航的例子包括機場、博物館、購物中心、主題公園、醫(yī)療機構或會場的室內(nèi)導航系統(tǒng)，具體應用還有自動導向車（AGV）。

導航尋路的基本原理是利用無線技術來確定用戶在某一區(qū)域中的位置，然后在手機上的地圖應用中呈現(xiàn)出來，讓他們了解方位。根據(jù)所用技術，有多種不同方法來確定用戶的位置。大多數(shù)方法采用信號強度（RSSI）測量或飛行時間（TOF）測量，通過多點定位或三角定位來確定用戶的位置。

多點定位的基本原理是計算物體與多個固定站點間的多個測量距離，從而確定物體位置。三邊測量就是多點定位中利用三個已知固定點來測量距離，從而計算運動物體的位置。而三角定位，則是通過測量角度測量來確定位置以及與固定站點間的距離。

除此之外還有無線電測向等更加先進的技術，確定接收信號的傳輸方向。無線電測向自二十世紀初以來已經(jīng)被廣泛運用于航空、航海到野生動物追蹤等系統(tǒng)。無線電測向比多點定位和三角定位更加精確，但通常成本較高。在某些應用中，測得用戶位置也會發(fā)送給后臺服務器，用于數(shù)據(jù)分析以及提高空間利用率。

室內(nèi)導航的好處是什么？

總的來說，室內(nèi)導航可以提供以下好處：

? 在GPS不實用的室內(nèi)空間為用戶提供更好的導航體驗

? 提高商用建筑內(nèi)的員工效率

? 改善擁堵地區(qū)的車流量

? 讓用戶在同一設施中找到對方的位置

? 實現(xiàn)并增強智能的建筑工作

? 利用收集的位置數(shù)據(jù)優(yōu)化工作流程，提高空間利用率

具體應用場所有：機場、博物館、商場、主題公園、醫(yī)療中心、會場和餐館

室內(nèi)導航無線技術最關鍵的參數(shù)

在考慮室內(nèi)導航中無線技術的使用時，必須要考慮以下幾個參數(shù)：

? 擴展性

? 隱私安全

? 定位分辨率（精度和延遲）

? 普及率和適用性

室內(nèi)導航無線技術對比

最適合室內(nèi)導航的無線技術有藍牙BLE、超寬帶、UWB、Wi-Fi與超聲波。

接下來讓我們逐個分析這幾項技術在室內(nèi)導航中的應用

藍牙BLE

藍牙BLE技術是室內(nèi)導航系統(tǒng)中最常見的技術，其優(yōu)勢在于：安全與隱私保障，在全球智能手機上的普遍性與適用性高，支持大規(guī)模部署。

自蘋果于2013年公布iBeacon標準后，藍牙信標在許多應用案例中普及開來，尤其是零售業(yè)和室內(nèi)導航應用。

BLE信標也是室內(nèi)導航系統(tǒng)中傳統(tǒng)的流行方案之一。這些系統(tǒng)的基本原理是將藍牙信標安裝在設施內(nèi)的固定位置，向用戶的手機發(fā)射廣播數(shù)據(jù)包。手機根據(jù)收到數(shù)據(jù)包的信號強度來計算出自己的位置，并呈現(xiàn)在地圖上。

AOD方案 / 藍牙SIG

2019年，藍牙5.1標準中加入了一套全新的功能。該功能允許BLE設備通過出發(fā)角（AoD）或到達角（AoA）來提高位置精度。對于室內(nèi)導航應用來說，AoD是最適合的方案。使用這一方法，正在確定方位的設備（比如定位信標）使用多天線陣列來發(fā)射一個特殊信號。接收設備（比如手機）只有單天線。當發(fā)射設備的多個信號穿過接收設備的天線時，接收設備收集IQ樣本?；贗Q樣本數(shù)據(jù)，接收設備可以計算出相對的信號方向。

超寬帶（UWB）

UWB是一種短距無線電技術，工作頻率在3.1到10.6GHz之間，帶寬至少為500MHz。基于UWB的室內(nèi)導航系統(tǒng)與BLE信標的方案不同，它采用了ToF來測量距離，再用三邊測量來確定設備位置。

飛行時間方法的原理就是通過獲知信號從發(fā)射器到接收器所需的時間和信號速度，從而計算一個設備到另一個設備間的距離。最后在三邊測量中利用這些值來計算目標設備的位置。

以下是UWB室內(nèi)導航系統(tǒng)的優(yōu)勢：

? 比RSSI技術精度高，因為該技術的工作頻率范圍更寬，測量任何無線電信號的飛行時間都依賴于帶寬。

? UWB信號發(fā)射功率低、發(fā)射時間短，因此減少了其他信號造成的干擾

其劣勢在于：

? 成本過高

? 智能手機和主流設備中普及率較低，會影響該系統(tǒng)的可用性和用戶體驗

? 全球化標準的缺失，不同區(qū)域的規(guī)范不同

Wi-Fi

另一個用于室內(nèi)導航系統(tǒng)的技術就是Wi-Fi。Wi-Fi的優(yōu)勢就是無處不在的普及率，然而其劣勢過多。

? 精度低

? 與安卓設備相比，iOS設備的支持有限（或不存在）

? 需要專用硬件，系統(tǒng)部署成本較高

Wi-Fi方案并不一定需要設備連接到定位設備節(jié)點，但是非連接型方案對系統(tǒng)精度和延遲有影響，該系統(tǒng)的主要參數(shù)有：

RSSI - 用于估算距離

MAC地址 – 用于設備辨識

RSSI測量與三邊測量共用，以確定設備在空間內(nèi)的大致位置。設備指紋是Wi-Fi定位方案的另一套計算方法。它利用歷史RSSI和已知位置來更準確地確定設備位置。

Wi-Fi方案中有時也會用到ToF?；驹硎抢脽o線接入的時間戳來計算信號的ToF，然后利用該信息來估算客戶端設備相對接入點間的距離。ToF需要設備與本地Wi-Fi網(wǎng)絡建立連接，因此可能會對隱私安全產(chǎn)生影響，也會招致擴展性的問題。

超聲波

超聲波技術利用聲波在20kHz以上的頻率范圍內(nèi)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。在室內(nèi)導航系統(tǒng)中，超聲波系統(tǒng)利用ToF來計算物體位置，結合三邊測量可以將探測精度提高至幾厘米內(nèi)。

與射頻信號不同，超聲波信號更容易被空間內(nèi)的墻體和物體阻礙。但這在室內(nèi)導航系統(tǒng)中反而算作為一個優(yōu)勢，因為這可以精確確定設備所在的房間。超聲波室內(nèi)導航系統(tǒng)除了要在設施內(nèi)部部署定位設備外，還需要在待定位設備上貼上標簽。

小結

需要注意的是，某些室內(nèi)導航應用也許更適合一種或多種技術結合。除了利用RSSI，ToF和其他方法確定位置外，室內(nèi)導航系統(tǒng)還可以利用先進的軟件算法和傳感器（多傳感器測量）來提高位置計算的精度。

責任編輯：PSY

聲明：電子發(fā)燒友編譯自藍牙技術聯(lián)盟博客，原作者Mohammad Afaneh，轉載請注明以上來源。如需入群交流，請?zhí)砑游⑿舉lecfans999，投稿爆料采訪需求，請發(fā)郵箱huangjingjing@elecfans.com。

原文標題：普及室內(nèi)導航需要考慮哪些因素，常用無線技術有何優(yōu)劣？

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