基于LoRa技術(shù)的地理位置解決方案解析

首先，舉個(gè)例子：

假如你和好朋友約好在某個(gè)廣場(chǎng)見(jiàn)面，你跟朋友說(shuō)你在距離A大廈200m的位置。此時(shí)，在你朋友看來(lái)，你所處的位置有無(wú)數(shù)種可能：

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

若是再多給一個(gè)信息：距離你100m的地方有個(gè)麥當(dāng)勞。那么，你朋友便能準(zhǔn)確知道你所在的位置：

此時(shí)，如果把A大廈、肯德基和麥當(dāng)勞這三個(gè)已知的地點(diǎn)換成是三個(gè)固定的網(wǎng)關(guān)，而你本人比作是一個(gè)移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)終端的話，那么就可以理解為，通過(guò)三個(gè)網(wǎng)關(guān)是能夠確定一個(gè)終端的位置，這也正是為什么實(shí)現(xiàn)地理位置功能至少需要三個(gè)網(wǎng)關(guān)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(wú)線通信技術(shù)為人們所熟知，但是近兩年來(lái)，LoRa在定位方面開(kāi)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(dá)時(shí)間差定位(TDoA)，其定位原理與開(kāi)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(lái)確定終端的位置，而是用數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間差為參數(shù)，因此要求所有的網(wǎng)關(guān)必須共享一個(gè)共同的時(shí)基。

相比于LoRaWAN協(xié)議提供的另外一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的定位方法，TDoA的定位更加精準(zhǔn)，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(lái)，我們繼續(xù)來(lái)看看LoRa技術(shù)完成LoRa終端定位的完整過(guò)程，這個(gè)過(guò)程包含了兩個(gè)步驟，一是從終端節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸，二是網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)任何一個(gè)LoRaWAN終端設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)被所在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有網(wǎng)關(guān)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(jié)構(gòu)。

當(dāng)數(shù)據(jù)包被送到時(shí)，網(wǎng)關(guān)并不知道數(shù)據(jù)包來(lái)自哪個(gè)LoRa終端設(shè)備，因此所有網(wǎng)關(guān)需要給接每個(gè)接受到的數(shù)據(jù)包加上精確的時(shí)間戳，之后一并被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。

當(dāng)帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器后，只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商才能提供解密服務(wù)，根據(jù)訂閱的服務(wù)級(jí)別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端的算法對(duì)到達(dá)時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度、信噪比及其他參數(shù)來(lái)計(jì)算LoRa終端節(jié)點(diǎn)的位置。

到此，整個(gè)LoRa定位的完成過(guò)程基本已經(jīng)結(jié)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(gè)因素相關(guān)：

1、傳播環(huán)境和路徑

2、網(wǎng)關(guān)部署策略和密度

3、用于定位的算法

4、網(wǎng)關(guān)時(shí)間同步的精度

5、終端設(shè)備的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)

從前文也可以看出，到達(dá)時(shí)間差的精準(zhǔn)度直接影響了最終終端位置的準(zhǔn)確度，那么有何方法可以提高到達(dá)時(shí)間差的精準(zhǔn)度?

一是，可以利用混合數(shù)據(jù)融合技術(shù)和地圖匹配增強(qiáng)來(lái)改善到達(dá)時(shí)間差。

二是，更多、更密集的網(wǎng)關(guān)也能提高定位精度和容量。這是因?yàn)楫?dāng)更多的網(wǎng)關(guān)接收到相同的數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會(huì)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(guān)，一些數(shù)據(jù)包并沒(méi)有送到，但是它有一個(gè)反射信號(hào)，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(lái)減少多路徑傳輸。

LoRa定位優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

基于LoRa技術(shù)的地理位置解決方案將能夠?qū)崿F(xiàn)作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應(yīng)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(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)和位置的最佳安全性。

1、最低功耗

傳感器中沒(méi)有位置任務(wù)的處理

發(fā)送位置數(shù)據(jù)不需要“空中時(shí)間”

可能使用盡可能小的LoRaWAN數(shù)據(jù)包進(jìn)行地理位置定位

2、最低成本

傳感器中沒(méi)有GNSS或其他硬件

更小的電池，因?yàn)闆](méi)有使用傳感器電源來(lái)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(gè)終生電池

LoRa定位的應(yīng)用場(chǎng)景

目前，定位類技術(shù)已有很多，總體上可分為室外和室內(nèi)定位技術(shù)。最初，LoRa定位技術(shù)主要集中在室外的應(yīng)用場(chǎng)景中，但是隨著技術(shù)的迭代，開(kāi)始在室內(nèi)定位場(chǎng)景中發(fā)力，為L(zhǎng)oRa貢獻(xiàn)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

以下列舉一些LoRa定位應(yīng)用場(chǎng)景：

1、車輛監(jiān)管

汽車應(yīng)用中的地理位置定位功能可用于事故跟蹤和通知，以及預(yù)測(cè)性維護(hù)需求，可在車輛上安裝監(jiān)控器，實(shí)時(shí)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(dòng)產(chǎn)監(jiān)管

安裝定位、位移等感知設(shè)備在資產(chǎn)上，這些資產(chǎn)一旦偏離設(shè)定狀態(tài)，即刻預(yù)警，地理位置服務(wù)用于動(dòng)產(chǎn)監(jiān)管科實(shí)現(xiàn)更有效的管理。

3、共享單車

安裝定位、位移等感知設(shè)備在單車上，自動(dòng)定時(shí)發(fā)送位置信息，云端后臺(tái)智能監(jiān)控、記錄運(yùn)動(dòng)軌跡、異常預(yù)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(duì)牧群及個(gè)體進(jìn)行位置定位實(shí)現(xiàn)有效管理，同時(shí)可設(shè)立電子圍欄，當(dāng)牧群離開(kāi)圍欄，監(jiān)控平臺(tái)會(huì)及時(shí)提出預(yù)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(jià)值。

5、工業(yè)資產(chǎn)管理

除了簡(jiǎn)單地提供資產(chǎn)位置信息以外，也能夠協(xié)助供應(yīng)鏈和工業(yè)管理公司更高效地監(jiān)控其設(shè)備健康狀況并預(yù)測(cè)維護(hù)情況。

此外，基于LoRa技術(shù)的位置定位服務(wù)還可應(yīng)用在建筑、保險(xiǎn)和消費(fèi)行業(yè)等，用于跟蹤高價(jià)值資產(chǎn)，如建筑材料、保險(xiǎn)商品、寵物或者人員。

結(jié) 語(yǔ)

位置服務(wù)并不是一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是GNSS還是室內(nèi)小無(wú)線定位技術(shù)，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(qiáng)勢(shì)崛起，相關(guān)應(yīng)用對(duì)定位的要求越來(lái)越多，定位技術(shù)商業(yè)機(jī)遇開(kāi)始大量涌現(xiàn)，尤其是一些資產(chǎn)跟蹤等的應(yīng)用。關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)定位領(lǐng)域的人或許看過(guò)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(huì)有超過(guò)15億臺(tái)連接設(shè)備。其中約三分之一將嚴(yán)重依賴地理數(shù)據(jù)，60%應(yīng)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(yù)測(cè)，至2024年，僅室內(nèi)定位產(chǎn)品市場(chǎng)的規(guī)模將超過(guò)100億美元。健康管理、資產(chǎn)追蹤、智能制造，每一個(gè)相關(guān)領(lǐng)域都將產(chǎn)生一個(gè)千億級(jí)別的定位需求市場(chǎng)。

可見(jiàn)，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)定位市場(chǎng)有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然了隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于LoR技術(shù)，結(jié)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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