可見光室內定位系統設計與研究Design and Research of Visible Light Indoor Positioning system

邢格霏 薛曉

【摘要】可見光室內定位系統是一種新式的室內定位技術。主要分為兩個部分，第一個是利用光源的位置及功率分布情況來確定室內具體位置：第二個是利用白色LED光源的良好調制性能實現可見光通信，相比傳統室內定位技術，具有更多的優點（節約資源、成本低，頻譜資源豐富）。本文主要討論了關于室內的參考點光強分布算法和實現三路通信的方法。

【關鍵詞】可見光室內定位 光通信 調制 參考點光強

引言

隨著現代化的快速進行，人們對于室內準確定位的需求也在不斷提高?，F階段的定位技術主要有GPS、超聲波定位技術、紅外定位技術、WIFI定位技術等。其中的GPS屬于室外定位，由于建筑物的阻擋，室內接受到的信號比較微弱，他的定位精度遠遠不夠，因此出現了后幾種定位技術。然而超聲波定位需要在室內布局大量的傳感器設備成本高，藍牙定位技術距離短，范圍小，穩定性差。WiFi定位技術利用熱點到移動用戶端進行測量，容易受到其他信號干擾，影響定位精度。由此，利用室內可見光源的定位技術逐漸發展起來。

其主要有：

1、功耗低。LED消耗功率極低，綠色環保，是現在室內的普遍使用光源。

2、定位精度高。LED燈兼顧照明的作用，遍布室內，其光波穩定I生大大增加了可調制性能。

3、成本低。可見光室內定位依托于室內LED燈的天然條件，不需要額外的布置特殊發射點，降低了設備和人工維護。

現階段，許多相關高校和企業的研究機構提出了自己的技術方案。國外有美國賓夕法尼亞大學，牛津大學，國內有清華大學北京郵電大學，上海復旦大學，北京理工大學，中國地質大學等。本文主要針對具體要求，進行了方案論述和設計。

1室內定位系統的體系結構設計

1.1系統環境搭建

設計并制作可見光室內定位裝置，其構成示意圖如圖1所示。搭建80cmx80cmx80cm的立方空間（包含頂部、底部和3個側面）。頂部平面放置3個白光IED，其位置和角度自行設置，由1LED控制電路進行控制和驅動;底部平面繪制縱橫坐標線（間隔5cm），并分為A、B、c、D、E五個區域，如圖2所示。要求在3個LED正常照明（無明顯閃爍）的情況下，測量電路根據傳感器檢測的信號判定傳感器的位置。

（2）LED控制電路可使用鍵盤輸入阿拉伯數字，在正常照明和定位（i吳差滿足基本要求）

（3）測量電路能接收并顯示3個LED發送的數字信息。

（4）LED控制電路外接3路音頻信號源，在正常照明和定位的情況下，發送的語音信號中，選擇任意一路進行播放，且接收的語音信號均無明顯失真。

1.3可見光室內定位主要功能分析

分析基本功能的要求可知需要通過室內可見光源實現定位，在發揮部分提出了兩端無線的信號傳輸通訊問題，能夠在發送和接受端利用可見光的光信道實現通訊。本文方案主要是通過檢測多個LED光源的光照強度，利用樣點采樣數據建立三維立體模型，存儲到下位機的FIFO中以便再次測量得出相對應的位置光強數據，推測出接收端和參考光源之間的距離，以此計算出接收端的位置，因此，我們結合其他定位方式確定采用了利用光照強度實現定位。對于第二部分，利用光信道進行信息的傳輸，可以通過信號的調制與解調原理，實現三路信號的傳輸和發送。采用AM調制與解調進行設計，本文主要做原理說明。

2、可見光室內定位系統的體系結構設計

2.1總系統構成

可見光室內定位系統由LED控制電路、傳感器測量電路、下位機數據處理和坐標顯示三部分組成。

2.2 LED控制電路及傳感器測量電路

根據LED的發光特性和其驅動電路的特點，VLC系統大都設計成光強度調制一直接探測（IM-DD：fight：light-intensity modulation-direct dictation）的發送一接收模式。VLC系統的一般原理框圖如圖所示，需要傳輸的數據首先轉換為電信號，電信號經過發射端電路的處理之后，通過驅動電路加載在LED上，LED發出經過調制后攜帶有信息的光波。光電探測器將光信號轉換為電信號，經過接收端電路的處理后，電信號還原出數據信息。如圖3：

2.3字符傳輸電路設計

在VLC系統的發射端，從STM32單片機發出的字符信號經過串口通信模塊后，進入由MCU控制的調制模塊，調制后的信號通過LED驅動電路以光強調制的方式驅動LED發光，LED發出攜帶有信息的光波，完成信號的發射。在VLC系統的接收端，光電檢測器將光信號轉換為電信號，此時的信號為模擬信號，經過串口將數據傳輸到STM32進行解調，將原始數據進行恢復。

2.4下位機程序處理設計

程序部分分為光強數據采集、存儲三維數據掃描、LED發射字符信息的接收與處理顯示、坐標顯示。

3、可見光定位系統主要模塊分析設計

3.1LED調制特性分析

發光二級管基本原理LED，即發光二極管，全稱為fightemitting diode，是一種固體半導體發光器件，它由III-V族化合物制作而成。與普通二級管相同，發光二極管的核心部件是PN結，PN結具有一定的電勢勢壘，當PN結兩端的電壓為正向時，PN結一的電勢勢壘下降，P區域和N區域的多數載流子分別向對方區域進行擴散，由于電子擴散的速率大于空穴的擴散速率，使得大量的電子擴散到P區，導致多數載流子對少數載流子的注入。這些注入的電子與價帶中的空穴產生復合，釋放的能量以以光能的形式表現出來。

LED的調制能力可以由其光功率一電流曲線來描述，如圖4所示：

其中，Io為偏置電流;AI為峰值電流與偏置電流之差。調制深度表征交流信號同直流偏置的關系。調制度越高，光信號越容易被光電探測器檢測，接收端所消耗的功率就較低。大多數可見光通信實驗中，電路的驅動能力達到百分之幾到百分之十幾的調制度。

2、LED的調制帶寬

調制帶寬直接影響到系統的傳輸速率。LED的調制帶寬定義為在保證調制度不變的情況下，當LED輸出的交流光功率下降為某一低頻參考頻率值的一半時（-3db）的頻率即為LED的調制帶寬。如圖6所示：

LED調制帶寬的測量系統由信號的發射端和接收端組成。在發射端，信號發生器發出正弦波信號，放大器對其進行放大，提高LED的調制深度，從而使信號在接收端更容易被光電探測器檢測到;隨后，放大后的信號以光強調制的方式加載到通過恒流源驅動的LED上，LED發出攜帶信號的光波;在接收端，光電探測器將光信號還原為電信號，經過放大器放大后，輸出到示波器上。在實際應用中，有時會在光電檢測器前加上藍色濾光片，濾除白光LED中發出的黃色熒光分量，只保留用于通信的藍光，這樣可以大幅度提升系統的調制帶寬。

以STM32F103單片機做控制系統，其主要特點為主頻72MHz，48K內存，51個可編程I/O口，5組串行口輸入輸出，3個12位DAC，1個12位ADC。在光源信號的信息傳輸中，處理速率比較高，通信功能完備。鍵盤輸入字符信息控制發送，音頻信號輸入。

3.2信息發送接收方法

目前可見光通信中，調制方式主要有OOK（開關鍵控）、PPM（脈沖位置調制）、OFDM（正交頻分復用）等。OOK調制（開關鍵控）又名二進制振幅鍵控（2ASK），振幅鍵控是一種幅度隨數字基帶信號變化的數字調制。當數字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控。在OOK調制中，以有無脈沖表示碼元“1”和“0”。該調制方式較為簡單，易于實現，在可見光通信系統中比較常見。

PPM調制是將m個原始數據信息映射到2m個時隙中去，接收端則通過脈沖在時隙中的位置將信息還原出來。同OOK調制一樣，PPM調制的系統傳輸速率受到LED調制帶寬的限制，當m較大時，系統的傳輸效率較低，可見光通信系統中，m不適宜過大。在PPM調制中，接收機需要時隙和碼元同步，與OOK調制相比，PPM方式的電路設計較復雜一些。OFDM調制（正交頻分復用）是一種新型的編碼技術，屬于多載波調制的一種。其基本思想將信道分為多個正交子信道，把高迷并行數據轉化為多個低迷并行的子數據流。由于每個子信道的帶寬是原信道帶寬的一小部分，信道均衡更加容易。OFDM調制頻譜利用率較高，同時能夠較好的減弱碼間串擾（ISIO從電路設計復雜程度來看，OOK調制、PPM調制優勢比較明顯，而OFDM調制則具有較好的頻譜利用率和克服多徑性能。

在本系統中，由于電路設計并不復雜，采用OOK調制方式。根據控制方式的不同，OOK調制又可以細分為兩種：非歸零開關鍵控（Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK）和歸零開關鍵控（Reture-to-Zero OOK RZ-00K）。在NRZ-OOK中，”0”為高電平，”0”為零電平;而在RZ-OOK中，每個脈沖結束后都要回到零電平，圖7為兩者調制脈沖示意圖。RZ-OOK對帶寬的要求高于NRZ-OOK，由于LED調制帶寬普遍不高（一般為兒MHZ），系統采用NRZ-OOK。如圖8所示：

3.3光強數據測量與定位：

光強傳感器模塊，如圖9：

TSL2561光度傳感器是一個復雜的光傳感器具有跨越大部分可見光譜平坦的響應，能夠直接12C通信，輸出光強模擬量。

這里的定位有兩種方式：

1、我們通過采集三點光源，對整個區間平面進行樣本采集，得到的一個三維數據表，將其存到單片機內。通過再次測得的數據與原先數據庫做對比得到相應的位置信息。如圖10所示：

圖10三維數據（平面坐標、光強信息）空間分布將采樣到的數據信息，利用MATLAB工具將其生成三維模型，依據每點的光強數值就可以得到相應的位置信息了。但其需要采集足夠多的樣本點，且對于具有相同光強的位置無法判斷出具體象限。且由于環境變化的影響容易導致測得的數據發生變化進而產生較大的誤差。

2、根據三點光源分布，再平面上找出最集中的光強參考點，以此建立參考坐標系。將參考點為中心的光強分布規律數據進行線性擬合，設計算法，隨著光強的變化量增加減少，計算出相應的位移量。這樣的采樣點數據可以大量減少，同時只要保證三點光源的集中光強參考點數值不會出現大幅度變化，就可以較準確實現測量。

3 4LED驅動電路與信號放大集成

LED驅動電路原理圖設計，如圖11所示：

主要包括兩個部分，第一部分利用電信號比例轉換控制光信號的輸出強度，驅動LED正常照明。第二部分擁有音頻信號的集成放大和濾波。能夠實現將來自音頻信號輸入端的信號與高頻承載信號調制，由LED光信號發送至光電管接收端。由接收傳感器測量電路對收到的調制信號進行解調，判斷來自不同光源的信號。電路主要芯片：TDA2030，LMl875，XYM20C51。實物電路如圖12所示：

4.2測試過程

區間按點取樣測試整個面的數據，然后用EXCEL擬合所有的數據，輸出關系曲線，求絕對誤差值。測試過程如圖13：

4.3測試結果

采用全盤取樣逐次逼近的方式不斷畫小傳感器所在區間，通過布局合理的燈光位置，通過采集數據，擬合求出燈光的光強量的遞增曲線和曲線線性規律。初點采樣后，根據已知函數曲線，求出當前線性點，劃分線性點的ABCD區間，求區間中心值后作差，差值比較確定靠近區間。依次逐漸逼近來確定最后的目標值。如圖

14所示：

曲線數據由圖表對比可知x軸方向和Y軸方向的光強變化趨勢是線性增大的。

采樣點利用曲線數據結合逐次逼近法可以較準確定位當前傳感器的坐標。經測量誤差范圍在2.5cm左右?？稍谌分腥芜x一路測量。

4.4總結：

本文對室內可見光通信系統進行了研究。介紹了可見光通信的優點，簡要概括了其國內外發展現狀。闡述了LED的發光機理和白光LED的分類，分析了LED的基本特性，設計了LED帶寬測試平臺，測試了白光LED的調制帶寬。設計了一套基于白光LED的室內點對點可見光通信系統，采用光強調制一直接檢測的發送一接收模式和OOK調制方式。分字符、音頻兩路信號，詳細說明了發射端和接收端的工作原理，完成了串口通信電路、放大電路、驅動電路、光電檢測電路等模塊的電路設計和總體封裝。為了驗證系統的傳輸性能，進行了實驗測試。實驗結果表明，在一定的通信范圍內，系統能夠較好的傳輸字符、音頻。系統傳輸速率為9600bps，傳輸距離為0.6m，具備一定的抵抗環境光噪聲的能力。