智能家居、智慧工厂、智慧物流、智慧养老等场景下需要室内定位技术来提升定位准确率,随着需求的骤增,室内定位技术也在快速发展,技术呈现百花齐放之势。

 

 

家居领域一直是 toC 端最具潜力的市场之一,阿里、百度、华为、小米等科技巨头早早入场,美的、海尔等传统家电厂商也察变市场趋势,纷纷布局智能家居业务。几年前,大家谈起智能家居还是满怀惊叹与期待,乐此不疲地为各类人机交互终端买单。但是,随着物联网、人工智能等技术的规模化普及,若是不能给切实提升用户的生活品质,恐怕很难再“撬开”用户的钱夹了。

 

如今,智能家居产业先后经历了“自动化”及“单品智能”阶段,正式迈入了“场景化智能”阶段,而构建全场景智能连接的关键则是连接与定位——开放的连接技术帮助家居场景内的单品实现互联互通;精准的室内定位技术帮助用户实现智能控制。

 

“钢铁侠”托尼·斯塔克的 AI 管家贾维斯满足了人们对家居智能场景的一切幻想,而它之所以能够准确、快速地执行钢铁侠指令,也同样有赖于室内定位技术——不仅可以准确定位范围内的智能终端,更可以实现精准控制。试想一下,当钢铁侠发出“泡咖啡”的指令后,如果贾维斯连咖啡机在哪儿都不知道的话,又该如何联动呢?现实中,扫地机器人“迷路”把家里搞乱、手机与智能家居终端“失联”、智能音箱罢工等“智障”家居事故也是层出不穷。

 

除家居领域外,智慧工厂、智慧物流、智慧养老等场景下也需要室内定位技术来提升定位准确率,随着需求的骤增,室内定位技术也在快速发展。

 

百花齐放的室内定位技术

据 Market&Markets 的调查数据显示,未来几年,室内定位的全球市场将以 42.0%的年复合成长率增长,市场规模预计从 2017 年的 71.1 亿美元扩大到 2022 年的 409.9 亿美元,其底层技术也呈现百花齐放之势。

 

目前,室内定位技术主要有 UWB蓝牙 5.1 AOA、WiFi 定位、红外定位、惯性导航定位、超声波定位、Zigbee 定位等。

 

 

UWB(超宽带技术)

UWB 技术是一种传输速率高(最高可达 1000Mbps 以上),发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有 3.1~10.6GHz 量级的带宽。

 

UWB 室内定位技术常采用 TDOA 演示测距定位算法,即通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。

 

近两年来,以苹果、小米为代表的手机厂商积极将 UWB 芯片植入手机、音响等各类智能家居,围绕手机为中心,实现手机与智能家居之间的方向、距离与相对位置感知。

 

蓝牙 5.1 AOA

2018 年 1 月,蓝牙国际标准组织(SIG,Bluetooth Special Interest Group)发布了蓝牙规范实现 5.1 版本。此次发布的蓝牙 5.1 不仅可以检测到特定对象的距离,还可以检测它所处的方向,可用以实现厘米级定位精度的蓝牙定位系统。相比于 UWB 定位技术 0.1 -0.3 米的精度,蓝牙 AOA 可实现 0.3-0.5 米精度,且可以实现相比于传统 RSSI 十倍以上的精度。

 

蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC 以及手机中,因此很容易推广普及。理论上,对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户,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。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵,而且对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。

 

WiFi 定位

WiFi 定位一般采用“近邻法”判断,即最靠近哪个热点或基站,即认为处在什么位置,如附近有多个信源,则可以通过交叉定位(三角定位),提高定位精度。WiFi 定位的最大优点在于无需铺设专门的设备用于定位,用户在使用智能手机时开启过 Wi-Fi、移动蜂窝网络,就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势,因此最先实现了规模化。

 

 

WiFi 定位可以实现复杂的大范围定位,但精度只能达到 2 米左右,无法做到精准定位。因此适用于对人或者车的定位导航,可应用于智慧医疗、智慧工厂、智慧停车等场景,在家居场景中鲜少应用。

 

红外定位

红外线室内定位技术是通过红外线标识发射调制的红外射线,被安装在室内的光学传感器接收从而进行定位。虽定位精度较高,但是由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就无法正常工作,所以需要在每个房间、走廊安装接收天线,造价较高。该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位,也可用于室内自走机器人的位置定位。

 

此外,还有一种红外定位的方法是红外织网,即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位,其优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签,隐蔽性强,常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器,成本非常高,因此只有高等级的安防才会采用此技术。

 

惯性导航技术

惯性导航室内定位主要利用终端惯性传感器采集的运动数据,如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息,基于航位推测法,经过各种运算得到物体的位置信息。

 

随着行走时间增加,惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和 WiFi 指纹结合在一起, 每过一段时间通过 WiFi 请求室内位置,以此来对 MEMS 产生的误差进行修正。目前,该定位技术在扫地机器人中得到了广泛应用。

 

超声波定位

超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成,主测距器可放置于移动机器人本体上,各个电子标签放置于室内空间的固定位置。

 

Zigbee 定位

ZigBee(IEEE 802.15.4)是一种短距离、低速率的无线网络技术,具有低功耗和低成本的特点,介于射频识别和蓝牙之间,主要面向无线个人区域网。

 

ZigBee 室内定位技术是通过在传感器网络中布置参考节点、移动节点构成系统,参考节点为静态节点,它们发送位置信息和 RSSI 值给移动待测节点,该节点将数据写入定位模块,分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置,可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题,其精度在 2m 以内,但网络稳定性还有待提高,易受环境干扰。

 

LoRa Edge

 

 

近期,Semtech 推出了 LoRa Edge™产品组合,其中的地理定位解决方案是采用了低功耗 Wi-Fi 和 GNSS 扫描功能,结合简单易用且经济高效的 LoRa Cloud™地理定位以及设备管理服务,可显著降低采用物联网来定位和监测资产的成本和复杂性,其目标应用市场包含了工业、楼宇、家居、农业、交通运输和物流等领域。

 

百家争鸣的室内定位应用市场

人们生活、工作的主要场所集中在室内,所以,未来的室内定位市场蕴含着巨大商机与无限可能。

 

就智能家居产业而言,虽然市场呈现“群雄割据”之势,但各大巨头已开始寻求产业级生态融合,在连接标准“大一统”的同时,定位技术也将逐渐统一,目前行业趋势主要聚焦在 UWB 与 BLE AOA 两大新生力量上。

 

 

一方面,UWB 凭借其简单的系统结构、高速的数据传输、厘米级的定位精度等特点,在小米“一指连”产品布局的助推下得到了业界的广泛认可,但是其功耗大、成本高、覆盖范围小的问题依然存在。此外,国内 UWB 基站的架设已经影响到了 5G 基站的信号,造成了同频、邻频等多种干扰,而且 UWB 基站在实际架设中,为了提高覆盖范围,存在超设计功率上限的情况,也会对 5G 信号产生影响。

 

另一方面,BLE AOA 技术同样可以实现厘米级的定位精度,在成本及功耗方面略占优势。同时,蓝牙的工作频率是 2.40GHz 到 2.41GHz 频段,利用最外侧信道进行通信,可以避免与使用同一频段的 WiFi 信号冲突,保障信号流畅。但是,蓝牙技术本身稳定性差、易受噪声信号干扰的缺点也在很大程度上限制了 BLE AOA 的规模化应用。

 

两种技术均是功过参半、难分伯仲,但归根究底,精准定位之于智能家居的重要意义毋庸置疑,相信在落地应用的淬炼中,技术也将持续创新升级。

 

就智慧养老产业而言,存在护理人员有限、无法实时看护等痛点,家属也有随时查看老人健康数据的需求,综合考虑成本及实施难度等因素,WiFi 定位在该领域应用广泛。老人佩戴电子腕带后系统能通过电子腕带的信号覆盖设备来采集数据和定位判断,虽定位精度有限,但完全可以满足老人防走失、跌到报警等场景。

 

就智慧医疗产业而言,定位技术主要应用于医疗设备管理及婴儿防盗场景。首先,医疗设备管理系统对定位精度需求不高,主要采用 WiFi 定位、蓝牙定位、RFID 标签定位等低成本技术来追踪医疗设备,实现设备集中管理、调用;婴儿防盗场景同样采用电子腕带 / 脚环的形式,可以实现实时监控。

 

我们可以看到,成本及精度是技术能否实现规模化产业落地的关键,随着智能化应用场景日益丰富,用户对室内定位的需求也在增加,精准定位已经迎来了发展黄金期。相信,在全产业链的共同努力下,低成本、高精度的定位技术将助力场景化智能下的精准控制。

 

参考资料:

1.《蓝牙 5.1AOA 与 UWB,哪种室内定位技术才是未来?》Challey,电子技术设计

 

2.《今天,小米在交互方式领域闹了场“革命”!》物联网智库

 

3.《物联网定位技术超全解析!定位正在从室外走向室内~》,物联网智库

 

4.《UWB 室内定位技术与其他定位技术的比较》,物联传媒