室内定位系统原理国内常规定位技术有什么不同,各有什么利弊

一、室内定位系统原理

国内常规定位技术包括Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位、Zigbee定位等方式。这些定位方式有什么区别和优缺点?下面我们将详细分析这些定位原则、优缺点。您的组织的参考。

首先我们要明确一点,Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位只是不同的数据传输方式。用户选择wifi定位标签称为wifi定位,选择RFID定位标签称为RFID定位,选择蓝牙ibeacon标签称为蓝牙定位。这里重点介绍Wifi定位、RFID定位、蓝牙定位的定位原理和定位优缺点分析。定位的效果取决于后端核心的定位算法,前端只是数据传输方式的不同。目前室内定位常用的定位方式,原则上主要分为七种:接近检测法、质心定位法、

定位原理

描述

特征

接近检测

通过接收一些范围有限的物理信号,判断移动设备是否出现在某个发射点附近。

这种方法虽然只能提供大致的定位信息,但部署成本低,易于搭建。适用于一些对定位精度要求不高的应用,例如用于公司员工签到的自动识别系统。

质心定位

根据所有已知信标(beacon)在移动设备可以接收信号的范围内的位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标。

该方法易于理解,计算量小,定位精度取决于信标的放置密度。

多边定位

通过测量待测目标与已知参考点之间的距离,确定待测目标的位置。

精度高,应用广泛。

三角测量

该方法可以在获得待测目标相对于两个已知参考点的角度后确定唯一的三角形,并利用这两个参考点之间的距离信息来确定待测目标的位置。

精度高,应用广泛。

极法

待测点的位置是通过测量相对于已知参考点的距离和角度来确定的。

这种方法只需要知道一个参考点的位置坐标,使用起来非常方便,在大地测量中得到了广泛的应用。

指纹定位方法

在定位空间中建立指纹数据库,通过将实际信息与数据库中的参数进行比较来实现定位。

指纹定位的优点是几乎不需要参考测量点,定位精度比较高;但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大,难以适应环境变化较大的场景。

航位推算

在已知的先前位置的基础上,通过计算或已知的移动速度和时间得到当前位置。

数据稳定独立,但方法存在误差累积,定位精度随时间劣化。

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的信息。下表简要介绍了主要观察结果。

观察量

介绍

RSSI 测量

它计算信号的传播损耗,可以利用理论或经验模型将传播损耗转化为距离,也可以用于指纹定位建立指纹数据库。

TOA 测量

该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单向或往返传播时间。前者需要基站和移动台之间的时钟同步。

TDOA 测量

这种方法也是测量信号的到达时间,但是利用到达时间差进行定位计算,通过双曲线的交点可以确定移动台的位置,所以基站和移动台的精确同步可以避免。

AOA 测量

该方法是指接收机通过天线阵列测量电磁波的入射角,包括测量基站信号到移动台的角度或移动台信号到基站的角度。每种方法都产生一条从基站到移动台的定向线路。两个基站可以得到两条方向线,其交点就是移动台的位置。因此,AOA方法只需要两个基站来确定移动台的位置。

方向和距离

方向和距离的获取多用于航位推算定位。自带传感器记录载体的物理信息用于计算方向和距离,从而在已知的先前位置的基础上计算出当前位置。

根据上面介绍的定位原理和观测量,衍生出多种室内定位技术。下面将简要介绍主流的室内定位技术。

1.WiFi定位技术

目前,WiFi是一种比较成熟且应用广泛的技术。近年来,许多公司都在这一领域进行了投资。WiFi室内定位技术主要有两种类型。WiFi定位一般采用“最近邻法”来确定离哪个热点或基站最近,即认为在哪里。如果附近有多个源,可以使用交叉定位(三角测量)来提高定位精度。

由于WiFi已经普及,因此无需铺设专用设备进行定位。在使用智能手机时打开了 Wi-Fi 和移动蜂窝网络的用户可能会成为数据源。该技术由于易于扩展、自动数据更新和低成本等特点,率先实现规模化。

然而,WiFi热点受周围环境影响较大,精度较低。一些公司为了更准确,做了WiFi指纹采集,预先记录了海量确定定位点的信号强度,将新增设备的信号强度与海量数据库进行对比常用的无线传感器网络aoa定位方法原理,确定位置数据的。

由于采集工作需要大量人员和定期维护,技术难以扩展,国内很少有公司能够定期更新这么多商场的指纹数据。特别是数据采集受环境影响很大,尤其是人员定位。由于环境变化大,定位漂移现象尤为严重。

WiFi定位痛点:

WiFi定位可以实现复杂的大范围定位,方便组网,易于在现有的无线WiFi网络中架设。WiFi定位可用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等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)用于wifi定位的wifi标签为非标准设计,但数据格式参考802.11b格式,不支持标准wifi协议。无线路由器不支持扫描wifi标签的功能,所以需要对路由器进行两次开发,即在路由器上加载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,但不支持wifi标签定义的其他功能。比如无线感应、按键呼叫、低电量报警等。这些都是非标准协议,标准化的路由器是不支持非标准协议的。

2)wifi标签耗电大,持续发射电流200ma以上。电池寿命限制了wifi定位标签的普及和使用。

3)wifi标签成本比较高,不利于大规模商业化。

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),以及最近邻法、多边定位法、接收信号强度也可以使用其他方法来确定标签。地点。

该技术作用范围短,一般可达几十米。但它可以在几毫秒内获得厘米级的定位精度信息,传输范围大,成本低。同时,由于其非接触和非视距的优势,有望成为首选的室内定位技术。

目前,RFID研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户安全和隐私以及国际标准化。优点是标识尺寸比较小,成本比较低,但是操作距离短,不具备通讯能力,不易与其他系统集成,无法实现精准定位. 读卡器和天线的布局需要大量的工程实践。经验是困难的。

上海网频成功将wifi定位技术应用于有源RFID定位系统,重点解决wifi定位的特殊问题,实现有源RFID室内精准定位。背景定位算法集成了最近邻定位法、多边定位法、三角定位法、指纹定位法和路径轨迹法。尤其是很难有大量的实际工程经验来部署读卡器和天线进行RFID定位。网频推出无线信标定位,不仅易于实施,而且大大降低了设备成本。RFID信标定位方法易于实现,成本低,

3.红外技术

红外线是一种电磁波,波长介于无线电波和可见光波之间。红外定位的具体实现方式主要有两种。一种是将发射红外线的电子标签贴在定位物体上,通过放置在室内的多个红外传感器测量信号源的距离或角度,从而计算出物体的位置。

这种方法在空旷的房间里很容易达到高精度,并且可以实现红外辐射源的被动定位,但是红外容易被障碍物阻挡,传输距离不长,所以需要大量密集部署的传感器,导致硬件高。和建设成本。此外,红外线容易受到热源、灯光等的干扰,导致定位精度和准确度下降。

该技术目前主要用于军用飞机、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位,也用于室内自走机器人的位置定位。

红外定位的另一种方法是红外编织,即用多对发射器和接收器编织的红外网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。

这种方法的优点是定位对象不需要携带任何终端或标签,隐蔽性强,常用于安防领域。缺点是要实现高精度定位,需要部署大量的红外收发器,而且成本非常高,所以只有高级安防才会使用这种技术。

4.超声波技术

目前,超声波定位大多采用反射测距方式。该系统由一个主测距仪和几个电子标签组成。主测距仪可以放置在移动机器人本体上,每个电子标签放置在室内空间的固定位置。

定位过程如下:首先,上位机向各个电子标签发送同频信号,接收到电子标签后,反射并传输给主测距仪,使各个电子标签之间的距离与可以确定主测距仪,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有两种:一种是超声波与射频技术相结合的定位。由于射频信号的传输速率接近光速,远高于射频的速率,因此可以利用射频信号先激活电子标签,然后使其接收超声波信号,并使用时差法测量距离。该技术成本低、功耗低、精度高。另一种是多超声定位技术。该技术采用全球定位,可在移动机器人4个方向安装4个超声波传感器,划分待定位空间,通过超声波传感器形成坐标。迷路。

超声波定位精度可达厘米级,精度较高。缺点是超声波在传输过程中衰减明显,影响其定位的有效范围。

5.蓝牙技术

蓝牙定位是基于RSSI(Received Signal Strength Indication,信号场强指示)定位原理。根据定位终端的不同,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(手机等低功耗蓝牙终端)、蓝牙信标节点、蓝牙网关、无线局域网和后端数据服务器组成。具体定位过程为:

1)首先在该区域铺设信标和蓝牙网关。

2)当终端进入信标信号的覆盖区域时,终端可以感知到信标的广播信号,然后计算出一个信标下的RSSI值,并通过蓝牙网关通过wifi网络。定位算法计算终端的具体位置。

图片[1]-室内定位系统原理国内常规定位技术有什么不同,各有什么利弊-老王博客

终端侧定位系统由终端设备(如嵌入SDK软件包的手机)和信标组成。它的具体定位原则是:

1)首先在该区域铺设蓝牙信标

2)beacon 不断向周围广播信号和数据包

3)当终端设备进入信标信号的覆盖范围时,在不同基站下测量其RSSI值,然后通过手机内置的定位算法计算出具体位置。

终端侧定位一般用于室内定位导航、精准定位营销等用户终端;而网络侧定位主要用于人员跟踪定位、资产定位、客流分析等场景。蓝牙定位的优点是实现简单,定位精度与蓝牙信标的铺设密度和发射功率密切相关。并且非常省电,可以通过深度睡眠、免连接、简单协议达到省电目的。

6.惯性导航技术

这是一种纯粹的客户端技术。它主要利用加速度传感器、陀螺仪等终端惯性传感器采集的运动数据来测量物体的速度、方向、加速度等信息。基于航位推算方法,对象的位置信息。

随着行走时间的增加,惯性导航定位的误差也在不断累积。它需要一个更高精度的外部数据源来校准它。所以现在惯性导航一般结合WiFi指纹,每次通过WiFi请求室内位置,来修正MEMS产生的误差。这项技术在商业应用上也比较成熟,已经广泛应用于扫地机器人。

7.超宽带(UWB)定位技术

超宽带技术是近年来兴起的一种新型无线通信技术,与传统通信技术有很大不同。它不需要使用传统通信系统中的载波,而是通过发送和接收纳秒或微秒级的极窄脉冲来传输数据,从而有3.1~10.@的数量>6GHz 级带宽。目前,美国、日本、加拿大等国家都在研究这项技术,在无线室内定位领域具有很好的前景。

UWB技术是一种基于极窄脉冲、无载波、传输速率高、发射功率低、穿透能力强的无线技术。正是这些优势,使其在室内定位领域获得了更加精准的结果。

超宽带(UWB)定位技术利用预先安排好的位置已知的锚节点和桥接节点与新增的盲节点进行通信,并通过三角测量或“指纹”定位来确定位置。

超宽带可用于室内精确定位,如战场士兵定位、机器人运动跟踪等。与传统窄带系统相比,UWB系统具有穿透力强、功耗低、抗干扰性好等优点。 – 干扰效果好,安全性高,系统复杂度低,可提供精准定位精度。因此,UWB技术可以应用于室内静止或移动物体和人的定位、跟踪和导航,可以提供非常精确的定位精度。根据不同公司采用的技术手段或算法,精度可以保持在0.@>1m~0.@>5m。

除此之外,还有几十种甚至上百种定位技术,每种定位技术都有自己的优缺点和适合的应用场景,没有绝对的赢家。根据不同需求部署解决方案是上策。

系统采用无线信标定位器后,不仅使项目实施和维护更加方便,而且大大降低了设备成本。如果用户需要提高定位精度,只需适当增加定位信标即可。后台使用基于信号强度三角测量的精确算法来定位RFID人员和资产。该系统的特点是电子系统复杂度低、易于实现、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、蓝牙室内定位和Zigbee室内定位。

二、RFID 信标定位解决方案

1、Beacon定位系统组成

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

描述:定位器使用RFID无线信标代替RFID阅读器。RFID信标集成了RFID标签阅读器和数据中继功能,接收2.4G有源RFID标签信息,并通过433M无线发送定位基站,供433M信标阅读器使用。定位基站通过无线wifi或以太网向后台定位服务器发送数据。接收频段2.4G,与标签通信距离50-90米,发送频段433M常用的无线传感器网络aoa定位方法原理,与定位基站通信距离200米。

2. Beacon 定位系统实现

网频RFID信标定位系统引进国外wifi室内定位技术,后台定位服务器集成最近邻定位法、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定位信标接收到2.4G有源RFID电子标签,通过433M频率发送给433MRFID信标读写器,对基站进行定位。项目实施更方便,更容易维护,成本更低,定位精度更高。Wifi-rfid室内定位系统的核心是集成了信号强度三角测量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,主要用于与标签进行通信,包括接收和发送指令以及计算标签的实时定位。同时为第三方二次开发提供标准API接口。定位服务器是整个实时定位系统运行的基石。定位服务器提供基于信号强度RSSI的核心定位算法,结合信号强度绑定和信号强度指纹采样,给出RFID标签定位信息,定位精度为3~5米。

需要指出的是,定位引擎本质上是一种定位算法。我司采用RSSI信号强度定位,核心三角定位算法,特殊干扰处理算法,可结合指纹识别采样算法。定位服务器软件可用于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。只要将定位器、被定位物体的MAC地址或ID号,以及得到的信号强度值传送给服务器,就可以实现实时定位。

定位服务器的主要功能:

1)与标签的实时通信:定位服务器接收到标签管理器和定位监视器发送的控制标签的命令内容后,将其转换为标签可以识别的数据包,发送出去它对标签实现控制标签的功能。. 接收标签发送的数据,接收标签发送的无线信号数据,温度等信息。分析后保存到系统中。

2) 计算标签位置:根据存储的标签无线信号数据,分析标签所在位置的坐标点,保存在系统中,显示在电子地图上。

3) 二次开发标准API接口:开放给其他应用调用定位服务器功能的二次开发标准API接口。通过 API,位置服务器可以很容易地集成到其他应用程序中。便于实现系统扩展和系统集成。该API可用于设置标签参数、采集标签数据、标签位置信息、标签告警信息。

Positioning Monitor:Positioning Monitor是一个基于WEB的定位管理平台,无需安装任何客户端软件,部署简单,操作方便。定位监控器集定位信息的监控、查询、采集于一体。结合实际地图,在地图上实时显示标签的位置,运动的历史轨迹,还可以判断标签是否消失,是否触发了相应的警告。人员、资产佩戴或绑定标签后,定位监控器可自动监控资产或人员的实时位置,直观、直观地对人员、资产进行实时定位管理。

定位监视器的主要功能:

1) 用户管理:显示所有用户的信息,设置和管理用户的基本信息。

2)实时定位:国内首家自主研发原创定位算法,精准定位标签实时定位可达3-5米。

3) 区域报警:服务器可以设置报警区域。当标签进入或离开报警设置区域时,将触发服务器区域报警功能。

4) 立即报警:标签主动向服务器发送报警信号,服务器界面立即显示报警信息。

5) 消失报警:如果标签断电或标签超出无线网络覆盖范围,将触发服务器报警。

6) 历史轨迹分析:服务器可以回放标签的运行轨迹,分析标签的历史位置信息。

7) 无线感应:通过设置温度、湿度、气体密度、压力、振动等系列,超过系列会触发服务器的无线感应控制功能。

8)地图管理:根据标签的运行状态,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,通常定位精度为3到5米。如果需要更高的定位精度,则需要部署更多的定位器节点。定位精度与基站和无线信标的部署有关。如果想要 5 米的精度,最好每 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的数量,可以使用环境的指纹采样。需要特别提到的是,定位精度与wifi传输、Zigbee传输、RFID传输等无关,定位精度取决于定位服务器的核心算法和定位器的部署。

2) 定位器部署

定位器的部署需要结合客户的定位需求和实际场地。如果想要 5 米的精度,建议每 10 米部署一个定位器。定位器可以是基站或无线信标。指纹识别可用于定位,可在不同位置采样RSSI信号强度。采样的优点是可以提高定位精度,但缺点是工程量大,采样值与实际值往往不一致,受环境影响较大。环境发生了变化,需要重新采样。另外,采样时人、物的朝向会影响定位效果,容易漂移。

3)WIFI-RFID实时定位系统与现有的WIFI定位有什么优缺点

WIFI标签实际上是一种有源RFID标签,采用MCU加无线收发芯片设计而成。调制方式和数据结构不同,没有WIFI协议,普通无线AP无法读取。WIFI-RFID实时定位系统重点解决以下问题:

1)标签的功耗更低。同等条件下,标签的功耗仅为WIFI标签的一半;

2)成本更低,至少节省一半成本;

3)系统更可靠。它集成了WIFI系统和RFID系统。WIFI定位存在严重的同频干扰。本系统频段避开了常用的2.4G无线信号,尤其是无线WIFI频段。并且采用无线跳频设计,不会有电磁干扰现象,系统更稳定。

4)现有的WIFI定位技术不支持无线信标定位,只能使用WIFI基站,成本高,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,系统设备成本大大降低,稳定性和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进行定位,需要现场采样RSSI指纹。由于环境影响较大,定位漂移现象十分严重。而且一旦环境发生变化,就需要重新采样。另外,采用指纹采样的方式,不断进行指纹比对比对,增加了服务器操作,对服务器的要求也很高。在网频WIFI-RFID定位系统中,引入了rfid信标作为定位节点,使用物理节点代替指纹,基本消除了漂移现象。同时还支持指纹识别采样定位。

4. 室内定位系统工具软件

1) 情景规划软件

为系统场景部署而设计的采样定位工具软件。通过该软件部署定位系统,具备场地、AP、定位点等功能,加载地图,设置轨迹;系统定位卡在采样点进行采样,上传到服务器,达到定位的目的。

主要功能:

1)站点管理:设置多个站点,每个站点的每个场景,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:在地图上添加或删除 AP 定位器。

3)标签管理:添加采样标签。

4)采样管理:设置逼真的采样组、场景、锚点、采样点、标签绑定信息。

2) 定位器管理软件

定位器管理软件是专门设计用于管理和监控定位系统中的定位器的管理软件。可监控远程定位器运行状态,现场部署调试工具软件。

主要功能:

1)AP Locator列表:可以添加、修改、删除列表中的AP,根据MAC地址等条件过滤列表中的AP,对AP进行批量操作。

2)配置AP:批量配置AP参数。可配置参数包括:SSID、Channel、IP、DHCP、MAC过滤。

3)设置AP的基本信息:为了方便AP的管理,设置AP的一些管理信息(如MAC、登录名、密码等,这些信息只存储在数据库,未写入 AP)。

4)查看定位器扫描:查看AP返回的扫描信号强度,帮助用户调整定位器部署,优化定位效果。

5.wifi-rfid室内定位系统特点:

1) 可安装在现有的无线局域网上,安装实施灵活、方便、快捷;定位标签可以贴在任何资产和人员上,实现资产和人员的实时准确定位。

2) 超低功耗,普通纽扣电池500mAH,标签每秒发射一次,电池寿命可达3年以上。

3) 成本更低的设备,包括定位器标签和定位器。远低于wifi定位系统,适合大型商业推广。

4) 远距离识别,室内外定位,采用RSSI场强定位,精度3~5米。

5) 系统更稳定可靠,不存在wifi定位同频干扰问题。

6) RFID定位信标使系统实施和维护更加方便,大大降低系统设备成本。

7) 高可靠性,工作温度-30℃~75℃,防水、防尘,恶劣环境下24小时正常工作。

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THE END
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