探討幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位在一些特定場合的實(shí)用性和必要 性已經(jīng)日趨顯著，其應(yīng)用前景廣闊，研究意義非常大，目前也是一個(gè)非常熱門的議題。本文闡述幾種常用的室內(nèi)定位技術(shù)手段，并具體闡述這些技術(shù)的典型實(shí)例，對比其精度及優(yōu)缺點(diǎn)。在比較中作者認(rèn)為基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)性價(jià)比比較高，對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。ZigBee則是一種基于RFID的能很好地解決室內(nèi)定位的方案技術(shù)手段。

1 引言

隨著時(shí)代飛速變遷，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，信息服務(wù)質(zhì)量效率提高，受干擾度小，在人們的生活工作及科學(xué)研究中起到了非常重要的作用。室內(nèi)定位技術(shù)非常實(shí)用，具有較大的拓展空間，其應(yīng)用范圍廣泛，在復(fù)雜環(huán)境下，如圖書館，體育館，地下車庫，貨品倉庫等都可以實(shí)現(xiàn)對人員以及物品的快速定位。

室內(nèi)定位系統(tǒng)有最基本的5種算法：

（1） 起源蜂窩小區(qū)技術(shù)；

（2）時(shí)間到達(dá)法（TOA）；

（3）時(shí)間到達(dá)差法（TDOA）；

（4）信號(hào)強(qiáng)度法（RSSI）；

（5）到達(dá)角度差法（AOA）。

常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括以下幾種：

（1） 基于超聲波定位技術(shù)；

（2） 基于紅外線的定位技術(shù)；

（3） 基于超寬帶的定位技術(shù)；

（4）射頻識(shí)別定位技術(shù)（WLAN、ZigBee）等。

2 幾種室內(nèi)定位技術(shù)的比較

2.1 超聲波技術(shù)

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(gè)主測距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成，主測距器可放置于移動(dòng)機(jī)器人本體上，各個(gè)電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。定位過程如下：先由上位機(jī)發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。

目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有下面兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號(hào)先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號(hào)，利用時(shí)間差的方法測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位，可在移動(dòng)機(jī)器人身上4個(gè)朝向安裝4個(gè)超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標(biāo)，總體把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強(qiáng)，精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問題。

定位精度：超聲波定位精度可達(dá)厘米級(jí)，精度比較高。缺陷：超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍。

2.2 紅外線技術(shù)

紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。典型的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)Active badges使待測物體附上一個(gè)電子標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)通過紅外發(fā)射機(jī)向室內(nèi)固定放置的紅外接收機(jī)周期發(fā)送該待測物唯一ID，接收機(jī)再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫。這個(gè)定位技術(shù)功耗較大且常常會(huì)受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實(shí)用性較低。

如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號(hào)使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測點(diǎn)發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過計(jì)時(shí)器測距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。

定位精度：5~10m。缺陷：紅外線在傳輸過程中易于受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)復(fù)雜度較高，有效性和實(shí)用性較其它技術(shù)仍有差距。

2.3 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)無線技術(shù)，目前，包括美國，日本，加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。UWB技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號(hào)到達(dá)的時(shí)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(hào)的無線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)（如圖1所示）則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測距定位計(jì)算分析。

圖1 UWB室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)圖

基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)典型實(shí)例為：Ubisense，其定位方法為三邊定位，定位精度為：6~10cm，缺陷：造價(jià)較高。

2.4 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來非常方便， 而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫比較靈活。下面具體介紹該技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。

3 基于射頻識(shí)別（RFID）的室內(nèi)定位技術(shù)

3.1 RFID技術(shù)原理

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻（RF）是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為：kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。

3.2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測移動(dòng)物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。

圖2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 RFID室內(nèi)定位技術(shù)典型系統(tǒng)LANDMARK

LANDMARK系統(tǒng)是應(yīng)用RFID的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度RSSI的分析計(jì)算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出帶定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

LANDMARK系統(tǒng)定位精度：平均1m。

缺陷：LANDMARK系統(tǒng)有幾方面缺陷，首先，系統(tǒng)定位精度由參考標(biāo)簽的位置決定，參考標(biāo)簽的位置會(huì)影響定位；第二，系統(tǒng)為了提高定位精度需要增加參考標(biāo)簽的密度，然而密度較高會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，影響信號(hào)強(qiáng)度；第三，因?yàn)橐ㄟ^公式計(jì)算歐幾里德公式得到參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的距離，所以計(jì)算量較大。

3.4 不同頻段RFID技術(shù)適用性

RFID常用頻段包括：低頻、高頻、超高頻、微波。針對室內(nèi)定位系統(tǒng)，將不同頻段的射頻信號(hào)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同RFID頻段射頻信號(hào)特性對比

對于上述比較，本文提出以2.45GHz的微波信號(hào)搭建無線定位網(wǎng)絡(luò)比較可行有效。2.45GHz日益受到關(guān)注和應(yīng)用，其全球通用性越來越高，頻寬優(yōu)于其它頻段，傳輸速率加快，而且2.45GHz天線和產(chǎn)品的體積越來越小，攜帶和使用更加方便。

3.5 兩種基于2.45GHz頻段RFID無線室內(nèi)定位系統(tǒng)

3.5.1 無線局域網(wǎng)技術(shù)（Wi-Fi/IEEE 802.11b）

基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線以太網(wǎng)已經(jīng)成功進(jìn)入人類社會(huì)生活中，無論校園，工作場合或是公共場所等都廣泛應(yīng)用了該技術(shù)。使用中只需用手機(jī)，筆記本電腦或者是PDA等就可以輕松獲取無線信號(hào)。無線局域網(wǎng)技術(shù)也可輕松運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。在無線局域網(wǎng)中的AP接入點(diǎn)或是無線網(wǎng)卡都可以方便測得無線信號(hào)的強(qiáng)度，利用這一點(diǎn)可以通過匹配信號(hào)強(qiáng)度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)。

基于RSSI技術(shù)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行分兩個(gè)過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個(gè)AP固定點(diǎn)離線采集其位置信息以及信號(hào)強(qiáng)度，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫，再對實(shí)時(shí)待測物所測算得到信號(hào)強(qiáng)度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。

精度：2~3m。缺陷：采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，固定點(diǎn)AP的位置測算設(shè)置比較繁瑣。

3.5.2 ZigBee/IEEE 802.15.4

ZigBee技術(shù)應(yīng)用于較短距離無線通信，主要面向無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動(dòng)待測節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計(jì)算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點(diǎn)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。

精度：2m以內(nèi)，平均1m。缺陷：網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。

4 結(jié)束語

本文比較了各種典型系統(tǒng)，紅外及超聲波技術(shù)在應(yīng)用中容易受到環(huán)境阻隔和干擾，易發(fā)生能量損耗，而超寬帶技術(shù)花費(fèi)相對較高。上述幾種定位技術(shù)的定位精度都還比較滿意，從總體上來說，射頻識(shí)別技術(shù)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中較為合適，實(shí)現(xiàn)起來比較方便，定位精度讓人滿意，且造價(jià)較低，在研究典型系統(tǒng)LANDMARK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，今后可針對其缺陷進(jìn)行改進(jìn)，利用2.45GHz搭建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位，盡量提高定位效率和精度。其中，當(dāng)屬ZigBee技術(shù)尤其適合研究室內(nèi)定位系統(tǒng)，其構(gòu)造簡單，布置簡便，性能優(yōu)良，而且系統(tǒng)功耗非常小，定位效果也可以方便地達(dá)到應(yīng)用需求，對于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)還有待于研究開發(fā)，它將是研究RFID技術(shù)的良好案例和應(yīng)用。