［吳臻 楊夢(mèng)媛］

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和城市現(xiàn)代化化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市中出現(xiàn)越來(lái)越多的大型商圈，但隨之而來(lái)的城市空間卻越來(lái)越小，城市中心區(qū)域的停車(chē)區(qū)域也越來(lái)越緊張。地下停車(chē)場(chǎng)成為了解決城市停車(chē)難的重要手段。新晉的大型商超為客戶(hù)提供大量的免費(fèi)地下停車(chē)位以吸引客流前往商超消費(fèi)。但由于客戶(hù)對(duì)新晉商超的不熟悉，往往出現(xiàn)停車(chē)消費(fèi)后，難以找到汽車(chē)的停放位置的情況。因此在一個(gè)大型的空曠缺乏無(wú)線(xiàn)信號(hào)的地下環(huán)境中，如何建立一個(gè)可靠的位置信標(biāo)體系并提供可靠的定位服務(wù)，仍有待深入研究。

本文采用可見(jiàn)光通信和市電電力線(xiàn)通信結(jié)合的方式，構(gòu)建室內(nèi)定位信標(biāo)體系。電力線(xiàn)通信（Power Line Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入，是有效解決“最后一公里”問(wèn)題的一個(gè)低成本方案。該技術(shù)把載有用戶(hù)交互信息進(jìn)行的高頻調(diào)制后加載到市電電力網(wǎng)系統(tǒng)中，通過(guò)電線(xiàn)傳輸信息；終端設(shè)備適配器再把高頻調(diào)制信號(hào)從電流中解調(diào)出來(lái)恢復(fù)原有的信息。借用于以有的市電電力網(wǎng)絡(luò)，可以免去網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)的成本，加速通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)?？梢?jiàn)光通信（Visible Light Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)VLC），是利用發(fā)光二極管LED 發(fā)射出的照明光線(xiàn)作為載波，將所需信號(hào)加載到可見(jiàn)光載波上傳遞信息，讓LED 光源實(shí)現(xiàn)照明和光通信的雙重功能[1]，其具有無(wú)電磁波輻射、成本低、節(jié)能、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2～3]。

本文針對(duì)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)受外部自然光線(xiàn)影響較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于PLC 信標(biāo)信息設(shè)定，VLC 信標(biāo)信息分發(fā)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置信息的設(shè)置和分發(fā)功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的最高層為信標(biāo)管理層，由信標(biāo)管理服務(wù)器組成，其核心為一臺(tái)具有管理功能的PC 服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)串口連接電力線(xiàn)載波調(diào)試模塊。管理服務(wù)器可將信標(biāo)信息通過(guò)串口發(fā)送給電力線(xiàn)載波模塊，電力線(xiàn)載波模塊將信標(biāo)信息調(diào)制后通過(guò)電力線(xiàn)向其管轄范圍內(nèi)的室內(nèi)照明系統(tǒng)中的LED 模塊進(jìn)行信標(biāo)信息的設(shè)置。管理服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)信標(biāo)信息的設(shè)置、更新等操作。

第二層為信標(biāo)信息發(fā)送層，室內(nèi)照明系統(tǒng)中增加電力線(xiàn)載波解調(diào)模塊，電力線(xiàn)載波解調(diào)模塊靜默解調(diào)電力線(xiàn)上的調(diào)制信息，并將其解調(diào)后發(fā)送給可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)模塊?？梢?jiàn)光驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)集成嵌入式MCU，該MCU 可解析并保存電力線(xiàn)載波模塊解調(diào)的信標(biāo)信息，并驅(qū)動(dòng)LED 照明電路，將信息以可見(jiàn)光作為載波媒介調(diào)制信息后在可見(jiàn)光范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸。

最下層為信標(biāo)信息接收層，該層為用戶(hù)手持的可見(jiàn)光解調(diào)模塊。該模塊同樣靜默接收當(dāng)前范圍內(nèi)的可見(jiàn)光，并從可見(jiàn)光中嘗試解調(diào)特定頻率的載波信息。當(dāng)正常識(shí)別可見(jiàn)光中的調(diào)制信息后，信標(biāo)接收模塊內(nèi)的MCU 會(huì)通過(guò)該模塊的LCD 液晶屏顯示當(dāng)前照明燈所攜帶的信標(biāo)信息。

3 電力線(xiàn)信標(biāo)信息設(shè)置子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力線(xiàn)載波具有安裝方便，免布線(xiàn)的天然優(yōu)勢(shì)，可非常方便的應(yīng)用與各種已布局電力線(xiàn)的環(huán)境中，特別適合老舊小區(qū)或無(wú)線(xiàn)信號(hào)不可到達(dá)區(qū)域的升級(jí)改造項(xiàng)目。在實(shí)際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)載波在防雷方面具有良好的效果，載波信號(hào)可以通過(guò)磁環(huán)與外部線(xiàn)路耦合，可有效減少傳導(dǎo)到芯片端的脈沖能量，減少器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)核心處理單元采用一顆高集成度的電力線(xiàn)載波通SOC-SH99F01，其內(nèi)部集成了高速增強(qiáng)型8051 兼容單片機(jī)和高性能電力線(xiàn)載波通信模塊（Powerline Transceiver，簡(jiǎn)稱(chēng)PLT）。SH99F01 具有標(biāo)準(zhǔn)8051 芯片的大部分特性。SH99F01 內(nèi)建PLT 模塊設(shè)計(jì)為全集成電力線(xiàn)載波通信引擎，內(nèi)建模擬前端電路和調(diào)制解調(diào)電路，外圍電路簡(jiǎn)潔，支持高性能的擴(kuò)頻載波通信技術(shù)和窄帶調(diào)制通信技術(shù)，支持過(guò)零傳輸，采用載波雙模通信技術(shù)，結(jié)合前向糾錯(cuò)編解碼算法，能夠最大程度提高載波物理層通信能力，適應(yīng)各種低壓電力線(xiàn)信道環(huán)境。芯片內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 電力線(xiàn)載波模塊邏輯框圖

通過(guò)即采用高度集成化的電力線(xiàn)載波通信芯片，可將電力線(xiàn)載波的調(diào)制和解調(diào)工作全部集中到一個(gè)芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。在信標(biāo)管理單元模塊中，其僅需要將下發(fā)的信標(biāo)配置信息提交給電力線(xiàn)載波芯片即可。

3.1 電力線(xiàn)載波通信數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

信標(biāo)管理單元設(shè)計(jì)兩種功能，即信標(biāo)節(jié)點(diǎn)查詢(xún)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)置。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)都統(tǒng)一采用如圖3 結(jié)構(gòu)標(biāo)示。

圖3 電力線(xiàn)載波通信幀結(jié)構(gòu)示意圖

（1）Address 字段：長(zhǎng)度為8 字節(jié)，填充訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的ID 信息。如廣播所有節(jié)點(diǎn)則填充全0xFF

（2）Cmd 字段：根據(jù)不同的字段定義了不同的功能，其定義如下：

0x00：強(qiáng)制信標(biāo)節(jié)點(diǎn)查詢(xún)指令

0x01：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)查詢(xún)指令

0x02：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)查詢(xún)響應(yīng)指令

0x03：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置指令

0x04：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置響應(yīng)指令

（3）Length 字段：表明后續(xù)數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度

（4）Data 字段：填充所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容，最長(zhǎng)不超過(guò)16 字節(jié)

（5）Check 字段：為CRC16 校驗(yàn)和結(jié)果，校驗(yàn)和的計(jì)算范圍為前面4 個(gè)字段的所有區(qū)域內(nèi)容，不包含自己本身。

3.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)感知過(guò)程

信標(biāo)管理單元上線(xiàn)后，由于其本身不存在其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單元的信息。故會(huì)優(yōu)先全域發(fā)送強(qiáng)制信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單元查詢(xún)指令0x00，發(fā)送地址為全0xFF 地址。

各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收該指令后，各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單元監(jiān)聽(tīng)電力線(xiàn)載波，當(dāng)電力線(xiàn)空閑時(shí)，強(qiáng)制回復(fù)自己的ID 信息。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)記錄已回復(fù)信標(biāo)管理節(jié)點(diǎn)ID 查詢(xún)指令，當(dāng)后續(xù)再接收到周期ID 查詢(xún)指令時(shí)，不再對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。

信標(biāo)管理單元等待接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單元的響應(yīng)信息，并將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID 信息記錄到其ID 數(shù)據(jù)庫(kù)中。后續(xù)信標(biāo)管理單元周期性的發(fā)送信標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID 查詢(xún)指令，以便有新的節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入時(shí)，會(huì)被信標(biāo)管理單元所感知。

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)感知過(guò)程如圖4 所示。

圖4 信標(biāo)單元發(fā)現(xiàn)過(guò)程流程圖

3.3 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置過(guò)程

信標(biāo)管理單元通過(guò)查詢(xún)命令獲取全域內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)命令0x03 和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ID 進(jìn)行車(chē)庫(kù)位置信息的設(shè)置工作。車(chē)庫(kù)位置信息由車(chē)庫(kù)所在的樓層，車(chē)庫(kù)的區(qū)域，車(chē)庫(kù)的編號(hào)組成。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲取該信息后，將信息存儲(chǔ)到本地的Flash 中。后續(xù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將本地Flash 中所存儲(chǔ)的信息以可見(jiàn)光的形式進(jìn)行信標(biāo)信息的發(fā)送。

4 可見(jiàn)光信標(biāo)信息發(fā)送子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)信標(biāo)信息經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)信標(biāo)信息設(shè)置子系統(tǒng)的設(shè)置后，每一個(gè)擁有信標(biāo)信息發(fā)送功能的室內(nèi)照明設(shè)備的都擁有唯一的信標(biāo)信息。信標(biāo)信息將通過(guò)可見(jiàn)光的方式在室內(nèi)照明系統(tǒng)工作時(shí)，同步廣播到該照明區(qū)域中。

4.1 信息加載方式

可見(jiàn)光信標(biāo)分發(fā)模塊上級(jí)通過(guò)電力線(xiàn)載波模塊與市電系統(tǒng)連接，通過(guò)靜默監(jiān)控電力線(xiàn)中的調(diào)制載波信息，解調(diào)其中被調(diào)制的信標(biāo)配置信息。并將該信息傳輸給可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)模塊。

4.2 信息調(diào)制方式

可見(jiàn)光發(fā)送端的信息調(diào)制方式采用4PPM 調(diào)制，4PPM 脈沖位置調(diào)制通信技術(shù)作為一種新興的通信技術(shù)，具有編碼簡(jiǎn)單、能量傳輸效率高的有點(diǎn)。他的原理是被編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流每?jī)晌唤M合成一個(gè)數(shù)據(jù)碼元組，總的占用時(shí)間為100 μs，再將該碼元組分成4 個(gè)25 μs 的時(shí)隙，根據(jù)碼元組的狀態(tài)，在不同的時(shí)隙放置單脈沖。由于4PPM 通信依賴(lài)信號(hào)脈沖在時(shí)間上的位置傳輸信息，所以解調(diào)時(shí)先保證收發(fā)雙方時(shí)隙同步、幀同步，然后根據(jù)100μs 中脈沖所在的位置解調(diào)。

其輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系如表1 所示。

表1 輸入碼元和輸出碼元映射關(guān)系表

其信號(hào)脈沖波形圖如圖5 所示。

圖5 PPM 調(diào)制信號(hào)波形圖

4.3 VLC 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

為了提高接收端的接收同步速度，降低傳輸過(guò)程中的碼間串?dāng)_。實(shí)際在數(shù)據(jù)幀發(fā)送前設(shè)計(jì)增加2 bit 的幀頭和1 bit 的幀結(jié)束符。發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 VLC 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖示意圖

以一個(gè)ASCII 字符為例，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 bits，每2個(gè)bits組合得到1一個(gè)4-PPM數(shù)據(jù)碼元組，合計(jì)4個(gè)4-PPM數(shù)據(jù)碼元組。每個(gè)4-PPM 組從幀頭（2 bits）、4PPM（4 bits）和幀尾（1 bit）總長(zhǎng)度為2+4+1=7 脈沖時(shí)隙。則一個(gè)ASCII 字符的發(fā)送時(shí)間為（8/ 2）* 7=28 脈沖時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙設(shè)計(jì)為25μs，則每個(gè)ASCII 字符的發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為28 * 25=700μs，轉(zhuǎn)換成發(fā)送速率為8 bit/700μs=11.42 kbit/s。

4.4 VLC 信標(biāo)信息組成

為表達(dá)地下車(chē)庫(kù)所在的位置信息，設(shè)計(jì)VLC 標(biāo)簽信息中包含車(chē)庫(kù)的樓層、車(chē)庫(kù)的區(qū)域、車(chē)庫(kù)的編號(hào)，信息編碼方式如圖7 所示。

圖7 VLC 信息編碼幀結(jié)構(gòu)詳細(xì)圖

（1）1 字節(jié)：F 表明是室內(nèi)高層停車(chē)區(qū)，B 表明是地下停車(chē)區(qū)

（2）2 字節(jié)：表明當(dāng)前的樓層，是F 地上幾樓或B地下幾樓

（3）3 字節(jié)：A 固定值，表明后面是停車(chē)場(chǎng)的區(qū)域

（4）4 字節(jié)：停車(chē)區(qū)的區(qū)域劃分，采用可識(shí)別的ASCII 字符標(biāo)示

（5）5 字節(jié)：N 固定值，表明后面是停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位編號(hào)

（6）6～9 字節(jié)：停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位編號(hào)，預(yù)留長(zhǎng)度為4字節(jié)

（7）10 字節(jié)：校驗(yàn)和，采用CRC8 的檢驗(yàn)算法，對(duì)前面1～9 字節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行CRC8 計(jì)算

整個(gè)VLC 數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度為10 字節(jié)，發(fā)送該VLC數(shù)據(jù)幀所需要的時(shí)間：Ts=10 * 8 bit/ 11.42 kbit/s=7.0 ms

由于整個(gè)位置信標(biāo)信息發(fā)送時(shí)間僅需要7 ms，設(shè)計(jì)VLC 數(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔為100 ms 可滿(mǎn)足整個(gè)位置信標(biāo)系統(tǒng)的信息發(fā)布。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 功能驗(yàn)證

基于以上信標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，包含信標(biāo)服務(wù)器、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和VLC 定位接收端，組成的系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試如圖8 所示。信標(biāo)服務(wù)器管理各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)發(fā)送規(guī)則和信標(biāo)信息，信標(biāo)服務(wù)器與各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)PLC 互聯(lián)。首先信標(biāo)服務(wù)器中的信標(biāo)管理單元通過(guò)PLC 發(fā)布各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信息；然后各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中的電力線(xiàn)載波模塊接收PLC 上的信標(biāo)信息，并通過(guò)可見(jiàn)光通信驅(qū)動(dòng)模塊將信標(biāo)信息加載到LED 光源上，通過(guò)VLC 在所在區(qū)域廣播。而VLC 定位接收端需要確定自己的位置時(shí)，接收最近的LED 發(fā)布的VLC 信號(hào)，成功獲取相應(yīng)的信標(biāo)，即可確定自身位置，從而完成室內(nèi)定位。

圖8 實(shí)物測(cè)試圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)弱而自然光干擾少的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于電力線(xiàn)和可見(jiàn)光通信的信標(biāo)分發(fā)系統(tǒng)。通過(guò)可見(jiàn)光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置信標(biāo)信息的廣播發(fā)送，為后續(xù)基于可見(jiàn)光的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供鋪墊。進(jìn)過(guò)實(shí)裝設(shè)備測(cè)試，可見(jiàn)光信標(biāo)系統(tǒng)中，最遠(yuǎn)的傳播距離可到2 m 時(shí)實(shí)現(xiàn)11.42 kbit/s 的信號(hào)傳輸速率。在可見(jiàn)光接收端成功實(shí)現(xiàn)信標(biāo)信息的解調(diào)和顯示。后續(xù)擴(kuò)展功能將以該信標(biāo)信息作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)或地下車(chē)庫(kù)的導(dǎo)航功能。