干货！物联网十大室内定位技术原理解析

2017 年 11 月 9 日 物联网智库

来源：全球物联网观察

物联网智库整理发布

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------ 【导读】 ------

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中，先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世，解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天，室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然，却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

东晋高僧法显西行求法乘船回国时写道：大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。大意就是说，大海辽阔无边，分不清东西南北，只能看星星，盼月亮来进行定位。

起源

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中，先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世，解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天，室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然，却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

在医院，即使有楼层分布图以及引导标志，但看病的大部分时间仍然会浪费在寻找科室上。在停车场，找不着停车位而四处乱转的人也比比皆是。

在越来越迫切的需求下，近年室内定位引起了高度的关注。

室内定位顾名思义就是在室内环境中实现定位。其意义，诺基亚在多年前阐述他们为什么要做室内定位时，把问题说得很明白了。

数据来源：诺基亚

卫星无法在室内定位，人们大部分的时间又在室内度过，而相关服务并未普及，可以说室内定位隐藏着巨大商机。

商业应用中，根据不同的应用场景，室内定位技术又分消费级和工业级。

消费市场应用有：商场导购、停车场反向寻车、家人防走散等。对定位精度要求不高，1m的精度已经可以满足大多数应用，不过它要求系统兼容现已普及的移动智能终端。

企业市场应用有：人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等。工业级技术的定位精度要求更高，要区分操作对象、人群中的个人等，与专用标签和传感器配套使用，一般不考虑与现有智能终端的兼容性。

技术门派

与室外卫星定位一统天下的情况不一样，室内定位各种技术呈现出百花齐放的场景。

室内定位百花齐放

室内定位的商业价值跟精度成正比。当精度是3-5米的时候，能判定你是站在7-11便利店门口还是杰克琼斯门口。当精度是1米的时候，则能判定你是站在可口可乐的货架前还是杜蕾斯的货架前。

目前，室内定位常用的定位方法，从原理上来说，主要分为：邻近探测法、质心法、极点法、多边定位法、指纹法和航位推算法。

主要室内定位方法对比

定位方法	描述	应用案例	特点
邻近探测法	通过一些有范围限制的物理信号的接收，从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近。	基站定位	操作简单，精度不高，依赖参考点分布密度
质心定位法	根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标位置，计算其质心坐标作为移动设备的坐标	基站定位	精度不高，依赖参考点分布密度
多边定位法	通过测量待测目标到已知参考点之间的距离，从而确定待测目标的位置。	超声波	精度高，应用广
极点法	测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定待测点的位置	激光扫描	测量简单，精度高，应用不广
指纹定位	在定位空间中建立指纹数据库，通过将实际信息与数据库中的参数进行对比来实现定位	地磁	精度高，前期工作大，不适合环境变化区域
航位推算法	根据预先确定的位置、估计或已知的速度和时间来估计当前的位置	惯性导航	数据稳定，无依赖，误差随时间积累
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各种原理各有优劣，在不同应用场景、不同预算要求下，也可将不同的原理组合使用。主流技术有以下几种：

WiFi定位技术

目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术，这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。

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（三边定位），提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此不需要再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。

不过，WiFi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集，事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。

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由于采集工作需要大量的人员来进行，并且要定期进行维护，技术难以扩展，很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。

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，可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

代表公司有：WIFISLAM、Sensewhere、图聚智能

另，地磁定位技术是利用室内不同位置的地磁场差异，来确定室内位置。与WiFi指纹类似，故不再作介绍。

惯性导航技术

这是一种纯客户端的技术，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。该技术目前的商用得也比较成熟，在扫地机器人中得到广泛应用。

蓝牙信标技术

蓝牙信标技术目前部署的也比较多，也是相对比较成熟的技术。蓝牙跟WiFi的区别不是太大，精度会比WiFi稍微高一点。

该技术最先由诺基亚最先发起，但影响不大。2013年，苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议（BLE）的iBeacon协议，主要针对零售业应用，引起广泛关注。

iBeacon蓝牙信标技术的正常运作，需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作。

信标通过蓝牙向周围广播自身的ID，终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动，如从云端后台拉取此ID对应的位置信息、营销资讯等。终端可以测量其所在处的接收信号强度，以此估算与信标间的距离。因此，只要终端附近有三个或以上信标，就可以用三边定位方法计算出终端的位置。

在苹果强大的号召力影响下，大量创业公司争先恐后涌入iBeacon应用的开发和推广。目前主要问题在于beacon电池更换，如果一个厂家部署了几万个beacon装置，一年之后或者电池耗尽之后的电池更换工作量是很繁重的。

代表公司：Estimote、寻息电子

另，ZigBee技术和蓝牙类似，故不再作介绍。

RFID技术

RFID定位的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等），同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术，广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。

红外技术

红外定位主要有两种具体实现方法，一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度，从而计算出对象所在的位置。

这种方法在空旷的室内容易实现较高精度，可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡，传输距离也不长，因此需要大量密集部署传感器，造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰，造成定位精度和准确度下降。

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，此外也用于室内自走机器人的位置定位。

另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。

这种方式的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。

超声波技术

超声波定位主要采用反射式测距法，通过多边定位等方法确定物体位置，系统由一个主测距器和若干接收器组成，主测距仪可放置在待测目标上，接收器固定于室内环境中。定位时，向接收器发射同频率的信号，接收器接收后又反射传输给主测距器，根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置。

超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高。

代表公司：Shopkick

超宽带技术

超宽带（UWB）定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

从技术上看，无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析，UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。

UWB其他几种技术的综合比较：

不过UWB的劣势也很突出，一方面难以实现大范围室内覆盖，另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术，这也限制了该技术的推广和普及。

代表公司：Ubisense、中海达子公司联睿电子、清华系公司清研讯科。

LED可见光技术

可见光是一个新兴领域，通过对每个LED灯进行编码，将ID调制在灯光上，灯会不断发射自己的ID，通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位。

根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果，高通公司做到了厘米级定位精度。由于不需要额外部署基础设施，终端数量的扩大对性能没有任何的影响，并且可以达到一个非常高的精度，该技术被高通公司所看好。

目前，可见光技术在北美有很多商场已经在部署。用户下载应用后，到达商场里的某一个货架，通过检测货架周围的灯光即可知晓具体位置，商家在通过这样的方法向消费者推动商品的折扣等信息。

代表企业：华策光通信

技术融合是趋势

室内定位技术处在不断的发展中，是当前热门研究领域，有着良好的应用前景。不过，当前还缺乏特别大规模的商用案例。行业主要存在以下难点：

1. 室内环境复杂

室内环境布局复杂多变，障碍物很多，包括家具、房间和行人等。同时室内环境干扰源多，灯光、温度、声音等干扰源都会对定位造成一定影响。

各技术综合比较

技术	成本	优点	劣势
WiFi	低	网络广泛、通信能力强	易受环境干扰
RFID	中	成本不高、精度高	标识没有通信能力、距离短
蓝牙	低	设备体积小、易集成、易普及	传播距离短、稳定性差
惯性	低	不依赖外部环境	存在累计误差、不适合长期使用
红外线	高	精度高	直线视距、传输距离短、易干扰
超声波	高	精度高	受环境温度影响、传输距离短
UWB	高	精度高、穿透性强	成本高、覆盖范围小
可见光	高	通讯速率高、抗干扰能力强	覆盖范围小
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