基于LED可見光通信的停車場尋車系統

劉 璇，王 翊，郭云輝

(1.安徽大學電子信息工程學院，安徽合肥 230000；2.國防科技大學電子對抗學院，安徽合肥 230031)

引言

在實際應用中，LED 可見光通信分為室外通信和室內通信兩類。室內通信主要包括室內定位與導航及高速網絡連接。近年來，關于室內定位的應用，牛衍方等[1]研究了智能倉儲中物品信息定位及可見光通信與智能照明融合后的信息服務設備[2]。而室外可見光通信的應用領域主要集中在智能交通和室外廣告，其中智能交通應用主要包括：LED在城市交通導向中的應用[3]、交通燈通信系統[4]。

近幾年，國內外LED燈應用研究步伐日趨加速，日本慶應義塾大學的研究小組[5]率先提出了基于LED 的可見光通信 (visible light communication,VLC)系統，泰國亞洲技術研究所的Shrestha等[6]研究了基于三基色(RGB)LED進行室內VLC系統，美國波士頓大學的Wu等[7]對基于網絡通訊協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)的VLC通信網絡展開研究，并給出了一種利用TCP/IP解決光鏈路視線損耗的方案。香港大學在1998 年提出了室外可見光通信的解決方案[8]。暨南大學的胡國永等[9]從2006年開始關注VLC技術，研究了基于可見光的空間成像無線傳輸系統，驗證了方案的可行性。近年來，陳泉潤等[10]在白光LED可見光通信方面給出了更完整的關鍵技術方案，并對未來發展趨勢做出了預測。劉保林等[11]對于平面接收光功率和接收光照強度分布不均勻的問題，進行優化，改進了傳統蟻群算法存在的收斂速度慢、容易停滯等問題。

市面上的尋車產品包括基于二維碼[12,13]、基于讀卡器[14]、車載信號發射[15]等多種通信方式，但它們面臨著易毀壞、安裝硬件成本較高和部署較為困難等問題。目前在國內，提到了可見光通信停車場導航思想的專利有很多：可見光通信停車場定位導航[16]專利中提及采用OOK調制方法，但僅有OOK調制并不能完全實現功能，若用單片機來實現調制和解調，受各個模塊的頻帶寬度影響，基帶信號頻率較低，勢必會帶來燈光閃爍的顯現[17]，照明功能無法實現，而且OOK調制的誤碼率要比FSK調制的高，OOK對信道較為敏感，故不易實現。本研究的調制方法會對此進行改善；車輛信息播報系統[18]中通過光通信發射節點獲取位置信息并播報來提高車主找車效率，但增加了人工勞力，系統并非完全智能化；文獻[19]中提及利用編碼后的LED光源作為節點檢測空車位并結合移動終端給出導航方案，然而該移動終端沒有突顯出可視化的概念，而是用數字羅盤來指導方位并給出目標位置和距離，本研究中給出了停車場的可視化地圖，可以讓用戶直接地了解自己的位置與目標位置，更加方便。

本研究計劃選擇合適的信號光解調和調制方式，實現數字信號、電信號、光信號之間的合理轉換。本文將詳細闡述各組成模塊，并通過實驗及仿真驗證其可行性，為城市LED車庫定位提供參考。

1 基于可見光通信的停車場尋車系統及原理

圖1描述了本研究的系統組成部分，主要包括信號調制模塊和信號解調模塊、信號可視化展示模塊。在信號調制模塊中，由編碼器編碼的數據經信號調制電路轉換成電信號，然后驅動 LED 車位照明燈光源發送光信號經自由空間傳輸到信號接收端。在信號解調模塊中，通過硅光管和放大器檢出光信號并轉換成電信號，最終經解調電路、解碼器獲得相應數據。在可視化展示模塊中，主要由藍牙模塊和APP地圖指引模塊組成，經藍牙裝置，將解調后的數字信號傳輸給手機APP，在APP上可視化的指引人們完成兩點之間的導航。

圖1 本研究的組成模塊Fig.1 The composition module of this study

1)信號調制模塊。光通信是以光波為載波的通信，即用基帶信號對光波進行調制。本系統通過在車位燈上調制信號來完成信號傳遞。為防止傳輸數據時LED燈會出現人眼閃爍現象，所以要求信號頻率較高，故采用相位連續的二進制頻移鍵控(2FSK)編碼調制[20]。兩個載頻分別由同一個頻率的獨立振蕩器經不同的分頻器分頻產生，載波的輸出受門電路的控制，而門電路的開啟與關閉受到數字基帶信號的控制。

如圖2所示，當數字基帶信號為“1”時，門2關閉，門1打開，輸出頻率為f1的信號。當數字基帶信號為“0”時，門1關閉，門2打開，輸出頻率為f2的信號。載波信號經相加器處理后，輸出2FSK信號。載波的頻率受數字基帶信號的控制，從而實現調制。一般情況下，當光源以大于 50 Hz 的頻率閃爍時，大多數人由于視覺暫留現象，看不到光源的閃爍，此時光源將發出穩定、連續的光。因此當 f1 和f2 選擇較高頻率時，人眼是無法觀察到LED 燈閃爍的，但是此時 LED 燈的亮度會變化。

由此可知，數字基帶信號的“1”選擇輸出 f1 載頻，信號“0”選擇輸出 f2 載頻，將 f1 和 f2 相加即得到調制后的2FSK 信號，然后將該信號轉換為 LED 燈的調光信號輸出。

在港口發展方面，江海聯動、功能互補的港口服務體系初步形成。一批專業化、現代化水平較高的大型綜合性港區正在崛起，干線港口規模化、集約化、專業化水平不斷提升，以南寧、貴港、梧州、肇慶、佛山等主要港口為核心的內河港口體系逐步形成。截至2017年年底，珠江水系擁有生產用泊位2092個，港口年綜合通過能力超過6 億噸；貨物綜合通過能力超過1000 萬噸的港口總數達11個。

圖2 調制模塊框圖Fig.2 Modulation block diagram

圖3 解調模塊框圖Fig.3 Demodulation module block diagram

2)信號解調模塊。本系統設計一個細長的管道加在光傳感器的上面，在某一地點只能接受到有限個頻率較強的光信號。放大的光信號經模數轉換(Analog to Digital,A/D)為數字信號傳遞給移動端，在手機應用程序(Application，APP)中將處理后的信息與數據庫中的數據進行比較、整合。本研究選用9 mm×9 mm硅光傳感器(Silicon photomultiplie)作為光傳感器[21]，它具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、結構緊湊等特點，其響應時間約為10-7s。此外，本研究選用同步解調/相干解調[22]方式，相比于強度調制/直接探測(Intensity modulation/direct detection,IM/DD)的方法，光通信系統可以有效地提高系統的接收靈敏度。

信號解調電路如圖3所示，變化的光信號由硅光管檢測出來后，直接由光信號轉化為了電信號。此時電信號較微弱，需將此電信號通過放大電路放大。放大后的電信號通過高通濾波器濾掉直流和低頻成分，將該信號輸出到解調電路。解調電路采用同步解調電路，將同步解調之后的信號再通過信號放大以及A/D轉換，就完成了光信號到電信號再到數字信號的轉換。最后，再將數字信號經由藍牙設備傳輸給手機，這樣，每個燈就有了獨一無二的編碼信息，可以用來作為地標定位。根據通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方面入手: 一是加大其輸入光功率; 二是提高信噪比。LED 車庫照明燈其本身的大功率就已經在一定程度上保證了系統的可靠性，因此接收端的信噪比將決定全系統的通信性能。

3)藍牙傳輸模塊。藍牙通信采用通用的藍牙轉串口通信模塊，方便將讀取的數字信息傳輸到智能手機設備中進行展示。藍牙通信設備內置在信號解調器部分，配套的智能手機內置程序基于安卓系統，采用 JAVA 技術開發。例如，信號010101表示，汽車位置在第一層的第一排第一列，從而在手機地圖上做標志。

4)APP地圖指引模塊。智能手機 APP是本系統的重要組成部分，它主要負責以下工作：

(a)用戶停車后，使用光接收器掃描車附近車位燈，并將該車位燈解調后的內容發送至APP；

(b)用戶尋車時，使用光接收器掃描用戶附近車位燈，并將該車位燈解調后的內容發送至APP；

(c)從APP中獲得停車場地圖，將用戶和車在停車場的位置信息可視化展示給用戶，并完成導航。

如表1所示，位置信息由多位二進制碼元表示，表中是以4層、每層8排8列的停車場模型作為編號舉例。例如，系統在確定樓層信息時，第2的位置信息就可以表示為10，其中1表示電信號的高電平，0表示電信號的低電平。

表1 車位燈序列內容Table 1 Parking light sequence contents

圖4 APP工作流程Fig.4 APP workflow

圖4所示的是智能手機 APP 的工作流程圖，當用戶需要尋車時，打開APP，操作 APP 掃描車位燈標記用戶的位置，并獲得車和用戶的位置；當用戶剛停好車，需要標記車的位置時，掃描車輛附近車位燈，標記車輛的位置。

5)MATLAB仿真驗證。為了驗證信號調制和解調模塊的可行性，用 Matlab 進行了仿真。在實際操作中，我們選用51單片機來實現功能，產生50%占空比的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)，然后積分得到正弦載波，但單片機的PWM頻帶(約1 kHz)以及A/D轉換頻率(約10 kHz)都有限制，為了保證基帶信息中每一個二進制碼元在調制時有足夠數量的載波個數，其基帶信號速率采用200 bps。圖5給出了數字基帶信號，以及其信號求反，還給出了調制后的2FSK信號，由圖可以看出信號的調制的方法，即采用2FSK：數字基帶信號“1”即為高頻信號，數字基帶信號“0”即為低頻信號。圖6給出了經過低通濾波器后的信號以及其信號的脈沖判決結果，驗證了同步檢波的可行性。圖6與圖5對比可知，最后解調的信號和數字基帶信號的相同，即在發射環節，高電平為“1”，低電平為“0”，仿真中的數字基帶信號為“1001001001”。考慮到人眼可見閃爍頻率以及器材的限制，f1 選擇800 Hz，f2 為 400 kHz，仿真結果證明該方案可行。

圖5 基帶信號及其求反、門信號選通信Fig.5 Baseband signal and its negation and gate signal selective communication

圖6 經過抽樣判決器恢復的波形與2FSK信號圖對比Fig.6 Comparison of waveform and 2FSK signal in a sampled decision

2 測試系統及驗證

2.1 測試系統

測試系統的組成包括車位燈(內置光調制器)、光接收器和智能手機(安裝有讀取數據并導航的應用程序)。光接收器分布在停車場一些公共場所，由顧客共享使用，以確保在停車場中使用的方便性。現場測試中，車位燈選擇大功率 LED燈，該車位燈支持脈沖寬度調制 (Pulse Width Modulation,PWM)調光輸入的配套驅動電源。信號調制部分將通過內置一段數字基帶信號，直接輸出 2FSK 信號控制 LED 燈開關。信號解調部分將內置在光接收器中，由此裝置將數字基帶信號還原并通過藍牙裝置傳給智能手機。

測試模型如圖7所示，模型由兩層停車位組成，每層有2×2個車位，在每個車位旁都有地燈存入相應位置信息，每個樓梯兩端都有樓層定位燈，便于完成不同層之間的導航。

圖7 測試系統模型Fig.7 Test system Model

2.2 測試與驗證

現場測試選擇在如圖8所示模擬停車場，共安裝已加裝光通信控制器的 LED 車庫地燈 (12 W)10盞，燈間距2 m。通過光通信要求實時讀取的地燈數據包括平均照明亮度和有用功率，如表2所示。

圖8 二進制與多進制編碼信號解調誤碼率Fig.8 Demodulation error rate for binary and multi-coded signals

表2 地燈測試結果Table 2 Ground Lamp test Results

根據測試結果可以看出，光通信時的有用功率接近調光50%時的狀態，也就是說可見光通信本身會降低有用功率和光強，這是測試系統所采用調制方式功率利用率不高的原因造成的。

經測試，接收器讀取車位燈的數據成功率與其靠近車位燈的距離有關，當接收器距光源小于一米時讀取準確度較高(接近100%)，這個距離正符合了人們手持接收器掃描的習慣，且成功讀取時間均小于1 s。由于接收器采用了尖頭設計，光接收機受環境光照或其他地燈的干擾情況可以大大減小，其接收可靠性與光源的功率強度以及光傳感器的接收靈敏度有直接關系，故在選擇光傳感器時用硅光管會減少一定誤差。圖9是2FSK信號經過相干解調之后的眼圖，眼圖的線跡是比較清晰的帶狀的線，線條清晰，“眼睛”張開的大，說明解調后的信號碼間串擾比較小。

圖9 解調后信號的眼圖Fig.9 The eye image of the demodulation signal

由此可見，雖然在該實現方案中存在影響車庫照度等問題，但 LED 地燈實現可見光通信完全可行。針對日常車庫巡檢與管理，可見光通信方式提供了一個了解車輛定位狀態的簡單快速的解決方案。

3 總結

為了方便用戶在停車場中快速找到自己的車輛，本研究利用可見光通信技術設計了一個停車場尋車系統。系統采用LED作為信號發射源，具有綠色環保、高效等優點，通過2FSK調制及相干解調技術，將電-光-電信號轉換，作為定位標識。用戶通過使用停車場中共享的解調器，以智能手機作為互動界面完成車庫導航。APP良好的界面與簡潔的使用方法可以增加用戶的滿意度，為車輛定位智能化管理提供了一個新的思路。關于可見光通信的應用問題，如果接收器的設計能夠內置在手機攝像頭中，人們的使用體驗將會更好，這是我們下一步研究的內容。