什么是实时定位系统？| 实时定位系统简介

什么是实时定位系统？| 实时定位系统简介

1. 什么是实时定位系统？

2. RTLS 覆盖选项

3. 哪些技术可用于 RTLS？

4. 收到的数据和粒度

什么是实时定位系统？

RTLS 代表实时定位系统，是指任何能够准确确定物品或人员位置的系统。RTLS 不是特定类型的系统或技术，而是可以通过各种用于定位和管理资产的系统来实现的目标。

RTLS 的一个重要方面是跟踪资产的时间，并且可以根据应用程序以不同的方式使用此数据。例如，某些应用程序仅在资产经过某个区域时需要时间戳，而其他 RTLS 应用程序则需要更精细的可见性，并且需要不断更新时间数据。理想的实时定位系统可以准确定位、跟踪和管理资产、库存或人员，并帮助公司根据收集的位置数据做出明智的决策。

RTLS 在许多行业中都有使用，具有特定的应用程序，例如员工跟踪和高价值资产跟踪。这些应用可以在制造业和采矿业中找到，但在医疗保健行业中最为突出。

RTLS 系统的组成部分

所有 RTLS 应用程序都由几个基本组件组成：应答器、接收器以及用于解释每个组件数据的软件。系统的复杂性、所选技术和应用范围将决定创建理想 RTLS 所需的硬件和软件数量。

用于 RTLS 的每种技术都使用自己的术语。以下是广泛的术语，可帮助您总体了解系统中的项目及其角色：

¡  应答器

应答器附着在物品或人上，以便唯 一地识别该物品或人。应答器通常从接收器接收信号并以其唯 一的ID进行响应，但如果它包含内部电源，它也可以发送初始信号。

根据技术类型和应用目标，应答器可以：

l  射频识别 (RFID) 标签

l  蓝牙信标

l  智能设备

l  无线网络标签

l  全球导航卫星系统 (GNSS)标签

l  超声波标签

l  红外线标签

¡  接收器

接收器是一种硬件，其电源连接到网络，用于发送和接收来自应答器的信号。然后接收器将收集到的数据转发到后端主机或数据库。在某些系统中，接收器可以是现有的基础设施，但在其他系统中，必须购买接收器并将其合并到应用程序环境中。

根据技术类型和应用目标，硬件可以是：

l  位置传感器

l  接入点

l  接收器

l  信标（取决于模式）

l  智能设备（取决于模式）

¡  软件

这些系统中的软件复杂程度各不相同，从集成在接收器硬件上的简单软件到多个软件实例，例如主机上的定位引擎软件、中间件和应用软件。可以组合软件来创建系统所需的功能。RTLS 应用中使用三种主要类型：

l  固件- 驻留在硬件上的软件

l  软件或应用软件- 驻留在后端计算机或服务器上的软件

l  中间件——用于连接固件和应用软件

RTLS 覆盖选项

RTLS 功能和读取范围因一种技术和设置而异。例如，具有最长读取范围的系统 GNSS (GPS) 可以提供世界任何地方的物品的实时位置，因为接收器是绕地球运行的卫星。其他读取范围较短的技术（例如UHF 无源 RFID）可以提供建筑物或区域内的位置。以下是使用 RTLS 可实现的不同覆盖级别。请注意，根据所选择的技术、接收器和/或标签的数量、和/或所选择的定位方法的类型，可以使用这些覆盖选项中的每一个来实现增加的粒度。

广域覆盖- 通常是指使用全球坐标在全球范围内定位物品或人员。
应用示例：定位穿越海洋或陆地且内部装有贵重机械的货物集装箱。

本地区域覆盖- 通常是指在同一区域的建筑物或设施内定位物品或人员。
应用示例：在公司大楼内定位IT 资产。

分区覆盖——一般是指根据读取范围，间隔设置硬件，在设定区域（即较大区域的房间、办公室）内定位物品或人员。
应用示例：在医院内放置高价值氧气罐。

阻塞点- 一般指物品或人员为了进行正常业务必须经过的区域（即门口、走廊、入口/出口）。通常宽度较小，以适应某些技术的读取范围。
应用示例：确定仓库中托盘与制成品存储的区域。

哪些技术可用于 RTLS？

实施 RTLS 时，选择正确的技术来满足应用程序的需求非常重要。本文将重点介绍用于成功实现 RTLS 应用的最流行的技术。

¡  蓝牙低功耗

低功耗蓝牙 (BLE) 用于 RTLS 功能。BLE 标签，也称为信标，可以设置为不断向周围区域广播信号。这些信号可以被任何具有蓝牙功能的设备接收，例如蓝牙接收器、其他 BLE 标签和信标或智能设备。使用 BLE 的 RTLS 可以通过安装在固定位置并分配特定坐标的信标或蓝牙接收器进行设置。例如，当 BLE 应答器进入接收器区域时，应答器会将其位置传达给接收器。然后可以通过 Wi-Fi 信号将该响应发送到 BLE 网关，BLE 网关记录该数据并将其发送到主机或网络/云数据库。

基础级系统部件：

l  BLE 标签/信标 - 由接收器信号、电池或智能设备供电

l  BLE 接收器/蓝牙接入点

l  低功耗蓝牙网关

l  主机或网络/云数据库

最适合：区域覆盖；阻塞点覆盖
优点：可以使用蓝牙设备；标准化技术；遥测选项
缺点：信号易受干扰。复杂工业环境不适用

¡  全球导航卫星系统/全球定位系统

GNSS，即全球导航卫星系统，是一种在全球范围内提供大范围覆盖的卫星系统。GNSS 通常被称为GPS，因为美国的 NAVSTAR GPS 卫星系统是最著名的 GNSS 导航或定位卫星系统。使用 GNSS 进行 RTLS 可以通过使用 GNSS 标签来标记资产来完成，这些标签也具有 Wi-Fi、蓝牙或蜂窝连接。绕地球运行的卫星不断发出用其轨道位置信息和精 确原子钟的时间戳调制的无线电波。GNSS 标签或智能设备从至少 4 颗卫星接收这些信号，并使用该数据根据全球坐标计算标签自身的位置。然后可以使用标签上的辅助技术（例如 Wi-Fi）将这些坐标发送到主机或网络/云数据库。

基础级系统部件：

l  GNSS 标签 - 由电池供电；智能设备

l  接收器 - GNSS 接收器；智能设备

l  主机或网络/云数据库

最适合：广域覆盖、局域覆盖
优点：只需标签成本；遥测选项
缺点：仅限室外跟踪；标签耗电大

¡  红外辐射

顾名思义，红外辐射存在于电磁频谱中，低于人眼可检测到的可见光。这种较低的频率存在一定的局限性，例如红外波无法穿过墙壁等固体物体。然而，这非常适合覆盖各个区域和房间。红外标签可以与 Wi-Fi 或蓝牙等其他技术配对，以在大范围内提供更高的准确性。红外标签使用小型电池将以其唯 一 ID 调制的信号发送到房间或区域。红外接收器安装在固定位置，接收标签的信号和唯 一 ID，并通过 Wi-Fi 或 LAN 连接将数据转发到主机或网络/云数据库。

基础级系统部件：

l  红外标签 - 由电池供电

l  接收器 - 红外接收器

l  主机或网络/云数据库

最适合：区域覆盖
优点：低成本; 非常适合房间级精度
缺点：范围低；密集物品会导致多路径问题；无标准

¡  无源射频识别

无源超高频 (UHF) RFID可以通过不同方式使用来提高 RTLS 效率。实现这一目标的最简单方法是覆盖房间或建筑物入口/出口处的阻塞点。通过在阻塞点位置安装硬件（即 RFID 读取器和天线）并使用 RFID 标签标记资产，可以清楚地了解特定读取时间的物品位置。通过划分房间或区域并策略性地放置 RFID 天线以向该区域中的标记资产发送信号，可以实现区域覆盖。此外，与大多数其他 RTLS 技术一样，可以在区域或房间内采取更精细的方法，每隔几米安装一次天线并使用三边测量来确定标记资产的确切位置。

基础级系统部件：

l  RFID 标签 - 由发射的接收器信号供电

l  接收器 - RFID 读取器和 RFID 天线

l  主机或网络/云数据库

最适合：阻塞点覆盖；区域覆盖；局部区域覆盖的
优点：标签价格便宜；设置选项；标准化技术的
缺点： 金属和水的干扰；多路径，距离短

¡  有源射频识别

有源 UHF RFID通常用于大型户外环境中的 RTLS。根据设置的不同，有源 RFID 的读取范围可以达到数百米。有源 RFID 标签不像无源 RFID 那样等待阅读器发送信号来为标签供电，而是包含电池以实现连续信号广播。标签广播之间的间隔时间可以根据制造商的选项进行设置。标签通常会发送其唯 一的 ID 以及已编程的任何附加信息，例如信号强度或环境测量等指示器。固定阅读器（相应间隔）或移动阅读器接收此信息并记录位置指示器，使它们能够向主机或网络/云数据库提供详细位置。

基础级系统部件：

l  RFID 标签 - 由电池供电

l  接收器 - RFID 读取器和 RFID 天线

l  主机或网络/云数据库

最适合：局部区域覆盖；区域覆盖
优点：适合户外使用的坚固标签；遥测选项
缺点：昂贵的标签和硬件；有源 RFID 没有标准

¡  超声波辐射

超声波辐射与红外辐射具有类似的局限性，因为信号无法穿透墙壁或其他密集物体，因此非常适合房间级定位。两者之间的区别在于，超声信号是声信号，必须由带有调谐到超声频段的麦克风的接收器拾取。在超声波系统中，带有小电池的标签将其独特的 ID 信号发送到房间内的接收器。一旦接收器听到信号，就会根据信号中传输的唯 一 ID 创建数据文件，并将该数据发送到主机或网络/云数据库。

基础级系统部件：

l  超声波标签 - 由电池供电

l  超声波接收器 - 麦克风接收器

l  主机或网络/云数据库

最适合：区域覆盖
优点：非常适合房间级精度
缺点：范围低；墙壁等密集物体会导致多路径问题；无标准

¡  超宽带

超宽带技术 (UWB) 的功能与有源 RFID 类似，即标签不断向环境中发送射频能量以供接收器接收。在具有许多标签的较大环境中，接收器以更大的间隔放置，子接收器位于其间以提高准确性。来自标签的信号极短，并获得标签的唯 一ID。接收器将该信息转发到主机或网络/云数据库，其中软件根据定位指示器计算/计算位置。UWB 在房间级和区域级的基础上具有很高的精 确度，并且由于其传输短而窄，可以计算出几厘米以内的位置。

基础级系统部件：

l  UWB 标签 - 由电池供电

l  UWB 接收器 - 接收器；子接收器

l  主机或网络/云数据库

最适合：区域覆盖
优点：高精度；能够减轻金属和水的干扰；不干扰其他射频系统
缺点：可能需要布线；基于接收器和子接收器数量的高成本

¡  视觉Vision

通过图像和摄像头来监控物品和人员，基于视觉的系统使用高端相机来检测和识别物品位置。配备 Wi-Fi 或蓝牙等附加技术的相机可以将这些图像或图像数据和时间戳发送到主机或网络/云数据库。基于视觉的系统可以提供不同类型的精度，具体取决于相机的图像质量、环境中的照明和可见度以及相机与物品/人之间的距离。

基础级系统部件：

l  由电池或插座供电的摄像机

l  主机或网络/云数据库

最适合：区域覆盖；本地覆盖
优点：无需标签；硬件易于部署
缺点：基础设施成本高；如果所有物品在视觉上都相同，系统将需要另一种技术来提供唯 一的 ID

¡  Wi-Fi

基于 Wi-Fi 的定位系统很受欢迎，因为无需太多额外的硬件成本即可利用现有的 Wi-Fi 接入点。Wi-Fi 标签或具有内部 Wi-Fi 无线电的智能设备可以向该区域内的 Wi-Fi 接入点发送信号，反之亦然。根据 Wi-Fi 接入点的数量，可以使用多个定位指示器来计算距接入点的距离。与其他 RTLS 技术一样，如果多个接入点接收信号，一旦数据发送到主机或网络/云数据库，就可以使用三边测量更准确地给出物品位置。

基础级系统部件：

l  由电池或插座供电的摄像机

l  主机或网络/云数据库

最适合：局部区域覆盖；区域覆盖

优点：利用现有的 Wi-Fi 基础设施；多种设置选项；智能设备可以充当标签；标准化的

缺点：标签成本高；根据硬件和环境的不同，准确度也不同；功耗大

收到的数据和粒度

大多数用于 RTLS 的技术都会将其唯 一 ID 发送回接收器，并且在只需要相对区域覆盖或阻塞点覆盖的应用中，该信息足以发送回主机或数据库。在其他应用程序中，仅发回标签的唯 一 ID 不够精细，无法回答物品或人的位置。例如，为了提供精 确的位置坐标，GNSS 通过两种方式自动提供粒度：

1. 如果没有接收到至少三个卫星信号，GNSS 标签将不会报告其位置。这称为三边测量或多边测量。

2. 卫星发回信号时，除了卫星 ID 之外，还附带附加数据：精 确的轨道位置和时间戳。这些可以称为定位或位置指示器。

如果覆盖区域太大或者没有足够的接收器或标签来提供粒度，则可以放置位置指示器和/或多点定位以提供更高的准确性。

第 一：三边测量

为了实现上述覆盖级别之一的 RTLS，必须成功地使用正确的技术与正确的定位方法相结合，以确保准确性和精度。

如果多个接收器捕获标签的信号，所有技术都可以更准确地了解物品或人员的位置。如果多个接收器捕获标签的数据，则可以比较位置指示器以创建更准确的位置图片。

三边测量-三边测量是一种常用方法，用于计算三个固定点（通常是接收器）的已知坐标内的位置，并使用它们的固定位置或其他报告的指示器来缩小对象的位置范围。

三角测量- 通常被误认为三边测量，三角测量是使用两个或三个固定点（通常是接收器）之间的已知距离以及每个已知点与物品位置的角度来计算物品的位置。

多点定位- 多点定位使用与三边测量相同的计算和数据，但具有更固定的位置点（接收器）。三个以上位置点的添加进一步提高了对象位置的准确性和粒度。

第二：什么是位置指示器以及如何使用它们？

位置指示器是时间、角度或信号强度等测量值，可以由接收器计算或由标签捕获，以更准确地了解物品的位置。这些指标可以通过软件创建的专门算法以几种不同的方式收集和使用。以下是一些最常见的方法或算法，用于确定按位置指示器组织的位置：

时间

到达时间方法或 TOA

在此方法中，标签记录信号的开始时间 (t1)，然后记录接收器接收到信号的确切时间 (t2)，并使用软件计算经过的时间 (t2 - t1)。然后，标签将该数据连同标签的唯 一 ID 一起发送到主机/网络。仅当标签（或智能设备）具有内部时钟并且与接收器内的内部时钟同步时才能使用此方法。当与三到四个接收器和三边测量一起使用时，该方法可以提供更准确的定位。

到达时间距离方法或 TDOA

此方法不需要来自标签的信号的开始时间（不需要标签内部时钟），而是记录接收到的信号时间和唯 一ID，并将该信息发送到主机/网络。这种方法也称为 TDOA，依赖于现场的许多标签和位置传感器，以及应用软件或中间件的强大处理能力。该方法根据从每个唯 一标签 ID 接收到的信号时间提供位置，并使用多点或三边测量来提供精 确位置。

飞行时间法或 TOF

此方法与 TOA 方法相当，因为两者都使用发送信号的时间 (t1) 和接收信号的时间 (t2) 来计算发送到主机/网络所用的时间。与飞行时间（TOF）方法的区别在于，始发信号是从读取器/接收器发送的，因此信号的时间戳要么是预先确定的且已知的，要么被调制到发送至标签的信号中。然后标签记录信号到达的时间，解调信号（如果需要），并计算接收器和标签之间的飞行时间（t2 - t1）。与TOA方法类似，TOF方法要求标签具有内部时钟。

往返时间法或 RTT

此方法与 TOA 和 TOF 方法相当，因为这三种方法都使用发送信号的时间 (t1) 和接收信号的时间 (t2) 来计算发送到主机/网络所用的时间。与RTT方法的区别在于它计算往返时间。原始信号从读取器/接收器发送，并记录接收器发送信号的时间。然后，它将从标签接收信号的时间、信号的起始时间以及标签的唯 一 ID 发送回主机/网络。与TDOA方法类似，TOF方法不要求标签具有内部时钟。

角度

到达角法或 AOA

此方法通常与两个或多个接收器一起使用，并且了解每个接收器的位置、角度和方向。每个接收器还必须有一个固定的参考方向，如北、南、东或西。接收器既接收标签的信号，又计算相对于已知固定参考方向的角度。然后，他们将此信息发送回主机/网络，主机/网络使用每个接收器的已知位置来准确计算标签的位置。接收标签相对于固定方向的角度的接收器越多，物品的位置就越精 确。

信号强度

接收信号强度指示器 (RSSI) 方法

该方法通常与RFID和其他相关技术一起使用。RSSI值是接收器计算出的标签返回信号的信号强度。如果标签具有板载计算能力，则还可以计算信号的每个部分（从接收器到标签以及标签到接收器）的 RSSI 值。

带有三边测量和位置指示器的 RTLS 示例

X 公司在仓库中存放已退回维修或更换的高价值设备。每台设备的成本从 1,000 美元到 10,000 美元不等，有些设备是针对特定客户进行手动校准的。由于这是 X 公司在北美唯 一的维修仓库，因此所有有问题的设备都被发送到该地点，这意味着 X 公司现场可能有数百件资产。

每件设备必须在收到时贴上标签，并记录客户姓名、设备类型、设备使用、问题/设备问题、接收日期等信息。X 公司决定使用无源 RFID，因为仓库已经设置在区域中以及一次性标签的实惠价格。

X公司的仓库被分成两半，其中5,000平方英尺是车间，另外5,000平方英尺是有缺陷设备的货架。X 公司已经拥有 5 个“区域”，每个区域面积为 1,000 平方英尺，长和宽大约为 32 英尺。由于想省钱，X 公司决定每个区域仅使用两个高功率RFID 读取器，并结合一个天线集线器为每个 13 个RFID 天线供电，总共 26 个天线均匀分布在整个读取区域。为了让 X 公司更详细地了解资产的位置，读取器经过编程，可将每个标签的唯 一 ID 和RSSI 测量值发送到云数据库。由于天线在读取区域重叠，因此需要至少三次读取和相应的 RSSI 值才能给出准确的位置。一旦标签被查询，三个天线就会读取标签的唯 一 ID 并将 RSSI 值发送到数据库。该软件接收该信息，并在自定义算法的帮助下，向技术人员提供以英寸为单位的位置。

然后，技术人员可以根据手持电脑上的应用软件前往特定区域和区域，并能够找到需要维修的产品。