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室內(nèi)定位常用定位技術(shù)_米級藍(lán)牙定位方案,厘米級UWB定位方案

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前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈逐漸走向成熟,各行各業(yè)對定位的需求也大大增加。由于GPS衛(wèi)星信號在室內(nèi)無法定位,且容易受到各種無線電信號的干擾,為實(shí)現(xiàn)“最后一公里”的室內(nèi)位置服務(wù),目前主流的室內(nèi)定位你技術(shù)多依賴于熱門的無線通信技術(shù),比如藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、超寬帶技術(shù)等,其中藍(lán)牙定位和UWB定位應(yīng)用相對成熟。著重介紹一下應(yīng)用較廣的藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)和UWB室內(nèi)定位技術(shù)。

一、藍(lán)牙定位

藍(lán)牙定位:藍(lán)牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication,信號場強(qiáng)指示)定位原理。藍(lán)牙室內(nèi)技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干個藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn),把網(wǎng)絡(luò)維持成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式,并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個微微網(wǎng)的主設(shè)備,然后通過測量信號強(qiáng)度獲得用戶的位置信息。

根據(jù)定位端的不同,藍(lán)牙定位方式分為主動定位和被動定位和主被動一體定位。
網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位系統(tǒng)由終端(手機(jī)等帶低功耗藍(lán)牙的終端)、藍(lán)牙Beacon節(jié)點(diǎn),藍(lán)牙網(wǎng)關(guān),無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。終端側(cè)定位系統(tǒng)由終端設(shè)備(如嵌入SDK軟件包的手機(jī))和Beacon組成。藍(lán)牙定位的優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)簡單,終端側(cè)定位一般用于室內(nèi)定位導(dǎo)航,精準(zhǔn)位置營銷等用戶終端;而網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位主要用于人員跟蹤定位,資產(chǎn)定位及客流分析等情境之中。

1.主動定位-基于藍(lán)牙Beacon的終端側(cè)室內(nèi)定位方案

主動定位,又叫終端側(cè)藍(lán)牙定位系統(tǒng)。采用高性能藍(lán)牙定位算法,基于低功耗ibeacon藍(lán)牙基站,定位精度在2米以內(nèi),支持多種移動終端室內(nèi)高精度定位導(dǎo)航,具備實(shí)時定位、路徑規(guī)劃、反向?qū)ぼ嚨裙δ埽杉傻轿⑿殴娞?、小程序、APP之中。此藍(lán)牙定位系統(tǒng)偏重于室內(nèi)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航應(yīng)用。
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  1. 系統(tǒng)構(gòu)成:由已嵌入或下載好SDK軟件包的智能終端設(shè)備(安卓iOS手機(jī)、平板電腦等)和ibeacon設(shè)備組成,也可以在線使用室內(nèi)地圖
  2. 工作原理:
      在需要定位的區(qū)域內(nèi)部署藍(lán)牙beacon,一般至少需要鋪設(shè)3個藍(lán)牙beacon信標(biāo),定位算法要求至少知道三個點(diǎn)的RSSI值才能準(zhǔn)確地計(jì)算定位
    1)藍(lán)牙Beacon會每隔100毫秒廣播一個數(shù)據(jù)包到周圍;
    2)當(dāng)人攜帶終端設(shè)備比如智能手機(jī)進(jìn)入藍(lán)牙beacon信號覆蓋范圍內(nèi),智能手機(jī)在執(zhí)行掃描動作時,會間隔地接收到藍(lán)牙Beacon廣播出來的數(shù)據(jù)包
    3)廣播包會指示來自于哪一個藍(lán)牙beacon從機(jī)的 MAC 地址和當(dāng)前的接收發(fā)送信號強(qiáng)度指示值RSSI。RSSI 值是確定藍(lán)牙主機(jī)位置和藍(lán)牙Beacon 之間遠(yuǎn)近距離的依據(jù)。
    4)然后通過手機(jī)內(nèi)置的定位算法,以及和地圖引擎數(shù)據(jù)庫的交互,就可以測算出藍(lán)牙主機(jī)(智能手機(jī))當(dāng)前的具體位置。
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    3.安裝方式:藍(lán)牙Beacon單獨(dú)工作,紐扣電池供電,不需要聯(lián)網(wǎng),安裝方便;在室內(nèi)環(huán)境間隔6-8米的距離部署藍(lán)牙Beacon,電池供電,待機(jī)2-5年。
    4.應(yīng)用場景:藍(lán)牙終端側(cè)室內(nèi)定位一般用于超市室內(nèi)定位導(dǎo)航和精準(zhǔn)位置營銷等用戶終端,比如一些大型超市的室內(nèi)定位導(dǎo)航和基于位置的推送商品優(yōu)惠券等。室內(nèi)定位、導(dǎo)航;營銷路徑規(guī)劃、導(dǎo)航;反向?qū)ぼ?;基于位置的精?zhǔn)營銷
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2.被動定位-基于藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位方案

被動式藍(lán)牙定位系統(tǒng),又叫藍(lán)牙探測定位系統(tǒng)。依托于精準(zhǔn)的室內(nèi)定位引擎算法和強(qiáng)大而豐富的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙定位標(biāo)簽(手環(huán)、工卡、ibeacon等),可實(shí)現(xiàn)定位區(qū)域全天候不間斷人或物的位置探測!此定位系統(tǒng)多用于后臺定位監(jiān)控前臺人或物的使用,廣泛應(yīng)用于養(yǎng)老院老人定位、單位訪客管理等場景。
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  1. 系統(tǒng)構(gòu)成:由藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙定位標(biāo)簽(藍(lán)牙工卡,藍(lán)牙Beacon,藍(lán)牙手表等藍(lán)牙標(biāo)簽)、終端(手機(jī)等帶低功耗藍(lán)牙的終端)、無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。
  2. 工作原理:
    1)藍(lán)牙定位標(biāo)簽工作在iBeacon廣播狀態(tài),將自身的MAC地址、電量、心率等信息進(jìn)行廣播;
    2)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)掃描到藍(lán)牙定位標(biāo)簽的廣播信息,將相關(guān)信息通過網(wǎng)線或者WiFi傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器,后臺服務(wù)器運(yùn)行藍(lán)牙定位算法,對有關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算,獲取到藍(lán)牙定位標(biāo)簽的位置信息;
    3)終端顯示應(yīng)用軟件將藍(lán)牙定位標(biāo)簽的位置信息在顯示屏上進(jìn)行顯示,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄、心率監(jiān)測等功能。
  3. 安裝方式:在室內(nèi)環(huán)境間隔6-8米的距離部署藍(lán)牙網(wǎng)關(guān),為需要定位的人或者重要資產(chǎn)配置藍(lán)牙定位標(biāo)簽,網(wǎng)關(guān)支持POE交換機(jī)和DC 5V直流供電,需要連接網(wǎng)絡(luò)(有線/無線網(wǎng)絡(luò));
  4. 應(yīng)用場景:
    1)與APP結(jié)合,可用于室內(nèi)定位導(dǎo)航;
    2)人員定位跟蹤;
    3)與客流分析軟件結(jié)合,可用于會展客流統(tǒng)計(jì)分析;
    4)O2O智能考勤和資產(chǎn)定位:與一些智能卡片結(jié)合,可用于資產(chǎn)管理和員工管理。
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3.主被動一體定位-同步實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航

主被動一體藍(lán)牙定位系統(tǒng)采用微能信息先進(jìn)的藍(lán)牙定位引擎算法,藍(lán)牙5.0網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙定位標(biāo)簽和ibeacon等一系列硬件,可以最大限度減少藍(lán)牙5.0網(wǎng)關(guān)的使用,節(jié)省用戶部署定位硬件的成本,集主動定位的自主導(dǎo)航功能和被動定位的后臺定位監(jiān)測功能優(yōu)勢于一體。此定位方案廣泛應(yīng)用于貴重資產(chǎn)定位管理、景點(diǎn)、醫(yī)院、停車場定位導(dǎo)航(反向?qū)ぼ嚕?、養(yǎng)老院智慧養(yǎng)老、展館博物館、訪客管理等應(yīng)用場景。
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  1. 系統(tǒng)構(gòu)成:由藍(lán)牙Beacon,藍(lán)牙網(wǎng)關(guān),藍(lán)牙工卡及藍(lán)牙定位引擎算法,路由器和定位服務(wù)器,終端顯示器構(gòu)成。
  2. 工作原理:
    1)Beacon工作在廣播狀態(tài),將自身的MAC地址、電量等信息進(jìn)行廣播;
    2)工卡掃描到Beacon的廣播信息,將Beacon信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);
    3)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)收集工卡信息,將工卡轉(zhuǎn)發(fā)出來的Beacon信息發(fā)送給定位服務(wù)器;
    4)定位服務(wù)器根據(jù)工卡和Beacon信息,計(jì)算出工卡位置,終端顯示軟件將工卡的位置信息進(jìn)行顯示,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄等功能。
  3. 安裝方式:在室內(nèi)環(huán)境間隔6-8米的距離部署藍(lán)牙Beacon,藍(lán)牙網(wǎng)關(guān),為需要定位的人或者重要資產(chǎn)配置藍(lán)牙定位標(biāo)簽,網(wǎng)關(guān)支持POE交換機(jī)和DC 5V直流供電,需要連接網(wǎng)絡(luò)(有線/無線網(wǎng)絡(luò))。
  4. 應(yīng)用場景
      展會分析:可實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),查看區(qū)域?qū)崟r人員及設(shè)備數(shù)量、熱力分布、實(shí)時電子圍欄狀況,進(jìn)出時間等信息;
      智慧博物館:為參觀游客提供導(dǎo)航服務(wù)的同時后臺監(jiān)控游客的實(shí)時位置;
      智慧醫(yī)療:為來訪人員提供導(dǎo)航服務(wù)的同時實(shí)施監(jiān)控病院和來訪人員的位置;
      智慧養(yǎng)老院:通過設(shè)置虛擬電子圍欄,可以防止老人走失,為老年人的安全提供保障。

4.三種藍(lán)牙室內(nèi)定位方案對比

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相比基于藍(lán)牙Beacon的終端側(cè)定位方案和基于藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位方案,集合了藍(lán)牙Beacon、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和5.0藍(lán)牙工卡的方案可大大降低成本,將繁瑣安裝過程簡化,同時可用作主動定位和被動定位,性價比高,缺點(diǎn)是工卡不能上傳健康信息,只能上報位置和報警。而藍(lán)牙手環(huán)既可以上報位置和報警,又可以上傳健康信息。

二、UWB室內(nèi)定位

超寬帶技術(shù)是近年來新興一項(xiàng)全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。UWB技術(shù)是一種傳輸速率高,發(fā)射功率較低,穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù),無載波。
UWB定位技術(shù)在不同的應(yīng)用環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)不同的定位業(yè)務(wù)需求(3D/2D/1D/區(qū)域定位),精確定位人員、車輛、資產(chǎn),并在定位基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤、區(qū)域報警、攝像聯(lián)動等延伸功能。

1.TDoA定位

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0維室內(nèi)定位常用于存在性檢測,常見的應(yīng)用場景是長時間監(jiān)測人員是否在一個房間內(nèi),0維室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件方面通常只需要一個UWB基站和UWB標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn),UWB標(biāo)簽和基站之間相互通信,再通過和后臺的交互實(shí)現(xiàn)人員的存在性監(jiān)測、報警等功能;

一維定位應(yīng)用的原理就是測距應(yīng)用,能夠知道定位目標(biāo)標(biāo)簽的相對位置,適合隧道、管道、管井、礦井等多種定位精度要求不高的場景,精度在0.3米左右;詳見后文TWR定位介紹;

二維定位需要確定空間的X/Y坐標(biāo),分為兩種情況;一種是通過標(biāo)簽離基站的距離,計(jì)算標(biāo)簽的位置;還有一種是通過三個以上的基站,確定區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的位置,能夠準(zhǔn)確得知定位目標(biāo)標(biāo)簽的位置及行為軌跡;

三維定位需要知道定位設(shè)備的XYZ三維坐標(biāo),在基站架構(gòu)的時候,需要特別拉開Z軸的高度差,以確保在Z軸上的精確度。若用測距的方式,三個基站就可以完成三維定位,用TDOA的方式,則必須要四個以上基站才能完成。能夠精確判斷標(biāo)簽位置,以及滯留時間。

1. 系統(tǒng)構(gòu)成:
UWB定位系統(tǒng)大致分為位置感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和定位應(yīng)用層,主要包括:定位引擎服務(wù)器、智能終端、POE交換機(jī)、UWB基站、UWB標(biāo)簽、UWB模塊、軟件接口等。
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2. 工作原理:
1)每個定位標(biāo)簽以UWB脈沖重復(fù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀;
2)定位標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被定位基站接收;
3)每個定位基站利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時間;
4)定位引擎參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),確定標(biāo)簽達(dá)到不同定位基站之間的時間差,并利用三點(diǎn)定位技術(shù)及優(yōu)化算法來計(jì)算標(biāo)簽位置。
5)采用多基站定位多采用TDOA(Time difference of Arrival)算法。
3. 安裝方式:
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1)UWB基站分為墻體安裝和柱體安裝兩個方式,工程師更推薦墻體安裝,準(zhǔn)備的安裝套件也是以螺絲套料包為主;
2)鑒于UWB技術(shù)的特性參數(shù),有效傳輸距離≤50米,因此,在選擇測試環(huán)境的時候,推薦選擇小于50*50(m)的室內(nèi)環(huán)境。如果室內(nèi)環(huán)境遮擋,建議縮小間距,因?yàn)樵谟姓趽醯那闆r下,會影響到信號的接收,傳輸距離可能會不如理想值。
3)建議UWB基站的安裝高度是2米,高于需定位的人員或資產(chǎn)的高度即可;
4)UWB基站配置天線的安裝:默認(rèn)配置的UWB天線是全向天線,天線距離墻面至少大于15厘米,周圍不要有遮擋。
4. 應(yīng)用場景:
工業(yè)/汽車:實(shí)時追蹤資產(chǎn)和庫存,改進(jìn)流程,提高搜索效率,減少資源浪費(fèi);
物流倉儲:跟蹤條碼閱讀器和叉車,減少保險檢查的環(huán)節(jié),使倉儲管理變得靈活;
軍事:人員定位和設(shè)備追蹤,例如城市作戰(zhàn)訓(xùn)練、彈藥倉庫管理、高級研發(fā);
醫(yī)療保健:實(shí)時跟蹤病人,進(jìn)行照顧和管理,利于病情分析和治療改進(jìn),方便于人力資源管理;
危險環(huán)境:定位個人和資源,安全位置緊急搜索,人員監(jiān)控,優(yōu)化管理過程,做到安全有效;
重點(diǎn)安保區(qū)域:人員的進(jìn)出管理、實(shí)時位置查詢、禁區(qū)監(jiān)管、隔離距離控制、人員調(diào)度,能對人員的位、行進(jìn)路線、距離、速度進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì);
體育:實(shí)時跟蹤與計(jì)算運(yùn)動員的方向和速度等,詳細(xì)的性能分析,記錄隊(duì)伍的比賽實(shí)況,視頻集成。

資料參考:
http://www.skylab.com.cn/cms/view/2533.html

2.TWR定位

TWR被動定位系統(tǒng)與TDoA類似,UWB標(biāo)簽與UWB基站的實(shí)時測距,通過UWB基站上傳距離信息給到后臺復(fù)位器,再由服務(wù)器來解析UWB標(biāo)簽所在位置信息。

1. 系統(tǒng)構(gòu)成:
UWB TWR主動定位系統(tǒng)包含UWB定位基站、UWB定位標(biāo)簽和POE交換機(jī)、服務(wù)器和終端顯示設(shè)備??稍诳蛻魣龅卮罱ǜ呔日故经h(huán)境,進(jìn)行快速實(shí)地高精度UWB定位演示;也可以將此定位系統(tǒng)套件使用到未來實(shí)際項(xiàng)目中。
室內(nèi)定位常用定位技術(shù)_米級藍(lán)牙定位方案,厘米級UWB定位方案
2. 工作原理:
在隧道定位系統(tǒng)中,人員或物品上所佩戴的定位標(biāo)簽利用UWB脈沖信號發(fā)射出位置數(shù)據(jù),定位基站接收,通過信號飛行時間測算標(biāo)簽和基站的距離,然后定位引擎采集不同基站與標(biāo)簽的距離而計(jì)算出標(biāo)簽當(dāng)前位置并實(shí)時展示出來。
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3. 安裝方式:
1)準(zhǔn)確校準(zhǔn)需要至少安裝4個UWB基站,基站圍成的區(qū)域校準(zhǔn)效果最佳。
  2)全部基站距離天花板和墻面至少大于15厘米,基站的天線周圍不要有遮擋,有墻體包圍盡量外移,盡量遠(yuǎn)離鋼鐵制品。
  3)基站安裝高度需要離地面2.5m以上?;镜拈g距取決于標(biāo)簽和基站的發(fā)射功率,單級PA最大增益時可以到200米,兩級PA最大增益可以到500米。
  PS:基站安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離天花板和墻壁 15cm 以上
01、覆蓋距離400米+的一維定位
1、一維定位適用于寬帶方向比較窄的空間如走廊,隧道,管廊定位;
2、每隔400米內(nèi)安裝一個基站(空曠環(huán)境),定位精度小于30厘米;
3、當(dāng)遇到隧道或管廊有彎道或拐彎的地方,需要適當(dāng)增加基站補(bǔ)償;
4、可選擇PCBA出貨。
02、覆蓋范圍800米+的一維定位
1、一維定位適用于寬帶方向比較窄的空間如走廊,隧道,管廊定位;
2、每隔800米內(nèi)安裝一個基站(空曠環(huán)境),定位精度小于30厘米;
3、當(dāng)遇到隧道或管廊有彎道或拐彎的地方,需要適當(dāng)增加基站補(bǔ)償;
4、單個基站可以實(shí)現(xiàn)一維定位(方向判斷);
5、雙基站版默認(rèn)PCBA出貨(內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集防爆終端)可選配外殼。
UWB TWR一維定位方案優(yōu)勢
1、精準(zhǔn)定位:定位精度10-30厘米;
2、遠(yuǎn)距離覆蓋:UWB基站有效覆蓋距離400-800米;
3、人員管理:實(shí)時精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)人員,智能識別在線人員和離線人員;
4、危險一鍵求救:工作人員遇到險情,可按下標(biāo)簽的報警按鈕,通知管理平臺避免惡性事件;
5、運(yùn)動軌跡回放:工作人員的運(yùn)動位置可以以軌跡形式顯示;
6、電子圍欄:UW管理平臺可根據(jù)隧道/管廊工作實(shí)況劃定安全區(qū)電子圍欄,門禁電子圍欄,進(jìn)入觸發(fā)相應(yīng)級別的告警。

3.室內(nèi)外高精度定位-RTK+UWB室內(nèi)外一體定位

室內(nèi)外一體化精準(zhǔn)定位方案,室內(nèi)采用UWB定位TDoA定位算法技術(shù),室外采用RTK高精度差分定位技術(shù),室內(nèi)室外定位精度均可達(dá)到厘米級別。
UWB TDoA技術(shù)可以保證在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下,CEP90 達(dá)到30厘米定位精度;
RTK(載波相位差分)在室內(nèi)環(huán)境下定位精度比普通GPS北斗定位要高很多,可以保證CEP90 達(dá)到30厘米定位精度。
室內(nèi)定位常用定位技術(shù)_米級藍(lán)牙定位方案,厘米級UWB定位方案

  1. 系統(tǒng)構(gòu)成:室內(nèi)外一體定位設(shè)備集成高精度GPS+北斗定位模塊、GPRS或者4G模塊、UWB模塊SKU609和電源管理模塊四部分。
  2. 工作原理:
    1)室內(nèi)外定位設(shè)備接收GPS、BDS信號和RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行位置解算;
    2)通過GPRS/4G將位置信息發(fā)送到云端;
    3)服務(wù)器從云端接收定位設(shè)備位置信息;
    4)UWB基站接收定位設(shè)備發(fā)送的UWB信號,并通過交換機(jī)將信號發(fā)送到CLE(中央定位引擎)服務(wù)器,服務(wù)器進(jìn)行位置解算。
  3. 安裝方式:在終端設(shè)備中內(nèi)嵌高精度GPS+北斗定位模塊和UWB模塊,室內(nèi)環(huán)境間隔50-200米的距離部署UWB基站,為需要定位的人或者重要資產(chǎn)配置內(nèi)置高精度模塊的定位標(biāo)簽。
  4. 應(yīng)用場景:室內(nèi)外一體高精度定位的主要應(yīng)用場景,如大型機(jī)場,化工廠,鋼鐵廠等廠區(qū)復(fù)雜工作環(huán)境的室內(nèi)外導(dǎo)航、室內(nèi)外定位服務(wù)、室內(nèi)外位置監(jiān)測等,還可以用于智能安防、智能醫(yī)療、智能零售等領(lǐng)域。

總結(jié)

室內(nèi)定位從用途方向可以劃分消費(fèi)類和工業(yè)類。
消費(fèi)類主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員引導(dǎo)、消費(fèi)推送、安全監(jiān)控、智能家居等商業(yè)應(yīng)用。工業(yè)類主要實(shí)現(xiàn)消防安全、人員監(jiān)控、設(shè)備引導(dǎo)、財(cái)產(chǎn)安全、智能工廠等應(yīng)用。
有些是側(cè)重于單純的室內(nèi)定位,而有些則更側(cè)重于導(dǎo)航功能、歷史軌跡、電子圍欄等功能,因此需要有針對性選擇方案。單純的室內(nèi)定位、導(dǎo)航,對定位精度要求不高,可以優(yōu)先選擇藍(lán)牙定位方案,側(cè)重歷史軌跡、電子圍欄這些功能則可以優(yōu)先考慮UWB定位方案;希望能夠幫助到各位有室內(nèi)定位方案需求的客戶們。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-427921.html

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