从定位的分类上来看,WIFI、蓝牙、RFID、UWB这几种定位手段都是主要用在室内定位为主的场景上,都是需要部署定位的anchor的也就是定位基站,WIFI需要部署AP,蓝牙要部署蓝牙基站或者iBeacon,RFID需要部署RFID Reader。定位的距离都是相对比较近的,一般500米以内。
从定位原理上可以分成RSSI测距、TOF测距、TDOA测距这三种。这三种的定位原理比较复杂,请查看无线定位原理RSSI、TOF、TDOA一文。
1、WIFI定位

  • WIFI定位原理

WIFI定位采用RSSI定位原理,因此精度相对比较低,WIFI网络的建设本来就不是为了专用与定位业务,是因为WIFI网络建设需要达到WIFI的传输速率要求WIFI基站或者AP部署的密度非常高,因此这么高的密度就造成了WIFI的定位成为了可能。在室内的情况下,手机往往能收到很多的WIFI的SSID信息。而手机和WIFI基站在通信的时候,手机不需要连接上Wi-Fi AP的,所有的Wi-Fi终端在连接AP之间,都有发出一种probe_request的帧,遍历空间所有信道,等待AP返回Probe Response帧。这个交互过程中,终端会在消息中广播自身的MAC地址,AP或者WIFI基站能够接受到带了手机MAD地址和信号强弱的消息包。因为各AP的信号强度值是一清二楚的,从而可以采用RSSI等方式来定位。也就是说只要你手机终端开启了Wi-Fi,在后台它是会与空间内的AP发生一次或反复的帧听与响应,这些可以帧听,就暴露了你在空间的大致位置了。
因为手机终端搜索的时候就相当与把手机的定位信息上传了,所以WIFI基站或者AP就是根据手机的指纹信息来进行定位的。进行定位计算的是基站或者后面的定位服务器上的定位引擎,最后获取相对的位置坐标。最简单的方式就是直接把WIFI基站的位置信息就当做手机终端的位置信息。如果同时有好几个基站能收集到收集的指纹信息,可以进行一些根据RSSI场强的加权算法来计算相对位置,但是由于无线信号的传播模型在空间上场强是不断波动变化的,因为WIFI定位精度主要取决于WIFI基站或者AP的密度,定位算法上能够优化的余地非常的小。

  • WIFI定位缺陷

WIFI定位的主要缺陷就是精度很低,没有方位性。一般精度在5米左右,就是手机到AP的平均距离。缺乏方向性,是因为WIFI一般都是全向天线,所以很难判断一个用户如果靠着墙是在这个房间还是另外一个房间。所以WIFI定位无法用在有精确实时定位需求的环境中。
其次,WIFI定位对位置地图的工作量比较大,WIFI定位是获取相对坐标,就是手机相对与WIFI基站或AP的坐标,WIFI基站或者AP变动后都需要对地图进行修正。
再次,WIFI定位的缺陷是WIFI基站或AP的质量不稳定,导致定位的质量无法得到有效的保证。

  • WIFI定位优势

WIFI定位的优势主要是WIFI的部署太广泛了,目前作为最重要的无线传输手段,WIFI在各种室内场合都有着最大的部署量,因此WIFI无处不在,对精度要求不高的场合,WIFI的数据传输网络建设完毕后就可以通过假设定位引擎服务来开通WIFI定位功能。
WIFI定位的第二个优势是成本低廉,WIFI的芯片模组已经在10元左右,WIFI基站和AP的价格都是百元以内,而且可以数据传输和定位的功能,所以能够满足低成本大规模扩展的需要。
WIFI定位的第三个优势是可以利用手机终端,省略了终端部署的成本。
因此,WIFI定位是几种室内定位方案中成本最为低廉的。

  • WIFI定位应用场景

主要面向低精度场景,比如景区的定位、大型shopping mall定位、商场定位、娱乐场所定位、公司的员工WIFI考勤、WIFI签到、会展定位。部分经过改造后也用于煤炭矿用定位等。总体而已是用于定位需求不强,定位功能是辅助,而投入少的领域。

2、蓝牙定位

  • 定位原理:

蓝牙 iBeacon 定位的方式主要有两种:基于 RSSI(接收信号强度指示)和基于定位指纹,或者两者结合。基于距离最大的问题在于,室内环境复杂,而蓝牙作为2.4GHZ高频信号,会受到很大的干扰。加上室内的各种反射折射,手机所获取的 RSSI 值并没有太大的参考价值;而与此同时,为了提高定位精度,就不得不对 RSSI 值进行多次获取来平滑结果,这就意味着时延的增加。而基于定位指纹的最大问题在于,前期获取指纹数据的人力成本和时间成本非常高,数据库维护困难。而且如果商场增添了新的基站,或者进行了其他改造,原始的指纹数据可能就不再适用。所以,如何在定位精度、延时和成本之间进行权衡和取舍,就成了蓝牙定位的核心的问题。目前,市场上主流的蓝牙定位精度是70%的地段在2米以内,部分公司可以做到90%的地段在2米以内。目前市场上主流的蓝牙定位技术都是基于三角定位算法,通过手机获取周围蓝牙基站的信号强度,再通过其他的一些辅助方法比如加权平均算法,时间加权算法,惯性导航算法,卡尔曼滤波算法,高斯滤波算法等来计算出当前位置,如图所示:

  • 蓝牙定位缺陷:

和WIFI定位相比,蓝牙定位需要部署蓝牙的信标,因此需要建设蓝牙的网络,相比之下网络建设的成本,网络维护的成本要增加不少。
在定位精度上,蓝牙定位的算法和WIFI相比没有什么优势,所以精度和蓝牙信标的密度相关,精度1-5米左右。

  • 蓝牙定位优势:

蓝牙的iBecon是苹果主导的,因此相比WIFI定位显得高大上了不少,蓝牙定位的显著优势是功耗相对较低,蓝牙的功耗要低于WIFI,如果部署一张专用的定位的网络对系统的可靠性而言要比兼顾数据传输和定位的WIFI网络要健壮,稳定性要好。
蓝牙定位也可以利用手机和其他设备的蓝牙功能,省去了部分终端的部署,但是由于用户的手机蓝牙功能一般是关闭状态,所以这样的优势有限。

  • 蓝牙定位应用场景

从很大程度上是和WIFI定位高度重叠,蓝牙的终端以蓝牙手环比较多,主要是用在商场定位、医院定位、物品防丢、shopping mall定位、娱乐场所定位、微信摇一摇等地方,都属于非刚性需求。
3、RFID定位

  • RFID定位原理

RFID分有源RFID和无源RFID两种,所以定位的方式也有很多种但是算法也都是RSSI能量算法:
通过调节发射能量来调节读写距离的RFID reader,这样如果RFID标签离reader越远能量就越小,反之就越近,设置阈值就可以进行定位了
根据有源RFID标签发送到信号到reader读取到标签信息的延时来辅助判断标签的位置信息,延迟越长则越远,反之越近。比较新的技术是也用了TDOA的算法,一般是用在UHF频段的RFID了,但是应用很少,成本很高。
RFID定位结构

  • RFID定位优势

RFID定位的优势是成本很低,RFID的标签的成本是分为单位的,所以可以大规模的部署。
RFID提供有源和无源两种方案,无源方案没有供电的问题,有源的方案也可以做到功耗极低,可以用纽扣电池持续数年的待机量。
RFID基站设备相对丰富,大功率设备和小功率的读卡器产品比较多,适合各种场合的组网。

  • RFID的缺点

需要达到同样的精度要求,相比UWB定位而言,RFID基站或者reader部署相对复杂,数量较多。

  • RFID定位应用场景

RFID设备相对稳定,因此在定位领域是应用很广,因为RFID定位终端、RFID标签的价格极低,所以可以大规模的使用,在物流分拣、监狱定位、电瓶车定位、汽车电子车牌定位等有着成熟的应用和良好的使用前景。
4、UWB定位
UWB定位原理
采用TDOA算法进行定位,UWB定位需要3个基站的支持,否则精度就要受影响。具体原理分析可以参阅UWB技术原理。
UWB优势
同时具有实时定位和精确定位的双重有点,定位的延迟时间远远小于蓝牙定位、WIFI定位等其他的室内定位技术。精度可以达到10cm左右,是室内高精度定位的首选。
建设专用的定位网络,因此网络有着很好的可靠性和健壮性。
定位缺陷
UWB的缺点是需要有晚上的定位网络,而且在任何一个定位点上都需要有3个定位基站的支持,UWB定位算法是基于三点定位的,如果基站的数量降低会大大的影响定位的精度。
其次,UWB的缺点是不能有遮挡无线电发射的障碍物,小的障碍物是不会有影响的,因为无线电会衍射,但是如果完全的遮挡是会导致定位基站的介绍,从而使得定位精度大幅度的下降。
再次,UWB定位的基础是基站需要同步,因此部分方案甚至有同步控制器,基站间不同步会影响通过到达的时间来计算距离,因为光速传播是非常快的,所以即使轻微的网络不同步也会导致定位精度出现比较大的偏差。
UWB定位应用场景
主要是面向一些特种行业,对流程的实时性或者对精确定位有着比较高要求的行业,比如监狱定位、工厂定位、足球训练定位、物流叉车定位等等。
 


2018年11月14日

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RFID和蓝牙、WIFI、UWB定位技术比较

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