RTLS代表什么？

RTLS代表實時定位系統，指的是任何能夠準確確定物品或個人位置的系統。RTLS并不是某種特定類型的系統或技術，而是一個可以通過多種系統實現的目標，用于定位和管理資產。RTLS的一個重要方面是資產被追蹤的時間，這些數據可以根據應用的不同方式被使用。例如，有些應用僅在資產經過某一區域時需要時間戳，而其他RTLS應用則需要更細致的可視化，并且需要不斷更新時間數據。理想的實時定位系統能夠準確定位、跟蹤和管理資產、庫存或人員，幫助企業基于收集到的位置數據做出明智決策。

RTLS被廣泛應用于多個行業，具體應用于員工跟蹤和高價值資產跟蹤。這些應用可以在制造業和采礦業中找到，但在醫療行業中最為突出。

RTLS系統的組成部分

所有RTLS應用程序都將由幾個基本組件組成：應答器、接收器和用于解讀每個數據的軟件。系統的復雜度、所選技術和應用范圍將決定創建理想RTLS所需的硬件和軟件數量。

用于RTLS的每種技術都使用了各自的術語。以下是幫助大家大致理解這些物品及其在系統中角色的廣義術語：

應答器

應答器會附著在某個物品或人上，以唯一識別該物品或人。應答器通常接收接收端的信號并以其唯一ID回應，但如果應答器內部有電源，也可以發送初始信號。

根據技術類型和應用目標，應答器可以是：

• 射頻識別（RFID）標簽
• 藍牙信標
• 智能設備
• Wi-Fi 標簽
• 全球導航衛星系統（GNSS）/全球定位系統（GPS）標簽
• 超聲標簽
• 紅外標簽
• 智能設備（取決于模式）

接收器

接收機是一種帶有電源的硬件，連接到一個網絡，用于發送和接收與轉發器之間的信號。接收端隨后將收集到的數據轉發到后端主機計算機或數據庫。在某些系統中，接收器可以是現有基礎設施，但在另一些系統中，接收器必須購買并整合進應用環境。

根據技術類型和應用目標，硬件可以是：

• 讀者
• 定位傳感器
• 入口
• 接收器
• 信標（視模式而定）
• 智能設備（取決于模式）

軟件

這些系統中的軟件復雜程度各異，從集成在接收端硬件上的簡單軟件，到多個軟件實例，如定位引擎軟件、中間件以及主機上的應用軟件。軟件可以組合起來，以創建系統所需的功能。RTLS應用中主要使用三種類型：

• 固件——安裝在硬件上的軟件
• 軟件或應用軟件——位于后端計算機或服務器上的軟件
• 中間件——用于連接固件和應用軟件

RTLS覆蓋選項

RTLS的能力和讀取范圍因不同技術和設置而異。例如，讀取距離最長的系統GNSS（GPS），由于接收器是繞地球運行的衛星，可以提供物體在全球任何地方的實時位置。其他讀取范圍較短的技術，如UHF被動RFID，可以提供建筑物或區域內的位置。以下是使用RTLS可實現的不同覆蓋水平。請注意，根據所選技術、接收器和/或標簽數量和/或定位方式類型，每種覆蓋選項都可以實現更高的細度。

廣域覆蓋——通常指的是利用全球坐標在全球范圍內定位某個物品或人員。
應用示例：定位攜帶貴重機械的貨物集裝箱橫渡海洋或陸地。

局域覆蓋——通常指在同一網絡上的建筑物或設施內定位某項物品或人員。
應用示例：在公司建筑內定位IT資產。

區域覆蓋——通常指的是通過根據讀取距離和閱讀障礙物間隔設置硬件，在特定區域內（如房間、辦公室）內定位物品或人員。
應用示例：在醫院內尋找高價值氧氣罐。

瓶頸——通常指物品或人員必須經過的區域，以便正常處理事務（如門口、走廊、出入口）。通常寬度較小，以適應某些技術的讀寫范圍。
應用示例：確定制造產品在倉庫中存放托盤的哪個區域。

RTLS可以使用哪些技術？

在實施RTLS時，選擇適合應用需求的技術非常重要。本文將重點介紹實現成功RTLS應用的最廣泛技術。

1.藍牙低功耗

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）用于RTLS功能。BLE標簽，也稱為信標，可以設置為持續向周圍區域廣播信號。這些信號可以被任何具備藍牙功能的設備接收，比如藍牙接收器、其他BLE標簽和信標，或智能設備。使用 BLE 的 RTLS 可以通過安裝在固定位置并分配特定坐標的信標或藍牙接收器來設置。例如，當BLE應答器進入接收器區域時，應答機會向接收器傳達其位置。該響應隨后可以通過Wi-Fi信號發送到BLE網關，BLE網關記錄這些數據并將其發送到主機計算機或聯網/云數據庫。

基礎系統部件：

• BLE 標簽/信標——由接收器的信號、電池或智能設備供電
• BLE 接收器/藍牙接入點
• BLE網關
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：區域覆蓋;瓶頸覆蓋
優勢：可以使用藍牙設備;標準化技術;遙測選項
缺點：標簽成本高;標簽需求量大

2.全球導航系統/GPS

GNSS，即全球導航衛星系統，是一種在全球范圍內提供廣泛覆蓋的衛星系統。GNSS通常被稱為GPS，因為美國的NAVSTAR GPS衛星系統是最著名的GNSS導航或定位衛星系統。通過給資產加上具備Wi-Fi、藍牙或蜂窩連接的GNSS標簽，可以使用GNSS進行RTLS的應用。繞地球運行的衛星會持續發送帶有軌道位置信息和精確原子鐘時間戳調制的無線電波。GNSS標簽或智能設備接收來自至少3顆衛星的信號，并利用這些數據計算標簽的全球坐標位置。這些坐標隨后可以通過標簽上的次級技術（如Wi-Fi）發送到主機或聯網/云數據庫。

基礎系統部件：

• GNSS標簽——電池供電;智能設備
• 接收器 – GNSS接收器;智能設備
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：廣域覆蓋，本地覆蓋
優點：僅標簽費用;遙測選項
缺點：僅支持戶外追蹤;高標簽成本

3.紅外輻射

顧名思義，紅外輻射位于人眼可見光范圍以下的電磁波譜中。這種較低的頻率存在某些限制，比如紅外波無法穿透墻壁等固體物體。不過，這非常適合覆蓋各個區域和房間。紅外標簽可以與其他技術（如Wi-Fi或藍牙）配合使用，以在大面積區域提供更高的精度。紅外標簽通過小電池向房間或區域發送帶有獨特ID調制的信號。紅外接收器安裝在固定位置，接收標簽信號和唯一ID，并通過Wi-Fi或局域網連接將數據轉發到主機計算機或聯網/云數據庫。

基礎系統部件：

• 紅外標簽——電池供電
• 接收器 – 紅外接收器
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：區域覆蓋
優勢：高精度;低成本;非常適合室內級精度
缺點：射程短;密集的物品會導致多徑問題;無標準

4.被動式射頻識別

被動超高頻（UHF）射頻識別技術可以通過多種方式實現RTLS的效率。最簡單的方法是封鎖房間或建筑的入口和出口的瓶頸。通過將硬件（如RFID讀卡器和天線）安裝在瓶頸點，并用RFID標簽標記資產，可以清晰地獲取特定讀取時間的物品位置。通過劃分房間或區域，并有策略地布置RFID天線，向區域內標記資產發送信號，可以實現區域覆蓋。此外，像大多數其他RTLS技術一樣，可以在區域或房間中采用更細致的方法，每隔幾米安裝天線，利用三邊測量確定被標記資產的精確位置。

基礎系統部件：

• RFID標簽——由發射接收信號供電
• 接收器 – RFID讀卡器和RFID天線
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：瓶頸點覆蓋;區域覆蓋;本地覆蓋
優勢：標簽價格更低;設置選項;標準化技術
缺點：金屬和水干擾;多徑

5.主動射頻識別

主動UHF RFID通常用于大型戶外環境中的RTLS。根據不同設置，主動RFID的讀取范圍可達數百米。主動RFID標簽內置電池，支持連續信號廣播，而非等待讀取器發送信號來驅動標簽，而非被動RFID。標簽廣播間隔時間可根據制造商的選項設定。標簽通常發送其唯一ID及已編程的額外信息，如信號強度或環境測量等指示器。固定讀卡器（間距適當）接收這些信息并記錄位置指示器，從而向主機或聯網/云數據庫提供詳細信息。

基礎系統部件：

• RFID標簽——由電池供電
• 接收器 – RFID讀卡器和RFID天線
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：本地覆蓋;區域覆蓋
優勢：戶外使用的堅固標簽;遙測選項缺點
昂貴的標簽和硬件;主動射頻識別沒有標準

6.超聲波放射

超聲波輻射與紅外輻射有類似的局限性，因為信號無法穿透墻壁或其他致密物體，非常適合室內定位。兩者的區別在于，超聲信號是聲學信號，必須由調諧到超聲頻段的麥克風接收器接收。在超聲系統中，帶有小電池的標簽會向房間內的接收器發送獨特的識別信號。接收器接收到信號后，會根據信號中傳輸的唯一ID創建一個數據文件，并將該數據發送到主機計算機或聯網/云數據庫。

基礎系統部件：

• 超聲標簽——電池供電
• 超聲接收器 – 麥克風接收器
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：區域覆蓋
優勢：高精度;非常適合室內級精度
缺點：射程短;密集的物品如墻壁會導致多路徑問題;無標準

7.超寬帶

超寬帶技術（UWB）的工作原理類似于主動射頻識別（Active RFID），標簽持續向環境中發射射頻能量，供接收器接收。在大量標簽的大型環境中，接收器會以較長間距放置，中間放置子接收器以提高準確性。標簽發出的信號極短，并獲得標簽的唯一ID。接收器將這些信息轉發到主機計算機或聯網/云數據庫，軟件根據定位指示器計算/計算位置。UWB在房間層級和區域層面高度準確，由于其短小且狹窄的傳輸方式，能夠在幾厘米內計算位置。

基礎系統部件：

• 超寬平衡標簽 – 電池供電
• UWB接球手——接球手;副接收器
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：區域覆蓋
優勢：高精度;能夠減輕金屬和水的干擾;不干擾其他射頻系統
缺點：可能需要布線;根據接收機和子接收機數量，成本較高

8.愿景

系統可以設置RTLS功能，配備圖像和攝像頭，用于監控物品和人員。基于視覺的系統利用高端攝像頭檢測和識別物品位置。配備Wi-Fi或藍牙等額外技術后，攝像頭可以將這些圖像、圖像數據和時間戳發送到主機電腦或聯網/云數據庫。基于視覺的系統可以根據相機的圖像質量、環境的光線和可見度，以及相機與物體/人物之間的距離，提供不同類型的精度。

基礎系統部件：

• 電池或插座供電的攝像機
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：區域覆蓋;本地覆蓋
優勢：無需標簽;硬件易于部署
缺點：基礎設施成本高;如果所有項目在視覺上都相同，系統就需要另一種技術來提供唯一的ID

9.Wi-Fi

基于Wi-Fi的位置系統受歡迎，因為可以利用現有的Wi-Fi接入點，而無需大量額外硬件成本。帶有內置無線電的Wi-Fi標簽或智能設備可以向該地區的Wi-Fi接入點發送信號，反之亦然。根據Wi-Fi接入點的數量，可以使用多個定位指示器來計算與接入點的距離。與其他RTLS技術類似，如果多個接入點接收信號，數據發送到主機或網絡/云數據庫后，可以通過三邊測量更準確地確定物品位置。

基礎系統部件：

• 電池或插座供電的攝像機
• 主機計算機或網絡/云數據庫

最佳用途：本地覆蓋;區域覆蓋
優勢：利用現有Wi-Fi基礎設施;有幾種設置選項;智能設備可以作為標簽;標準化
缺點：標簽成本高;根據硬件和環境不同，精度程度各異;Wi-Fi流量增加

*值得注意的是，還有其他技術因多種原因未被納入本RTLS技術部分，包括復雜性、技術過時以及缺乏當前應用引用。

接收數據與粒度

大多數用于RTLS的技術會將其唯一ID返回給接收端，在僅僅需要相對區域覆蓋或瓶頸點覆蓋的應用中，這些信息足以返回主機計算機或數據庫。在其他應用中，僅僅返回標簽的唯一ID不足以精確回答物品或人物的位置。例如，為了提供精確的位置坐標，GNSS會自動通過兩種方式提供粒度：

1. GNSS標簽在接收至少三次衛星信號的情況下不會報告其位置。這稱為三邊定位或多邊定位。
2. 衛星會將信號帶回額外的數據，除了衛星ID之外：精確的軌道位置和時間戳。這些可以稱為定位指示器或位置指示器。

如果覆蓋范圍過大，或者接收機和標簽數量不足以提供細致度，可以設置位置指示器和/或多邊定位以提高準確性。

第一：三邊測量

為了在上述覆蓋層級實現RTLS，必須成功結合正確的技術和正確的定位方法，以確保準確性和精準。

所有技術都能在多個接收器捕獲標簽信號時，更準確地顯示物品或人物的位置。如果多個接收器捕獲標簽數據，可以比較位置指示器，以獲得更準確的位置圖像。

三邊測量——三邊測量是一種常用的方法，用于計算三個固定點（通常是接收點）已知坐標內的位置，并利用它們的固定位置或其他報告的指示器，縮小物體的位置范圍。

三角測量——通常被誤認為三邊測量，三角測量是利用已知兩到三個固定點（通常是接收器）之間的距離以及每個已知點與物體位置的角度來計算物品的位置。

多邊定位——多邊定位使用與三邊測量相同的計算和數據，但接收點（接收器）更多固定。增加多個定位點進一步提升物體位置的準確性和粒度。

第二：什么是位置指示器，它們是如何使用的？

位置指示器是測量數據，如時間、角度或信號強度，可以由接收器計算或標簽捕捉，以提供更準確的物品位置觀察。這些指示器可以通過軟件創建的專業算法收集和使用。以下是幾種最常見的位置確定方法或算法，按位置指示器分類：

時間

到達時間法（TOA）

在這種方法中，標簽記錄信號的起始時間（t1），然后記錄信號在接收端接收的確切時間（t2），并利用軟件計算經過時間（t2 – t1）。標簽隨后將該數據連同標簽的唯一ID發送給主機計算機/網絡。這種方法只有在標簽（或智能設備）具有內部時鐘并且與接收機內部的時鐘同步時才可以使用。當使用三到四個接收機并進行三邊測量時，這種方法可以提供更準確的位置。

到達時間距離法（TDOA）

這種方法不需要標簽信號的起始時間（不需要標簽內部時鐘），而是記錄接收到的信號時間和唯一ID，并將這些信息發送給主機計算機/網絡。這種方法也稱為TDOA，依賴現場中的許多標簽和位置傳感器，以及應用軟件或中間件的強大處理能力。該方法根據每個唯一標簽ID收到的信號時間提供位置，并利用多邊或三邊測量提供精確位置。

飛行時間方法（TOF of Flight Method）

該方法與TOA方法相似，因為兩者都利用信號發送時間（t1）和接收時間（t2）來計算發送到主機計算機/網絡的經過時間。與飛行時間（TOF）方法的區別在于，起始信號由讀收器發送，因此信號的時間戳要么是預先確定且已知的，要么被調制到信號到標簽中。標簽隨后記錄信號到達的時間，解調信號（如有需要），并計算接收機與標簽之間的飛行時間（t2 – t1）。與TOA方法類似，TOF方法要求標簽具有內部時鐘。

往返時間法（RTT）

該方法與TOA和TOF方法相似，因為這三種方法都使用信號發送時間（t1）和接收時間（t2）來計算發送到主機計算機/網絡的經過時間。RTT方法的區別在于它計算往返時間。發起信號由讀收器發送，接收端發送信號的時間被記錄。然后，它會將信號從標簽接收的時間、信號的起始時間以及標簽的唯一ID一起返回主機計算機/網絡。與TDOA方法類似，TOF方法不要求標簽具有內部時鐘。

角度

到達角法（AOA）

該方法常用于兩名或更多接收機，并了解每個接收機的位置、角度和方向。每個接收機還必須有一個固定的參考方向，如北、南、東或西。接收端既接收標簽信號，又根據已知固定參考方向計算角度。然后，他們將這些信息反饋給主機計算機/網絡，利用每個接收器已知的位置準確計算標簽的位置。接收器越多，標簽相對于固定方向的角度，物品位置的精確度就越高。

信號強度

接收信號強度指示器（RSSI）方法

這種方法常用于RFID及其他相關技術。RSSI值是由接收端計算出標簽回傳信號的信號強度。如果標簽具備板載計算能力，也可以對信號的每個部分計算RSSI值，從接收端到標簽和標簽到接收端。

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RTLS示例，帶有三邊測量和位置指示器

在倉庫中，X公司存放已退回維修或更換的高價值設備。每件設備的價格在1000美元到10000美元之間，有些設備還會根據特定客戶進行人工校準。由于這是X公司在北美唯一的維修倉庫，所有有問題的設備都會送到這里，這意味著X公司一度可能在現場擁有數百名資產。

每件設備收到后必須貼標簽，并記錄客戶姓名、設備類型、設備使用情況、問題/設備問題、接收日期等信息。X公司決定使用被動RFID，因為倉庫已分區設置，且一次性標簽價格實惠。

X公司的倉庫被一分為二，5000平方英尺為工作車間，另外5000平方英尺為有缺陷設備的貨架。X連已經有5個“區域”，每個區域1000平方英尺見方，長寬約32英尺。為了節省開支，X公司決定每個區域只使用兩臺高功率RFID讀卡器，配合一個天線樞紐，每個天線為13個RFID天線供電，總計26個天線均勻分布在讀區內。為了讓X公司更細致地了解資產的位置，讀取器被編程將每個標簽的唯一ID和RSSI測量數據發送到云數據庫。由于天線在讀區重疊，至少需要三次讀取和相應的RSSI值才能準確定位。一旦標簽被查詢，三根天線會讀取標簽的唯一ID，并將RSSI值發送到數據庫。軟件接收這些信息，并借助定制算法，向技術人員提供英寸單位的位置。

技術人員隨后可以根據掌上電腦的應用軟件前往該特定區域，找到待維修產品。