WIFI、UWB、蓝牙定位技术分析

WIFI、UWB、蓝牙定位技术分析

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随着科技的发展,行业的需求。我们越来越将我们的空间坐标化。物联网的大力发展,定位技术业发展的顺风顺水!

尤其是在工厂企业规模生产规模不断增加,动辄几千亩的生产厂区对于安全生产的全程人员管理提出更高要求,特别是电力、炼油化工企业属于高温、高压、易燃、易爆、有毒的危险行业,加之具有生产装置大型化、密集化、生产工艺复杂、生产过程紧密耦合等特点,与其他工业部门相比具有更大的危险性。

如何加强管控,及时定位工厂人员位置,降低危险事故发生的概率,一直是生产中的关键性问题。工业级技术的定位精度要求更高,要区分人群中的个人等,与专用标签和传感器配套使用。

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工业场景定位要求

我们常见的定位技术已经有很多,各有差别!

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各种定位技术

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各种技术比较

各种不同的定位技术拥有不同的定位精度和建造难度,日常中工业常用的也就三种:WIFI、UWB和蓝牙!

虽然各种技术不同但是定位技术的原理也就下面几种:

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定位原理

上面表中第一种使用探测信号强度配合多点位定位原理和第二种通过发送和接受的时间差来计算物体位置是日常最常用的两种方法!

WIFI定位技术

WIFI的定位技术出现的比较早,主要采用上面所说的第一种定位原理,采用多点定位测量设备的信号强度,来确认位置!

 通常使用无线接入点AP(包括无线路由器)组成的无线局域网络,可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以无线AP的位置信息为基础和前提,采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,对已接入的移动设备进行位置定位,最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点,而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图,则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如:定位楼层错误)。

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WIFI定位

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WIFI定位平面图

技术类型:基于信号强度法(RSSI)定位

定位精度:2-10米

稳定性: 差

技术实现原理:

采用2.4G或5.8GHz,遵循IEEE802.11协议的,即我们大家最最熟悉的Wi-Fi技术。通过无线接入点(包括无线路由器)组成的无线局域网络(WLAN),可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点(无线接入点)的位置信息为基础和前提,采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,对已接入的移动设备进行位置定位

**:一般

实现难度、规模化、成本:wifi网络已经普及,通过wifi定位成本较低。

优缺点:

如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点,而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图,则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如:定位楼层错误)。

另外,Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。

由于Wi-Fi网络的普及,变得非常流行。Wi-Fi定位可以达到米级定位(2~10米),Wi-Fi定位产品主要应用在专业行业领域(矿井、监狱、医院、石油石化等)。

蓝牙信标定位技术

蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后,将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。

蓝牙定位主要应用于小范围定位,例如:单层大厅或仓库。对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。不过,对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。

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蓝牙定位技术

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蓝牙定位

技术类型:基于信号强度法(RSSI)定位

定位精度:一米到几十米;

稳定性: 一般

技术实现原理:

采用2.4G,遵循IEEE802.15.1协议,即当下比较火的BLE(蓝牙4.0)定位。采用基于蓝牙的三角定位技术,除了使用手机的蓝牙模块外,还需部署蓝牙基站,最高可以达到亚米级定位精度。

技术难度:一般

实现难度、规模化、成本:由于蓝牙基站的不普及,室内精确定位成本较高,在目前公开报道中,尚没有大规模推广的报道。

优点:

  • 功耗小、时延低、成本低、传输距离远;
  • 设备小巧而且不受障碍物和非视距的影响

缺点:

  • 受环境干扰大,容易受到噪声的影响导致稳定性较差;
  • 安装、开发和维护方面均存在需要克服的难点,使用时保证设备信号不被遮挡;
  • 蓝牙基站的不普及,室内精确定位成本较高

UWB定位技术

UWB(Ultra Wide Band )即超宽带技术,它是一种可用于室内定位的短程无线电通信。与蓝牙低功耗和Wi-Fi相比,位置确定不是基于信号强度(接收信号强度指示器,RSSI)的测量,而是基于运行时方法(飞行时间,ToF)。测量物体与若干接收器(锚定器 - 定位器节点)之间的光传播时间。使用三边测量对象的精确定位需要至少三个接收器。接收器和发射器之间也必须有直接的视线。

当使用UWB时,有两种类型的定位技术 - 到达时间差(TDoA)和双向测距(TWR)。使用TDoA方法,UWB标记将数据包发送到环境中的定位器节点(Anchor)。附近的所有锚点都会收到UWB标记的信号,但不会发回任何信号。由于锚点与标签的间隔不同,因此消息在不同的时间到达每个锚点。这些时间差乘以空间中恒定的光速给出了标记和锚之间的距离,并形成多点定位计算的基础,以确定标记的X,Y和Z坐标。这里的决定性因素是所有定位标签必须同步工作,否则结果毫无意义。

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UWB定位技术

UWB超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

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UWB定位技术

技术类型:根据TOF(信号飞行时间)来定位,可以做到20厘米以内的稳定定位精度。

支持的技术方式:

  1. 时间到达法(TOA);
  2. 时间到达差法(TDOA);
  3. 到达角度差法(AOA)。

定位精度:0.1-0.5米

稳定性: 高

技术实现原理:

采用3.5G~10GHZ,遵循IEEE802.15.4a协议。实现定位的技术原理主要是通过计算电磁波在空间的飞行时间乘以光速来换算成距离,可以通过TOA、TDOA、AOA等多种方式实现精确定位。

技术难度:一般

实现难度、规模化、成本:自搭基站成本较高,单个基站成本5000-2W不等,且要想完成室内定位需要根据具体面积搭建多个基站。

优点:穿透能力强、功耗低、受多径效应的影响小、安全系数高、系统复杂度低与定位精度高等优点。

缺点:造价较高。较多遮挡的时候容易出现多径效应导致定位结果小范围跳变。