一項(xiàng)流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：室內(nèi)導(dǎo)航

在本文中，我們將比較用于不同類型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各種無(wú)線連接方案，和介紹另一項(xiàng)流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：室內(nèi)導(dǎo)航。

什么是室內(nèi)導(dǎo)航？

室內(nèi)導(dǎo)航解決方案（也稱為尋路解決方案）一般用于GPS無(wú)法正常運(yùn)行的室內(nèi)環(huán)境。在更詳細(xì)地研究室內(nèi)導(dǎo)航解決方案之前，我們需要先定義一些高層次概念。

通常情況下，我們用“位置服務(wù)”這一術(shù)語(yǔ)概述與位置有關(guān)的解決方案。位置服務(wù)可以分為兩大類：

接近類解決方案：兩種方案中較簡(jiǎn)單的方案，通過(guò)使用一種或多種技術(shù)確定兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。

定位系統(tǒng)：用于確定設(shè)備的物理位置，需要部署更復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。

接近解決方案可以細(xì)分成兩類（如上圖左側(cè)所示）：

尋物解決方案：尋物解決方案的一個(gè)例子是尋物標(biāo)簽，它附在鑰匙鏈、行李、遙控器和其他個(gè)人物品上，以便在物品放錯(cuò)位置或丟失時(shí)追蹤和定位物品。

地標(biāo)信息系統(tǒng)：當(dāng)用戶位于位置固定的設(shè)備附近時(shí)，地標(biāo)信息系統(tǒng)會(huì)通過(guò)智能手機(jī)向用戶顯示相關(guān)信息。例如當(dāng)用戶在逛購(gòu)物中心時(shí)，一旦接近購(gòu)物中心移動(dòng)應(yīng)用中所銷售的商品，用戶的智能手機(jī)就會(huì)收到通知。

定位系統(tǒng)可以細(xì)分成兩類（如上圖右側(cè)所示）：

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）：用于資產(chǎn)追蹤以及設(shè)施內(nèi)人員追蹤。RTLS解決方案是一套以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)，可以追蹤位置并向后臺(tái)服務(wù)器報(bào)告位置，后臺(tái)服務(wù)器向用戶提供這些信息。一般情況下，設(shè)備本身并不知道其位置。

此類解決方案可以定位和追蹤倉(cāng)庫(kù)中的托盤、叉車和工人或醫(yī)院中超聲儀和患者的位置等，從而幫助確保人員和設(shè)施的安全，并優(yōu)化緊急情況下的響應(yīng)時(shí)間。

室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）：IPS解決方案與RTLS解決方案的工作方式相反 —— 該系統(tǒng)以設(shè)備為中心，設(shè)備知道自身位置并向設(shè)備用戶報(bào)告位置（通常通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序）。室內(nèi)定位系統(tǒng)包括各場(chǎng)所中的室內(nèi)導(dǎo)航，如機(jī)場(chǎng)、博物館、購(gòu)物中心、主題公園、醫(yī)療設(shè)施、會(huì)議中心等。

IPS解決方案示例包括室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)（尋路）和自動(dòng)導(dǎo)引車輛（Automated Guided Vehicles，AGV）。本文將重點(diǎn)介紹室內(nèi)導(dǎo)航（尋路）系統(tǒng)。我們現(xiàn)在已經(jīng)介紹了高層次位置服務(wù)概念，下面就來(lái)了解一下室內(nèi)導(dǎo)航的一般設(shè)計(jì)理念。

室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)背后的基本原理是利用無(wú)線技術(shù)確定用戶在區(qū)域內(nèi)的位置，并將該位置在智能手機(jī)應(yīng)用內(nèi)的地圖上呈現(xiàn)出來(lái)，這樣用戶就能夠?yàn)g覽周邊區(qū)域。

根據(jù)所使用的一種或多種技術(shù)，可以使用不同的方法和計(jì)算來(lái)確定用戶的位置。大多數(shù)方法使用RSSI測(cè)量值或TOF測(cè)距方法（Time of Flight，中文譯為“飛行時(shí)間測(cè)距法”），通過(guò)多邊測(cè)量法或三角測(cè)量法計(jì)算來(lái)確定用戶的位置。

多邊測(cè)量法的基本概念是根據(jù)物體與多個(gè)固定位置站點(diǎn)之間的多個(gè)距離計(jì)算值來(lái)確定物體的位置。

三邊測(cè)量法是該領(lǐng)域中常用的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指結(jié)合使用多邊測(cè)量與三個(gè)已測(cè)距的已知固定點(diǎn)來(lái)計(jì)算移動(dòng)物體的位置。

三角測(cè)量法則通過(guò)測(cè)量角度來(lái)確定位置和到固定站點(diǎn)的距離。

另一項(xiàng)更先進(jìn)的技術(shù)是無(wú)線電尋向。這項(xiàng)技術(shù)是一種確定接收信號(hào)發(fā)射方向的方法。無(wú)線電尋向自二十世紀(jì)初以來(lái)一直用于實(shí)踐，為從航空和航海導(dǎo)航到野生動(dòng)植物追蹤等各類系統(tǒng)提供支持。尋向的定位計(jì)算精度比多邊測(cè)量法和三角測(cè)量法更高，但通常成本也更高。

在一些應(yīng)用中，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以向后臺(tái)服務(wù)器報(bào)告所計(jì)算出的用戶位置，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并提高空間的可用性。

室內(nèi)導(dǎo)航有哪些優(yōu)點(diǎn)？

一般情況下，室內(nèi)導(dǎo)航具有以下優(yōu)點(diǎn)：

在無(wú)法使用GPS的室內(nèi)空間中為用戶提供更好的用戶體驗(yàn)

提高商業(yè)建筑內(nèi)工人的工作效率

改善擁堵區(qū)域的交通流量

幫助用戶在設(shè)施內(nèi)找到彼此

推進(jìn)智能建筑的運(yùn)作和改善

利用采集的位置數(shù)據(jù)優(yōu)化工作流程，從而提高空間的可用性

室內(nèi)導(dǎo)航能夠提供的優(yōu)點(diǎn)取決于相關(guān)特定應(yīng)用的目標(biāo)，利用室內(nèi)導(dǎo)航的應(yīng)用實(shí)例包括：

機(jī)場(chǎng)

博物館

購(gòu)物中心和超市

主題公園

醫(yī)療機(jī)構(gòu)

會(huì)議中心

餐廳

將無(wú)線技術(shù)用于室內(nèi)導(dǎo)航時(shí)需要考慮的關(guān)鍵屬性

將無(wú)線技術(shù)用于室內(nèi)導(dǎo)航時(shí)，需要考慮下列的關(guān)鍵屬性：

可擴(kuò)展性

隱私和安全

定位分辨率（準(zhǔn)確度和延遲）

普遍性和普及度

比較：最適合用于室內(nèi)導(dǎo)航的無(wú)線技術(shù)

最適合用于室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)有：

低功耗藍(lán)牙

超寬帶（UWB）

Wi-Fi

超聲波

下面我們一起來(lái)了解這些無(wú)線技術(shù)如何適合室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用。

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低功耗藍(lán)牙

憑借多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，低功耗藍(lán)牙是室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中最常用的無(wú)線技術(shù)。低功耗藍(lán)牙用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)所具有的一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括：

保障隱私和安全

在全球智能手機(jī)中的高普及度和普遍適用性

支持大規(guī)模部署

蘋果于2013年發(fā)布了iBeacon標(biāo)準(zhǔn)格式后，藍(lán)牙beacon便開始流行并應(yīng)用于許多用例，尤其是在零售營(yíng)銷和室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中。

低功耗藍(lán)牙beacon一直廣泛應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)解決方案。此類系統(tǒng)的基本原理是將藍(lán)牙beacon安裝在設(shè)施內(nèi)的固定位置，并發(fā)送能夠被用戶智能手機(jī)接收的廣播數(shù)據(jù)包。然后，智能手機(jī)能夠基于從beacon處接收到的數(shù)據(jù)包中的RSSI來(lái)計(jì)算自己的位置，并且將計(jì)算出的位置顯示在用戶的地圖上。

2019年，藍(lán)牙核心規(guī)格5.1版本加入了一項(xiàng)激動(dòng)人心的新功能 ——藍(lán)牙尋向?；谶@項(xiàng)新功能，低功耗藍(lán)牙設(shè)備可以基于出發(fā)角（AoD）和/或到達(dá)角（AoA）來(lái)提高藍(lán)牙設(shè)備的定位精度。正如前文提到的，提高精度通常需要付出更高的成本。

出發(fā)角方法一般更加適合室內(nèi)導(dǎo)航。在該方法中，待確定方向的設(shè)備（例如IPS解決方案中的定位beacon）使用排列成陣列的多根天線發(fā)送特殊信號(hào)。接收設(shè)備（例如同一IPS解決方案中的移動(dòng)電話）配備單根天線。當(dāng)來(lái)自發(fā)送設(shè)備的多個(gè)信號(hào)穿越接收設(shè)備中的天線時(shí)，接收設(shè)備就會(huì)采集IQ樣本并基于IQ樣本數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)信號(hào)方向。

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超寬帶（UWB）

超寬帶是一種短距離無(wú)線電技術(shù)，常用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)。UWB的運(yùn)行頻率范圍是3.1到10.6 GHz，帶寬至少為500 MHz。

基于UWB的室內(nèi)定位系統(tǒng)與低功耗藍(lán)牙beacon解決方案的不同之處在于，UWB利用TOF測(cè)距方法，而非RSSI測(cè)量值來(lái)估算距離（該距離會(huì)被用于三邊測(cè)量計(jì)算以確定設(shè)備位置）。

這種方法的基本原理是根據(jù)以下兩個(gè)數(shù)值來(lái)計(jì)算從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的距離：

（1）信號(hào)從發(fā)射器傳播到接收器所花費(fèi)的時(shí)間；

（2）信號(hào)速度。最后將這些數(shù)值用于三邊測(cè)量法，確定目標(biāo)設(shè)備的位置。

以下是UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

由于運(yùn)行頻帶范圍極寬，因此精度高于其他技術(shù)中使用的RSSI技術(shù)（任何無(wú)線電信號(hào)飛行時(shí)間的測(cè)量都與其帶寬相關(guān)）

憑借UWB信號(hào)的低發(fā)射功率和短發(fā)射持續(xù)時(shí)間，可以減少對(duì)其他信號(hào)的干擾

缺點(diǎn)包括：

成本高昂，有時(shí)令人望而卻步

在智能手機(jī)和主流設(shè)備中的普及度不夠，并且由于該解決方案要求用戶佩戴專用的UWB標(biāo)簽（或腕帶），有可能影響系統(tǒng)的可用性和用戶體驗(yàn)

缺乏全球統(tǒng)一的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)

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Wi-Fi

可以用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的另一種無(wú)線技術(shù)是Wi-Fi。Wi-Fi的主要優(yōu)勢(shì)在于其無(wú)處不在的基礎(chǔ)設(shè)施。在許多情況下，選擇Wi-Fi用于室內(nèi)導(dǎo)航似乎簡(jiǎn)單便捷，但它有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，包括：

精度較低

當(dāng)需要支持以設(shè)備為中心的應(yīng)用時(shí)，與Android相比，對(duì)iOS設(shè)備的支持有限（或不支持）

在基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，需要專用的硬件，可能會(huì)導(dǎo)致高昂的部署成本

使用Wi-Fi的解決方案不一定需要連接到定位器節(jié)點(diǎn)/接入點(diǎn)，但不基于連接的解決方案會(huì)影響系統(tǒng)的精度和延遲時(shí)間。此類系統(tǒng)中使用的兩個(gè)主要參數(shù)是：

RSSI – 用于近似距離計(jì)算

MAC地址–用于設(shè)備識(shí)別

RSSI測(cè)量法可以與三邊測(cè)量法一起使用，從而確定設(shè)備在空間中的大致位置。通過(guò)Wi-Fi確定位置的另一個(gè)方法是位置指紋識(shí)別。它能通過(guò)歷史RSSI信息以及已知位置來(lái)更準(zhǔn)確地確定設(shè)備的位置。

TOF測(cè)距方法有時(shí)也會(huì)被用于WiFi室內(nèi)導(dǎo)航。其基本理念是使用無(wú)線接口提供的時(shí)間戳來(lái)計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，然后使用該信息估算一個(gè)客戶端設(shè)備相對(duì)于接入點(diǎn)的距離和相對(duì)位置。TOF測(cè)距方法需要在設(shè)備與本地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間建立連接，這可能會(huì)損害隱私和安全并帶來(lái)可擴(kuò)展性方面的問(wèn)題。

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超聲波

超聲波技術(shù)使用聲波以20 kHz以上的頻率傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的超聲波技術(shù)使用TOF計(jì)算值探測(cè)物體的位置。同時(shí)使用TOF與三邊測(cè)量法可以將物體位置探測(cè)精度提高至幾厘米。

與無(wú)線電信號(hào)不同，超聲波信號(hào)一般會(huì)被空間中的墻壁和物體阻擋。在室內(nèi)導(dǎo)航中，這一特點(diǎn)有了用武之地 —— 它可以確定設(shè)備在某個(gè)房間內(nèi)的精確位置。

超聲波室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)除了需要貼在導(dǎo)航用戶身上的標(biāo)簽外，還需要在設(shè)施內(nèi)部署定位設(shè)備。

現(xiàn)在，讓我們根據(jù)所列出的關(guān)鍵屬性來(lái)比較這幾種最常用的技術(shù)：

后續(xù)討論

請(qǐng)注意，一些室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用可能更適合使用上述技術(shù)中的一種或多種技術(shù)組合，而不是某一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)。

除了使用RSSI、TOF和其他方法確定位置外，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以通過(guò)先進(jìn)的軟件算法和傳感器融合（使用來(lái)自多個(gè)傳感器的測(cè)量值）來(lái)提高定位計(jì)算的精度。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線連接選項(xiàng)——室內(nèi)導(dǎo)航

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