淺談可見光室內定位技術的研究

李雅欣 張亞飛 黃建昌*（通訊作者） 河北農業大學理工學院

盡管GPS定位技術較為成熟，但在室內由于物體遮擋等作用，信號不能穿透建筑實體，致使很多室外的定位技術在室內發揮的效果極為有限。隨著定位技術的發展，室內對于可見光的導航需求逐漸增多，如醫院、購物商場、庫房、災害地、礦井等。這些場所不僅需要室內定位，且對精度要求也較高。所以，探討室內定位技術十分重要。

1 關于可見光的室內定位技術研究現狀

可見光室內定位技術發展到現在己經可以通過許多技術實現，常見的定位技術除了超聲波以及局域網技術還有紅外線和射頻識別等。其中的計算方式有到達的時間、時間差、角度以及接收的信號強度等。

1.1 超聲波定位技術

超聲波技術是利用發送的超聲波信號測量二者的距離來定位，一般應用反射的測距方法，具體測距原理如圖1所示。超聲波的定位技術結構較為復雜，有很多特定的應答設備與目標。目標向很多應答設備發送相關的信號，以反射的測距法獲取目標到達應答器的實際距離。其特點分析:視距下的精度很準，能夠控制發射的方向，一般用于工業。然而，它易受反射的影響，定位的誤差變化很快，還需借助很多輔助性的設備，經濟成本較大。

圖1 超聲波測距示意圖

1.2 無線局域網技術

在定位區間里安設三個無線基站，基站能獲取目標發送的信息，如強度、時間等。綜合全部基站的結構，分析并計算目標地信息。經證明，信號傳遞隨著距離以及各種干擾因素的影響而衰減。當AP作為無線的訪問接入點，可以把數據采樣并傳送到服務器進行分析處理，具體流程如圖2所示。AP的響應傳送到無線網卡上，從而得到室內定位所需要的各種信息，比如各個物理地址，無線網絡的標識。AP和網卡均可測量信號強度，AP采用被動探測的方式以廣播形式發一個信標信號（Beacon），其中包含了BSS參數的信息以及接入點的緩存幀信息。其中AP信號衰減和發送功率都相對較優，因此采取了主動探測的方式。

圖2 數據采用流程

由于這種定位方式能應用現在已裝設的設備，只需要相關信息分析的服務器，所以成本不高。室內信息可以根據接收位置不同的信號強度來標識，如微軟企業的RADAR系統。但是定位的精度不理想，且受多徑效應等因素的限制。在傳播速度已知的前提下測試時間來計算距離，必須發送和接收雙方均知道測試開始時間，用TOA算法可以對距離進行計算，其算法對時鐘精度要求較高尤其是無線傳輸速度很快，要求就更為嚴格。根據基站的坐標位置，利用TOA算法可以算出距離，從而直接得到想要定位的物體的坐標，或者推算出定位點和三個基站的連線之間的角度得到定位點位置，具體原理和推到如圖3所示。

圖 3 超聲波測距示意圖

具體公示計算如下:

(ai,bi)是三個基站所在的點坐標，x，y為欲求得的移動端所在的位置，v為當前信號傳播的速度，移動端到三個基站的位置可以用d=tiV來計算。利用求得的三個d畫三個圓，三個圓弧的交點就是移動端所在的位置。

（3）不同定位技術可靠性分析表1不同定位技術比較

定位方法 精度 可靠程度 成本消耗 安全性能超聲波 1-100m 較低 較大 較低紅外線 1-5m 較低 中等 較高超帶寬 1-10m 較低 中等 較高無線局域網 1-5m 較低 較低 較低

3 結論

隨著室內定位的技術不斷地發展，至今己有許多可以選擇的定位技術應用于室內，通過本文分析研究，發現它們都有較大的局限性，或者成本、技術含量很高，或者影響因素較多，或者定位的距離較短。為了盡量地克服相關的缺點，對于VLC的室內定位技術逐漸得到了研究人員的關注。LED燈因為有著很長的使用壽命，對于溫度、濕度的承受能力也較強，且具有功耗低、環境友好等優點，讓LED在很多工業領域獲得了巨大的發展空間。

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