基于LED可見(jiàn)光通信的停車場(chǎng)尋車系統(tǒng)

劉 璇，王 翊，郭云輝

(1.安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥 230000；2.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，安徽合肥 230031)

引言

在實(shí)際應(yīng)用中，LED 可見(jiàn)光通信分為室外通信和室內(nèi)通信兩類。室內(nèi)通信主要包括室內(nèi)定位與導(dǎo)航及高速網(wǎng)絡(luò)連接。近年來(lái)，關(guān)于室內(nèi)定位的應(yīng)用，牛衍方等[1]研究了智能倉(cāng)儲(chǔ)中物品信息定位及可見(jiàn)光通信與智能照明融合后的信息服務(wù)設(shè)備[2]。而室外可見(jiàn)光通信的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在智能交通和室外廣告，其中智能交通應(yīng)用主要包括：LED在城市交通導(dǎo)向中的應(yīng)用[3]、交通燈通信系統(tǒng)[4]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外LED燈應(yīng)用研究步伐日趨加速，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究小組[5]率先提出了基于LED 的可見(jiàn)光通信 (visible light communication,VLC)系統(tǒng)，泰國(guó)亞洲技術(shù)研究所的Shrestha等[6]研究了基于三基色(RGB)LED進(jìn)行室內(nèi)VLC系統(tǒng)，美國(guó)波士頓大學(xué)的Wu等[7]對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)的VLC通信網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)研究，并給出了一種利用TCP/IP解決光鏈路視線損耗的方案。香港大學(xué)在1998 年提出了室外可見(jiàn)光通信的解決方案[8]。暨南大學(xué)的胡國(guó)永等[9]從2006年開(kāi)始關(guān)注VLC技術(shù)，研究了基于可見(jiàn)光的空間成像無(wú)線傳輸系統(tǒng)，驗(yàn)證了方案的可行性。近年來(lái)，陳泉潤(rùn)等[10]在白光LED可見(jiàn)光通信方面給出了更完整的關(guān)鍵技術(shù)方案，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出了預(yù)測(cè)。劉保林等[11]對(duì)于平面接收光功率和接收光照強(qiáng)度分布不均勻的問(wèn)題，進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)了傳統(tǒng)蟻群算法存在的收斂速度慢、容易停滯等問(wèn)題。

市面上的尋車產(chǎn)品包括基于二維碼[12,13]、基于讀卡器[14]、車載信號(hào)發(fā)射[15]等多種通信方式，但它們面臨著易毀壞、安裝硬件成本較高和部署較為困難等問(wèn)題。目前在國(guó)內(nèi)，提到了可見(jiàn)光通信停車場(chǎng)導(dǎo)航思想的專利有很多：可見(jiàn)光通信停車場(chǎng)定位導(dǎo)航[16]專利中提及采用OOK調(diào)制方法，但僅有OOK調(diào)制并不能完全實(shí)現(xiàn)功能，若用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，受各個(gè)模塊的頻帶寬度影響，基帶信號(hào)頻率較低，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)燈光閃爍的顯現(xiàn)[17]，照明功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而且OOK調(diào)制的誤碼率要比FSK調(diào)制的高，OOK對(duì)信道較為敏感，故不易實(shí)現(xiàn)。本研究的調(diào)制方法會(huì)對(duì)此進(jìn)行改善；車輛信息播報(bào)系統(tǒng)[18]中通過(guò)光通信發(fā)射節(jié)點(diǎn)獲取位置信息并播報(bào)來(lái)提高車主找車效率，但增加了人工勞力，系統(tǒng)并非完全智能化；文獻(xiàn)[19]中提及利用編碼后的LED光源作為節(jié)點(diǎn)檢測(cè)空車位并結(jié)合移動(dòng)終端給出導(dǎo)航方案，然而該移動(dòng)終端沒(méi)有突顯出可視化的概念，而是用數(shù)字羅盤來(lái)指導(dǎo)方位并給出目標(biāo)位置和距離，本研究中給出了停車場(chǎng)的可視化地圖，可以讓用戶直接地了解自己的位置與目標(biāo)位置，更加方便。

本研究計(jì)劃選擇合適的信號(hào)光解調(diào)和調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)、電信號(hào)、光信號(hào)之間的合理轉(zhuǎn)換。本文將詳細(xì)闡述各組成模塊，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真驗(yàn)證其可行性，為城市LED車庫(kù)定位提供參考。

1 基于可見(jiàn)光通信的停車場(chǎng)尋車系統(tǒng)及原理

圖1描述了本研究的系統(tǒng)組成部分，主要包括信號(hào)調(diào)制模塊和信號(hào)解調(diào)模塊、信號(hào)可視化展示模塊。在信號(hào)調(diào)制模塊中，由編碼器編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng) LED 車位照明燈光源發(fā)送光信號(hào)經(jīng)自由空間傳輸?shù)叫盘?hào)接收端。在信號(hào)解調(diào)模塊中，通過(guò)硅光管和放大器檢出光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終經(jīng)解調(diào)電路、解碼器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。在可視化展示模塊中，主要由藍(lán)牙模塊和APP地圖指引模塊組成，經(jīng)藍(lán)牙裝置，將解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)傳輸給手機(jī)APP，在APP上可視化的指引人們完成兩點(diǎn)之間的導(dǎo)航。

圖1 本研究的組成模塊Fig.1 The composition module of this study

1)信號(hào)調(diào)制模塊。光通信是以光波為載波的通信，即用基帶信號(hào)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。本系統(tǒng)通過(guò)在車位燈上調(diào)制信號(hào)來(lái)完成信號(hào)傳遞。為防止傳輸數(shù)據(jù)時(shí)LED燈會(huì)出現(xiàn)人眼閃爍現(xiàn)象，所以要求信號(hào)頻率較高，故采用相位連續(xù)的二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)編碼調(diào)制[20]。兩個(gè)載頻分別由同一個(gè)頻率的獨(dú)立振蕩器經(jīng)不同的分頻器分頻產(chǎn)生，載波的輸出受門電路的控制，而門電路的開(kāi)啟與關(guān)閉受到數(shù)字基帶信號(hào)的控制。

如圖2所示，當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為“1”時(shí)，門2關(guān)閉，門1打開(kāi)，輸出頻率為f1的信號(hào)。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為“0”時(shí)，門1關(guān)閉，門2打開(kāi)，輸出頻率為f2的信號(hào)。載波信號(hào)經(jīng)相加器處理后，輸出2FSK信號(hào)。載波的頻率受數(shù)字基帶信號(hào)的控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。一般情況下，當(dāng)光源以大于 50 Hz 的頻率閃爍時(shí)，大多數(shù)人由于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，看不到光源的閃爍，此時(shí)光源將發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光。因此當(dāng) f1 和f2 選擇較高頻率時(shí)，人眼是無(wú)法觀察到LED 燈閃爍的，但是此時(shí) LED 燈的亮度會(huì)變化。

由此可知，數(shù)字基帶信號(hào)的“1”選擇輸出 f1 載頻，信號(hào)“0”選擇輸出 f2 載頻，將 f1 和 f2 相加即得到調(diào)制后的2FSK 信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為 LED 燈的調(diào)光信號(hào)輸出。

在港口發(fā)展方面，江海聯(lián)動(dòng)、功能互補(bǔ)的港口服務(wù)體系初步形成。一批專業(yè)化、現(xiàn)代化水平較高的大型綜合性港區(qū)正在崛起，干線港口規(guī)?；?、集約化、專業(yè)化水平不斷提升，以南寧、貴港、梧州、肇慶、佛山等主要港口為核心的內(nèi)河港口體系逐步形成。截至2017年年底，珠江水系擁有生產(chǎn)用泊位2092個(gè)，港口年綜合通過(guò)能力超過(guò)6 億噸；貨物綜合通過(guò)能力超過(guò)1000 萬(wàn)噸的港口總數(shù)達(dá)11個(gè)。

圖2 調(diào)制模塊框圖Fig.2 Modulation block diagram

圖3 解調(diào)模塊框圖Fig.3 Demodulation module block diagram

2)信號(hào)解調(diào)模塊。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管道加在光傳感器的上面，在某一地點(diǎn)只能接受到有限個(gè)頻率較強(qiáng)的光信號(hào)。放大的光信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital,A/D)為數(shù)字信號(hào)傳遞給移動(dòng)端，在手機(jī)應(yīng)用程序(Application，APP)中將處理后的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、整合。本研究選用9 mm×9 mm硅光傳感器(Silicon photomultiplie)作為光傳感器[21]，它具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，其響應(yīng)時(shí)間約為10-7s。此外，本研究選用同步解調(diào)/相干解調(diào)[22]方式，相比于強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(Intensity modulation/direct detection,IM/DD)的方法，光通信系統(tǒng)可以有效地提高系統(tǒng)的接收靈敏度。

信號(hào)解調(diào)電路如圖3所示，變化的光信號(hào)由硅光管檢測(cè)出來(lái)后，直接由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為了電信號(hào)。此時(shí)電信號(hào)較微弱，需將此電信號(hào)通過(guò)放大電路放大。放大后的電信號(hào)通過(guò)高通濾波器濾掉直流和低頻成分，將該信號(hào)輸出到解調(diào)電路。解調(diào)電路采用同步解調(diào)電路，將同步解調(diào)之后的信號(hào)再通過(guò)信號(hào)放大以及A/D轉(zhuǎn)換，就完成了光信號(hào)到電信號(hào)再到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。最后，再將數(shù)字信號(hào)經(jīng)由藍(lán)牙設(shè)備傳輸給手機(jī)，這樣，每個(gè)燈就有了獨(dú)一無(wú)二的編碼信息，可以用來(lái)作為地標(biāo)定位。根據(jù)通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方面入手: 一是加大其輸入光功率; 二是提高信噪比。LED 車庫(kù)照明燈其本身的大功率就已經(jīng)在一定程度上保證了系統(tǒng)的可靠性，因此接收端的信噪比將決定全系統(tǒng)的通信性能。

3)藍(lán)牙傳輸模塊。藍(lán)牙通信采用通用的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信模塊，方便將讀取的數(shù)字信息傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)設(shè)備中進(jìn)行展示。藍(lán)牙通信設(shè)備內(nèi)置在信號(hào)解調(diào)器部分，配套的智能手機(jī)內(nèi)置程序基于安卓系統(tǒng)，采用 JAVA 技術(shù)開(kāi)發(fā)。例如，信號(hào)010101表示，汽車位置在第一層的第一排第一列，從而在手機(jī)地圖上做標(biāo)志。

4)APP地圖指引模塊。智能手機(jī) APP是本系統(tǒng)的重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)以下工作：

(a)用戶停車后，使用光接收器掃描車附近車位燈，并將該車位燈解調(diào)后的內(nèi)容發(fā)送至APP；

(b)用戶尋車時(shí)，使用光接收器掃描用戶附近車位燈，并將該車位燈解調(diào)后的內(nèi)容發(fā)送至APP；

(c)從APP中獲得停車場(chǎng)地圖，將用戶和車在停車場(chǎng)的位置信息可視化展示給用戶，并完成導(dǎo)航。

如表1所示，位置信息由多位二進(jìn)制碼元表示，表中是以4層、每層8排8列的停車場(chǎng)模型作為編號(hào)舉例。例如，系統(tǒng)在確定樓層信息時(shí)，第2的位置信息就可以表示為10，其中1表示電信號(hào)的高電平，0表示電信號(hào)的低電平。

表1 車位燈序列內(nèi)容Table 1 Parking light sequence contents

圖4 APP工作流程Fig.4 APP workflow

圖4所示的是智能手機(jī) APP 的工作流程圖，當(dāng)用戶需要尋車時(shí)，打開(kāi)APP，操作 APP 掃描車位燈標(biāo)記用戶的位置，并獲得車和用戶的位置；當(dāng)用戶剛停好車，需要標(biāo)記車的位置時(shí)，掃描車輛附近車位燈，標(biāo)記車輛的位置。

5)MATLAB仿真驗(yàn)證。為了驗(yàn)證信號(hào)調(diào)制和解調(diào)模塊的可行性，用 Matlab 進(jìn)行了仿真。在實(shí)際操作中，我們選用51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，產(chǎn)生50%占空比的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，然后積分得到正弦載波，但單片機(jī)的PWM頻帶(約1 kHz)以及A/D轉(zhuǎn)換頻率(約10 kHz)都有限制，為了保證基帶信息中每一個(gè)二進(jìn)制碼元在調(diào)制時(shí)有足夠數(shù)量的載波個(gè)數(shù)，其基帶信號(hào)速率采用200 bps。圖5給出了數(shù)字基帶信號(hào)，以及其信號(hào)求反，還給出了調(diào)制后的2FSK信號(hào)，由圖可以看出信號(hào)的調(diào)制的方法，即采用2FSK：數(shù)字基帶信號(hào)“1”即為高頻信號(hào)，數(shù)字基帶信號(hào)“0”即為低頻信號(hào)。圖6給出了經(jīng)過(guò)低通濾波器后的信號(hào)以及其信號(hào)的脈沖判決結(jié)果，驗(yàn)證了同步檢波的可行性。圖6與圖5對(duì)比可知，最后解調(diào)的信號(hào)和數(shù)字基帶信號(hào)的相同，即在發(fā)射環(huán)節(jié)，高電平為“1”，低電平為“0”，仿真中的數(shù)字基帶信號(hào)為“1001001001”?？紤]到人眼可見(jiàn)閃爍頻率以及器材的限制，f1 選擇800 Hz，f2 為 400 kHz，仿真結(jié)果證明該方案可行。

圖5 基帶信號(hào)及其求反、門信號(hào)選通信Fig.5 Baseband signal and its negation and gate signal selective communication

圖6 經(jīng)過(guò)抽樣判決器恢復(fù)的波形與2FSK信號(hào)圖對(duì)比Fig.6 Comparison of waveform and 2FSK signal in a sampled decision

2 測(cè)試系統(tǒng)及驗(yàn)證

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)的組成包括車位燈(內(nèi)置光調(diào)制器)、光接收器和智能手機(jī)(安裝有讀取數(shù)據(jù)并導(dǎo)航的應(yīng)用程序)。光接收器分布在停車場(chǎng)一些公共場(chǎng)所，由顧客共享使用，以確保在停車場(chǎng)中使用的方便性。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，車位燈選擇大功率 LED燈，該車位燈支持脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation,PWM)調(diào)光輸入的配套驅(qū)動(dòng)電源。信號(hào)調(diào)制部分將通過(guò)內(nèi)置一段數(shù)字基帶信號(hào)，直接輸出 2FSK 信號(hào)控制 LED 燈開(kāi)關(guān)。信號(hào)解調(diào)部分將內(nèi)置在光接收器中，由此裝置將數(shù)字基帶信號(hào)還原并通過(guò)藍(lán)牙裝置傳給智能手機(jī)。

測(cè)試模型如圖7所示，模型由兩層停車位組成，每層有2×2個(gè)車位，在每個(gè)車位旁都有地?zé)舸嫒胂鄳?yīng)位置信息，每個(gè)樓梯兩端都有樓層定位燈，便于完成不同層之間的導(dǎo)航。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)模型Fig.7 Test system Model

2.2 測(cè)試與驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選擇在如圖8所示模擬停車場(chǎng)，共安裝已加裝光通信控制器的 LED 車庫(kù)地?zé)?(12 W)10盞，燈間距2 m。通過(guò)光通信要求實(shí)時(shí)讀取的地?zé)魯?shù)據(jù)包括平均照明亮度和有用功率，如表2所示。

圖8 二進(jìn)制與多進(jìn)制編碼信號(hào)解調(diào)誤碼率Fig.8 Demodulation error rate for binary and multi-coded signals

表2 地?zé)魷y(cè)試結(jié)果Table 2 Ground Lamp test Results

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，光通信時(shí)的有用功率接近調(diào)光50%時(shí)的狀態(tài)，也就是說(shuō)可見(jiàn)光通信本身會(huì)降低有用功率和光強(qiáng)，這是測(cè)試系統(tǒng)所采用調(diào)制方式功率利用率不高的原因造成的。

經(jīng)測(cè)試，接收器讀取車位燈的數(shù)據(jù)成功率與其靠近車位燈的距離有關(guān)，當(dāng)接收器距光源小于一米時(shí)讀取準(zhǔn)確度較高(接近100%)，這個(gè)距離正符合了人們手持接收器掃描的習(xí)慣，且成功讀取時(shí)間均小于1 s。由于接收器采用了尖頭設(shè)計(jì)，光接收機(jī)受環(huán)境光照或其他地?zé)舻母蓴_情況可以大大減小，其接收可靠性與光源的功率強(qiáng)度以及光傳感器的接收靈敏度有直接關(guān)系，故在選擇光傳感器時(shí)用硅光管會(huì)減少一定誤差。圖9是2FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)相干解調(diào)之后的眼圖，眼圖的線跡是比較清晰的帶狀的線，線條清晰，“眼睛”張開(kāi)的大，說(shuō)明解調(diào)后的信號(hào)碼間串?dāng)_比較小。

圖9 解調(diào)后信號(hào)的眼圖Fig.9 The eye image of the demodulation signal

由此可見(jiàn)，雖然在該實(shí)現(xiàn)方案中存在影響車庫(kù)照度等問(wèn)題，但 LED 地?zé)魧?shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信完全可行。針對(duì)日常車庫(kù)巡檢與管理，可見(jiàn)光通信方式提供了一個(gè)了解車輛定位狀態(tài)的簡(jiǎn)單快速的解決方案。

3 總結(jié)

為了方便用戶在停車場(chǎng)中快速找到自己的車輛，本研究利用可見(jiàn)光通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)停車場(chǎng)尋車系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LED作為信號(hào)發(fā)射源，具有綠色環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)2FSK調(diào)制及相干解調(diào)技術(shù)，將電-光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，作為定位標(biāo)識(shí)。用戶通過(guò)使用停車場(chǎng)中共享的解調(diào)器，以智能手機(jī)作為互動(dòng)界面完成車庫(kù)導(dǎo)航。APP良好的界面與簡(jiǎn)潔的使用方法可以增加用戶的滿意度，為車輛定位智能化管理提供了一個(gè)新的思路。關(guān)于可見(jiàn)光通信的應(yīng)用問(wèn)題，如果接收器的設(shè)計(jì)能夠內(nèi)置在手機(jī)攝像頭中，人們的使用體驗(yàn)將會(huì)更好，這是我們下一步研究的內(nèi)容。