近些年来会展规模越来越大,参展人数越来越多,使得办展的过程中也会遇到很多问题。特别是会展客流量大,展商不易快速统计意向客户,难以把握合作机会;而观众则在浩大的展馆中迷失方向,观展下来精疲力尽,并且展会影响因素众多,无法直观了解办展效果。

室内定位导航技术作为弥补传统定位导航系统在室内不能很好运行的缺陷而开发,采用室内定位导航系统,观众可以方便的获知当前位置,查找目标站台;展商可以获知那些观众在本展位停留时长从而分析其意向程度;展会主办方则可以通过观众参观轨迹、停留时长、热力图等对展会的现场管理和办展效果做出精确评估,进而做出改进。

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图:室内定位导航服务应用平台

室内定位导航服务是室内位置服务应用平台的核心组成部分;室内位置服务平台基于空间数据信息进行数据分析与服务,平台主要包括四个层面:感知层、数据层、处理层、服务层。

感知层

主要包括定位数据感知设备及其他数据感知设备。定位数据感知设备包括如WiFi、蓝牙、基站、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)及全球定位系统(global positioning system,GPS)等可用于定位的传感器;其他数据感知设备包括国际互联网(Internet)、销售点情报管理系统(pointofsales,POS)、移动通信基站等感知用户、商户、消费等信息的手段。

数据层

主要包括由感知层获取的位置信息、地理信息、商户信息、消费信息、用户信息等多业态信息,构成大数据融合服务的基础。

处理层

主要利用关联规则、决策树、智能学习、聚类分析等方法,对多业态信息进行大数据挖掘,分析各信息的内在关系,为用户按需提供个性化服务号精准推送。

服务层

利用大数据挖掘的结果进行商业引导、精准广告、公共安全、应急救援等应用。用户通过手机、公共电子屏方式等获取服务信息。

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图:区域热度示意图

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图:实时位置分布图

常用的定位技术

红外线室内定位技术

红外线定位技术需要在室内先布置–些光学传感器,然后通过设备向周围发出调制的红外线,光学传感器在接收到红外线后反射红外线到设备,最后进行定位。红外线定位在室内可以实现一个较高的精度,但是由于红外线只能直线传播,不能穿过障碍物,而且红外线传播的距离较短,所以红外线在室内定位时需要大量的传感器,才能保证各个位置、角度都可以定位。此外,红外线还容易受到室内的灯光干扰。总体上红外线并不是一个很好的选择。

超声波定位技术

超声波测距主要通过超声波的反射进行测距,通过最小二乘、三角定位等几何算法确定物体的位置。即发射超声波,接收器接受到超声波后同样发射超声波,被测物接收返回的超声波,根据两次超声波之间的时间差计算出超声波的传播距离。超声波定位系统需要一个主测距器和多个应答器。定位时主测距器放在待测位置并向周围发射超声波,周围的应答器在检测到超声波后同样向主测距器发射超声波,主测距器根据两次超声波之间的时间间隔判断出主测距器到各个应答器之间的距离,即可计算出主测距器当前的坐标。超声波定位的精度很高,并且结构上比较简单,但是超声波具有多径效应以及非视距传播特点,而且超声波定位在实际中需要很到辅助设备,导致成本大大提高,因此也不适合作为室内定位的技术使用。

蓝牙技术通过测量RSSI进行定位

蓝牙定位需要先在室内安装蓝牙接入设备,将室内做成多个蜂窝,保证每个蓝牙接入设备在自身蜂窝中是主设备,便可以通过蓝牙接入设备获取位置信息。蓝牙技术主要用于小范围的定位,比如超市、仓库等。蓝牙技术最大的优点是所使用的设备小、价格低廉,可以大范围普及并把蓝牙设备集成到手机等终端设备中。理论上,只要用户的手机等设备打开了蓝牙功能,蓝牙定位系统都可以对该设备进行定位。蓝牙定位技术在当前是一种很理想的技术。但是蓝牙的接入设备价格比较昂贵,而且在一些复杂的室内环境,蓝牙定位系统的精度不能保证,在有信号干扰时稳定性还不够好。

射频识别技术

射频识别技术通过射频实现源设备和接收设备的非接触式双向通信,通过获得射频信号的接收信号强度进行定位。射频技术优点在于射频信号的传播距离比较长,传播速度快,可以再很短的时间内获取位置信息。而且射频相关设备价格低廉,可以大范围部署,传播是非接触和非视距的。但是射频设备当前和手机等日常终端设备的整合较差,需要单独的定位设备,有待于进一步的发展。总的来说,射频技术有望成为新的室内定位技术。

超宽带(UBW,Ultra Wide band)技术

是一种全新的,和以往的通信技术有很大差别的通信技术。首先,超宽带技术不使用传统通信技术中的载波来传输信号,而是通过频率很低(纳秒级或纳秒级以下)的极窄脉冲来传播信号。和传统通信技术相比,超宽带可以具有GHz数量级的带宽,且超宽带还具有消耗低、抗多径效应、穿透力强、系统简易、高安全性、精确度高等优点,所以超宽带也是一个很好的室内定位技术。

ZigBee技术

ZigBee是一种已经比较成熟的无线网络技术。它具有传输距离短、传输速率低的特点。所以在实际中,往往需要使用大量的传感器。ZigBee定位系统在定位时通过传感器之间相互通信,将数据通过接力方式从一个传感器传到另一个传感器从而实现定位。ZigBee技术的传播效率很高,而且具有低功耗、低成本的优势,所以ZigBee技术现在也是非常流行的室内定位技术。

WiFi定位技术

WiFi是一种能够将个人电脑、手持设备(如Pad、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。随着IEEE802.il的普及,WiFi在生活也变得越来越普及。所以WiFi定位系统能够很好地利用现有的基础和设备,从而显著的降低了初始成本。此外,当前绝大多数的移动终端都支持WiFi接入,这也为WiFi定位提供了很大的便利。

除了以上提及的定位技术,还有基于光跟踪定位、计算机视觉、基于图像分析、磁场等定位技术。未来,室内定位不会单单依靠一种技术,多种技术的混用以及切换也是很重要的研究对象。

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图:区域驻留时间统计图

常用的定位算法

时间到达法(TOA)

时间到达法通过测量信号到周边多个接收机的传播时间来测量距离,通过距离进行定位。因此需要各个接收机在时间上保持精确的同步。传统的使用TOA的方式比如GPS都需要很复杂的设备來保证时间同步,所以造成了TOA技术难以大规模的普及。但近期超宽带技术等技术的发展以及在无线传感器网络中的应用,TOA的成本可以得到降低,使得利用TOA定位具有了广阔的前景。

时间到达差法(TDOA)

时间到达差法和时间到达法有所不同,是时间到达算法的改进。时间到达差法并不直接测量信号到达接收机的时间,而是用多个接收站接收到信息的时间差来确定。时间到达差法在实际中并不需要移动终端和接收站之间同步,只要利用TDOA值即可获得较高精度。时间到达差法对网络的要求低,且定位精度高,目前已经成为研究的热点。

到达角度法(AOA)

到达角度法主要是通过估算基站发送到移动终端的信号的入射角判断基站的方向,得到基站与移动终端的一条连线。多个基站与移动终端连线的交点可以认为是移动终端的位置。实际中可通过天线阵列或多个基站结合来测量信号的入射角。到达角度法受环境影响比较大,各种障碍物、噪声都会对影响测量结果。此外,到达角度法的设备成本大,不适宜室内定位。

信号强度法(RSSI)

信号强度法主要有两种实现方法。一种是建立信号的强度RSSI和信号的传播距离之间的数学模型,将RSSI转换为距离,然后是几何方法计算当前位置坐标。另一种方法是记录下室内多个点的RSSI分布情况,使用RSSI指纹进行定位。

室内环境中,WiFi信号的覆盖范围一般在100米的范围内,WiFi的传播速度非常快,传播时间非常短的,几乎可以忽略。因此,基于达到时间的TOA技术和基于到达时间差的TDOA技术并不适合在室内环境中使用。另一方面,室内环境比较复杂,墙壁、装饰物、人都会对WiFi信号的传播造成干扰,使信号的入射角幅度、相位等发生变化,所以基于WiFi信号入射角的AOA定位技术也不能很好的在室内环境下进行定位。但在室内某个点上接受到的WiFi信号传播强度RSSI基本上不会有太大的差距。所以基于RSSI的定位技术在室内环境中是一个很好的选择。

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图:展会中定位导航技术的应用