基于PWM的室內(nèi)LED可見光定位系統(tǒng)設(shè)計

楊世權(quán) 張謙述 胡 玥

(西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 四川 南充 637000)

GPS在室外的定位效果較好，在室內(nèi)則由于衛(wèi)星信號受墻壁等障礙物的阻擋而衰減，定位精度較低。因此，實現(xiàn)對室內(nèi)的精準(zhǔn)定位是亟待解決的難題。LED可見光具有可用頻帶寬、不受電磁場干擾、設(shè)備搭建容易、誤碼率低等優(yōu)點，并且LED響應(yīng)快，可以高頻調(diào)制，又是綠色能源，使用范圍廣泛，因此，基于LED可見光的定位技術(shù)將成為提高室內(nèi)定位精度的重要選擇。

在這方面，國內(nèi)外已經(jīng)有許多研究成果。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于圖像傳感器的可見光定位系統(tǒng)，可以測量目標(biāo)端的位置。不過，圖像處理技術(shù)和算法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于TDOA的室內(nèi)可見光定位方法，通過測量接收不同信號的時間差來實現(xiàn)定位。但參考節(jié)點之間需要進(jìn)行時間同步，對硬件設(shè)備要求較高。文獻(xiàn)[3]提出的基于采集指紋的定位算法，需要采集大量指紋信息，工作量大。文獻(xiàn)[4]提出利用OFDM技術(shù)，基于三角形定位算法來實現(xiàn)定位，證實了可見光實現(xiàn)定位的可行性。文獻(xiàn)[5]中介紹的選用高速相機接收信號，基于萊文伯格-馬夸特(LM)算法實現(xiàn)定位的方法，最大誤差小于10 cm。但此方法對相機的性能要求高，而且誤差仍然較大。文獻(xiàn)[6]提出的基于 CDMA調(diào)制的室內(nèi)可見光定位技術(shù)，可克服光源間的干擾，但編碼過程較復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]提出了基于視覺信息的室內(nèi)可見光定位方法，但沒有考慮背景光及噪聲的影響。文獻(xiàn)[8]提出了改進(jìn)的加權(quán)三邊定位算法，但沒有進(jìn)行測試驗證。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用室內(nèi)照明LED發(fā)光強度實現(xiàn)室內(nèi)可見光定位的方法，并對定位設(shè)計方案進(jìn)行了測試，但其測試空間(80 cm×70 cm×40 cm)較小。

本次研究，通過借鑒有關(guān)研究成果，提出一種利用脈寬對LED光源的ID進(jìn)行編碼傳輸、基于RSSI來估測收發(fā)端投影距離的三燈定位方法。

1 算法實現(xiàn)

1.1 RSSI測距

基于RSSI測距，即根據(jù)接收信號強弱指標(biāo)來估測收發(fā)兩端投影距離。理論上，光信號由發(fā)送端向外傳播的過程中，其強度是逐漸變小的。因此，可以通過測量接收端光電壓值與收發(fā)端的投影距離數(shù)據(jù)，用MATLAB擬合出光源的測距函數(shù)模型。依據(jù)該測距函數(shù)模型，只要獲得接收端接收的光電壓值，即可求出收發(fā)兩端對應(yīng)的投影距離。擬合測距函數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中：d—— 收發(fā)兩端對應(yīng)的投影距離，cm；

H—— 光源的高度，cm；

U(0，0) —— 光源中心光電壓，mV；

U(x，y) —— 待測點的光電壓，mV。

1.2 三邊定位

假設(shè)：給定3個發(fā)送端的底面投影坐標(biāo)為O1(a1，b1)、O2(a2，b2)和O3(a3，b3)；接收端P到投影點的距離分別為d1、d2、d3，可根據(jù)式(1)獲得。由此，建立3個底面投影圓的方程組，方程組的解即為接收端的位置坐標(biāo)。方程組為：

(2)

室內(nèi)定位模型如圖1所示。設(shè)待求點P的坐標(biāo)為(x，y)。解方程組(2)，可求出待測點的坐標(biāo)。

圖1 室內(nèi)定位模型

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體框架

室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩

部分組成。系統(tǒng)采用STM32F4單片機作為控制芯片。在發(fā)送端，首先單片機對3個LED的ID進(jìn)行脈寬編碼，然后經(jīng)時分復(fù)用發(fā)送給驅(qū)動電路放大，驅(qū)動LED發(fā)送光信號。在接收端，探測器把接收的光信號送給放大電路進(jìn)行放大，然后送至單片機AD端口進(jìn)行解碼與測壓；再將解碼的坐標(biāo)和測壓轉(zhuǎn)化后的距離代入式(2)，求出待測點坐標(biāo)，并用LCD顯示出來。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

2.2 發(fā)送端設(shè)計

2.2.1 發(fā)送端電路

發(fā)送端選用STM32F407作為處理芯片。它為 32位ARM處理器，最高頻率為72 MHz，閃存1 Mkb，SRAM為192 kb。內(nèi)部定時器共有14個，每個定時器最多4個用于輸入捕獲輸出比較PWM或脈沖計數(shù)通道。該芯片優(yōu)勢突出，用于系統(tǒng)的脈寬調(diào)制和后續(xù)接收端對脈寬的捕獲，能夠滿足兩端需求。

圖2 室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)框架

因為LED正常工作需150 mA電流驅(qū)動，故發(fā)送端選用NPN三極管來放大經(jīng)單片機編碼的輸出信號。發(fā)送端電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)送端電路原理

2.2.2 發(fā)送端程序

發(fā)送端程序設(shè)計流程為：開機啟動，進(jìn)行初始化配置，選用定時器3的1、2、3通道，設(shè)置好psc(時鐘預(yù)分頻數(shù))。然后，通過改變arr(自動重裝值)，產(chǎn)生3路不同的PWM波。第一路PWM波輸出后，對LED1進(jìn)行控制。接著時分復(fù)用，依次輸出其余兩路PWM波形，分別對LED2、LED3進(jìn)行控制[10]。3路PWM波輸出完畢后，進(jìn)入下一輪循環(huán)。發(fā)送端程序流程如圖4所示。

2.3 接收端設(shè)計

2.3.1 接收端電路

圖4 發(fā)送端程序流程

圖5 接收端電路原理圖

2.3.2 接收端程序

接收端程序設(shè)計流程為：首先開機啟動，進(jìn)行程序初始化。接著開啟輸入捕獲，同步后，檢測燈的ID。獲得檢測結(jié)果之后，開啟AD轉(zhuǎn)換，讀取對應(yīng)燈的光電壓值，代入測距函數(shù)模型，求出收發(fā)兩端距離。3個燈的距離都求出后，代入三邊定位算法方程，求出待測點位置坐標(biāo)，并在LCD上進(jìn)行顯示。接收端程序流程如圖6所示。

3 PWM編碼與解碼

考慮到調(diào)制的信號在空間傳輸中失真度要低、抗干擾能力要強、易實現(xiàn)等要求，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式。脈寬調(diào)制(PWM)原理：通過控制電路開關(guān)器件的通斷，輸出一系列幅值相等的脈沖；通過對各脈沖的寬度按一定規(guī)則進(jìn)行調(diào)制，改變輸出電壓和頻率[11]。與其他調(diào)制技術(shù)相比，PWM技術(shù)易于用脈寬實現(xiàn)編碼，在無線信道中傳輸較穩(wěn)定，同時易于實現(xiàn)解碼。

圖6 接收端程序流程

為了使接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)幀由6位構(gòu)成，脈寬調(diào)制的幀格式如圖7所示。

圖7 脈寬調(diào)制的幀格式

幀中第一位為同步位，第二位為ID位。識別不同的LED光源，通過不同的脈寬對應(yīng)不同的ID號來實現(xiàn)。第三位為ID反碼，校驗前面接收到的ID是否正確。第四、五位為測壓區(qū)，根據(jù)電壓幅值高低代入測距函數(shù)模型，估測收發(fā)端距離。第六位為停止位，用低電平表示，用來分隔下一個數(shù)據(jù)幀。脈寬調(diào)制的軟件實現(xiàn)過程是：利用單片機的定時器3的任意3個通道，產(chǎn)生3路不同的PWM波形，在設(shè)置好psc(時鐘預(yù)分頻數(shù))后，通過改變arr(自動重裝值)來控制占空比，最后用三個IO口輸出。

3.2 解碼

解碼采用STM32的TIM5輸入捕獲來實現(xiàn)。具體配置過程為：先進(jìn)行時鐘的初始化，將PA0復(fù)用為TIM5，定時器采用向上計數(shù)、上升沿捕獲；再設(shè)置psc、arr；最后開啟定時器，使能中斷，搶占優(yōu)先級設(shè)為0級。當(dāng)碼型的上升沿到來時，開啟定時器5，計量時間即脈寬；下降沿來臨時，關(guān)閉計時。脈寬若與同步碼脈寬一致，則表示已同步。繼續(xù)捕獲下一脈沖，進(jìn)行ID位識別，匹配LED光源。接著捕獲下一脈沖，進(jìn)行ID反碼校驗。校驗成功，則表示ID識別正確，調(diào)用RAM中預(yù)先存儲的位置坐標(biāo)信息。接著關(guān)閉定時器，開啟AD轉(zhuǎn)換，讀取脈沖電壓平均值，代入測距函數(shù)模型測距(即收發(fā)端的投影距離)。

4 實驗與結(jié)果分析

實驗測試場景如圖8所示。發(fā)送端由單片機、驅(qū)動電路、LED組成，接收端由光電管、放大電路、單片機、LCD等組成。

圖8 實驗測試場景

MATLAB畫出光源的測距函數(shù)模型，如圖9所示。

從圖9可看出，實測電壓點落在擬合的測距函數(shù)曲線上及其附近，說明兩者之間誤差小，測距函數(shù)擬合效果好。因此，可以用擬合的測距函數(shù)式(1)來估測收發(fā)兩端的投影距離。

4.2 PWM編碼驗證

3路編碼信源經(jīng)探測器接收后的輸出波形，如圖10所示。從圖中可看出，3路信號在不同的時間段循環(huán)發(fā)送、互不干擾，放大電路工作正常，信號輸出穩(wěn)定，頻率為1 kHz。

圖9 測距函數(shù)模型

4.3 定位精度驗證

已知探測器測量精度為5 cm。搭建80 cm×80 cm×80 cm的測試空間(見圖8)，將3個燈的位置按等腰三角形固定：LED1(-35，30，80)，LED2(35，30，80)，LED3(0，-30，80)。以底面的中心為坐標(biāo)原點，建立三維坐標(biāo)系。在底面選取90個點進(jìn)行實測。實驗環(huán)境的最大信噪比為23 dB，最小信噪比為14 dB，滿足通信要求。根據(jù)方程組式(2)估測目標(biāo)點位置，并用MATLAB將每個測量點的誤差用高度表示出來。實測數(shù)據(jù)中，最大誤差為3.7 cm，最小誤差為1.42 cm，平均誤差為3.38 cm，均方差為1.57 cm。三燈底面投影區(qū)域內(nèi)實測定位誤差分布，如圖11所示。從圖可知，靠近三角形中心的位置定位精度較高，遠(yuǎn)離三角形中心的位置定位精度較低。通過基于PWM技術(shù)的三燈定位算法，可以把誤差由5 cm降為3.7 cm。

圖10 3路信源輸出波形

圖11 實測定位誤差分布

5 結(jié) 語

在現(xiàn)實的三燈定位系統(tǒng)中，光信號在空間傳輸過程中易受外界環(huán)境干擾，從而影響定位精度。為解決這個問題，我們提出了脈寬編碼的解決方法。用此方法，可有效抵抗環(huán)境干擾，光信號傳輸距離遠(yuǎn)、失真度小，而且易于后續(xù)解碼?；赗SSI技術(shù)，采集收發(fā)兩端不同距離的光電壓數(shù)據(jù)，擬合出收發(fā)兩端距離與光電壓的關(guān)系函數(shù)模型，用來計算測量距離。在80 cm×80 cm×80 cm定位空間中進(jìn)行實驗測試，實測定位誤差為3.7 cm，表明此方法是可行的。本次研究，只對不同LED光源的ID進(jìn)行了編碼傳輸；對燈的位置坐標(biāo)進(jìn)行編碼傳輸是下一步研究的方向。