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      從AirTag說起,聊聊未來的室內定位技術
      劉延 于 2021.04.29 12:04:02 | 源自:www.njhuierpuwx.cn | 版權:特約 | 平均/總評分:08.36/117
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      最近發布會上,蘋果發布了難產已久的AirTag,價錢算不上便宜,但卻用來解決一個問題:物品的室內定位。根據蘋果官網說明AirTag采用了藍牙+UWB技術實現室內定位,采用藍牙技術用于近距離感應查找,UWB技術用于精確查找。

    1. 室外定位技術已經非常成熟了——基站可以粗略定位,民用GPS/北斗可以精確到米級,外加手機陀螺儀的方向輔助判斷。室內定位一直是個老大難的問題,在大商場轉個身,人可能就找不見了。室內GPS信號搜索不到,實現米級定位就需要額外設備。目前主流應用方式即為UWB和藍牙,也就是AirTag上的兩種定位方式,除了這兩種以外,還有基站、Wi-Fi、vSLAM等方式。本文將對這些方式進行簡單介紹。

      UWB(超寬頻)定位

      UWB定位成本偏高、定位準確性高、芯片供應商少。這種定位方式我們在之前的科普文淺析超寬頻技術和應用《淺析超寬頻技術和應用 》[作者:劉延 ] 中已經闡述過了。其原理是:

      • 通過窄脈沖信號,UWB技術就可以實現類似于實現高精度定位,其實現的原理ToF+GPS。簡單點說,手機發射信號,用于監測的小型基站接收信號,通過信號到達不同監測點的單元時間差,對于無線信號發射源進行定位。只要在室內有三個基站,就可以通過到達時間差方式進行定位。

      這種定位方式的主要問題是,芯片供應商少且相對貴,待機功率相對有點高。UWB芯片畢竟還是屬于寬帶通信,相較于目前主流低功耗的窄帶的藍牙,其功率相對較高。目前UWB芯片能規模化量產的主要只有三家:蘋果、NXP、Decawave(現已被Qorvo收購),包括NXP和Decawave以內的其他UWB芯片設計廠商,目前設計中的UWB芯片工藝也都停留在22-28nm的平面工藝上,而主流產品還在65-90nm制程的成熟工藝。畢竟還是不如果子有錢。為了降低功耗,財大氣粗的蘋果喪心病狂地給U1芯片上了14nm FinFET工藝,也只能實現AirTag絕大部分時候采用藍牙定位,精確查找用UWB定位的功能。

      這兩個問題的結果是,UWB技術缺少消費級硬件支持。UWB定位技術成熟,卻難以在消費級市場大規模鋪開應用,目前主要應用于成本相對不敏感的監獄、醫院、看護等場所。蘋果也只能親自動手,重新設計芯片。但蘋果的封閉性,導致即使下游領域希望在室內增加UWB定位基站,也不能選擇現有NXP或是Decawave方案的工業級成熟產品,只能靜待蘋果開放授權。

      藍牙定位

      目前藍牙定位技術主要可以分為兩類,基于藍牙4.2和基于藍牙5.1。前者精度較低,方案成熟,成本也較低;后者從2019年才開始應用,精度較高,方案成熟度較低,但成本也較低。

    2. 相較于UWB定位,藍牙定位應用要廣泛的多。藍牙芯片供應商多,芯片便宜,且功耗低,一塊電池可以輕松待機一年甚至更長,而所有手機也都基本帶了藍牙功能,無需額外成本。比如,我在北京,共享單車在部分地區只能在指定地點停放,否則車會鎖不上,即使鎖上了也會收取額外調度費,我即使關掉手機,也依然會提示停放位置不正確。這種電子圍欄技術就是基于藍牙定位技術。

      基于藍牙4.2系列的藍牙定位技術準確度相對較低,通常精度在1-3米。

    3. 基于藍牙4.2系列的定位可以理解為基于距離的定位,即通過定位終端發射藍牙信號,在數個定位節點(信標,Beacon)測量藍牙信號強度,根據藍牙信號的強弱和定位節點的位置對終端定位,專業名詞叫RSSI。

      這種定位相對來說原理較為簡單,成本也較低。主要問題在定位精度,信標間距為6米時,定位精度只能達到2米,如果信標間距再大一倍達到12米時,定位精度只有5米了,其實用價值會大幅下降。AirTag日常也是使用這種技術,即通過周圍蘋果設備實現定位。

    4. 這種應用可以做一些對于精度要求相對較低的室內定位,例如地下停車場找車。

      基于藍牙5.1的AoA定位技術精度相對較高,可達分米級。

    5. AoA和AoD定位原理(來自https://www.silabs.com/wireless/bluetooth/bluetooth-5-1) 2019年1月,藍牙聯盟將藍牙AoA/AoD技術寫入了最新的藍牙5.1標準。目前主要應用于定位的,是對終端天線需求較低的AoA技術。

      AoA全名叫Angle of Arrival,到達角。這種定位技術是藍牙終端發射信號,而接收器通過多天線接受,因為各個天線到藍牙終端的距離不同,因此形成了相位差,通過相位差和天線距離,計算相互之間的角度關系,進而實現定位。這種方式最高能達到厘米級的定位,和UWB技術的理論值接近。

      藍牙AoA技術相較于UWB技術,其芯片供應商更多、下游終端普及更多。但由于相關技術在2019年才正式發布,其目前應用偏少,主要難點在于天線設計和距離算法,目前能提供解決方案的廠商并不多,因此要想普及可能還需要時間。海外走的最靠前的廠商叫Quuppa——來自芬蘭,前諾基亞團隊。國內也有一些初創型企業已經開始涉足這個領域。 這種技術指標上可以和UWB技術媲美,成本上更低,因此在醫院、監獄等場景已經開始應用了。受益于設備的普及和藍牙待機功耗低,這項技術也開始進入工業和商業場景,例如部分工業企業采用這種方式提升員工安全性,商業上北京SKP、國博就陸續采用了這種技術輔助室內定位。

      其他定位方式

      室內定位除了UWB和藍牙以外,還有4/5G基站定位、視覺定位、Wi-Fi定位。但這幾種都不是主流,簡單聊聊就行。

      基站定位

      在2020年凍結的R16標準中加入了5G NR基站定位技術,Multi-RTT定位。3G和4G年代,手機基站分布相對比較稀疏,但進入5G年代后,基站數量大增,理論上即可通過5G基站實現定位。其定位精度約為1/4~1/3站間距。可以簡單滿足商場人流量統計及個人基本定位導航需求。 但這種方式需要手機同時收到3個以上基站的精確波束,由于5G基站數量還是不夠密集,在目前難以大規模實現。

      視覺定位

      視覺定位叫做vSLAM(同步定位與地圖構建),即基于幾何圖像原理,通過攝像頭在不同角度的拍攝,形成場景的三維建模。這種最常見的應用,就是掃地機器人。如果選擇采用激光雷達,成本則會居高不下;如果選擇純攝像頭方案,其建模及算法要求會非常高,且定位效率偏低,目前主要用于偏工業場景,如自動小車(AGV,又叫AMR)、掃地機器人等。

      Wi-Fi定位

      Wi-Fi定位是實現原理是將室內劃分成n*m個小格子,然后依次記錄小格子內的數個路由器發出的Wi-Fi信號強度,即特征值。等手機進入這個地方以后,將測量出來的特征值和庫里的值比對,根據匹配算法得出終端位置。前期工作量巨大,后期場內有一點點變化,都會導致特征值變化,需要再重新采集一遍。因此Wi-Fi定位暫未普及。

    6. 總結

      AirTag巧妙的結合了藍牙和UWB的定位技術,用于物品防丟。但未來的定位技術可能遠不止于此,至少從目前來看,基于藍牙的定位技術正在快速普及。國內運營商和大廠們,也在根據自身情況,提升室內定位精度。希望室內定位能盡快普及,這樣去商場尋個吃的,就不用一家家看門牌號了。

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      現在停車場不少都有定位指示…………,門口的電腦屏幕上可以查到停車位置和示意圖。在我印象里一下就能想起來n家。
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      發表于2021.06.04 15:46:36
      41
      10
      1.充電寶,2.剪刀。解決的辦法可以是買更多剪刀和充電寶,以至于不會找不到。或者買airtag。
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      發表于2021.06.04 15:45:07
      40

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      發表于2021.05.30 23:19:48
      39
      114.242.249.***
      114.242.249.***
      發表于2021.05.22 21:54:57
      38
      想起來去各大商場地下車庫找車得痛苦!扔個這玩意就解決了!哈哈!
      發表于2021.05.11 12:39:17
      37
      AirTag最大的問題就是工作距離,經過我實測,在地下停車場,超過十米左右就完全定位不到AirTag,找車基本不具備實用性。
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      發表于2021.05.06 12:51:24
      36
      03
      35
      124.228.051.***
      124.228.051.***
      發表于2021.05.05 00:09:59
      34
      03
      能否說說RFID技術,這個成本估計最低吧?
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      發表于2021.05.04 19:16:04
      33
      120.227.028.***
      120.227.028.***
      發表于2021.05.03 04:11:53
      31
      060.013.239.***
      060.013.239.***
      發表于2021.05.02 11:52:48
      29
      068.014.066.***
      068.014.066.***
      發表于2021.05.02 11:25:43
      28
      03

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      發表于2021.05.01 20:55:31
      27
      03
      有了這種精準定位技術,以后美國佬暗殺效果更佳精準、更佳方便了!
      發表于2021.05.01 17:02:22
      26
      118.113.207.***
      118.113.207.***
      發表于2021.04.30 20:38:01
      25
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