可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與研究Design and Research of Visible Light Indoor Positioning system

邢格霏 薛曉

【摘要】可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)是一種新式的室內(nèi)定位技術(shù)。主要分為兩個部分，第一個是利用光源的位置及功率分布情況來確定室內(nèi)具體位置：第二個是利用白色LED光源的良好調(diào)制性能實現(xiàn)可見光通信，相比傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)，具有更多的優(yōu)點（節(jié)約資源、成本低，頻譜資源豐富）。本文主要討論了關(guān)于室內(nèi)的參考點光強分布算法和實現(xiàn)三路通信的方法。

【關(guān)鍵詞】可見光室內(nèi)定位 光通信 調(diào)制 參考點光強

引言

隨著現(xiàn)代化的快速進行，人們對于室內(nèi)準(zhǔn)確定位的需求也在不斷提高?，F(xiàn)階段的定位技術(shù)主要有GPS、超聲波定位技術(shù)、紅外定位技術(shù)、WIFI定位技術(shù)等。其中的GPS屬于室外定位，由于建筑物的阻擋，室內(nèi)接受到的信號比較微弱，他的定位精度遠遠不夠，因此出現(xiàn)了后幾種定位技術(shù)。然而超聲波定位需要在室內(nèi)布局大量的傳感器設(shè)備成本高，藍牙定位技術(shù)距離短，范圍小，穩(wěn)定性差。WiFi定位技術(shù)利用熱點到移動用戶端進行測量，容易受到其他信號干擾，影響定位精度。由此，利用室內(nèi)可見光源的定位技術(shù)逐漸發(fā)展起來。

其主要有：

1、功耗低。LED消耗功率極低，綠色環(huán)保，是現(xiàn)在室內(nèi)的普遍使用光源。

2、定位精度高。LED燈兼顧照明的作用，遍布室內(nèi)，其光波穩(wěn)定I生大大增加了可調(diào)制性能。

3、成本低?？梢姽馐覂?nèi)定位依托于室內(nèi)LED燈的天然條件，不需要額外的布置特殊發(fā)射點，降低了設(shè)備和人工維護。

現(xiàn)階段，許多相關(guān)高校和企業(yè)的研究機構(gòu)提出了自己的技術(shù)方案。國外有美國賓夕法尼亞大學(xué)，牛津大學(xué)，國內(nèi)有清華大學(xué)北京郵電大學(xué)，上海復(fù)旦大學(xué)，北京理工大學(xué)，中國地質(zhì)大學(xué)等。本文主要針對具體要求，進行了方案論述和設(shè)計。

1室內(nèi)定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1系統(tǒng)環(huán)境搭建

設(shè)計并制作可見光室內(nèi)定位裝置，其構(gòu)成示意圖如圖1所示。搭建80cmx80cmx80cm的立方空間（包含頂部、底部和3個側(cè)面）。頂部平面放置3個白光IED，其位置和角度自行設(shè)置，由1LED控制電路進行控制和驅(qū)動;底部平面繪制縱橫坐標(biāo)線（間隔5cm），并分為A、B、c、D、E五個區(qū)域，如圖2所示。要求在3個LED正常照明（無明顯閃爍）的情況下，測量電路根據(jù)傳感器檢測的信號判定傳感器的位置。

（2）LED控制電路可使用鍵盤輸入阿拉伯?dāng)?shù)字，在正常照明和定位（i吳差滿足基本要求）

（3）測量電路能接收并顯示3個LED發(fā)送的數(shù)字信息。

（4）LED控制電路外接3路音頻信號源，在正常照明和定位的情況下，發(fā)送的語音信號中，選擇任意一路進行播放，且接收的語音信號均無明顯失真。

1.3可見光室內(nèi)定位主要功能分析

分析基本功能的要求可知需要通過室內(nèi)可見光源實現(xiàn)定位，在發(fā)揮部分提出了兩端無線的信號傳輸通訊問題，能夠在發(fā)送和接受端利用可見光的光信道實現(xiàn)通訊。本文方案主要是通過檢測多個LED光源的光照強度，利用樣點采樣數(shù)據(jù)建立三維立體模型，存儲到下位機的FIFO中以便再次測量得出相對應(yīng)的位置光強數(shù)據(jù)，推測出接收端和參考光源之間的距離，以此計算出接收端的位置，因此，我們結(jié)合其他定位方式確定采用了利用光照強度實現(xiàn)定位。對于第二部分，利用光信道進行信息的傳輸，可以通過信號的調(diào)制與解調(diào)原理，實現(xiàn)三路信號的傳輸和發(fā)送。采用AM調(diào)制與解調(diào)進行設(shè)計，本文主要做原理說明。

2、可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1總系統(tǒng)構(gòu)成

可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)由LED控制電路、傳感器測量電路、下位機數(shù)據(jù)處理和坐標(biāo)顯示三部分組成。

2.2 LED控制電路及傳感器測量電路

根據(jù)LED的發(fā)光特性和其驅(qū)動電路的特點，VLC系統(tǒng)大都設(shè)計成光強度調(diào)制一直接探測（IM-DD：fight：light-intensity modulation-direct dictation）的發(fā)送一接收模式。VLC系統(tǒng)的一般原理框圖如圖所示，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過發(fā)射端電路的處理之后，通過驅(qū)動電路加載在LED上，LED發(fā)出經(jīng)過調(diào)制后攜帶有信息的光波。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過接收端電路的處理后，電信號還原出數(shù)據(jù)信息。如圖3：

2.3字符傳輸電路設(shè)計

在VLC系統(tǒng)的發(fā)射端，從STM32單片機發(fā)出的字符信號經(jīng)過串口通信模塊后，進入由MCU控制的調(diào)制模塊，調(diào)制后的信號通過LED驅(qū)動電路以光強調(diào)制的方式驅(qū)動LED發(fā)光，LED發(fā)出攜帶有信息的光波，完成信號的發(fā)射。在VLC系統(tǒng)的接收端，光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，此時的信號為模擬信號，經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32進行解調(diào)，將原始數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。

2.4下位機程序處理設(shè)計

程序部分分為光強數(shù)據(jù)采集、存儲三維數(shù)據(jù)掃描、LED發(fā)射字符信息的接收與處理顯示、坐標(biāo)顯示。

3、可見光定位系統(tǒng)主要模塊分析設(shè)計

3.1LED調(diào)制特性分析

發(fā)光二級管基本原理LED，即發(fā)光二極管，全稱為fightemitting diode，是一種固體半導(dǎo)體發(fā)光器件，它由III-V族化合物制作而成。與普通二級管相同，發(fā)光二極管的核心部件是PN結(jié)，PN結(jié)具有一定的電勢勢壘，當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓為正向時，PN結(jié)一的電勢勢壘下降，P區(qū)域和N區(qū)域的多數(shù)載流子分別向?qū)Ψ絽^(qū)域進行擴散，由于電子擴散的速率大于空穴的擴散速率，使得大量的電子擴散到P區(qū)，導(dǎo)致多數(shù)載流子對少數(shù)載流子的注入。這些注入的電子與價帶中的空穴產(chǎn)生復(fù)合，釋放的能量以以光能的形式表現(xiàn)出來。

LED的調(diào)制能力可以由其光功率一電流曲線來描述，如圖4所示：

其中，Io為偏置電流;AI為峰值電流與偏置電流之差。調(diào)制深度表征交流信號同直流偏置的關(guān)系。調(diào)制度越高，光信號越容易被光電探測器檢測，接收端所消耗的功率就較低。大多數(shù)可見光通信實驗中，電路的驅(qū)動能力達到百分之幾到百分之十幾的調(diào)制度。

2、LED的調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬直接影響到系統(tǒng)的傳輸速率。LED的調(diào)制帶寬定義為在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)LED輸出的交流光功率下降為某一低頻參考頻率值的一半時（-3db）的頻率即為LED的調(diào)制帶寬。如圖6所示：

LED調(diào)制帶寬的測量系統(tǒng)由信號的發(fā)射端和接收端組成。在發(fā)射端，信號發(fā)生器發(fā)出正弦波信號，放大器對其進行放大，提高LED的調(diào)制深度，從而使信號在接收端更容易被光電探測器檢測到;隨后，放大后的信號以光強調(diào)制的方式加載到通過恒流源驅(qū)動的LED上，LED發(fā)出攜帶信號的光波;在接收端，光電探測器將光信號還原為電信號，經(jīng)過放大器放大后，輸出到示波器上。在實際應(yīng)用中，有時會在光電檢測器前加上藍色濾光片，濾除白光LED中發(fā)出的黃色熒光分量，只保留用于通信的藍光，這樣可以大幅度提升系統(tǒng)的調(diào)制帶寬。

以STM32F103單片機做控制系統(tǒng)，其主要特點為主頻72MHz，48K內(nèi)存，51個可編程I/O口，5組串行口輸入輸出，3個12位DAC，1個12位ADC。在光源信號的信息傳輸中，處理速率比較高，通信功能完備。鍵盤輸入字符信息控制發(fā)送，音頻信號輸入。

3.2信息發(fā)送接收方法

目前可見光通信中，調(diào)制方式主要有OOK（開關(guān)鍵控）、PPM（脈沖位置調(diào)制）、OFDM（正交頻分復(fù)用）等。OOK調(diào)制（開關(guān)鍵控）又名二進制振幅鍵控（2ASK），振幅鍵控是一種幅度隨數(shù)字基帶信號變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控。在OOK調(diào)制中，以有無脈沖表示碼元“1”和“0”。該調(diào)制方式較為簡單，易于實現(xiàn)，在可見光通信系統(tǒng)中比較常見。

PPM調(diào)制是將m個原始數(shù)據(jù)信息映射到2m個時隙中去，接收端則通過脈沖在時隙中的位置將信息還原出來。同OOK調(diào)制一樣，PPM調(diào)制的系統(tǒng)傳輸速率受到LED調(diào)制帶寬的限制，當(dāng)m較大時，系統(tǒng)的傳輸效率較低，可見光通信系統(tǒng)中，m不適宜過大。在PPM調(diào)制中，接收機需要時隙和碼元同步，與OOK調(diào)制相比，PPM方式的電路設(shè)計較復(fù)雜一些。OFDM調(diào)制（正交頻分復(fù)用）是一種新型的編碼技術(shù)，屬于多載波調(diào)制的一種。其基本思想將信道分為多個正交子信道，把高迷并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多個低迷并行的子數(shù)據(jù)流。由于每個子信道的帶寬是原信道帶寬的一小部分，信道均衡更加容易。OFDM調(diào)制頻譜利用率較高，同時能夠較好的減弱碼間串?dāng)_（ISIO從電路設(shè)計復(fù)雜程度來看，OOK調(diào)制、PPM調(diào)制優(yōu)勢比較明顯，而OFDM調(diào)制則具有較好的頻譜利用率和克服多徑性能。

在本系統(tǒng)中，由于電路設(shè)計并不復(fù)雜，采用OOK調(diào)制方式。根據(jù)控制方式的不同，OOK調(diào)制又可以細(xì)分為兩種：非歸零開關(guān)鍵控（Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK）和歸零開關(guān)鍵控（Reture-to-Zero OOK RZ-00K）。在NRZ-OOK中，”0”為高電平，”0”為零電平;而在RZ-OOK中，每個脈沖結(jié)束后都要回到零電平，圖7為兩者調(diào)制脈沖示意圖。RZ-OOK對帶寬的要求高于NRZ-OOK，由于LED調(diào)制帶寬普遍不高（一般為兒MHZ），系統(tǒng)采用NRZ-OOK。如圖8所示：

3.3光強數(shù)據(jù)測量與定位：

光強傳感器模塊，如圖9：

TSL2561光度傳感器是一個復(fù)雜的光傳感器具有跨越大部分可見光譜平坦的響應(yīng)，能夠直接12C通信，輸出光強模擬量。

這里的定位有兩種方式：

1、我們通過采集三點光源，對整個區(qū)間平面進行樣本采集，得到的一個三維數(shù)據(jù)表，將其存到單片機內(nèi)。通過再次測得的數(shù)據(jù)與原先數(shù)據(jù)庫做對比得到相應(yīng)的位置信息。如圖10所示：

圖10三維數(shù)據(jù)（平面坐標(biāo)、光強信息）空間分布將采樣到的數(shù)據(jù)信息，利用MATLAB工具將其生成三維模型，依據(jù)每點的光強數(shù)值就可以得到相應(yīng)的位置信息了。但其需要采集足夠多的樣本點，且對于具有相同光強的位置無法判斷出具體象限。且由于環(huán)境變化的影響容易導(dǎo)致測得的數(shù)據(jù)發(fā)生變化進而產(chǎn)生較大的誤差。

2、根據(jù)三點光源分布，再平面上找出最集中的光強參考點，以此建立參考坐標(biāo)系。將參考點為中心的光強分布規(guī)律數(shù)據(jù)進行線性擬合，設(shè)計算法，隨著光強的變化量增加減少，計算出相應(yīng)的位移量。這樣的采樣點數(shù)據(jù)可以大量減少，同時只要保證三點光源的集中光強參考點數(shù)值不會出現(xiàn)大幅度變化，就可以較準(zhǔn)確實現(xiàn)測量。

3 4LED驅(qū)動電路與信號放大集成

LED驅(qū)動電路原理圖設(shè)計，如圖11所示：

主要包括兩個部分，第一部分利用電信號比例轉(zhuǎn)換控制光信號的輸出強度，驅(qū)動LED正常照明。第二部分擁有音頻信號的集成放大和濾波。能夠?qū)崿F(xiàn)將來自音頻信號輸入端的信號與高頻承載信號調(diào)制，由LED光信號發(fā)送至光電管接收端。由接收傳感器測量電路對收到的調(diào)制信號進行解調(diào)，判斷來自不同光源的信號。電路主要芯片：TDA2030，LMl875，XYM20C51。實物電路如圖12所示：

4.2測試過程

區(qū)間按點取樣測試整個面的數(shù)據(jù)，然后用EXCEL擬合所有的數(shù)據(jù)，輸出關(guān)系曲線，求絕對誤差值。測試過程如圖13：

4.3測試結(jié)果

采用全盤取樣逐次逼近的方式不斷畫小傳感器所在區(qū)間，通過布局合理的燈光位置，通過采集數(shù)據(jù)，擬合求出燈光的光強量的遞增曲線和曲線線性規(guī)律。初點采樣后，根據(jù)已知函數(shù)曲線，求出當(dāng)前線性點，劃分線性點的ABCD區(qū)間，求區(qū)間中心值后作差，差值比較確定靠近區(qū)間。依次逐漸逼近來確定最后的目標(biāo)值。如圖

14所示：

曲線數(shù)據(jù)由圖表對比可知x軸方向和Y軸方向的光強變化趨勢是線性增大的。

采樣點利用曲線數(shù)據(jù)結(jié)合逐次逼近法可以較準(zhǔn)確定位當(dāng)前傳感器的坐標(biāo)。經(jīng)測量誤差范圍在2.5cm左右。可在三路中任選一路測量。

4.4總結(jié)：

本文對室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)進行了研究。介紹了可見光通信的優(yōu)點，簡要概括了其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。闡述了LED的發(fā)光機理和白光LED的分類，分析了LED的基本特性，設(shè)計了LED帶寬測試平臺，測試了白光LED的調(diào)制帶寬。設(shè)計了一套基于白光LED的室內(nèi)點對點可見光通信系統(tǒng)，采用光強調(diào)制一直接檢測的發(fā)送一接收模式和OOK調(diào)制方式。分字符、音頻兩路信號，詳細(xì)說明了發(fā)射端和接收端的工作原理，完成了串口通信電路、放大電路、驅(qū)動電路、光電檢測電路等模塊的電路設(shè)計和總體封裝。為了驗證系統(tǒng)的傳輸性能，進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，在一定的通信范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠較好的傳輸字符、音頻。系統(tǒng)傳輸速率為9600bps，傳輸距離為0.6m，具備一定的抵抗環(huán)境光噪聲的能力。