劉智港, 趙 黎, 朱 彤, 張 峰, 賈光鋒

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展以及基于信息感知的分布式網(wǎng)絡(luò)的普及，建立在諸多新興技術(shù)如廣域泛在網(wǎng)絡(luò)、人工智能、認(rèn)知無線電及 LTE Release 9+等基礎(chǔ)上的定位技術(shù)引起了學(xué)者的極大研究興趣，因此催生了許多應(yīng)用廣泛的基于位置的服務(wù)[1-3]。室外定位可借助全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、伽利略導(dǎo)航和北斗定位[4-5]，但對(duì)于室內(nèi)定位，由于受障礙物、建筑物、通信鏈路以及多徑效應(yīng)的影響，其定位精度下降嚴(yán)重，不能滿足人們?nèi)遮呍鲩L的室內(nèi)精確定位需求[6]。

所謂室內(nèi)定位,即根據(jù)特定空間中已知的一系列參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)以及與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)信息來獲得該空間內(nèi)移動(dòng)終端設(shè)備或其持有者位置的過程[7-9]，盡管用于室內(nèi)定位的紅外線定位、超聲波定位、藍(lán)牙定位、射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)定位、超寬帶(ultra wideband,UWB)定位[10-11]、無線保真技術(shù)(wireless fidelity,WIFI)定位、Zigbee定位、麥克風(fēng)陣列定位、即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)室內(nèi)定位、室內(nèi)電力線定位等技術(shù)可以提供從幾米到幾十厘米的定位精度，然而，大多數(shù)基于無線通信的系統(tǒng)會(huì)受到電磁干擾影響，在接入用戶較多的情況下會(huì)導(dǎo)致定位質(zhì)量的下降，并且其定位成本高，安全性也得不到有效保障[12]。

可見光通信是指利用室內(nèi)照明發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)實(shí)現(xiàn)無線通信的新技術(shù)，由于其具有無電磁干擾、保密性好、易部署等優(yōu)點(diǎn)，基于可見光的室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為未來一個(gè)發(fā)展趨勢[13-15]。作者以80cm×80cm×80cm的室內(nèi)空間為研究平臺(tái)，兼顧照明與定位，設(shè)計(jì)了滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的光源布局模型，并提出了多點(diǎn)標(biāo)定相對(duì)定位算法，實(shí)現(xiàn)了基于可見光的精確室內(nèi)定位，為室內(nèi)定位提供了一種有效的解決方案。

1 可見光定位系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)建模

本文中設(shè)計(jì)了一種基于可見光的室內(nèi)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中PD為光電二極管(ptotodiode),本系統(tǒng)以3個(gè)LED燈珠為光源，在發(fā)送端將需要傳送的信息通過調(diào)制電路加載到驅(qū)動(dòng)LED光源的電流上，以LED光源作為信息傳輸?shù)妮d體；在接收端光電檢測器作為光信號(hào)測量電路的信息采集與接收器，由光敏電阻及其控制電路組成，將接收到的數(shù)據(jù)通過STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所獲數(shù)據(jù)經(jīng)STC15F2K60S2單片機(jī)將定位坐標(biāo)輸出到LCD顯示屏上。通過數(shù)據(jù)標(biāo)定整合實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光光強(qiáng)采集、室內(nèi)定位及數(shù)據(jù)顯示。

Fig.1 Schematic diagram of positioning systems of visible light

1.2 光源布局

圖2為本文中搭建的室內(nèi)光源布局模型。房間大小為80cm×80cm×80cm的正方體，采用3個(gè)5W的LED 燈珠作為光源，定位目標(biāo)點(diǎn)為地面平面，以房間一角作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立3維坐標(biāo)系。根據(jù)國際照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[16]，辦公室內(nèi)的光照度必須保持在300lx～1500lx之間，為了保證照度要求，需對(duì)3顆燈珠的布局進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。圖3為LED燈珠在天花板上的分布示意圖。3顆燈珠在天花板上呈等邊三角形分布，邊長L0=2cm,各燈珠距離房頂邊緣的距離分別為:L1=40.86cm，L2=40cm，L3=L6=39cm，L4=L5=39.13cm。單顆LED燈珠在接收平面某點(diǎn)的照度可表示為[17-18]：

Fig.2 Layout model of indoor light source

(1)

式中,I0為LED的中心發(fā)光強(qiáng)度，m為光源的輻射模式，φ為光源的發(fā)射角，ψ為定位點(diǎn)的入射角，dn為光源到定位點(diǎn)的距離。假設(shè)點(diǎn)光源的坐標(biāo)為(xn,yn,0.8),在地面接收面上某一點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,0)，則dn可表示為[19-20]：

(2)

由于cosφ=cosψ=0.8/dn,所以En可簡化為：

(3)

由于LED發(fā)出的光為非相干光，則接收平面上某點(diǎn)接收到的總的光照度為[21-22]：

(4)

式中,En為各個(gè)點(diǎn)光源在到達(dá)接收面某點(diǎn)(x，y，0)時(shí)接收到的光照度，M為總的光源個(gè)數(shù)。

Fig.3 Layout of LED array on the ceiling

根據(jù)以上布局，光源選擇呈等邊三角形分布的3個(gè)LED燈珠，則接收平面的光照度分布如圖4所示。光照度值都在300lx～1500lx之內(nèi)，滿足國際規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)。

Fig.4 Distribution map of light intensity

2 多點(diǎn)標(biāo)定相對(duì)定位原理

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的定位傳感器模型如圖5所示。作為接收LED光源所發(fā)出的信號(hào)，其作用為光電檢測器。由于光敏電阻對(duì)光的敏感度高、感光性好，為保證定位準(zhǔn)確及定位的便捷性和電路穩(wěn)定性，因此用光敏電阻代替光電檢測器，作為測量電路的定位裝置。在圖5的定位裝置中,a,b,c,d分別為4個(gè)光敏電阻,均勻地分布在5cm×5cm的電路板4個(gè)頂點(diǎn)處。

Fig.5 Model of sensor

由于本系統(tǒng)采用的是呈等邊三角形分布的LED光源布局方式,在接收端可保證傳感器能接收到3個(gè)互不干擾的信號(hào)，對(duì)于接收到的光照信號(hào)采取多點(diǎn)標(biāo)定光強(qiáng)相對(duì)定位法進(jìn)行處理。

根據(jù)接收平面光照度不同對(duì)目標(biāo)平面進(jìn)行區(qū)域劃分及坐標(biāo)點(diǎn)定位,如圖6所示。目標(biāo)平面為室內(nèi)地面，首先將地面進(jìn)行坐標(biāo)化、區(qū)域化，以地面正中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)即房間正中心點(diǎn)，將整個(gè)地面劃分為A,B,C,D,E這5個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)域?yàn)檫呴L40cm的正方形。其次對(duì)其中9個(gè)特殊中心點(diǎn)邊界坐標(biāo)定位，其標(biāo)號(hào)為1～9，具體坐標(biāo)已給出。

對(duì)傳感器4個(gè)頂點(diǎn)采集到的光照強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將4個(gè)光敏電阻所接收到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓量化后的值,可表示為：ua，ub，uc，ud，根據(jù)各點(diǎn)光照強(qiáng)度量化值即可判斷定位目標(biāo)點(diǎn)所在區(qū)域。

Fig.6 Map of ground coordinate

由于相鄰傳感器接收電壓量化值之差會(huì)隨著傳感器所處位置而變化，因此,可根據(jù)不同點(diǎn)可見光的光照強(qiáng)度的差值判別目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)傳感器的相對(duì)定位，設(shè)相鄰兩個(gè)傳感器電壓量化值之差分別為：ubc，uad，uba，ucd，其差值可表示為：

(5)

式中,ubc，uad為水平方向相鄰兩個(gè)光敏電阻所獲數(shù)據(jù)的差值，uba，ucd為豎直方向兩相鄰光敏電阻所獲數(shù)據(jù)的差值；令uh(i)，uv(i)分別為任意目標(biāo)點(diǎn)水平方向差值的均值與豎直方向差值的均值,則有：

(6)

經(jīng)過光照度的數(shù)值計(jì)算，在定位中心點(diǎn)5處，相鄰傳感器所接收到的數(shù)據(jù)差值接近于0，因此以定位坐標(biāo)點(diǎn)5作為中心參考點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)位置處光照量化值與定位中心點(diǎn)處的差值及系統(tǒng)靈敏度以確定定位目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。令A(yù)(i)為任意待定位點(diǎn)的uh(i)與中心處uh(5)的光照強(qiáng)度量化值的差值，B(i)為任意待定位點(diǎn)uv(i)與中心處uv(5)的光照強(qiáng)度量化值的差值，其中i為位置標(biāo)號(hào)，則有：

(7)

為了精確標(biāo)定各個(gè)方向光照強(qiáng)度的變化率，本文中選定2,4,6,8這4個(gè)特殊點(diǎn)，分別根據(jù)這4個(gè)點(diǎn)的光照強(qiáng)度及其距離中心點(diǎn)的距離，數(shù)值計(jì)算x軸兩側(cè)及y軸兩側(cè)的定位靈敏度Wi與Pi,則有：

(8)

式中，d為4個(gè)特殊點(diǎn)到地面中心的距離，d=40cm。為方便計(jì)算，待定位點(diǎn)坐標(biāo)引入坐標(biāo)平面x軸與y軸方向平均靈敏度Wx與Py,則有：

(9)

令xx，yy為目標(biāo)定位點(diǎn)的所測坐標(biāo)，則有：

(10)

令e為相對(duì)誤差,則有：

(11)

式中,x，y為目標(biāo)定位點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

在該套可見光定位系統(tǒng)當(dāng)中，房間模型為80cm×80cm×80cm的正方體，采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(intensity modulation/direct modulation, IM/DM)調(diào)制方式，光源為3個(gè)5W的LED燈珠呈等邊三角形均勻分布在天花板正中心；信號(hào)接收端為4個(gè)光敏電阻組成的定位傳感器陣列，以STM32處理器集成的高分辨率及強(qiáng)抗噪聲的12位A/D作為數(shù)據(jù)處理部分，經(jīng)過多次標(biāo)定將所測定位坐標(biāo)顯示在LCD顯示屏上。

表1為9個(gè)特殊中心及邊界點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的9組光照度量化數(shù)據(jù)及所在的室內(nèi)地面區(qū)域。將表1按照(5)式～(8)式的相對(duì)差值數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行計(jì)算，所獲數(shù)據(jù)及定位靈敏度如表2所示。將表2按照(10)式～(11)式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到定位點(diǎn)位置參量，將其與實(shí)際定位坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，除第9個(gè)目標(biāo)點(diǎn)外，其它8個(gè)目標(biāo)定位點(diǎn)實(shí)測位置與實(shí)際位置的誤差值Δx，Δy在10cm以內(nèi)，相對(duì)誤差e的值均小于10cm，LCD顯示分辨率為0.1cm，定位誤差達(dá)到厘米級(jí)標(biāo)準(zhǔn);由于目標(biāo)位置9靠近室內(nèi)門外受自然光影響較大，導(dǎo)致定位誤差較大，說明本文中提供的算法對(duì)某些特殊點(diǎn)仍需改進(jìn)。

Table 1 Quantitative and regional analysis of light intensity

Table 2 Light intensity difference and sensitivity analysis

Table 3 Comparison table of positioning error

4 結(jié) 論

研究并設(shè)計(jì)了一套兼顧照明與定位的可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)。將室內(nèi)定位的光源進(jìn)行了布局，使其滿足國際照明標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)了整個(gè)定位系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，采用合理的定位算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并且計(jì)算了定位靈敏度與相對(duì)誤差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光光強(qiáng)采集、室內(nèi)定位及數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)過最終的級(jí)聯(lián)和調(diào)試，本系統(tǒng)坐標(biāo)實(shí)際測量誤差低于10cm,顯示分辨率為0.1cm,供電功率低于5W，LCD數(shù)據(jù)顯示定位誤差滿足厘米級(jí)的高精度定位。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)證明了該方法的可行性，可以滿足目前室內(nèi)定位的需求，為室內(nèi)目標(biāo)定位提供了一種可靠有效的解決方案。