基于STM132室內可見光定位系統的實現

胡玉松

摘 要：隨著移動通信與無線網絡等技術的發展，室內可見光定位技術越來越受到人們的關注。文章針對室內可見光定位原理，基于信號到達時間的距離的測量方法，給出了以STM32F103ZET6為核心處理器來實現室內可見光定位的設計方案，并對在80 cmx80 cmx80 cm定位空間內采用呈網格分布的多個點進行了測試，對于實測的平均定位誤差為10 cm以內，驗證了方案的可行性及有效性。

關鍵詞：室內定位；可見光通信；到達時間

室內無線定位技術隨著移動通信與無線網絡等技術的發展日趨成熟，基于位置識別的服務（Location BasedServices，LBS）正受到越來越多的關注，其中信號到達時間（Time of Arrival，TOA）技術是實現LBS的關鍵之一[1]。 可見光室內定位技術作為一種新興定位技術，其具有能效高、綠色環保、不受電磁干擾影響等優勢，成為近年來的一個研究熱點，也最具應用前景[2]。本文通過TOA技術來對距離進行測量，采用三邊定位法來實現位置估計。為了實現室內定位，使用STM32作為處理器，并搭建硬件系統，在80cmX 80 cmX 80 cm定位空間內采用呈網格分布的多個點進行了測試，驗證了方案的可行性及有效性。

1 LDO架構

1.1 定位原理

在室內可見光定位系統中，由天花板上固定位置的LED陣列發射具有唯一位置信息數據幀結構的可見光信號，當接收器位于LED光源下方時，接收器上的可見光傳感器接收到LED光源發出的帶有位置信息的可見光，通過解碼、解調等信號處理后恢復出原始信號，并傳送給STM32處理器進行相應的定位算法分析得到移動目標的位置。

1.2 定位算法

本文采用的幾何測量法，該方法通過光接收器測量待測點與已知位置的LED燈的幾何關系，再通過把數據傳回給處理器，處理器通過特定的運算以獲取待測點的位置信息。三邊法依據待測點到3個不在同一直線上的LED燈的距離，以這3個LED為圓心，以測量的三邊距離為半徑做出3個圓，這3個圓的交點便是待測點的位置。但還需要使用一種方法計算待測點的位置，這里采用TOA的測量方式。具體操作是3個LED同時或者分時發射具有唯一位置信息數據幀結構的可見光信號，光接收器通過檢測光到達傳感器的時間，這個時間記為t，通過公式（1）可以得到待測點到參考點（LED燈的位置）的距離：

R=C·t

（1）

通過上面的分析，可以得到三邊定位法的公式為：

其中，（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），（X3，y3，Z3）分別為3個LED燈的位置坐標，R1，R2，R3分別為待測點S到發送端的距離，（xo，Yo，Zo）為待測點S的坐標。3個LED成三角關系安裝于室內屋頂（同一平面），故Z1=Z2=Z3=H（H為LED燈離地面的高度），且傳感器及待測點都在地面，所以Zo=0，這樣就少一組數據，簡化了計算。通過簡單的數學計算便可以得出S的坐標（x，y，0）。

2 室內定位系統的設計實現

2.1 硬件系統設計

為了獲得更高的精度，本系統需要使用3個LED作為信息發送點，且這些LED不能在同一條線上，這3個LED位置信息也必須已知。因利用三邊定位法來測量位置信息，需要先將光信號轉化為電信號，采用GY-30完成此功能，GY-30內置AD模塊，將模擬信號轉換為數字信號，減少了外圍電路設計，提高了抗干擾能力。GY-30出來的數據傳送給STM32單片機，通過三邊定位法進行計算得出位置信息。為了方便查看位置信息，系統采用液晶顯示器進行實時顯示。室內定位場景如圖l所示，使用5塊木板搭建一個方盒子，方盒前面空出。木盒實際大小為80 cmX80 cmX80 cm，為方便測試數據，在木盒底板繪制了方格，具體如圖1所示。

為了增加測量精度，傳感器由4個GY-30構成，4個GY-30測得的數據取平均值，存入數據庫中，通過查詢數據庫并于接收到的實際位置信息進行對比判定后，將接收數據映射到LCD屏幕上，從而實現基于室內環境的定位[3]。

2.2 軟件實現

為方便得到位置信息，通過LCD顯示器顯示坐標。整個工作流程：STM32系統上電后，經過初始化后，開始捕獲傳感器初始數據。數據捕獲完后，單片機通過繼電器發出控制命令驅動3個SW的LED點亮，并在同時計算傳感器接收到信號的時間，通過三邊定位法計算，在經過濾波處理得出（x，y，0）的坐標值，然后驅動LCD顯示器顯示坐標信息[4]。

3 測試結果

定位系統的實物模型是80 cmX80 cmX80 cm的立方體木盒，3個LED成三角形關系安裝在木盒頂部，LED通過驅動電路來控制開關。木盒底部畫出了網格，可以快速得出實際位置值，便于與系統檢測出的值做對比[5]。檢測傳感器由4個GY-30模塊完成，最終的檢測值取4個傳感器平均值數。對坐標值進行多次測量，測量結果如表l所示。

根據上述測試數據，定位誤差在10 cm以內，測試滿足了基本要求，并可以判斷傳感器放置的區域。

4 結語

可見光定位技術具有非常大的潛在市場，具有能效高、綠色環保、不受電磁干擾影響等優勢。本文結合三邊定位原理，通過搭建一個80 cmX80 cmX80 cm的可見光定位系統并測試，測試驗證定位精度低于10 cm，實驗證明了可見光定位的可操作性，也驗證了三邊定位法的有效性。

[參考文獻]

[1]趙嘉琦，遲楠.室內LED可見光定位若干關鍵技術的比較研究[J]燈與照明，2015 （1）：34-41.

[2]董文杰，王旭東，吳楠，等基于LED光強的室內可見光定位系統的實現[J]可見光通信，2017 （3）：4.

[3]吳楠，王旭東，胡晴晴，等基于多LED高精度室內可見光定位方法[J]電子與信息學報，2015 （3）：727-732.

[4]王旭東，胡晴晴，吳楠.高精度室內可見光定位算法[J]光電子·激光，2015（5）：862-867.

[5]曠亞和.基于LED的無線數據傳輸技術研究與設計實現[D]大連：大連海事大學，2014.