在本文中，我們將比較用于不同類型物聯網應用的各種無線連接方案，和介紹另一項流行的物聯網應用：室內導航。

什么是室內導航？

室內導航解決方案（也稱為尋路解決方案）一般用于GPS無法正常運行的室內環境。在更詳細地研究室內導航解決方案之前，我們需要先定義一些高層次概念。

通常情況下，我們用“位置服務”這一術語概述與位置有關的解決方案。位置服務可以分為兩大類：

接近類解決方案：兩種方案中較簡單的方案，通過使用一種或多種技術確定兩個設備的相對位置。

定位系統：用于確定設備的物理位置，需要部署更復雜的基礎設施。

接近解決方案可以細分成兩類（如上圖左側所示）：

尋物解決方案：尋物解決方案的一個例子是尋物標簽，它附在鑰匙鏈、行李、遙控器和其他個人物品上，以便在物品放錯位置或丟失時追蹤和定位物品。

地標信息系統：當用戶位于位置固定的設備附近時，地標信息系統會通過智能手機向用戶顯示相關信息。例如當用戶在逛購物中心時，一旦接近購物中心移動應用中所銷售的商品，用戶的智能手機就會收到通知。

定位系統可以細分成兩類（如上圖右側所示）：

實時定位系統（RTLS）：用于資產追蹤以及設施內人員追蹤。RTLS解決方案是一套以網絡為中心的系統，可以追蹤位置并向后臺服務器報告位置，后臺服務器向用戶提供這些信息。一般情況下，設備本身并不知道其位置。

此類解決方案可以定位和追蹤倉庫中的托盤、叉車和工人或醫院中超聲儀和患者的位置等，從而幫助確保人員和設施的安全，并優化緊急情況下的響應時間。

室內定位系統（IPS）：IPS解決方案與RTLS解決方案的工作方式相反 —— 該系統以設備為中心，設備知道自身位置并向設備用戶報告位置（通常通過智能手機應用程序）。室內定位系統包括各場所中的室內導航，如機場、博物館、購物中心、主題公園、醫療設施、會議中心等。

IPS解決方案示例包括室內導航系統（尋路）和自動導引車輛（Automated Guided Vehicles，AGV）。本文將重點介紹室內導航（尋路）系統。我們現在已經介紹了高層次位置服務概念，下面就來了解一下室內導航的一般設計理念。

室內導航系統背后的基本原理是利用無線技術確定用戶在區域內的位置，并將該位置在智能手機應用內的地圖上呈現出來，這樣用戶就能夠瀏覽周邊區域。

根據所使用的一種或多種技術，可以使用不同的方法和計算來確定用戶的位置。大多數方法使用RSSI測量值或TOF測距方法（Time of Flight，中文譯為“飛行時間測距法”），通過多邊測量法或三角測量法計算來確定用戶的位置。

多邊測量法的基本概念是根據物體與多個固定位置站點之間的多個距離計算值來確定物體的位置。

三邊測量法是該領域中常用的另一個術語，指結合使用多邊測量與三個已測距的已知固定點來計算移動物體的位置。

三角測量法則通過測量角度來確定位置和到固定站點的距離。

另一項更先進的技術是無線電尋向。這項技術是一種確定接收信號發射方向的方法。無線電尋向自二十世紀初以來一直用于實踐，為從航空和航海導航到野生動植物追蹤等各類系統提供支持。尋向的定位計算精度比多邊測量法和三角測量法更高，但通常成本也更高。

在一些應用中，室內導航系統還可以向后臺服務器報告所計算出的用戶位置，以便進行數據分析并提高空間的可用性。

室內導航有哪些優點？

一般情況下，室內導航具有以下優點：

在無法使用GPS的室內空間中為用戶提供更好的用戶體驗

提高商業建筑內工人的工作效率

改善擁堵區域的交通流量

幫助用戶在設施內找到彼此

推進智能建筑的運作和改善

利用采集的位置數據優化工作流程，從而提高空間的可用性

室內導航能夠提供的優點取決于相關特定應用的目標，利用室內導航的應用實例包括：

機場

博物館

購物中心和超市

主題公園

醫療機構

會議中心

餐廳

將無線技術用于室內導航時需要考慮的關鍵屬性

將無線技術用于室內導航時，需要考慮下列的關鍵屬性：

可擴展性

隱私和安全

定位分辨率（準確度和延遲）

普遍性和普及度

比較：最適合用于室內導航的無線技術

最適合用于室內導航應用的無線技術有：

低功耗藍牙

超寬帶（UWB）

Wi-Fi

超聲波

下面我們一起來了解這些無線技術如何適合室內導航應用。

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低功耗藍牙

憑借多項優勢，低功耗藍牙是室內導航系統中最常用的無線技術。低功耗藍牙用于室內導航系統時所具有的一些關鍵優勢包括：

保障隱私和安全

在全球智能手機中的高普及度和普遍適用性

支持大規模部署

蘋果于2013年發布了iBeacon標準格式后，藍牙beacon便開始流行并應用于許多用例，尤其是在零售營銷和室內導航應用中。

低功耗藍牙beacon一直廣泛應用于室內導航系統解決方案。此類系統的基本原理是將藍牙beacon安裝在設施內的固定位置，并發送能夠被用戶智能手機接收的廣播數據包。然后，智能手機能夠基于從beacon處接收到的數據包中的RSSI來計算自己的位置，并且將計算出的位置顯示在用戶的地圖上。

2019年，藍牙核心規格5.1版本加入了一項激動人心的新功能 ——藍牙尋向。基于這項新功能，低功耗藍牙設備可以基于出發角（AoD）和/或到達角（AoA）來提高藍牙設備的定位精度。正如前文提到的，提高精度通常需要付出更高的成本。

出發角方法一般更加適合室內導航。在該方法中，待確定方向的設備（例如IPS解決方案中的定位beacon）使用排列成陣列的多根天線發送特殊信號。接收設備（例如同一IPS解決方案中的移動電話）配備單根天線。當來自發送設備的多個信號穿越接收設備中的天線時，接收設備就會采集IQ樣本并基于IQ樣本數據計算相對信號方向。

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超寬帶（UWB）

超寬帶是一種短距離無線電技術，常用于室內導航系統。UWB的運行頻率范圍是3.1到10.6 GHz，帶寬至少為500 MHz。

基于UWB的室內定位系統與低功耗藍牙beacon解決方案的不同之處在于，UWB利用TOF測距方法，而非RSSI測量值來估算距離（該距離會被用于三邊測量計算以確定設備位置）。

這種方法的基本原理是根據以下兩個數值來計算從一個設備到另一個設備的距離：

（1）信號從發射器傳播到接收器所花費的時間；

（2）信號速度。最后將這些數值用于三邊測量法，確定目標設備的位置。

以下是UWB室內定位系統的優點：

由于運行頻帶范圍極寬，因此精度高于其他技術中使用的RSSI技術（任何無線電信號飛行時間的測量都與其帶寬相關）

憑借UWB信號的低發射功率和短發射持續時間，可以減少對其他信號的干擾

缺點包括：

成本高昂，有時令人望而卻步

在智能手機和主流設備中的普及度不夠，并且由于該解決方案要求用戶佩戴專用的UWB標簽（或腕帶），有可能影響系統的可用性和用戶體驗

缺乏全球統一的規范化標準

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Wi-Fi

可以用于室內導航系統的另一種無線技術是Wi-Fi。Wi-Fi的主要優勢在于其無處不在的基礎設施。在許多情況下，選擇Wi-Fi用于室內導航似乎簡單便捷，但它有一些嚴重的缺點，包括：

精度較低

當需要支持以設備為中心的應用時，與Android相比，對iOS設備的支持有限（或不支持）

在基于網絡的應用中，需要專用的硬件，可能會導致高昂的部署成本

使用Wi-Fi的解決方案不一定需要連接到定位器節點/接入點，但不基于連接的解決方案會影響系統的精度和延遲時間。此類系統中使用的兩個主要參數是：

RSSI – 用于近似距離計算

MAC地址–用于設備識別

RSSI測量法可以與三邊測量法一起使用，從而確定設備在空間中的大致位置。通過Wi-Fi確定位置的另一個方法是位置指紋識別。它能通過歷史RSSI信息以及已知位置來更準確地確定設備的位置。

TOF測距方法有時也會被用于WiFi室內導航。其基本理念是使用無線接口提供的時間戳來計算信號的飛行時間，然后使用該信息估算一個客戶端設備相對于接入點的距離和相對位置。TOF測距方法需要在設備與本地Wi-Fi網絡之間建立連接，這可能會損害隱私和安全并帶來可擴展性方面的問題。

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超聲波

超聲波技術使用聲波以20 kHz以上的頻率傳輸數字數據。用于室內導航系統的超聲波技術使用TOF計算值探測物體的位置。同時使用TOF與三邊測量法可以將物體位置探測精度提高至幾厘米。

與無線電信號不同，超聲波信號一般會被空間中的墻壁和物體阻擋。在室內導航中，這一特點有了用武之地 —— 它可以確定設備在某個房間內的精確位置。

超聲波室內導航系統除了需要貼在導航用戶身上的標簽外，還需要在設施內部署定位設備。

現在，讓我們根據所列出的關鍵屬性來比較這幾種最常用的技術：

后續討論

請注意，一些室內導航應用可能更適合使用上述技術中的一種或多種技術組合，而不是某一項無線技術。

除了使用RSSI、TOF和其他方法確定位置外，室內導航系統還可以通過先進的軟件算法和傳感器融合（使用來自多個傳感器的測量值）來提高定位計算的精度。

責任編輯：xj

原文標題：物聯網應用的無線連接選項——室內導航

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