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室内定位(WiFi/UWB/蓝牙等)技术方案概述

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besovideo|  楼主 | 2023-11-27 22:41 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
室内无法搜索到卫星,这样常规的GPS/北斗定位都无法使用,常规免费的只有运营商的基站定位LBS,但这个精度实在太差,一般都有几十米到几百米的偏差。因此,室内定位一直是个老大难问题。

截至目前,业界比较成熟的方案就是UWB,但UWB基站的造价实在太贵,就目前而言,只有电厂、监狱等有限的资金充裕的单位才能用得起。

寻找价格低廉的室内定位的技术方案,是业界多年翘首以盼的福音,直到蓝牙信标技术方案耀世而出。

AIoT万物智联,智能安全帽、智能头盔、头盔记录仪、执法记录仪、车载DVR/NVR、布控球、智能眼镜、智能手电、四轴飞行器4G补传系统等统一接入大型融合通信可视指挥调度平台VMS/smarteye 。

蓝牙信标定位是一种革命性的技术,它摆脱了昂贵且高密度的定位基站,使得系统造价大幅降低,只要移动(视频/定位)终端支持蓝牙,就可配合蓝牙信标实现定位。











WiFi定位
就目前看来,室内定位最简便易行的就是WiFi定位,无需任何施工工厂,只要有厂区、各个楼层的WIFI路由器的定位图,配合安卓系统的执法记录仪、智能安全帽、三防手机等安卓终端,就可轻松的实现室内定位,定位精度在10米左右,可基本定位人员所在的楼层、房间。WiFi定位是目前室内定位机制里面最简单、最容易实施的方式。



蓝牙定位 vs UWB定位
一、蓝牙典型定位技术路线:蓝牙信标

蓝牙信标严格意义来讲不是一种定位技术,而是一种蓝牙信号空间可及的判断;最大优势就是便宜、简单;适合巡检等结合空间位置的行为管理;

2C侧蓝牙信标应用

采用蓝牙信标作为位置锚点,C端采用手机实现和锚点相关内容的展示;

2B侧蓝牙信标应用

蓝牙信标作为位置锚点,C端采用手机实现巡检打卡应用;

蓝牙信标做位置锚点,采用标签接收信标广播实现定位;

由于锚点没有通讯功能,标签必须支持无线通讯功能,厂家一般提供LORA或NB的方案;LoRa和NB都是窄带物联网通讯方案,带宽十分有限,LORA WAN基本不可行,实时性也没有办法保证,只能采用LORA私有协议,要部署LORA网关;LORA采用轮询的数据通讯机制,大数据量的无线数据通讯肯定不能指望,区域标签的数量不能超过二三十个;基于区域容量和定位效果,这种蓝牙信标做锚点+蓝牙标签(LORA)+LORA网关的解决方案,不建议采用。

采用蓝牙网关+蓝牙标签(蓝牙信标)的方式,蓝牙网关负责通讯;


这个在室内应用比较广泛的,蓝牙网关作为空间位置标识,实时收集空间存在的蓝牙信标设备;

这个在医院、学校等场景十分普遍;

这种方案的优势在于可以基于BLE连接实现类似数据采集的数据通讯;

这种应用的局限性:空间蓝牙设备的的数量建议不要超过几百个,并且由于BLE广播的通讯非可靠性,建议只是做基于蓝牙信号可及的存在性监测,其他所谓的定位算法,就不要去奢求了,完全不切实际。

蓝牙信标做位置锚点,智能手机做采集信息实现巡检等功能;(但是这个功能容易被基于RFID的NFC替代/近距离接触)

蓝牙AOA的局限性:由于必须要水平安装,蓝牙AOA不适用室外环境;其次蓝牙AOA的体验也是一般般,环境干扰因素对于蓝牙AOA也是影响巨大;

基于蓝牙技术推荐的位置服务:

1:蓝牙信标做位置锚点,智能手机做采集信息实现巡检等功能;(但是这个功能容易被基于RFID的NFC替代/近距离接触)

2:蓝牙网关+蓝牙信标;使用类似医院等独立空间部署蓝牙网关;采用蓝牙手环或蓝牙标签的方式,实现对于病人以及设备的空间位置管理,同时可以基于BLE实现目标的数据采集;

其他解决方案不推荐,基本坑比较多,尤其是基于蓝牙RSSI的三角定位;

蓝牙更偏向是无线数据通讯技术,而非无线定位技术;

UWB更偏向是无线定位技术,而非无线数据通讯技术;

二、UWB定位方案:
和所有无线技术相比,UWB应该算是最佳的、表现最好的应用于定位的无线通讯技术;

首先UWB可以选择CH2、CH5、CH9等多个频段;CH2的距离是优势,但是和运营商的5G频段有冲突;CH5基本是ISM非授权频段;CH9近10G频段,一般用于近距离定位;蓝牙普遍选用的就是2.4G的ISM非授权频段,和WIFI有高度重合,2.4G的设备种类以及通讯技术(Zigbee等)也是最多的。

此外UWB是短脉冲通讯技术,是所有无线通讯技术中TOF测距表现最好、精度最高的。

UWB采用是BPSK无线调制技术,相比FSK和OFDM(蓝牙采用),有更好载噪比表现,同频抗干扰性能更强。

尽管UWB定位实际表现有些差强人意,但是无线定位目前只能依赖UWB;

有很多技术优势的UWB,为啥实际定位差强人意?

首先无线通讯的普遍问题就是信号干扰,尽管UWB采用BPSK的无线信号调制技术,同类的无线通讯技术属于表现好的,但是实际标签发射天线和基站接收天线方向问题,会导致接收信号弱,尤其距离远的情况,由于天线方向问题导致基本无法收到UWB信号。其次同频干扰的问题(比如5G对于CH2的干扰),也会导致UWB无线信号的检测不到或丢失,这种问题尤其在标签和基站距离比较远的情况,更容易出现。

定位算法选择:有了精度不错的UWB的TOF或到达时间,可以选择基于最小二乘法的TOF或TDOA的三角定位;三角定位要求现场环境没有什么遮挡以及干扰,也可以选择基于TOF测距值的AOA定位,同样要求环境没有什么遮挡以及干扰;这种基于两个测距值或者多个测试值实现的定位,往往对于环境的干扰适应性很差。定位的稳定性差强人意。选择基于TOF测距的模糊匹配算法的精细网格化定位,采用的信号的深度学习和相似度匹配定位算法,对于环境干扰的适应性比传统三角定位和AOA定位要好很多。

功耗和成本:UWB的收发功耗基本是BLE的5倍以上,芯片成本也是5倍以上,导致市场接受度不高。

标准化:UWB的标准化进程不如蓝牙,当然某些应用场景,UWB的非标准化以及链路层协议自定义,在一些特殊领域反而得到了应用机会。

三、BLE+UWB结合的出发点:
2B侧应用基于BLE和UWB信号覆盖相当为基础

基于BLE的特点实现标签在非UWB定位区域情况下的低功耗

进入或离开UWB定位区域,采用BLE激活或关闭UWB模块

基于BLE实现无线数据采集功能

特别室内独立办公室空间,采用蓝牙AOA实现室内标签精准定位

2C侧应用基于BLE实现远距离覆盖,UWB实现近距离精准定位

UWB通常采用PDOA或AOA的方位定位(角度+距离)

总结:
面对空间位置需求,首先要明确需求和管理目标,如果蓝牙信标定位可以满足,就不用考虑UWB;如果蓝牙信标定位满足不了,那就老老实实采用UWB,没有再好的无线定位技术可以选择了。、

蓝牙信标最大优势就是简单、便宜

蓝牙Beacon的普遍市场价在二十几,而蓝牙+UWB的Beacon价格在两百左右。到底两者有哪些差别,什么场景蓝牙Beacon就足够了,什么场景需要蓝牙+UWB的Beacon呢?

我们先看一下蓝牙Beacon的情况:

防丢器充当蓝牙外设功能,手机充当主设备;防丢器周期性广播,手机扫描发现防丢器,手机建立蓝牙连接并发送命令;

提前绑定手机和防丢器,当手机收不到防丢器的广播,手机报警;由于有很多情况(比如距离和干扰)都会导致收不到防丢器的蓝牙广播,这个功能的实际体验并不乐观。另外蓝牙的测距基于RSSI,这个可信度也很低,同样造成体验不佳的情况。距离、潮湿空气、金属遮挡以及同频干扰都会导致蓝牙广播信号收不到。

蓝牙采用2.4G的非授权频道,包括WiFi等很多设备都在采用这个频段,同频干扰尤其严重。

蓝牙技术的本身不是为为了大量的点到多点的数据通讯(蓝牙MESH除外),主设备支持的从设备数量不建议超过二三十个,意味同一环境下目标设备不超过二十个,这对于一些2B场景应用就存在很大局限性。

UWB有机会解决容量问题,以及相对可靠的数据通讯保障(相比蓝牙,UWB无线通讯抗干扰能力强)和高精度的测距(可视的测距精度可以保证30厘米,有遮挡会带来误差,但是整体测距效果要远远由于基于RSSI的测距)。

在多目标(上百个目标)场景,只能选择UWB技术实现定位;

相比蓝牙技术,基于UWB高精度的测距还是值得信赖的;

实测基于UWB的PDOA的角度测量,实际效果不是很理想,角度误差偏大;导致PDOA推荐10米以内的应用(这个距离很尴尬,没有太多应用场景价值)。

蓝牙信标只支持存在性检测,UWB可实现精细网格化定位

蓝牙信标位置管理只是一个蓝牙信号可及的检测,在复杂的金属环境,信号可及的范围很难确认,体验感不好。

精细网格化定位根据物理空间管理目的,将任意大空间分成不同任意区域,实现目标实时区域管理(Who、What time and Where)。每个区域的边界基于UWB信号建立一个UWB信号学习和匹配的库,采用经典的模式模糊匹配算法,实现目标的区域定位。区域定义十分简单,只需标签在区域边界活动一周就可以。本身是模糊匹配及时路线,对于无线信号的扰动有容忍度和适应性。

隧道定位
一维空间的隧道定位,最优还是UWB定位,一个基站可以覆盖100~500米,精度在1~5米。



电厂、厂区室内定位
可用WIFI定位(精度5-10米),免安装;可用蓝牙iBeacon定位,有简易安装工作,定位精度可到3-5米。



室内定位(UWB/蓝牙等)技术方案概述,https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=205

室内定位之蓝牙信标配合安卓系统的智能安全帽、电力作业记录仪, https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=267

内置RTK北斗高精度定位的智能安全帽测试报告(MQTT通信),https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=132

内置UWB室内高精度定位的智能安全帽-软件说明, https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=131

数字化煤场基于UWB的人员高精度定位系统方案,https://www.besovideo.com/detail?t=2&i=997

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