什么是RTLS？|实时定位系统导论

RTLS代表什么？

RTLS代表实时定位系统，指的是任何能够准确确定物品或个人位置的系统。RTLS并不是某种特定类型的系统或技术，而是一个可以通过多种系统实现的目标，用于定位和管理资产。RTLS的一个重要方面是资产被追踪的时间，这些数据可以根据应用的不同方式被使用。例如，有些应用仅在资产经过某一区域时需要时间戳，而其他RTLS应用则需要更细致的可视化，并且需要不断更新时间数据。理想的实时定位系统能够准确定位、跟踪和管理资产、库存或人员，帮助企业基于收集到的位置数据做出明智决策。

RTLS被广泛应用于多个行业，具体应用于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，但在医疗行业中最为突出。

RTLS系统的组成部分

所有RTLS应用程序都将由几个基本组件组成：应答器、接收器和用于解读每个数据的软件。系统的复杂度、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的每种技术都使用了各自的术语。以下是帮助大家大致理解这些物品及其在系统中角色的广义术语：

应答器

应答器会附着在某个物品或人上，以唯一识别该物品或人。应答器通常接收接收端的信号并以其唯一ID回应，但如果应答器内部有电源，也可以发送初始信号。

根据技术类型和应用目标，应答器可以是：

• 射频识别（RFID）标签
• 蓝牙信标
• 智能设备
• Wi-Fi 标签
• 全球导航卫星系统（GNSS）/全球定位系统（GPS）标签
• 超声标签
• 红外标签
• 智能设备（取决于模式）

接收器

接收机是一种带有电源的硬件，连接到一个网络，用于发送和接收与转发器之间的信号。接收端随后将收集到的数据转发到后端主机计算机或数据库。在某些系统中，接收器可以是现有基础设施，但在另一些系统中，接收器必须购买并整合进应用环境。

根据技术类型和应用目标，硬件可以是：

• 读者
• 定位传感器
• 入口
• 接收器
• 信标（视模式而定）
• 智能设备（取决于模式）

软件

这些系统中的软件复杂程度各异，从集成在接收端硬件上的简单软件，到多个软件实例，如定位引擎软件、中间件以及主机上的应用软件。软件可以组合起来，以创建系统所需的功能。RTLS应用中主要使用三种类型：

• 固件——安装在硬件上的软件
• 软件或应用软件——位于后端计算机或服务器上的软件
• 中间件——用于连接固件和应用软件

RTLS覆盖选项

RTLS的能力和读取范围因不同技术和设置而异。例如，读取距离最长的系统GNSS（GPS），由于接收器是绕地球运行的卫星，可以提供物体在全球任何地方的实时位置。其他读取范围较短的技术，如UHF被动RFID，可以提供建筑物或区域内的位置。以下是使用RTLS可实现的不同覆盖水平。请注意，根据所选技术、接收器和/或标签数量和/或定位方式类型，每种覆盖选项都可以实现更高的细度。

广域覆盖——通常指的是利用全球坐标在全球范围内定位某个物品或人员。
应用示例：定位携带贵重机械的货物集装箱横渡海洋或陆地。

局域覆盖——通常指在同一网络上的建筑物或设施内定位某项物品或人员。
应用示例：在公司建筑内定位IT资产。

区域覆盖——通常指的是通过根据读取距离和阅读障碍物间隔设置硬件，在特定区域内（如房间、办公室）内定位物品或人员。
应用示例：在医院内寻找高价值氧气罐。

瓶颈——通常指物品或人员必须经过的区域，以便正常处理事务（如门口、走廊、出入口）。通常宽度较小，以适应某些技术的读写范围。
应用示例：确定制造产品在仓库中存放托盘的哪个区域。

RTLS可以使用哪些技术？

在实施RTLS时，选择适合应用需求的技术非常重要。本文将重点介绍实现成功RTLS应用的最广泛技术。

1.蓝牙低功耗

蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，简称BLE）用于RTLS功能。BLE标签，也称为信标，可以设置为持续向周围区域广播信号。这些信号可以被任何具备蓝牙功能的设备接收，比如蓝牙接收器、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来设置。例如，当BLE应答器进入接收器区域时，应答机会向接收器传达其位置。该响应随后可以通过Wi-Fi信号发送到BLE网关，BLE网关记录这些数据并将其发送到主机计算机或联网/云数据库。

基础系统部件：

• BLE 标签/信标——由接收器的信号、电池或智能设备供电
• BLE 接收器/蓝牙接入点
• BLE网关
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：区域覆盖;瓶颈覆盖
优势：可以使用蓝牙设备;标准化技术;遥测选项
缺点：标签成本高;标签需求量大

2.全球导航系统/GPS

GNSS，即全球导航卫星系统，是一种在全球范围内提供广泛覆盖的卫星系统。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。通过给资产加上具备Wi-Fi、蓝牙或蜂窝连接的GNSS标签，可以使用GNSS进行RTLS的应用。绕地球运行的卫星会持续发送带有轨道位置信息和精确原子钟时间戳调制的无线电波。GNSS标签或智能设备接收来自至少3颗卫星的信号，并利用这些数据计算标签的全球坐标位置。这些坐标随后可以通过标签上的次级技术（如Wi-Fi）发送到主机或联网/云数据库。

基础系统部件：

• GNSS标签——电池供电;智能设备
• 接收器 – GNSS接收器;智能设备
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：广域覆盖，本地覆盖
优点：仅标签费用;遥测选项
缺点：仅支持户外追踪;高标签成本

3.红外辐射

顾名思义，红外辐射位于人眼可见光范围以下的电磁波谱中。这种较低的频率存在某些限制，比如红外波无法穿透墙壁等固体物体。不过，这非常适合覆盖各个区域和房间。红外标签可以与其他技术（如Wi-Fi或蓝牙）配合使用，以在大面积区域提供更高的精度。红外标签通过小电池向房间或区域发送带有独特ID调制的信号。红外接收器安装在固定位置，接收标签信号和唯一ID，并通过Wi-Fi或局域网连接将数据转发到主机计算机或联网/云数据库。

基础系统部件：

• 红外标签——电池供电
• 接收器 – 红外接收器
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：区域覆盖
优势：高精度;低成本;非常适合室内级精度
缺点：射程短;密集的物品会导致多径问题;无标准

4.被动式射频识别

被动超高频（UHF）射频识别技术可以通过多种方式实现RTLS的效率。最简单的方法是封锁房间或建筑的入口和出口的瓶颈。通过将硬件（如RFID读卡器和天线）安装在瓶颈点，并用RFID标签标记资产，可以清晰地获取特定读取时间的物品位置。通过划分房间或区域，并有策略地布置RFID天线，向区域内标记资产发送信号，可以实现区域覆盖。此外，像大多数其他RTLS技术一样，可以在区域或房间中采用更细致的方法，每隔几米安装天线，利用三边测量确定被标记资产的精确位置。

基础系统部件：

• RFID标签——由发射接收信号供电
• 接收器 – RFID读卡器和RFID天线
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：瓶颈点覆盖;区域覆盖;本地覆盖
优势：标签价格更低;设置选项;标准化技术
缺点：金属和水干扰;多径

5.主动射频识别

主动UHF RFID通常用于大型户外环境中的RTLS。根据不同设置，主动RFID的读取范围可达数百米。主动RFID标签内置电池，支持连续信号广播，而非等待读取器发送信号来驱动标签，而非被动RFID。标签广播间隔时间可根据制造商的选项设定。标签通常发送其唯一ID及已编程的额外信息，如信号强度或环境测量等指示器。固定读卡器（间距适当）接收这些信息并记录位置指示器，从而向主机或联网/云数据库提供详细信息。

基础系统部件：

• RFID标签——由电池供电
• 接收器 – RFID读卡器和RFID天线
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：本地覆盖;区域覆盖
优势：户外使用的坚固标签;遥测选项缺点
昂贵的标签和硬件;主动射频识别没有标准

6.超声波放射

超声波辐射与红外辐射有类似的局限性，因为信号无法穿透墙壁或其他致密物体，非常适合室内定位。两者的区别在于，超声信号是声学信号，必须由调谐到超声频段的麦克风接收器接收。在超声系统中，带有小电池的标签会向房间内的接收器发送独特的识别信号。接收器接收到信号后，会根据信号中传输的唯一ID创建一个数据文件，并将该数据发送到主机计算机或联网/云数据库。

基础系统部件：

• 超声标签——电池供电
• 超声接收器 – 麦克风接收器
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：区域覆盖
优势：高精度;非常适合室内级精度
缺点：射程短;密集的物品如墙壁会导致多路径问题;无标准

7.超宽带

超宽带技术（UWB）的工作原理类似于主动射频识别（Active RFID），标签持续向环境中发射射频能量，供接收器接收。在大量标签的大型环境中，接收器会以较长间距放置，中间放置子接收器以提高准确性。标签发出的信号极短，并获得标签的唯一ID。接收器将这些信息转发到主机计算机或联网/云数据库，软件根据定位指示器计算/计算位置。UWB在房间层级和区域层面高度准确，由于其短小且狭窄的传输方式，能够在几厘米内计算位置。

基础系统部件：

• 超宽平衡标签 – 电池供电
• UWB接球手——接球手;副接收器
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：区域覆盖
优势：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;根据接收机和子接收机数量，成本较高

8.愿景

系统可以设置RTLS功能，配备图像和摄像头，用于监控物品和人员。基于视觉的系统利用高端摄像头检测和识别物品位置。配备Wi-Fi或蓝牙等额外技术后，摄像头可以将这些图像、图像数据和时间戳发送到主机电脑或联网/云数据库。基于视觉的系统可以根据相机的图像质量、环境的光线和可见度，以及相机与物体/人物之间的距离，提供不同类型的精度。

基础系统部件：

• 电池或插座供电的摄像机
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：区域覆盖;本地覆盖
优势：无需标签;硬件易于部署
缺点：基础设施成本高;如果所有项目在视觉上都相同，系统就需要另一种技术来提供唯一的ID

9.Wi-Fi

基于Wi-Fi的位置系统受欢迎，因为可以利用现有的Wi-Fi接入点，而无需大量额外硬件成本。带有内置无线电的Wi-Fi标签或智能设备可以向该地区的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与接入点的距离。与其他RTLS技术类似，如果多个接入点接收信号，数据发送到主机或网络/云数据库后，可以通过三边测量更准确地确定物品位置。

基础系统部件：

• 电池或插座供电的摄像机
• 主机计算机或网络/云数据库

最佳用途：本地覆盖;区域覆盖
优势：利用现有Wi-Fi基础设施;有几种设置选项;智能设备可以作为标签;标准化
缺点：标签成本高;根据硬件和环境不同，精度程度各异;Wi-Fi流量增加

*值得注意的是，还有其他技术因多种原因未被纳入本RTLS技术部分，包括复杂性、技术过时以及缺乏当前应用引用。

接收数据与粒度

大多数用于RTLS的技术会将其唯一ID返回给接收端，在仅仅需要相对区域覆盖或瓶颈点覆盖的应用中，这些信息足以返回主机计算机或数据库。在其他应用中，仅仅返回标签的唯一ID不足以精确回答物品或人物的位置。例如，为了提供精确的位置坐标，GNSS会自动通过两种方式提供粒度：

1. GNSS标签在接收至少三次卫星信号的情况下不会报告其位置。这称为三边定位或多边定位。
2. 卫星会将信号带回额外的数据，除了卫星ID之外：精确的轨道位置和时间戳。这些可以称为定位指示器或位置指示器。

如果覆盖范围过大，或者接收机和标签数量不足以提供细致度，可以设置位置指示器和/或多边定位以提高准确性。

第一：三边测量

为了在上述覆盖层级实现RTLS，必须成功结合正确的技术和正确的定位方法，以确保准确性和精准。

所有技术都能在多个接收器捕获标签信号时，更准确地显示物品或人物的位置。如果多个接收器捕获标签数据，可以比较位置指示器，以获得更准确的位置图像。

三边测量——三边测量是一种常用的方法，用于计算三个固定点（通常是接收点）已知坐标内的位置，并利用它们的固定位置或其他报告的指示器，缩小物体的位置范围。

三角测量——通常被误认为三边测量，三角测量是利用已知两到三个固定点（通常是接收器）之间的距离以及每个已知点与物体位置的角度来计算物品的位置。

多边定位——多边定位使用与三边测量相同的计算和数据，但接收点（接收器）更多固定。增加多个定位点进一步提升物体位置的准确性和粒度。

第二：什么是位置指示器，它们是如何使用的？

位置指示器是测量数据，如时间、角度或信号强度，可以由接收器计算或标签捕捉，以提供更准确的物品位置观察。这些指示器可以通过软件创建的专业算法收集和使用。以下是几种最常见的位置确定方法或算法，按位置指示器分类：

时间

到达时间法（TOA）

在这种方法中，标签记录信号的起始时间（t1），然后记录信号在接收端接收的确切时间（t2），并利用软件计算经过时间（t2 – t1）。标签随后将该数据连同标签的唯一ID发送给主机计算机/网络。这种方法只有在标签（或智能设备）具有内部时钟并且与接收机内部的时钟同步时才可以使用。当使用三到四个接收机并进行三边测量时，这种方法可以提供更准确的位置。

到达时间距离法（TDOA）

这种方法不需要标签信号的起始时间（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，并将这些信息发送给主机计算机/网络。这种方法也称为TDOA，依赖现场中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。该方法根据每个唯一标签ID收到的信号时间提供位置，并利用多边或三边测量提供精确位置。

飞行时间方法（TOF of Flight Method）

该方法与TOA方法相似，因为两者都利用信号发送时间（t1）和接收时间（t2）来计算发送到主机计算机/网络的经过时间。与飞行时间（TOF）方法的区别在于，起始信号由读收器发送，因此信号的时间戳要么是预先确定且已知的，要么被调制到信号到标签中。标签随后记录信号到达的时间，解调信号（如有需要），并计算接收机与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（RTT）

该方法与TOA和TOF方法相似，因为这三种方法都使用信号发送时间（t1）和接收时间（t2）来计算发送到主机计算机/网络的经过时间。RTT方法的区别在于它计算往返时间。发起信号由读收器发送，接收端发送信号的时间被记录。然后，它会将信号从标签接收的时间、信号的起始时间以及标签的唯一ID一起返回主机计算机/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（AOA）

该方法常用于两名或更多接收机，并了解每个接收机的位置、角度和方向。每个接收机还必须有一个固定的参考方向，如北、南、东或西。接收端既接收标签信号，又根据已知固定参考方向计算角度。然后，他们将这些信息反馈给主机计算机/网络，利用每个接收器已知的位置准确计算标签的位置。接收器越多，标签相对于固定方向的角度，物品位置的精确度就越高。

信号强度

接收信号强度指示器（RSSI）方法

这种方法常用于RFID及其他相关技术。RSSI值是由接收端计算出标签回传信号的信号强度。如果标签具备板载计算能力，也可以对信号的每个部分计算RSSI值，从接收端到标签和标签到接收端。

想了解更多关于时间指示器的信息——请点击这里。

RTLS示例，带有三边测量和位置指示器

在仓库中，X公司存放已退回维修或更换的高价值设备。每件设备的价格在1000美元到10000美元之间，有些设备还会根据特定客户进行人工校准。由于这是X公司在北美唯一的维修仓库，所有有问题的设备都会送到这里，这意味着X公司一度可能在现场拥有数百名资产。

每件设备收到后必须贴标签，并记录客户姓名、设备类型、设备使用情况、问题/设备问题、接收日期等信息。X公司决定使用被动RFID，因为仓库已分区设置，且一次性标签价格实惠。

X公司的仓库被一分为二，5000平方英尺为工作车间，另外5000平方英尺为有缺陷设备的货架。X连已经有5个“区域”，每个区域1000平方英尺见方，长宽约32英尺。为了节省开支，X公司决定每个区域只使用两台高功率RFID读卡器，配合一个天线枢纽，每个天线为13个RFID天线供电，总计26个天线均匀分布在读区内。为了让X公司更细致地了解资产的位置，读取器被编程将每个标签的唯一ID和RSSI测量数据发送到云数据库。由于天线在读区重叠，至少需要三次读取和相应的RSSI值才能准确定位。一旦标签被查询，三根天线会读取标签的唯一ID，并将RSSI值发送到数据库。软件接收这些信息，并借助定制算法，向技术人员提供英寸单位的位置。

技术人员随后可以根据掌上电脑的应用软件前往该特定区域，找到待维修产品。