生活中的物联网技术应用-第五讲

生活中的物联网技术应用 物联网标识与识别技术用于实现识别物体本身的存在 获取被识别物体的相关信息 作用是对物体进行识别和跟踪 物联网标识和识别技术概述 包括 条形码识别 商品标签磁条卡识别 银行卡 电话卡 收费卡IC卡识别 社保卡 手机SIM卡生物识别 语音识别 指纹识别 脸部识别光学识别 扫描仪的文字识别射频识别 公交卡 身份证 射频识别系统 阅读器 电子标签 第五讲物联网定位技术 5 2常见定位技术 5 3物联网定位技术应用 5 1定位技术概述 5 1定位技术概述 5 1 1定位技术的概念 在很多物联网的应用中 物体 或者称对象 的 位置 信息有着重要的意义 在物联网中 人们使用RFID 传感器或者其他信息采集工具从物理世界当中获取各种各样的信息 并将这些信息通过网络传送到用户或者服务器端进行处理以为用户提供各种各样的服务 物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术 物联网中的所谓 物体 的概念非常广泛 它既可以指人 也可以指设备 定位定位是确定目标位置的过程 位置可能是物理坐标 经纬度 或者是逻辑空间 IP地址 为什么需要定位 基于位置的服务自动导航搜索周边服务信息基于位置的社交网络 Foursquare位置信息和我们的生活息息相关 位置信息不是单纯的 位置 地理位置 空间坐标 处在该位置的时刻 时间坐标 处在该位置的对象 身份信息 应用人员定位 楼宇中人员位置 人员失踪 车辆定位 物流追踪 路径导航 事件定位 森林火灾 军事目标 定位参考地图和标志建筑GPS指南针和周围环境 定位应用 5 1定位技术概述 5 1 2定位技术的发展简史 人类最初的导航定位 只能通过石头 树 山脉等作为参照物 渐渐发展到天文观测法 即通过天上的太阳 月亮和星星来判断位置 而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑 早期的航海活动中主要是通过沿着海岸线建造在航道的关键部位建造灯塔来对船只进行导航 这些定位技术的精度非常差 并且覆盖范围不广 5 1定位技术概述 5 1 2定位技术的发展简史 无线电导航的发明 使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具 因此具有划时代的意义 它具有独立 封闭 全天候等特点 对外界环境依赖性很小 现在 无线电导航仍然在飞机进场着陆 区域性定位中发挥着重要作用 最早的基于无线电技术的定位系统是罗兰远程导航系统 建立于20世纪40年代 其最初的目的是用于海军中的中程无线电导航 A 人的位置应该在这个红色的圆上 罗兰系统的示意图 A和B是一对基站 同时发送信号 用户根据收到信号的时间差来确定自己的位置是在哪个双曲线上 图中不同的双曲线对应于不同的时间差 5 1定位技术概述 5 1 2定位技术的发展简史 随着人造卫星技术的发展 人们开始利用人造卫星来构建更精确 覆盖范围更广的定位 导航系统 地球同步轨道卫星可以以相对地球静止的方式在太空轨道中运行 这就提供了一种方式来为定位系统提供固定的参考点 5 1定位技术概述 5 1 2定位技术的发展简史 随着蜂窝移动通信技术的快速发展 手机用户极大增加 这类定位系统一般通过是通过测量手机和基站之间的信号强度 距离或者到达角度 利用基站的位置来计算手机用户的位置 移动手机用户一般称作移动台 通过基站的辅助来定位 5 1定位技术概述 5 1 2定位技术的发展简史 随着移动互联网的发展和室内位置技术的创新 室内定位技术在今天市场需求下应运而生 随着出行导航 智能制造 机器人 智能服务等行业的发展 人们开始重新审视室内位置服务的价值 室内位置服务是真正实现万物互联的基础 第五讲物联网定位技术 5 2常见定位技术 5 3物联网定位技术应用 5 1定位技术概述 5 2常见定位技术 5 2 1卫星定位 美国 GPS 系统 全球运行 1994年 24颗GPS卫星布设完成 21颗工作 3颗备用 俄罗斯 格洛纳斯 GLONASS 系统 运行 2011年全球正式运行 24颗工作 3颗维修 3颗备用 1颗测试 起步早 寿命短 欧洲 伽利略系统 建设中 2002年启动 系统计划由30颗卫星组成 目前只有4颗卫星中国 北斗 系统 建设中 2012年在轨卫星12颗 覆盖亚太地区 2020年将覆盖全球 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 GPS是英文GlobalPositioningSystem 全球定位系统 的简称 GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 其主要目的是为陆 海 空三大领域提供实时 全天候和全球性的导航服务 并用于情报收集 核爆监测和应急通讯等一些军事目的 是美国独霸全球战略的重要组成 经过20余年的研究实验 耗资300亿美元 到1994年3月 全球覆盖率高达98 的24颗GPS卫星星座己布设完成 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 GPS全球定位系统由空间部分 地面控制系统和用户设备部分三部分组成 1 GPS构成 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 1 GPS构成 空间部分GPS的空间部分是由24颗卫星组成 21颗工作卫星 3颗备用卫星 它位于距地表20200km的上空 均匀分布在6个轨道面上 轨道倾角为55 每个轨道面包含4颗卫星 卫星的分布使得在全球任何地方 任何时间都可观测到4颗以上的卫星 并能在卫星中预存的导航信息 GPS的卫星因为大气摩擦等问题 随着时间的推移 导航精度会逐渐降低 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 地面控制系统地面控制系统由监测站 主控制站 地面天线所组成 主控制站位于美国科罗拉多州春田市 地面控制站负责收集由卫星传回之讯息 并计算卫星星历 相对距离 大气校正等数据 1个主控站 Coloradosprings 科罗拉多 3个注入站 Ascencion 阿森松群岛 DiegoGarcia 迭哥伽西亚 kwajalein 卡瓦加兰 5个监控站 以上主控站 注入站及Hawaii 夏威夷 Coloradosprings Hawaii Ascencion DiegoGarcia kwajalein 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 1 GPS构成 用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星 并跟踪这些卫星的运行 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后 就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率 解调出卫星轨道参数等数据 根据这些数据 接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算 计算出用户所在地理位置的经纬度 高度 速度 时间等信息 接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备 GPS接收机的基本类型分导航型和大地型 大地型接收机又分单频型和双频型 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 1 GPS构成 图片 导航型GPS机 手持型GPS机 车载型GPS机 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 1 GPS构成 图片 大地型GPS接收机 单频机 双频机 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 2 GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据 利用GPS接收器测量出的到卫星的距离 来计算待测点的位置 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 3 GPS种类 1 导航型接收机此类型主要用于运动载体的导航 它可以实时给出载体的位置和速度 一般采用C A码伪距测量 单点实时定位精度较低 10m 有SA影响时为 100m 价格便宜 应用广泛 根据应用领域不同 还可以进一步分为 车载型 用于车辆导航定位 航海型 用于船舶导航定位 航空型 用于飞机导航定位 要求适应高速运动星载型 用于卫星的导航定位 要求更高 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 3 GPS种类 2 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和工程测量 这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位 定位精度高 仪器结构复杂 价格较贵 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 3 GPS种类 3 授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时 常用于天文台及无线电通讯中时间同步 5 2常见定位技术 一 GPS全球定位系统 3 GPS种类 4 车载GPS当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候 称为车载GPS 但光有定位还不行 还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS持有人那里 我们称为第三方 所以GPS定位系统中还包含了GSM网络通讯 手机通讯 通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方 通过微机解读短信电文 在电子地图上显示车辆位置 这样就实现了车载GPS定位 5 2常见定位技术 二 俄罗斯格洛纳斯 GLONASS系统 格洛纳斯 GLONASS 是俄语 全球卫星导航系统GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM 的缩写 该系统最早开发于苏联时期 后由俄罗斯继续该计划 俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统 该系统于2007年开始运营 当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务 到2009年 其服务范围已经拓展到全球 该系统主要服务内容包括确定陆地 海上及空中目标的坐标及运动速度信息等 目前有24颗卫星正常工作 3颗维修中 3颗备用 1颗测试中 5 2常见定位技术 三 伽利略系统 伽利略定位系统 GalileoPositioningSystem 是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统 有 欧洲版GPS 之称 也是继美国现有的 全球定位系统 GPS 及俄罗斯的GLONASS系统外 第三个可供民用的定位系统 2016年12月15日 欧洲 伽利略 卫星定位导航系统在比利时布鲁塞尔举行了正式启用仪式 伽利略系统项目1999年由德法意出资发起 通过欧空局 ESA 和欧洲导航卫星系统管理局 GSA 建造 第一颗试验卫星GIOVE A2005年12月28日发射 第一颗正式卫星2011年8月21日发射 全部30颗卫星计划在2020年前全部发射完成 包含24颗工作卫星和6颗备份卫星 目前运行18颗 5 2常见定位技术 四 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统 BeiDou COMPASS NavigationSatelliteSystem 是中国正在实施的自主研发 独立运行的全球卫星导航系统 北斗卫星导航系统由空间段 地面段和用户段三部分组成 可在全球范围内全天候 全天时为各类用户提供高精度 高可靠定位 导航 授时服务 并具短报文通信能力 已经初步具备区域导航 定位和授时能力 定位精度10米 测速精度0 2米 秒 授时精度10纳秒 空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星 北斗卫星导航系统的建设于2004年启动 2011年开始对中国和周边提供测试服务 2012年12月27日起正式提供卫星导航服务 服务范围涵盖亚太大部分地区 计划在2020年完成对全球的覆盖 为全球用户提供定位 导航 授时服务 四大定位系统参数比较 四大定位系统参数比较 5 2常见定位技术 5 2 2蜂窝系统定位技术 1996年 美国联邦通信委员会FCC FederalCommunicationCommission 强制要求移动服务提供商提供用户的位置 以便紧急救援 美国E 911 欧盟E 112 蜂窝基站定位主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络 目前大部分的GSM CDMA 3G等通信网络均采用蜂窝网络架构 在通信网络中 通信区域被划分为一个个蜂窝小区 通常每个小区有一个对应的基站 以GSM网络为例 当移动设备要进行通信时 先连接在蜂窝小区的基站 然后通过该基站接GSM网络进行通信 也就是说 在进行移动通信时 移动设备始终是和一个蜂窝基站联系起来 蜂窝基站定位就是利用这些基站来定位移动设备 5 2常见定位技术 5 2 2蜂窝系统定位技术 原理根据基站位置利用三边定位法来确定移动终端位置 优点室内室外均可定位低成本 低功耗 小体积 缺点定位精度低 依赖于基站分布需要固定的基础设施等 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 1 COO CellOfOrigin 定位技术 COO定位 CellofOrigin 是最简单的一种定位方法 它是一种单基站定位 这类定位系统根据用户在网络内部所处的小区或者基站来标识用户位置 蜂窝系统中每个基站都有一个全网唯一的标识号 CELLID 系统可以根据与用户进行通信的基站标识来确认用户所在区域 并由此提供一个用户位置的粗略估计 因此 这类技术也称为CELLID技术或者COO CellOfOrigin 技术 这种定位方法的精度极低 其精度直接取决于基站覆盖的范围 如果基站覆盖范围半径为50米 那么期误差就是50米 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 2 TOA TDOA定位技术 想得到更精确的定位 就必须使用多个基站同时测得的数据 多基站定位方法中 最常用的就是基于距离的TOA定位 TimeofArrival 到达时间 基于距离差的TDOA定位 TimeDifferenceofArrival 到达时间差 ToA和TDoA测量法都至少需要三个基站才能进行定位 两者都是基于电波传播时间的定位方法 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 2 TOA TDOA定位技术 三基站定位方法 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 TOA定位法基于信号到达时间定位法 通过精确测量从目标到三个以上基站的信号传输时间得到目标到基站的距离 进而解算出目标的位置 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 TOA定位法电磁波传播速度高 目标与基站距离小 因此TOA定位法的精度与位置测量单元的时钟精度紧密相关 优点终端设备无需改造定位精度高 数据可优化 缺点时钟同步复杂误差易累积放大 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 TDOA定位法基于信号到达时间差定位法 通过精确测量从目标到不同步基站的信号传输时间差 进而解算出目标的位置 5 2常见定位技术 二 蜂窝系统定位技术 缺点需要对基站设备进行改造传感器节点须附加声波或超声波收发装置 组合测距方式 TDOA定位法 优点可在语音和控制信道上测量适用于多种通信制式对原有系统改动不大测量精度对距离 多径干扰 功率等因素不敏感延时小 在建筑物内或者功耗受限短距离通信环境中实现对目标的精确定位 原理利用Zigbee WiFi和Bluetooth等通信技术 根据距离和连通度等信息对目标进行定位优点定位精度高部署方便缺点定位范围有限适应性差 受限于具体应用 5 2常见定位技术 5 2 3区域定位技术 无线室内定位 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 1 红外线室内定位技术 红外线室内定位技术定位的原理是 红外线IR标识发射调制的红外射线 通过安装在室内的光学传感器接收进行定位 虽然红外线具有相对较高的室内定位精度 但是由于光线不能穿过障碍物 使得红外射线仅能视距传播 直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 2 超声波定位技术 超声波室内定位系统是基于超声波测距系统而开发 由若干个应答器和主测距器组成 主测距器放置在被测物体上 向位置固定的应答器发射同无线电信号 应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号 利用反射式测距法和三角定位等算法确定物体的位置 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 2 超声波定位技术 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 同时需要大量的底层硬件设施投资 成本太高 超声波定位技术在数码笔上已经被广泛利用 而海上探矿也用到了此类技术 室内定位技术还主要用于无人车间的物品定位 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 3 蓝牙定位技术 蓝牙技术通过测量信号强度进行定位 在室内安装适当的蓝牙局域网接入点 并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网 piconet 的主设备 就可以获得用户的位置信息 蓝牙技术主要应用于小范围定位 设备易于集成在PDA PC以及手机中 持有移动终端设备的用户 只要设备的蓝牙功能开启 蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 4 射频识别定位技术 射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的 这种技术作用距离短 一般最长为几十米 但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息 同时由于其非接触和非视距等优点 可望成为优选的室内定位技术 优点是标识的体积比较小 造价比较低 但是作用距离近 不具有通信能力 而且不便于整合到其他系统之中 射频识别室内定位已经被仓库 工厂 商场广泛使用在货物 商品流转定位上 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 5 ZigBee定位技术 ZigBee室内定位技术通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网 每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位 ZigBee是一种新兴的短距离 低速率无线网络技术 这些传感器只需要很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点 作为一个低功耗和低成本的通信系统 ZigBee的工作效率非常高 但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大 而且定位精度取决于信道物理品质 信号源密度 环境和算法的准确性 造成定位软件的成本较高 提高空间还很大 5 2常见定位技术 三 区域定位技术 6 Wi Fi定位技术 Wi Fi定位技术有两种 一种是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度 通过差分算法 来比较精准地对人和车辆的进行三角定位 另一种是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