LED可見光通信定位及若干定位方式的簡介與比較

劉祥

摘 要：可見光通信技術的原理是在有LED光的情況下，先對傳輸信息編碼，成為特定信號，然后采用對應的調制方式把編碼后的信號加載到LED驅動電流中，LED在高頻電流的作用下高頻閃爍，之后接收端采取對應的解調制方式還原LED高頻閃爍的信號，由此得到前端所傳遞的信息。選擇LED可見光進行通信定位不僅傳輸速率高，保密性好，更具有較強的抗干擾性。將該技術融合到LED燈具中，在提供照明的同時還實現了定位功能。

關鍵詞：可見光通信;定位;調制;解調制

中圖分類號：TP39;TN929.12文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

白光LED與傳統白熾燈的主要區別在于LED光源不僅發光效率高，且LED相對白熾燈和熒光燈而言不受電磁信號干擾，光源較為穩定，使用壽命更長。白光LED在提供照明的同時，將信息加載到LED的驅動電流上實現信號傳輸，從而實現室內定位功能。國內常用的主流定位方式包括GPS定位、北斗定位及基站定位等，由于人們的活動場所不僅僅在室外，更多時候處于家庭、辦公室、商場等室內場所，所以這些大型的無線定位方式會受到地域限制及信號屏蔽等影響，使得定位精度無法或難以實現。LED可見光通信擁有較高的帶寬，且傳輸速率高，因此LED可見光通信室內定位方式得到了大力推廣與廣泛使用，具有廣闊的應用前景。

1 幾種常見的室內定位方案及簡介

1.1 紅外線定位技術

紅外線是一種波長介于無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線室內定位技術定位原理如下：

（1）紅外線標識將已經調制的紅外射線發射出去;

（2）通過安裝在室內的光學傳感器接收發射的紅外線;

（3）利用相應算法進行計算，實現精準定位。

紅外定位技術實現方法有如下兩種：

（1）將能夠發射紅外線的電子標簽粘貼到被測物體上，直接測量室內放置的若干紅外探測傳感器與信號源之間的距離及角度，實現被測物體的精準定位;

（2）使用紅外織網的方法把若干發射器和接收器按照規則排列，組成紅外線覆蓋網，直接對被測物體進行定位。

紅外線定位示意如圖1所示。

1.2 藍牙定位技術

基于低功耗藍牙（Bluetooth-Low Energy，BLE）信號設備有唯一的ID，藍牙定位通過對被測物體信號強度進行檢測而實現。在室內布設藍牙局域網接入點，把網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，使得藍牙局域網接入點始終是該微網絡的主設備，通過對被測物體信號強度的檢測獲知用戶的位置信息。

藍牙室內定位技術所需設備不僅體積小、功耗低、不受視線距離的影響，而且隨著移動客戶端集成芯片的普及，可以實現精確定位。但受限于藍牙的短距離傳輸特性，且穩定性稍差，藍牙定位技術只能在小范圍內推廣使用。藍牙定位技術示意如圖2所示。

1.3 超聲波室內定位技術

超聲波是一種機械波，可以在氣體、液體和固體中傳播，而超聲波定位就利用這一特性。超聲波室內定位系統基于超聲波測距系統開發，最簡單的方案是首先放置1個固定的超聲波發射器，2個任意位置的超聲波接收器，然后利用物體發射超聲波，記錄到達2個接收器所用的時間，最后計算時間差，利用反射式測距法或三角定位等算法確定物體的位置。

超聲波定位技術常被應用在駕校的駕駛考場、地下聚乙烯PE管線探測儀以及海上探礦燈等，而室內定位最常用的還是對于無人車間的物品進行定位。超聲波示意如圖3所示。

1.4 WiFi室內定位技術

WiFi室內定位的原理是每一個無線AP都有一個全球唯一的MAC地址，通常情況下WiFi定位技術有如下兩種：

（1）借助移動設備和三個無線網絡接入點的無線信號強度，利用差分算法對被測物體進行三角定位;

（2）提前獲取測量空間各個分布點的信號強度，當被測物體的信號強度被檢測到后，直接和數據庫中的數據進行對比驗證，以直接獲取位置信息。

隨著科技的發展與進步，對于家庭、公司、商場等人員較為密集的室內場所，可能會出現無法接收手機信號的情況，但這些地方基本已實現WiFi信號全覆蓋，因此，WiFi室內定位技術便可以得到推廣。借助WiFi能夠實現大范圍定位及檢測追蹤，但是對于室內定位來說，一般情況下定位范圍約2 m，在WiFi路由器和移動端的大力普及情況下，多個用戶在通過每次定位后可以實現數據的存儲與共享，也能達到提高定位精度的目的。WiFi定位示意如圖4所示。

1.5 ZigBee室內定位技術

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，其定位過程如下：

（1）在室內布置若干個待定位的盲節點和一個已知位置的參考節點;

（2）將這些節點和網關進行組網;

（3）通過各個微小盲節點之間相互協調通信實現對待測物體的定位。

在組網過程中，各傳感器只需較少的能量，通過接力的方式即可將數據通過無線電波從一個節點傳送至另一節點。ZigBee低功耗和低成本的特性使得其工作效率較高，但該技術在信號傳輸時容易受物體移動和多徑效應的影響，若采用不同的信道傳輸或不同的算法，均會對定位精度造成影響。ZigBee室內定位示意如圖5所示。

1.6 LED可見光通信定位

LED可見光通信（Visible Light Communication，VLC）定位系統通過固定的LED燈具實現。當電源接通后，LED就會在交流電的作用下不斷進行高頻閃爍，然后通過移動端的接收設備對發射出的高頻信號進行檢測并接收，在接收信號的過程中對移動端是否對準光源不作要求，只要有光，就可以通過移動設備接收并處理接收的信號，從而實現精確定位。

LED可見光通信的核心即確定光源的具體位置，然后利用傳感器確定圖像中心的位置，最簡單的一種就是利用LED光源定位方式，即利用光源信號到達的強度實現定位，借助對應的算法計算距離光源的對應強度。接著利用差值判斷對應具體的位置信息，從而實現定位。但在一般情況下，LED光電二極管可能會由于產品批次等原因造成參數上的差異，使得光源亮度有所不同，從而導致測量數據出現偏差，所以在測量之前選取相應的測量算法也是決定實驗結果是否精確的關鍵。LED可見光通信定位示意如圖6所示。

2 結 語

本文將常見的室內定位方式做了簡單對比，并簡要介紹了通過LED可見光通信的特點實現較高程度室內定位的方法。LED可見光通信定位的方式雖存在一些缺點和不足，但隨著科技的快速發展，可以利用LED可見光通信定位與WiFi室內定位合作的方式實現較為精準的定位。通過不同定位方式間的相互合作，實現快速、精準的定位。

當然，對于LED可見光通信定位而言，該技術還涉及多種定位算法，如幾何測量法、場景分析法、臨近感知法及圖像傳感器成像法等，而各種方法均有其各自的使用場景及優缺點，在此不再詳細介紹。

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