UWB/藍牙/WiFi/紅外/Zigbee/LoRa Edge…….室內(nèi)定位技術(shù)的百家爭鳴時代
作者：Ada
物聯(lián)網(wǎng)智庫 整理發(fā)布
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智能家居、智慧工廠、智慧物流、智慧養(yǎng)老等場景下需要室內(nèi)定位技術(shù)來提升定位準(zhǔn)確率，隨著需求的驟增，室內(nèi)定位技術(shù)也在快速發(fā)展，技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放之勢。
家居領(lǐng)域一直是toC端最具潛力的市場之一，阿里、百度、華為、小米等科技巨頭早早入場，美的、海爾等傳統(tǒng)家電廠商也察變市場趨勢，紛紛布局智能家居業(yè)務(wù)。幾年前，大家談起智能家居還是滿懷驚嘆與期待，樂此不疲地為各類人機交互終端買單。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的規(guī)模化普及，若是不能給切實提升用戶的生活品質(zhì)，恐怕很難再“撬開”用戶的錢夾了。
如今，智能家居產(chǎn)業(yè)先后經(jīng)歷了“自動化”及“單品智能”階段，正式邁入了“場景化智能”階段，而構(gòu)建全場景智能連接的關(guān)鍵則是連接與定位——開放的連接技術(shù)幫助家居場景內(nèi)的單品實現(xiàn)互聯(lián)互通；精準(zhǔn)的室內(nèi)定位技術(shù)幫助用戶實現(xiàn)智能控制。
“鋼鐵俠”托尼·斯塔克的AI管家賈維斯?jié)M足了人們對家居智能場景的一切幻想，而它之所以能夠準(zhǔn)確、快速地執(zhí)行鋼鐵俠指令，也同樣有賴于室內(nèi)定位技術(shù)——不僅可以準(zhǔn)確定位范圍內(nèi)的智能終端，更可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。試想一下，當(dāng)鋼鐵俠發(fā)出“泡咖啡”的指令后，如果賈維斯連咖啡機在哪兒都不知道的話，又該如何聯(lián)動呢？現(xiàn)實中，掃地機器人“迷路”把家里搞亂、手機與智能家居終端“失聯(lián)”、智能音箱罷工等“智障”家居事故也是層出不窮。
除家居領(lǐng)域外，智慧工廠、智慧物流、智慧養(yǎng)老等場景下也需要室內(nèi)定位技術(shù)來提升定位準(zhǔn)確率，隨著需求的驟增，室內(nèi)定位技術(shù)也在快速發(fā)展。
百花齊放的室內(nèi)定位技術(shù)
據(jù)Market&Markets的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，未來幾年，室內(nèi)定位的全球市場將以42.0％的年復(fù)合成長率增長，市場規(guī)模預(yù)計從2017年的71.1億美元擴大到2022年的409.9億美元，其底層技術(shù)也呈現(xiàn)百花齊放之勢。
目前，室內(nèi)定位技術(shù)主要有UWB、藍牙5.1 AOA、WiFi定位、紅外定位、慣性導(dǎo)航定位、超聲波定位、Zigbee定位等。
UWB（超寬帶技術(shù)）
UWB技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達1000Mbps以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。
UWB室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，即通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。
近兩年來，以蘋果、小米為代表的手機廠商積極將UWB芯片植入手機、音響等各類智能家居，圍繞手機為中心，實現(xiàn)手機與智能家居之間的方向、距離與相對位置感知。
藍牙5.1 AOA
2018年1月，藍牙國際標(biāo)準(zhǔn)組織（SIG，Bluetooth Special Interest Group）發(fā)布了藍牙規(guī)范實現(xiàn) 5.1 版本。此次發(fā)布的藍牙 5.1 不僅可以檢測到特定對象的距離，還可以檢測它所處的方向，可用以實現(xiàn)厘米級定位精度的藍牙定位系統(tǒng)。相比于UWB定位技術(shù)0.1 -0.3米的精度，藍牙AOA可實現(xiàn)0.3-0.5米精度，且可以實現(xiàn)相比于傳統(tǒng)RSSI十倍以上的精度。
藍牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC 以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍牙功能移動終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍牙功能開啟，藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。
WiFi定位
WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認(rèn)為處在什么位置，如附近有多個信源，則可以通過交叉定位（三角定位），提高定位精度。WiFi定位的最大優(yōu)點在于無需鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位，用戶在使用智能手機時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)模化。
WiFi定位可以實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位，但精度只能達到2米左右，無法做到精準(zhǔn)定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可應(yīng)用于智慧醫(yī)療、智慧工廠、智慧停車等場景，在家居場景中鮮少應(yīng)用。
紅外定位
紅外線室內(nèi)定位技術(shù)是通過紅外線標(biāo)識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，被安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收從而進行定位。雖定位精度較高，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。當(dāng)標(biāo)識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就無法正常工作，所以需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。該技術(shù)目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導(dǎo)彈等紅外輻射源的被動定位，也可用于室內(nèi)自走機器人的位置定位。
此外，還有一種紅外定位的方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標(biāo)進行定位，其優(yōu)勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標(biāo)簽，隱蔽性強，常用于安防領(lǐng)域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本非常高，因此只有高等級的安防才會采用此技術(shù)。
慣性導(dǎo)航技術(shù)
慣性導(dǎo)航室內(nèi)定位主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。
隨著行走時間增加，慣性導(dǎo)航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進行校準(zhǔn)。所以現(xiàn)在慣性導(dǎo)航一般和WiFi指紋結(jié)合在一起， 每過一段時間通過WiFi請求室內(nèi)位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進行修正。目前，該定位技術(shù)在掃地機器人中得到了廣泛應(yīng)用。
超聲波定位
超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標(biāo)簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各個電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。
Zigbee定位
ZigBee（IEEE 802.15.4）是一種短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗和低成本的特點，介于射頻識別和藍牙之間，主要面向無線個人區(qū)域網(wǎng)。
ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點、移動節(jié)點構(gòu)成系統(tǒng)，參考節(jié)點為靜態(tài)節(jié)點，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動待測節(jié)點，該節(jié)點將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點設(shè)置，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問題，其精度在2m以內(nèi)，但網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。
LoRa Edge
近期，Semtech推出了LoRa Edge?產(chǎn)品組合，其中的地理定位解決方案是采用了低功耗Wi-Fi和GNSS掃描功能，結(jié)合簡單易用且經(jīng)濟高效的LoRa Cloud?地理定位以及設(shè)備管理服務(wù)，可顯著降低采用物聯(lián)網(wǎng)來定位和監(jiān)測資產(chǎn)的成本和復(fù)雜性，其目標(biāo)應(yīng)用市場包含了工業(yè)、樓宇、家居、農(nóng)業(yè)、交通運輸和物流等領(lǐng)域。
百家爭鳴的室內(nèi)定位應(yīng)用市場
人們生活、工作的主要場所集中在室內(nèi)，所以，未來的室內(nèi)定位市場蘊含著巨大商機與無限可能。
就智能家居產(chǎn)業(yè)而言，雖然市場呈現(xiàn)“群雄割據(jù)”之勢，但各大巨頭已開始尋求產(chǎn)業(yè)級生態(tài)融合，在連接標(biāo)準(zhǔn)“大一統(tǒng)”的同時，定位技術(shù)也將逐漸統(tǒng)一，目前行業(yè)趨勢主要聚焦在UWB與BLE AOA兩大新生力量上。
一方面，UWB憑借其簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高速的數(shù)據(jù)傳輸、厘米級的定位精度等特點，在小米“一指連”產(chǎn)品布局的助推下得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，但是其功耗大、成本高、覆蓋范圍小的問題依然存在。此外，國內(nèi)UWB基站的架設(shè)已經(jīng)影響到了5G基站的信號，造成了同頻、鄰頻等多種干擾，而且UWB基站在實際架設(shè)中，為了提高覆蓋范圍，存在超設(shè)計功率上限的情況，也會對5G信號產(chǎn)生影響。
另一方面，BLE AOA技術(shù)同樣可以實現(xiàn)厘米級的定位精度，在成本及功耗方面略占優(yōu)勢。同時，藍牙的工作頻率是2.40GHz到2.41GHz頻段，利用最外側(cè)信道進行通信，可以避免與使用同一頻段的WiFi信號沖突，保障信號流暢。但是，藍牙技術(shù)本身穩(wěn)定性差、易受噪聲信號干擾的缺點也在很大程度上限制了BLE AOA的規(guī)模化應(yīng)用。
兩種技術(shù)均是功過參半、難分伯仲，但歸根究底，精準(zhǔn)定位之于智能家居的重要意義毋庸置疑，相信在落地應(yīng)用的淬煉中，技術(shù)也將持續(xù)創(chuàng)新升級。
就智慧養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)而言，存在護理人員有限、無法實時看護等痛點，家屬也有隨時查看老人健康數(shù)據(jù)的需求，綜合考慮成本及實施難度等因素，WiFi定位在該領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。老人佩戴電子腕帶后系統(tǒng)能通過電子腕帶的信號覆蓋設(shè)備來采集數(shù)據(jù)和定位判斷，雖定位精度有限，但完全可以滿足老人防走失、跌到報警等場景。
就智慧醫(yī)療產(chǎn)業(yè)而言，定位技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備管理及嬰兒防盜場景。首先，醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)對定位精度需求不高，主要采用WiFi定位、藍牙定位、RFID標(biāo)簽定位等低成本技術(shù)來追蹤醫(yī)療設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備集中管理、調(diào)用；嬰兒防盜場景同樣采用電子腕帶/腳環(huán)的形式，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控。
我們可以看到，成本及精度是技術(shù)能否實現(xiàn)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)落地的關(guān)鍵，隨著智能化應(yīng)用場景日益豐富，用戶對室內(nèi)定位的需求也在增加，精準(zhǔn)定位已經(jīng)迎來了發(fā)展黃金期。相信，在全產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力下，低成本、高精度的定位技術(shù)將助力場景化智能下的精準(zhǔn)控制。
參考資料：
1.《藍牙5.1AOA與UWB，哪種室內(nèi)定位技術(shù)才是未來？》Challey，電子技術(shù)設(shè)計
2.《今天，小米在交互方式領(lǐng)域鬧了場“革命”！》物聯(lián)網(wǎng)智庫
3.《物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)超全解析！定位正在從室外走向室內(nèi)~》，物聯(lián)網(wǎng)智庫
4.《UWB室內(nèi)定位技術(shù)與其他定位技術(shù)的比較》，物聯(lián)傳媒
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