基于光信號的室內(nèi)定位裝置設(shè)計

周帥宇 萬旺 呂文軒

【摘 要】文章設(shè)計一種基于光信號的室內(nèi)定位裝置，利用RSS定位技術(shù)，在保證正常照明的情況下，通過LED不斷地發(fā)送特定的位置信息載波信號，通過數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)解碼、識別映射等過程，獲取發(fā)射端的信息并于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時對比，實現(xiàn)室內(nèi)的準(zhǔn)確定位。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位;可見光通信;載波信號

【中圖分類號】TN929.1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0066-02

0 引言

由于信號的衰減，衛(wèi)星定位在室內(nèi)比較困難。隨著輔助衛(wèi)星定位的出現(xiàn)，在北美某些木質(zhì)的房屋或在國內(nèi)比較淺度的室內(nèi)如靠近窗的地方，通過輔助衛(wèi)星定位也可以定位。但是，深度室內(nèi)定位目前仍沒有辦法通過輔助衛(wèi)星定位來解決。同時也出現(xiàn)了根據(jù)室內(nèi)地磁場的分布來做室內(nèi)定位的技術(shù)，類似于指紋采集來搜集室內(nèi)的地磁信息從而提供室內(nèi)位置。

通過比較各種室內(nèi)定位技術(shù)，從市場的反饋、技術(shù)的領(lǐng)先性和應(yīng)用前景方面來看，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)是一個比較有前景的技術(shù)。光源是室內(nèi)一個必要的基礎(chǔ)設(shè)施，它最大的優(yōu)勢在于不需要我們進行額外的部署。此外，光源進行部署以后進行變動的可能性比較小，每個位置都可以精確地量化，從而保證定位結(jié)果的精確性。高通可見光定位技術(shù)精度可以達到厘米量級，和目前其他主流技術(shù)的定位精度有質(zhì)的區(qū)別，有可能產(chǎn)生新的應(yīng)用場景。

1 系統(tǒng)方案論證與比較

1.1 傳感器的比較與選擇

方案一：通過攝像頭作為對天花板的可見光陣列連續(xù)不斷地拍照，根據(jù)每個燈光的不同位置來確定實時坐標(biāo)。但該方法對于攝像頭的精度要求較高且需要較高的圖像處理技術(shù)。

方案二：LED可見光定位技術(shù)主要是將室內(nèi)不同位置的3個LED的光照強度分別儲存在數(shù)據(jù)庫中，將接收端感受到的光照強度與數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容相比較來確定位置坐標(biāo)。

1.2 測距方法的比較與選擇

方案一：AOA技術(shù)需要設(shè)置方向性陣列，獲取發(fā)射端的發(fā)射信號角度信息，再利用交匯法來獲得坐標(biāo)。要求高空間分辨率，對于室內(nèi)系統(tǒng)來說難以實現(xiàn)。

方案二：在室內(nèi)，收、發(fā)端距離較小，信號傳輸時間較短，對于同步傳輸?shù)臅r鐘精度要求很高。

方案三：RSS技術(shù)僅使用3個LED作為信號源發(fā)射不同頻率的載波信號，接收端根據(jù)接收到的信號強度，計算距離，并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)做比較，得出坐標(biāo)值。

綜合考慮以上方案，選用方案三并且使用頻分復(fù)用技術(shù)：讓3個LED的發(fā)光頻率分別位于3個頻段，并且每個頻段的中心頻率相隔較遠，保證光信號之間的相互獨立，以此來區(qū)分不同的LED。

1.3 濾波電路的比較與選擇

濾波電路有多種選擇方案，分為以下幾種：高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。由于采用頻分復(fù)用技術(shù)，且每個頻段中心頻率相隔較遠，所以采用帶通濾波器，使其滿足在一個LED頻率處保證波形的完整正確，在其他兩個LED頻率處最大限度地抑制干擾波，由此過濾出一個LED燈的波形及它的強度。

1.4 抗干擾方法

由于采集到的光波信號比較微小，且易受外部光環(huán)境的干擾，因此我們采用由LM324N組成的多級放大電路對光敏電阻接收到的光信號進行處理。由于外部自然光會對接收信號造成影響，因此在放大電路中采用阻容耦合以便于濾去自然光。通過多級運放光信號進行放大處理后，將處理得到的信號接入比較器電路輸出到單片機中斷接口以觸發(fā)單片機響應(yīng)，同時將信號接到單片機的AD轉(zhuǎn)換接口用于計算傳感器對每一個燈的感應(yīng)強度（距離），從而完成室內(nèi)定位。

附加抗干擾方法：①采用大功率LED燈珠，增大光的強度，減少太陽光及其反光的干擾。②濾波電路之前增加放大電路，放大接收到的信號，降低硬件干擾的可能性及噪聲波對定位的影響。

2 定位原理的分析與說明

2.1 數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)報文包括起始碼頭、地址碼、地址反碼、指令碼、指令反碼和結(jié)束碼。LED燈在不斷發(fā)送位置信息的空閑時隙輸出高電平，保證正常的室內(nèi)照明。為保證接收端能區(qū)分3個LED，我們使用帶一定校驗的編碼方式并且采用分時復(fù)用、異步傳輸?shù)募夹g(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)解碼

光電傳感器將LED燈的位置信息傳送給濾波放大電路，利用處理器的輸入捕獲功能對信號進行解碼。將處理器的“輸入捕獲模式設(shè)置為“上升沿捕獲”，當(dāng)上升沿到來后，將“輸入捕獲模式”設(shè)置為“下降沿捕獲”，隨后清零定時器，并標(biāo)記捕獲到上升沿。當(dāng)捕捉到下降沿時，更改輸入“捕獲模式”為“上升沿捕獲”，以便捕獲下一次的高電平，然后處理此次捕獲到的高電平。從起始碼頭開始，直到捕獲到結(jié)束碼則表示一組數(shù)據(jù)接收成功。如果在捕獲過程中出現(xiàn)差錯，則放棄本次捕獲。

2.3 識別映射

定位系統(tǒng)中不同的標(biāo)號對應(yīng)不同的LED。每個LED反復(fù)輸出特定的位置信息。當(dāng)接收端移動到特定區(qū)域時，光電傳感器將可見光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波放大器后，通過處理器對信息進行處理。當(dāng)系統(tǒng)解碼出發(fā)射端所發(fā)送的位置信息及光照強度信息后，將該信息與數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)點做對比。LED 燈的實際位置信息及室內(nèi)不同位置的光強信息預(yù)先存在數(shù)據(jù)庫中，解碼后的位置信息和光照信息會通過查詢數(shù)據(jù)庫來進行實時比較，當(dāng)成功匹配到數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)點時，輸出該點的坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試方案

將傳感器放置在坐標(biāo)紙的不同區(qū)域內(nèi)，LCD顯示出傳感器所處的區(qū)域和坐標(biāo)。

3.2 測試結(jié)果（見表1）

3.3 測試結(jié)果分析

誤差在合理范圍內(nèi)。

參 考 文 獻

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[4]董文杰，王旭東，吳楠，等.基于LED光強的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].光通信技術(shù)，2017（3）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]