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前瞻基礎建設計畫－城鄉計畫完整版
2018年8月13日 星期一
．物聯網十大室內定位技術原理解析
LBS - Precise infrastructure localisation
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來源： 全球物联网观察
東晉高僧法顯西行求法，乘船回國時寫道：大海瀰漫無邊，不識東西，唯望日、月、星宿而進。大意就是說，大海遼闊無邊，分不清東西南北，只能看星星，盼月亮來進行定位。
1、起源
人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先後發明羅盤、指南針等工具，衛星定位的問世，解決了「我在哪裡」的問題。在高度城市化的今天，室內空間越來越龐大複雜。人類戰勝了大自然，卻在自己構築的鋼筋水泥中迷了路。
在醫院，即使有樓層分布圖以及引導標誌，但看病的大部分時間，仍然會浪費在尋找科室上。在停車場，找不著停車位，而四處亂轉的人也比比皆是。
在越來越迫切的需求下，近年室內定位引起了高度的關注。
室內定位顧名思義，就是在室內環境中實現定位。其意義，諾基亞在多年前闡述他們，為什麼要做室內定位時，把問題說得很明白了。
數據來源：諾基亞
衛星無法在室內定位，人們大部分的時間，又在室內度過，而相關服務並未普及，可以說室內定位隱藏著巨大商機。
商業應用中，根據不同的應用場景，室內定位技術又分消費級和工業級。
消費市場應用有：商場導購、停車場反向尋車、家人防走散等。對定位精度要求不高，1m的精度已經可以滿足大多數應用，不過它要求系統相容，現已普及的行動智慧終端。
企業市場應用有：人流監控和分析、智慧製造、緊急救援和人員資產管理等。
工業級技術的定位精度要求更高，要區分操作對象、人群中的個人等，與專用標籤和傳感器配套使用，一般不考慮與現有智慧終端的相容性。
2、技術門派
與室外衛星定位一統天下的情況不一樣，室內定位各種技術，呈現出百花齊放的場景。
室內定位百花齊放
室內定位的商業價值，跟精度成正比。當精度是3-5米的時候，能判定你是站在7-11便利店門口，還是傑克瓊斯門口。當精度是1米的時候，則能判定你是站在可口可樂的貨架前，還是杜蕾斯的貨架前。
目前，室內定位常用的定位方法，從原理上來說，主要分為：鄰近探測法、質心法、極點法、多邊定位法、指紋法和航位推算法。
各種原理各有優劣，在不同應用場景、不同預算要求下，也可將不同的原理組合使用。主流技術有以下幾種：
WiFi定位技術
目前WiFi是相對成熟，且應用較多的技術，這幾年有不少公司投入到了這個領域。WiFi室內定位技術主要有兩種。
WiFi定位一般採用「近鄰法」判斷，即最靠近哪個熱點或基地台，即認為處在什麼位置，如附近有多個信源，則可以透過交叉定位（三邊定位），提高定位精度。
由於WiFi已普及，因此不需要再鋪設專門的設備用於定位。用戶在使用智慧手機時，開啓過WiFi、行動蜂窩網路，就可能成為數據源。該技術具有便於擴展、可自動更新數據、成本低的優勢，因此最先實現了規模化。
不過，WiFi熱點受到周圍環境的影響會比較大，精度較低。為了做得準一點，有公司就做了WiFi指紋採集，事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，透過用新加入的設備的信號強度，對比擁有巨量數據的數據庫，來確定位置。
由於採集工作，需要大量的人員來進行，並且要定期進行維護，技術難以擴展，很少有公司能把這麼多商場，定期的更新指紋數據。
WiFi定位可以實現複雜的大範圍定位，但精度只能達到2米左右，無法做到精準定位。因此適用於對人或者車的定位導航，可以於醫療機構、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。
代表公司有：WIFISLAM、Sensewhere、圖聚智能
另，地磁定位技術，是利用室內不同位置的地磁場差異，來確定室內位置。與WiFi指紋類似，故不再作介紹。
慣性導航技術
這是一種純客戶端的技術，主要利用終端慣性傳感器，採集的運動數據，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等資訊，基於航位推測法，經過各種運算，得到物體的位置資訊。
隨著行走時間增加，慣性導航定位的誤差，也在不斷累積。需要外界更高精度的數據源，對其進行校準。所以現在慣性導航，一般和WiFi指紋結合在一起， 每過一段時間，透過WiFi請求室內位置，以此來對MEMS產生的誤差進行修正。該技術目前的商用得也比較成熟，在掃地機器人中得到廣泛應用。
藍牙信標技術
藍牙信標技術目前部署的也比較多，也是相對比較成熟的技術。藍牙跟WiFi的區別不是太大，精度會比WiFi稍微高一點。
該技術最先由諾基亞最先發起，但影響不大。2013年，基於藍牙4.0低功耗協議（BLE）的iBeacon協議發佈，主要針對零售業應用，引起廣泛關注。
iBeacon藍牙信標技術的正常運作，需要藍牙信標硬體、智慧終端上的應用、雲端上的應用後台協同工作。
信標透過藍牙，向周圍廣播自身的ID，終端上的應用，在獲得附近信標的ID後，會採取相應行動，如從雲端後台拉取此ID對應的位置資訊、行銷資訊等。
終端可以測量其所在處的接收信號強度，以此估算與信標間的距離。因此，只要終端附近有三個或以上信標，就可以用三邊定位方法，計算出終端的位置。
大量創業公司，爭先恐後湧入iBeacon應用的開發和推廣。目前主要問題在於beacon電池更換，如果一個廠家部署了幾萬個beacon裝置，一年之後或者電池耗盡之後的電池，更換工作量是很繁重的。
代表公司：Estimote、尋息電子
另，ZigBee技術和藍牙類似，故不再作介紹。
RFID技術
RFID定位的基本原理是，透過一組固定的閱讀器，讀取目標RFID標籤的特徵資訊（如身份ID、接收信號強度等），同樣可以採用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法，確定標籤所在位置。
射頻辨識室內定位技術，作用距離很近，但它可以在幾毫秒內，得到釐米級定位精度的資訊，且由於電磁場非視距等優點，傳輸範圍很大，而且標識的體積比較小，造價比較低。但其不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便於整合到其他系統之中，且用戶的安全隱私保障，和國際標準化都不夠完善。
目前有大量成熟的商用定位方案，基於RFID技術，廣泛應用於緊急救援、資產管理、人員追蹤等領域。
紅外線技術
紅外線定位主要有兩種，具體實現方法，一種是將定位對象，附上一個會發射紅外線的電子標籤，透過室內安放的多個紅外傳感器，測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。
這種方法在空曠的室內，容易實現較高精度，可實現對紅外線輻射源的被動定位，但紅外線很容易被障礙物遮擋，傳輸距離也不長，因此需要大量密集部署傳感器，造成較高的硬體和施工成本。此外紅外線易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準確度下降。
該技術目前主要用於軍事上，對飛行器、坦克、導彈等紅外線輻射源的被動定位，此外也用於室內自走機器人的位置定位。
另一種紅外線定位的方法是紅外線織網，即透過多對發射器和接收器織成的紅外線網覆蓋待測空間，直接對運動目標，進行定位。
這種方式的優勢，在於不需要定位對象，攜帶任何終端或標籤，隱蔽性強，常用於安全監控領域。劣勢在於要實現精度較高的定位，需要部署大量紅外線接收和發射器，成本非常高，因此只有高等級的保全安控，才會採用此技術。
超音波技術
超音波定位主要採用反射式測距法，透過多邊定位等方法，確定物體位置，系統由一個主測距器，和若干接收器組成，主測距儀可放置在待測目標上，接收器固定於室內環境中。
定位時，向接收器發射同頻率的信號，接收器接收後，又反射傳輸給主測距器，根據回波和發射波的時間差，計算出距離，從而確定位置。
超音波定位整體定位精度較高，結構簡單，但超音波受多徑效應和非視距傳播影響很大，且超音波頻率受多普勒效應，和溫度影響，同時也需要大量基礎硬體設施，成本較高。
代表公司：Shopkick
超寬頻技術
超寬頻（UWB）定位技術，利用事先佈置好的已知位置的錨節點和橋節點，與新加入的盲節點進行通訊，並利用三角定位，或者「指紋」定位方式來確定位置。
從技術上看，無論是從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度來分析，UWB無疑是最理想的工業定位技術之一。
UWB其他幾種技術的綜合比較：
不過UWB的劣勢也很突出，一方面難以實現大範圍室內覆蓋，另一方面系統建設成本，遠高於RFID、藍牙信標等技術，這也限制了該技術的推廣和普及。
代表公司：Ubisense、中海達子公司聯睿電子、清華系公司清研訊科。
LED可見光技術
可見光是一個新興領域，透過對每個 LED 燈進行編碼，將 ID調制在燈光上，燈會不斷發射自己的ID，透過利用手機的前置攝影機，來辨識這些編碼。利用所獲取的辨識資訊，在地圖數據庫中，確定對應的位置資訊，完成定位。
根據燈光到達的角度，進一步細化定位的結果，高通公司做到了釐米級定位精度。由於不需要額外部署基礎設施，終端數量的擴大，對性能沒有任何的影響，並且可以達到一個非常高的精度，該技術被高通公司所看好。
目前，可見光技術在北美有很多商場，已經在部署。用戶下載應用後，到達商場裡的某一個貨架，透過檢測貨架周圍的燈光，即可知曉具體位置，商家在透過這樣的方法，向消費者推動商品的折扣等資訊。
代表企業：華策光通信
3、技術融合是趨勢
室內定位技術處在不斷的發展中，是當前熱門研究領域，有著良好的應用前景。不過，當前還缺乏特別大規模的商用案例。行業主要存在以下難點：
1. 室內環境複雜
室內環境佈局複雜多變，障礙物很多，包括傢具、房間和行人等。同時室內環境干擾源多，燈光、溫度、聲音等干擾源，都會對定位造成一定影響。
2. 缺乏統一的規範
室內定位技術眾多，各種技術都有自己的局限性，彼此間又在一定程度上，存在互相競爭。市場相對混亂，極大地影響了室內定位行業的發展。
如室外定位衛星定位，成為事實上的標準，目前沒有其他技術，可以和衛星定位進行競爭。
3. 精度與成本難以兼顧
目前的高精度室內定位技術，均需要比較昂貴的額外輔助設備，或前期大量的人工處理，這些都大大限制了，技術的推廣普及。低成本的定位技術，則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎上，降低成本也是室內定位的一個方向。
天下大勢，分久必合，合久必分。目前，室內定位技術實在太多，已嚴重阻礙行業發展，未來的趨勢一定是多種技術融合使用，實現優勢互補，以面對複雜環境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術越容易普及。
