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)的典型實例，對比其精度及優(yōu)缺點。在比較中作者認(rèn)為基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)性價比比較高，對其進行詳細介紹。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：

　?。?） 起源蜂窩小區(qū)技術(shù)；

　?。?）時間到達法（TOA）；

　?。?）時間到達差法（TDOA）；

　?。?）信號強度法（RSSI）；

　　（5）到達角度差法（AOA）。

　　常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括以下幾種：

　?。?） 基于超聲波定位技術(shù)；

　?。?） 基于紅外線的定位技術(shù)；

　?。?） 基于超寬帶的定位技術(shù)；

　?。?）射頻識別定位技術(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。定位過程如下：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各個電子標(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)合進行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。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，可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波傳感器，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，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。

　　定位精度：超聲波定位精度可達厘米級，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電子標(biāo)識，該標(biāo)識通過紅外發(fā)射機向室內(nèi)固定放置的紅外接收機周期發(fā)送該待測物唯一ID，接收機再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫。這個定位技術(shù)功耗較大且常常會受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實用性較低。

　　如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號使參考點的超聲波發(fā)射器向待測點發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過計時器測距定位。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。

　　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)，無載波。正是這些優(yōu)點，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)。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，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，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

　　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)典型實例為：Ubisense，其定位方法為三邊定位，定位精度為：6~10cm，缺陷：造價較高。

　　2.4 射頻識別技術(shù)

　　射頻定位技術(shù)實現(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 基于射頻識別（RFID）的室內(nèi)定位技術(shù)

　　3.1 RFID技術(shù)原理

　　射頻識別（RFID）技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。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、中間件以及計算機數(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)簽上存儲有位置識別的信息，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)簽的信號強度RSSI的分析計算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗公式計算出帶定位標(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，然而密度較高會產(chǎn)生較大的干擾，影響信號強度；第三，因為要通過公式計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進行對比，結(jié)果如表1所示。

　　表1 不同RFID頻段射頻信號特性對比

　　對于上述比較，本文提出以2.45GHz的微波信號搭建無線定位網(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)成功進入人類社會生活中，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，筆記本電腦或者是PDA等就可以輕松獲取無線信號。無線局域網(wǎng)技術(shù)也可輕松運用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。在無線局域網(wǎng)中的AP接入點或是無線網(wǎng)卡都可以方便測得無線信號的強度，利用這一點可以通過匹配信號強度的方法進行定位。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)運行分兩個過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個AP固定點離線采集其位置信息以及信號強度，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，再對實時待測物所測算得到信號強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，而且為了達到較高的精度，固定點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，移動節(jié)點構(gòu)成系統(tǒng)的，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。

　　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，射頻識別技術(shù)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中較為合適，實現(xiàn)起來比較方便，定位精度讓人滿意，且造價較低，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行改進，利用2.45GHz搭建無線網(wǎng)絡(luò)實現(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到應(yīng)用需求，對于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計改進還有待于研究開發(fā)，它將是研究RFID技術(shù)的良好案例和應(yīng)用。