周帥宇 萬(wàn)旺 呂文軒

【摘 要】文章設(shè)計(jì)一種基于光信號(hào)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(guò)LED不斷地發(fā)送特定的位置信息載波信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)解碼、識(shí)別映射等過(guò)程，獲取發(fā)射端的信息并于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的準(zhǔn)確定位。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位;可見(jiàn)光通信;載波信號(hào)

【中圖分類號(hào)】TN929.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）02-0066-02

0 引言

由于信號(hào)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(guó)內(nèi)比較淺度的室內(nèi)如靠近窗的地方，通過(guò)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(méi)有辦法通過(guò)輔助衛(wèi)星定位來(lái)解決。同時(shí)也出現(xiàn)了根據(jù)室內(nèi)地磁場(chǎng)的分布來(lái)做室內(nèi)定位的技術(shù)，類似于指紋采集來(lái)搜集室內(nèi)的地磁信息從而提供室內(nèi)位置。

通過(guò)比較各種室內(nèi)定位技術(shù)，從市場(chǎng)的反饋、技術(shù)的領(lǐng)先性和應(yīng)用前景方面來(lái)看，基于可見(jiàn)光通信的室內(nèi)定位技術(shù)是一個(gè)比較有前景的技術(shù)。光源是室內(nèi)一個(gè)必要的基礎(chǔ)設(shè)施，它最大的優(yōu)勢(shì)在于不需要我們進(jìn)行額外的部署。此外，光源進(jìn)行部署以后進(jìn)行變動(dòng)的可能性比較小，每個(gè)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(jiàn)光定位技術(shù)精度可以達(dá)到厘米量級(jí)，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(chǎng)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(guò)攝像頭作為對(duì)天花板的可見(jiàn)光陣列連續(xù)不斷地拍照，根據(jù)每個(gè)燈光的不同位置來(lái)確定實(shí)時(shí)坐標(biāo)。但該方法對(duì)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(jiàn)光定位技術(shù)主要是將室內(nèi)不同位置的3個(gè)LED的光照強(qiáng)度分別儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，將接收端感受到的光照強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容相比較來(lái)確定位置坐標(biāo)。

1.2 測(cè)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(hào)角度信息，再利用交匯法來(lái)獲得坐標(biāo)。要求高空間分辨率，對(duì)于室內(nèi)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)。

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

方案三：RSS技術(shù)僅使用3個(gè)LED作為信號(hào)源發(fā)射不同頻率的載波信號(hào)，接收端根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算距離，并與數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)LED的發(fā)光頻率分別位于3個(gè)頻段，并且每個(gè)頻段的中心頻率相隔較遠(yuǎn)，保證光信號(hào)之間的相互獨(dú)立，以此來(lái)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(gè)頻段中心頻率相隔較遠(yuǎn)，所以采用帶通濾波器，使其滿足在一個(gè)LED頻率處保證波形的完整正確，在其他兩個(gè)LED頻率處最大限度地抑制干擾波，由此過(guò)濾出一個(gè)LED燈的波形及它的強(qiáng)度。

1.4 抗干擾方法

由于采集到的光波信號(hào)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(jí)放大電路對(duì)光敏電阻接收到的光信號(hào)進(jìn)行處理。由于外部自然光會(huì)對(duì)接收信號(hào)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(guò)多級(jí)運(yùn)放光信號(hào)進(jìn)行放大處理后，將處理得到的信號(hào)接入比較器電路輸出到單片機(jī)中斷接口以觸發(fā)單片機(jī)響應(yīng)，同時(shí)將信號(hào)接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換接口用于計(jì)算傳感器對(duì)每一個(gè)燈的感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度，減少太陽(yáng)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(hào)，降低硬件干擾的可能性及噪聲波對(duì)定位的影響。

2 定位原理的分析與說(shuō)明

2.1 數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)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(gè)LED，我們使用帶一定校驗(yàn)的編碼方式并且采用分時(shí)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(duì)信號(hào)進(jìn)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(lái)后，將“輸入捕獲模式”設(shè)置為“下降沿捕獲”，隨后清零定時(shí)器，并標(biāo)記捕獲到上升沿。當(dāng)捕捉到下降沿時(shí)，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(kāi)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(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)，則放棄本次捕獲。

2.3 識(shí)別映射

定位系統(tǒng)中不同的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)不同的LED。每個(gè)LED反復(fù)輸出特定的位置信息。當(dāng)接收端移動(dòng)到特定區(qū)域時(shí)，光電傳感器將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大器后，通過(guò)處理器對(duì)信息進(jìn)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(qiáng)度信息后，將該信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的坐標(biāo)點(diǎn)做對(duì)比。LED 燈的實(shí)際位置信息及室內(nèi)不同位置的光強(qiáng)信息預(yù)先存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，解碼后的位置信息和光照信息會(huì)通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)成功匹配到數(shù)據(jù)庫(kù)中的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，輸出該點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)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(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表1）

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

誤差在合理范圍內(nèi)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳楠，王旭東，胡晴晴，等.基于多LED高精度室內(nèi)可見(jiàn)光定位方法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015，37（3）：727-732.

[2]STEFANIA M，GIANLUIGI F.An experimental model for UWB dis-tance measurements and its application to localization problems[A].Inter-national conference on Ultra-Wideband[C].Paris France Pisca-taway：IEEE，2014（9）：1-3.

[3]曠亞和.基于LED的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.

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

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]