Bluetooth-системы внутреннего позиционирования: Особенности реализации и альтернативы

Система внутреннего позиционирования (англ. Indoor positioning system, IPS) – это сеть передающих и приемных устройств (отдельных или совмещенных «два в одном»), которые могут обмениваться данными внутри помещения.

Основная цель IPS – определять местоположение объекта, будь то человек, животное или неодушевленный предмет. Как только система обнаружила объект, она продолжает отслеживать его местоположение и может идентифицировать его среди множества похожих объектов.

Использование таких систем может улучшить рабочие процессы и помочь в решении многих проблем. Вот некоторые из возможных областей применения систем внутреннего позиционирования и цели, которым они могут служить:

• Производство (контроль продукции и оборудования, охрана сотрудников, обеспечение безопасности на производственных площадках);
  
• Здравоохранение (отслеживание пациентов и персонала на территории больницы);
  
• Добывающая промышленность (обеспечение безопасности персонала, работающего под землей);
  
• Торговые центры (навигация, поиск и реклама товаров);
  
• Аэропорты, ж/д вокзалы и автовокзалы (предоставление информационных услуг и навигация);
  
• Складское хозяйство (контроль за обработкой и перемещением товаров);
• Парковки и гаражи (навигация и обеспечение безопасности).

Если суммировать, внутреннее позиционирование может применяться в любой сфере бизнеса и для самых разных целей, насколько позволяют фантазия и бюджет. Например, навигация востребована в музеях, парках, на выставках, ярмарках, туристических и спортивных объектах. IPS является неотъемлемой частью большинства интеллектуальных сетей, включая Интернет вещей.

Спутниковые радиосигналы хорошо работают на поверхности, но не могут достичь приемников внутри зданий или подземных сооружений. Поэтому GPS и ГЛОНАСС нельзя использовать во внутренних системах позиционирования. С этой целью используются альтернативные технологии, основанные на различных типах сигналов, которые можно классифицировать следующим образом:

• IPS, использующие радиосигналы

Такие системы определяют местоположение объектов с помощью радиосигналов, распространяющихся от передатчиков к приемникам. К ним относятся NFC, RFID, Wi-Fi (WPS), Bluetooth, Thread, ZigBee, сверхширокополосная связь UWB, радиолокационная технология RADAR.

• IPS, использующие акустические сигналы
  

Эти системы используют эхолокацию. Они рассчитывают расстояние до объекта на основе времени, за которое ультразвуковой сигнал проходит до него и обратно. Одним из конкретных примеров этой технологии является система звуковой навигации и локации SONAR, используемая для обнаружения объектов в водной среде.

• IPS, использующие световые сигналы
  

Этот тип систем внутреннего позиционирования имеет дело со светоизлучающими и светоотражающими объектами. Это системы обнаружения и определения дальности с помощью света LiDAR, инфракрасные системы и системы компьютерного зрения.

• IPS, использующие инерциальную навигацию
  

Эти системы включают в себя инерциальные измерительные блоки (IMU), которые используют датчики – акселерометр, гироскоп и иногда магнитометр – для отслеживания движения объекта в трехмерном пространстве.

Для реализации технологии позиционирования в помещении вам могут потребоваться различные аппаратные и программные решения, а также определенные методы позиционирования. Так, например, вы можете использовать метку для отслеживания движущегося объекта и маячок, если объект неподвижен. Метки обычно меньше и легче маячков, однако оба решения имеют различные по цене и сложности конфигурации. Вы можете запрограммировать устройства под свои нужды, например, для обеспечения двусторонней связи.

В качестве приемников могут выступать смартфоны, планшеты и другие портативные устройства. Они преобразуют сигналы, полученные от меток или маячков, в информацию о местоположении – координаты. Что касается программного обеспечения, разработчикам может потребоваться создать SDK, библиотеку, мобильное приложение, протокол связи и т.д. Можно использовать следующие методы позиционирования:

• Методы Angle-of-Arrival AoA/ Angle-of-Departure AoD – Оценка по углу прибытия сигнала/ Оценка по углу отправления сигнала
  

Методы основаны на измерении угла, под которым сигнал, отправленный передатчиком, достигает приемного устройства. За счет использования нескольких датчиков эти подходы обеспечивают лучшую точность, но и, конечно, требуют дополнительных затрат на оборудование. AoA и AoD обычно реализуются в Bluetooth-системах высокоточного позиционирования.

• Показатель уровня принимаемого сигнала (RSSI)
  

RSSI позволяет оценить местоположение объекта по интенсивности излучаемого им сигнала. Этот метод может быть неточным, поскольку неподвижные и движущиеся объекты, окружающие передатчик, могут отрицательно влиять на сигнал. Тем не менее RSSI применяется в таких беспроводных сетях, как Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и Thread.

• Метод трилатерации (мультилатерация, или гиперболическое позиционирование)
  

Для этого метода требуется три или более передающих устройства. Зная расстояния между некоторыми эталонными объектами, вы можете измерить расстояние до целевого объекта. Трилатерация включает в себя математические модели и часто используется для повышения точности позиционирования в системах с использованием Wi-Fi, UWB и Bluetooth, а также в ультразвуковых системах.

• Триангуляция
  

Еще один метод, основанный на математических расчетах. Как следует из названия, триангуляция предполагает измерение расстояния до объекта путем построения треугольников между опорными точками вокруг него. Системы на основе Bluetooth, Wi-Fi и UWB используют триангуляцию в качестве дополнительного метода позиционирования.

• Метод счисления
  

Метод отслеживания местоположения внутри помещений, который чаще всего используется инерциальными измерительными блоками IMU. Чтобы определить положение объекта с помощью точного счисления, необходимо знать его предыдущее местоположение и скорость. На точности метода могут сказываться ошибки позиционирования, накапливающиеся со временем.

• Метод одновременной навигации и построения карты (SLAM)
  

Алгоритмы SLAM используют данные, полученные от датчиков или камеры, для построения карты помещения и одновременного отслеживания находящегося там объекта. IMU и системы компьютерного зрения используют этот метод для отслеживания положения и движения объекта.

Для большей точности позиционирования и если это позволяет выбранная технология, можно комбинировать различные методы или создавать собственные решения, например, кастомизировать встроенное ПО маячка или разработать индивидуальные алгоритмы.

Различия между технологиями позиционирования внутри помещений заключаются в способах их реализации, стоимости, точности позиционирования и других характеристиках производительности. Каждая технология имеет свои сильные и слабые стороны.

Например, инерциальный измерительный блок и система компьютерного зрения могут обеспечить высокую точность позиционирования только в сочетании с другими технологиями. Ультразвуковая система может обеспечить точное обнаружение объектов, если окружающие объекты не искажают используемые ультразвуковые волны. Чтобы сделать эту IPS надежной, можно использовать фильтры и увеличить количество передающих устройств.

Инфракрасная система также требует установки на объекте нескольких меток. Кроме того, такая система не может отслеживать объект, перемещающийся из одного помещения в другое из-за ограниченных возможностей светового сигнала.

Радиотехнологии очень распространены из-за их доступности, простоты и способности отслеживать объекты в режиме мгновенного отклика, поэтому их можно использовать в системах позиционирования в режиме реального времени (RTLS).

RFID и NFC – это две коммуникационные технологии, которые часто используются для отслеживания объектов во многих отраслях. Они дешевы и просты в реализации, но подходят только для маленьких расстояний. Системы на основе Wi-Fi имеют большую область покрытия, но требуют гораздо больше энергии. Еще одна проблема, типичная для этого решения, – нестабильное соединение. Системы UWB демонстрируют превосходную точность и хорошо работают в различных условиях, но достаточно дороги и сложны в реализации.

Еще одним популярным вариантом внутреннего позиционирования является технология Bluetooth. Давайте рассмотрим ее подробнее, узнаем ее плюсы, минусы и способы реализации в проектах.

Ранние версии Bluetooth-технологии внутреннего позиционирования использовались в бесконтактных решениях, в которых применялись методы RSSI и трилатерации. Точностью определения положения такие системы не могли похвастаться – она составляла от 1 до нескольких метров. Несмотря на это, Bluetooth-позиционирование было довольно конкурентоспособным.

Представленная в 2010 году в спецификации Bluetooth 4.0 технология Bluetooth Low Energy (BLE) выигрышно отличалась от других версий своим низким энергопотреблением. IPS на базе BLE может состоять из нескольких устройств, особенностями которых являются:

• уменьшенный размер;
  
• низкие производственные затраты;
  
• увеличенный срок службы.
  
  

Крупнейшие производители полупроводников, такие как Texas Instruments, STMicroelectronics, Qualcomm, Nordic Semiconductor, интегрировали Bluetooth LE в свои продукты, что сделало внутреннее BLE-позиционирование широко доступным.

Со временем технология усовершенствовалась, приобрела новые функции. В 2017 году с выходом Bluetooth 5 появилась возможность создавать высокомасштабируемые ячеистые сети (mesh-сети), предлагающие неиерархическую связь "многие ко многим". Ячеистая сеть может быть интегрирована в систему позиционирования внутри помещений, чтобы расширить ее возможности и повысить точность определения местоположения.

Выпущенная в 2019 году версия 5.1 открыла больше возможностей для систем внутреннего позиционирования на базе Bluetooth. Помимо RSSI, новая возможность пеленгации позволила системе использовать AoA и AoD методы вместе с триангуляцией и определять положение объекта с гораздо более высокой точностью. Таким образом, помимо использования в бесконтактных решениях, технология Bluetooth 5.1 стала широко применяться в IPS и RTLS системах.

Bluetooth имеет очевидные преимущества перед другими решениями на основе радиосвязи. Во-первых, беспроводные Bluetooth-системы позиционирования внутри помещений отличаются высокой энергоэффективностью и, соответственно, имеют долгий срок службы. Во-вторых, последние версии таких систем предлагают усовершенствованные методы позиционирования, обеспечивающие точность вплоть до сантиметра.

И третье – Bluetooth-технологии сейчас буквально везде. Согласно отчету 2023 Bluetooth Market Update, ежегодные поставки устройств с Bluetooth выросли с 68 миллионов в 2018 году до 209 миллионов в 2022 году. Ожидается, что в 2027 году это число достигнет 515 миллионов штук.

Сегодня большинство чипов поддерживают BLE, как и большинство мобильных устройств, не говоря уже о смартфонах. Это значительно упрощает дальнейшее внедрение и развертывание технологии.

С Bluetooth конкурирует технология Wi-Fi, которая тоже используется для позиционирования внутри помещений. Решения на основе Wi-Fi не менее популярны и имеют схожие с Bluetooth-системами характеристики. Но Bluetooth обеспечивает немного большую дальность действия из-за более низкой скорости передачи данных. Кроме того, устройства BLE легче программировать по сравнению с решениями на основе Wi-Fi. Наконец, устройства с поддержкой Bluetooth потребляют меньше энергии.

Подводя итоги, скажем, что Bluetooth – надежная технология для различных решений определения местоположения. Они могут выполнять такие функции, как:

• навигация;
  
• предоставление информации о достопримечательностях (POI);
  
• поиск предметов;
  
• отслеживание людей и активов.
  
  

Как работает Bluetooth внутри помещений? Приведем пример из нашего опыта. Мы использовали Bluetooth-маячки для системы позиционирования внутри помещений, чтобы обеспечить безопасность людей, работающих под землей. Маячки передают пакеты данных с уникальными идентификаторами, распознаваемыми и дифференцируемыми принимающим устройством. Так, маячки, установленные в шахтах, посылали сигналы, а шлюзовые устройства считывали информацию и определяли расстояние до них.

Реализация проекта позиционирования в помещении с использованием Bluetooth Low Energy будет зависеть от технических возможностей, требуемых характеристик и бюджета. Прежде всего, необходимо решить, стоит ли создавать IPS с нуля или интегрировать ее в существующее решение. Это будет определять выбор методов позиционирования.

Если ваша версия Bluetooth ниже 5.1, вы можете использовать только RSSI в сочетании с трилатерацией. Эти методы подходят для систем неконтактного действия, предназначенных для:

• обмена информацией;
  
• поиска предметов и достопримечательностей;
  
• продвижения товаров и услуг.
  
  

В одном из наших проектов мы разработали BLE-систему внутреннего позиционирования для крупных торговых центров. Владельцы бизнеса могли использовать решение в маркетинговых целях, информируя посетителей об акциях и скидках. Заказчик попросил нас создать систему на основе BLE-маячков, которая могла бы взаимодействовать с мобильным приложением через Bluetooth 4.0. После определения местоположения пользователей приложения система может предоставить им рекламную информацию.

Мы создали мобильный SDK, который считывает сигналы от передатчиков и отправляет данные маячка (ID и RSSI) в облако. Использовав методы RSSI и трилатерацию для расчета местоположения пользователя приложения, мы добились точности позиционирования до 1 метра.

Вычисление местоположения может выполняться либо в приложении, либо на облачном сервере. Мобильное устройство выполняет расчеты, если нет подключения к Интернету либо соединение нестабильно. Это непростая и энергозатратная задача, но зато не нужно разворачивать сервер и постоянно к нему подключаться. С другой стороны, если вы хотите создать небольшое приложение с низким энергопотреблением, лучше выполнять вычисления на стороне сервера.

Точность позиционирования в немалой степени зависит от количества маячков, установленных на объекте. Для правильного определения положения объекта плотность их размещения должна быть достаточно высокой. Разработанная нами IPS, о которой говорилось выше, могла поддерживать неограниченное количество маячков с плотностью не менее 3-4 устройств на 200 м².

В этом проекте мы использовали протокол iBeacon от Apple, который хорошо зарекомендовал себя в Bluetooth-решениях внутреннего позиционирования. Устройства на базе iOS имеют нативные инструменты для чтения пакетов данных в формате iBeacon. Устройства на базе Android могут также получать пакеты, но для их распаковки потребуется интегрировать в приложение дополнительные программные компоненты.

Помимо iBeacon можно использовать другие протоколы, например, AltBeacon или разработать собственное решение. Иногда сложно найти готовый продукт, который мог бы полностью удовлетворить потребности клиентов. Тогда решить проблему помогает кастомизация решения. У нас был опыт доработки Bluetooth-маячков для действующей системы отслеживание местоположения в помещении. В результате модификации эффективность системы повысилась, а ресурс батарей увеличился на 30%.

Если ваша система поддерживает последнюю версию спецификации Bluetooth, вы можете использовать методы пеленгации. С помощью AoA и AoD можно добиться высочайшей точности при развертывании Bluetooth-систем для ориентации в пространстве и отслеживания местоположения в реальном времени.

Метод AoD предполагает, что приемник с одной антенной считывает сигналы с нескольких антенн передатчика. Каждый сигнал приходит под определенным углом и имеет определенное время прибытия (ToA). Зная расстояние между антеннами передатчика и временные интервалы между сигналами (разность времени прибытия, или TDoA), можно измерить AoD и расстояние между передатчиком и приемником. Эта информация позволяет IPS определить положение объекта.

AoA использует аналогичный принцип, но в обратном порядке: передатчик отправляет сигнал от одной антенны к нескольким антеннам приемного устройства.

Если сеть состоит из нескольких устройств, вы можете повысить точность, используя триангуляцию в качестве вспомогательного метода позиционирования. Чтобы свести неточности в расчетах к минимуму, можно перепроверить данные с помощью алгоритмов фильтрации, например, фильтра Калмана.

Как и любая другая система внутреннего позиционирования, IPS на основе Bluetooth неидеальна и имеет свои недостатки и проблемы с реализацией, наибольшая из которых – работа при высоком уровне помех.

В статической среде проще развернуть локальную систему позиционирования. Условия до определенной степени остаются неизменными, поэтому расчеты позиций не потребуют существенных корректировок. Но если Bluetooth-система работает в помещении, где много движущихся объектов, то поддерживать целостность сигнала и, следовательно, правильно определять местонахождение объекта гораздо сложнее. Чтобы улучшить ситуацию, можно увеличить количество маячков на квадратный метр.

Большей точности можно добиться, используя дополнительные методы позиционирования. Чем больше методов используется, тем более достоверные данные можно получить. Однако выбор методов может быть ограничен версией Bluetooth. Например, применение пеленгации возможно, если все устройства в сети поддерживают спецификацию Bluetooth 5.1 или выше. В противном случае придется использовать методы, доступные в вашей текущей версии.

Чтобы обеспечить правильную работу системы внутреннего позиционирования на базе BLE, вам следует создать подробную карту места, где вы планируете ее развернуть. Мы настоятельно рекомендуем выбрать удобный программный инструмент для составления карты помещения и преобразования этой информации в алгоритм обработки данных для облачного решения, мобильного приложения или прошивки принимающего устройства. Задача несложная, но все равно требует времени и усилий.

Если есть необходимость позиционировать и отслеживать людей или объекты как внутри, так и снаружи здания, можно комбинировать разные технологии и переключаться между режимами. Например, можно использовать Bluetooth-трекер местоположения в помещении и переключаться на GPS для определения местоположения на открытом воздухе. КЕДР Solutions имеет в своем портфолио проект разработки и внедрения PaaS-решения для геолокационных систем. Созданная нами система может автоматически переключаться между маячками GPS и Bluetooth, обеспечивая отслеживание в реальном времени с высокой точностью и низким энергопотреблением.