基于多LED可見光源的室內(nèi)位置檢測裝置設(shè)計*

張 總 ， 王建莉

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050；2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前，因采用WIFI、藍牙、ZigBee等技術(shù)和基于時間到達(TOA)、到達時間差(TDOA)、接收信號強度指示(RSSI)等算法的室內(nèi)定位方案系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，促使人們探索更低成本及更高精度的室內(nèi)定位方案。近年來隨著可見光通信技術(shù)的發(fā)展，新一代LED技術(shù)得到大規(guī)模應(yīng)用，可見光通信系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，其通信速度可達每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)在滿足照明要求的同時，憑借低成本、無電磁污染的特點在室內(nèi)定位方面也顯現(xiàn)出優(yōu)勢。本文設(shè)計了一種基于多LED可見光源的室內(nèi)位置檢測裝置。

1 基于多LED可見光源的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)由兩大部分組成：大功率LED可見光驅(qū)動部分(由LED燈、單片機與電源組成的信息發(fā)射控制模塊)和可見光接收定位部分(由GY-30數(shù)字光強度傳感器、STM32系統(tǒng)組成)。此外，系統(tǒng)還包括液晶顯示模塊、精密恒流源模塊以及可見光室內(nèi)建模等?？梢姽馐覂?nèi)定位裝置外形空間為80 cm×80 cm×80 cm的立方結(jié)構(gòu)，頂部裝置3個LED燈，底部平面繪制縱橫坐標線，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作的關(guān)鍵在于采集并區(qū)分3個LED燈的光強信息，以備定位計算。首先，由單片機與電源組成的信息發(fā)射控制模塊使3個LED燈發(fā)出不同頻率的可見光，以此區(qū)分燈所在的不同區(qū)域；再由光強檢測傳感器獲取不同頻率可見光光強，依據(jù)LED燈所在的特殊位置坐標，結(jié)合室內(nèi)光強與距離的關(guān)系，最終計算并完成室內(nèi)定位。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模型

可見光室內(nèi)定位裝置采用A、B、C三個點LED照明，LED布局采用等腰三角形，以便采用三邊定位算法的系統(tǒng)，由測試端獲得3個互不干擾的參考信號，系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 基于多LED可見光源的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 LED安裝位置模型

2.2 LED可見光驅(qū)動系統(tǒng)

采用圓形集成大功率高亮白光帶透鏡聚光LED室內(nèi)照明燈珠，聚光60°；利用51單片機設(shè)置LED的ID號并控制LED的閃爍頻率，通過51單片機I/O引腳輸出到LED驅(qū)動電路的信號輸入端，完成可見光信號發(fā)送。

2.3 光強采集系統(tǒng)

采用1個數(shù)字光強度檢測模塊GY-30作為光照采集系統(tǒng)核心部件。GY-30采用了ROHM原裝BH1750FVI芯片，其分光特性和光譜范圍與人眼十分接近，光源依賴性強，能夠?qū)Σ煌h(huán)境的可見光進行精確測量。其內(nèi)置16 bitA/D轉(zhuǎn)換器，通過串口與微控制器相連接可以直接進行數(shù)字輸出，省略了復(fù)雜的計算和標定，利用其高分辨率可以精確測量傳感器當前光照強度，顯示所處位置。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

3 定位原理

定位裝置開始工作前先測量出3個LED發(fā)射端的坐標，數(shù)字光強度檢測模塊不斷采集當前傳感器部件的光照強度狀態(tài)，測得3個LED發(fā)射端到待測點間的距離，利用三邊定位法即可確定待測點的坐標。設(shè)(x1,y1,z1) 、 (x2,y2,z2) 、(x3,y3,z3)為3個LED燈的位置坐標，d1、d2、d3為待測點S到發(fā)送端的距離，(x,y,z)為待測點S的坐標，其關(guān)系如下：

(1)

設(shè)未知點位置為(x,y)，令其中的第一個球形的球心坐標為P1(0,0)；第二個球形處于相同縱坐標，球心坐標為P2(d,0)；第三個球形球心坐標為P3(i,j)，3個球形半徑分別為r1、r2、r3；z為三球形相交點的水平面高度。則有：

(2)

當z=0時，即為3個圓在水平面上相交為一點，首先解出x:

(3)

式(2)變形后，將式(1)的z2代入式(2)，再代入式(3)得到y(tǒng)的計算公式：

4 程序設(shè)計

主程序流程圖如圖4所示。

5 測試結(jié)果

(1) 基本功能測試：驅(qū)動LED電路工作，將傳感器置于B、D、C、E區(qū)域任意位置，區(qū)分出其位于橫縱坐標的哪個區(qū)域。測試結(jié)果如表1所示。

(2) 高精度區(qū)測量精度測試：驅(qū)動LED電路工作，將傳感器分別置于A、B、C、D、任意區(qū)域，記錄顯示其所在位置坐標值及位于不同位置的最大偏差距離。測試結(jié)果如表2所示。

圖4 主程序流程圖

測試項目測試要求顯示1傳感器位于B、D區(qū)域顯示上下區(qū)域上2傳感器位于C、E區(qū)域顯示左右區(qū)域右

表2 高精度區(qū)測量精度測試 cm

(3) 數(shù)字信息傳輸功能測試：在正常照明和定位的情況下，LED控制電路中利用鍵盤輸入阿拉伯數(shù)字，記錄顯示測量電路接收的信息。測試結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)字信息傳輸功能測試

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LED可見光的室內(nèi)定位裝置，具有功耗低、定位算法簡單、成本低等優(yōu)點，實驗數(shù)據(jù)表明:該裝置具有精確定位及一定的信息傳送的功能。

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