適用于室內導購系統的可見光定位研究

張悅 喬琪

摘 要：室內定位一直處于發展階段，由于室內環境的復雜，基于WiFi、藍牙、ZigBee等傳統技術會受到電磁干擾、多徑效應等因素的影響，存在明顯的弊端，因此研究新型室內定位技術逐漸成為近年來的研究熱點。隨著LED技術的普及和發展，利用LED發出的可見光通信實現室內定位研究備受關注。文章比較了幾種常見的定位技術，分析了各自的優缺點，通過對比研究選擇RSSI測距定位算法，并通過MATLAB仿真驗證了RSSI定位理論在室內導購系統中實現定位的可行性。

關鍵詞：可見光;RSSI;室內導購

0? ? 引言

近年來，隨著經濟發展的加快，全球自由貿易的頻繁，各大城市都出現了許多大型購物商場來滿足人們日益增長的生活需求。商場的面積巨大，貨品繁多，導致人們很難在第一時間找到所需要的商品，因此設計一套適用于室內導購的定位系統顯得尤為迫切。隨著對可見光通信研究的深入，利用可見光實現目標定位逐漸變成一個熱議課題。其原理是通過購物車上的設備接受可見光信息，通過后臺計算獲得定位信息。目前，可見光定位研究在幾何定位、指紋定位等方向取得重大突破，主流的室內定位系統通過調頻編碼、解碼獲得目標物的位置[1]。

本文通過MATLAB仿真驗證RSSI幾何定位理論在室內導購系統中實現定位功能的可行性，為下一步研究精準定位提供理論及實驗基礎。這套系統硬件設備要求較低，可以實現商品較為精準的定位，便于顧客找到需要的商品，收集的大數據還可用于日后的數據分析[2]。

1? ? 室內導購系統的框架

室內導購系統由3個部分組成：LED燈、帶PD的多媒體終端、VLID編碼設備。通過LED燈發出的可見光發射信號，裝在購物車上的多媒體終端接收信號，通過定位可以在終端顯示所在區域的商品信息[3]。

通過可見光的有效傳輸距離，對不同的光源進行編碼，理論上是可以得到較為理想的定位結果。但在實際使用過程中，由于LED光源要兼顧室內照明，通常會出現相鄰的兩盞LED燈之間光源的相互干擾，還需要設計一套自適應不同光源數量的編碼系統。在信號分析和轉化的過程中還需要考慮時間，因此要求我們算法盡量高效，所以考慮不用編碼方式定位，直接利用可見光定位。

2? ? 定位系統的常見算法

Gratham Pang等人在1999年提出可見光通信的概念，并在低速智能交通中實現了可見光通信[4]。在日本成立了“可見光通信聯盟”（VLCC）致力于研究可見光通信的各種應用。2011年GIULIO COSSSU通過三邊定位算法及正交頻分復用實現了室內定位，驗證了可見光定位的可行性[5]。可見光強度的定位算法通過不同的光源加載不同的載波信號，以輻射強度的衰減為基礎，依賴輻射強度完成定位[6]。目前適用于室內可見光定位的算法分幾類：通過編碼定位、幾何定位、指紋定位法。以下為幾種常見的幾何定位方法。

2.1? TOA定位

TOA到達時間定位法的原理：利用可見光發射時間和到達時間的時間，結合位置算法來實現定位功能。由于光速太快，即使非常細微的時間誤差也會導致定位結果較大的誤差，因為要求發射端和接收端必須保持嚴格同步，這對設備硬件的要求極高[7]，TOA定位原理如圖1所示。

為了解決TOA定位的精度問題，可以使用可見光到達時間差的辦法，即利用對不同光源的時間到達差求解位置，實現定位功能，避免了直接求解距離造成的高誤差。

2.2? AOA定位

AOA到達角度定位原理：通過測量可見光到達的角度，推算位置信息，實現定位功能。通過接受不同光源發出的可見光信號，尋找兩者相交點，計算位置信息。利用AOA定位需要外部設備的輔助，因此在使用過程中比較受限制，AOA定位原理如圖2所示。

2.3? RSSI定位

RSSI定位的原理是根據發射端的信號強度以及接收端收到的信號強度，計算信號在傳遞過程中的損耗，從而估算發射端和接收端之間的距離，但在實際使用中總會受到一些不穩定因素的干擾，在不同的應用環境中受到干擾也不相同，定位精度還有待進一步提高，但RSSI定位對硬件要求低，響應速度快，如果綜合考慮選用單一的定位算法，比較適合室內導購系統的定位算法首選RSSI定位。其中最簡單的是三邊定位法，如圖3所示某一個RSS定位場景，假設接收端位于建筑物的底層，那么只要三個發射端不在同一條直線上，就可以計算出接收端的坐標值，而且這個坐標值是唯一的，也就實現了接收端的定位。

3? ? 設計適用于室內導購系統的定位算法

在實現室內導購系統的設計過程中，設計師充分考慮實際場景的建筑要求：空間面積標準、通道最小凈寬標準、照明標準等，在設計本文導購系統的定位算法時，照明考慮LED燈的發光強度，選擇可見光直射鏈路，使用三邊定位及最小二乘法優化結果，研究RSSI定位理論在室內導購系統中的可行性。

3.1? LED輻射模型

LED燈具有較高的壽命、較低的功耗。本系統中采用了白色LED燈作為信號光源，發光強度符合Lambertian輻射模型[8]：

3.2? 可見光信道模型

可見光信道模型中采用兩種模式：直射鏈路和非直射鏈路。這兩種信道模式最大的區別在于是否有折射和反射，在實際的室內環境中，由于室內墻壁和其他物體的存在，因此在室內可見光通信中信號的直射鏈路和非直射鏈路均存在[9]，接收端接收到的總功率為：

由于直射鏈路的功率要遠高于非直射鏈路，PNLoS<

3.3? 定位算法

常見的定位算法有三邊定位算法，通過三個光源信息找到一組交點即完成定位，三邊定位原理如圖4所示。

通過下列方程可以計算出目標位置：

其中S1（x1，y1）、S2（x2，y2）、S3（x3，y3）為光源的坐標位置，則方程的解（x，y）為目標坐標位置。在實際過程中，由于噪聲、反射等情況得到的測量值，常常需要用最小二乘法匹配最優解。最小二乘法具有：線性、無偏性、最小方差性。

本文通過對定點光源作為觀測站，并記錄觀測站的坐標位置，通過同一觀測站接收到目標物的RSSI信息測量? ? ? ? 10次求平均值，通過3個觀測站的RSSI信息利用三邊定位及最小二乘法計算出目標物的具體坐標。LED的光照強度模塊、傳輸信道模塊、測量的RSSI信息及計算目標物的坐標由MATLAB仿真得到，通過模擬可見光傳輸信道得到，在模擬可見光傳輸信道中除了直射鏈路的傳輸模式，還充分考慮了噪聲及誤差，增加了噪聲模塊，為了使實驗的結果更為可信。設計實驗思路如圖5所示。

4? ? 基于MATLAB的RSSI仿真定位實驗

在仿真實驗中，采用一個6m×6m×3m的長方體模擬室內的一塊區域，在4個頂點上放置4個LED光源，即L1（1.5，1.5，3）、L2（1.5，4.5，3）、L3（4.5，4.5，3）、L4（4.5，1.5，3）。di為目標物體與各光源之間的直線距離，li為目標物體與各光源之間的水平距離。

4.1? 四盞燈的光照分布

根據Lambertian輻射模型，利用MATLAB仿真出光照半角為70°的發射機光照分布圖。圖6（a）是一個半角為70°的發射器光照分布圖，最大光照強度達到600IX;圖6（b）是4個光照半角為70°的發射器的光照分布分度圖，根據國際標準符合照明條件。

4.2? 利用RSSI定位原理的結果分析

在6m×6m×3m的空間中，以x=2、x=2.5……x=3.5和y=2.5、y=3……y=4的交點劃分出16個目標實驗點，設置觀測站（1.5，1.5）、（1.5，4.5）、（4.5，1.5）、（4.5，4.5），通過觀測站對目標探測10次，以平均值為最終的RSSI值，根據采樣的RSSI值求出觀測距離，根據觀測距離用最小二乘法估算結果[10]。實驗中目標（3.5，3.5）的測量結果為（3.6，3.6）如圖7所示。16個被測目標統計結果如表1所示。

5? ? 結語

通過對現有定位理論的研究和對比，通過MATLAB仿真驗證了RSSI定位系統在室內導購系統中的可行性，在室內導購系統中運用RSSI定位得到的探測結果，誤差在可接受范圍內。在實際運用過程中，由于光源在整個室內的排列，人們可以改進觀測站的選擇方法，從而得到更為精準的定位結果。本文的定位算法還存在很多改進的地方，后期可以從接收信號的去噪，RSSI算法的改進，考慮結合指紋定位算法等，研究一種算法簡單、硬件設備要求不高、定位精度較高的室內定位算法。

[參考文獻]

[1]劉大仁.基于可見光通信的室內定位技術研究[J].信息通信.2020（3）：79-81.

[2]馬哲東，曹新宇.基于MATLAB的可見光室內通信定位仿真[J].信息技術與信息化，2020（4）：119-121.

[3]黃緒發.基于DDC算法的可見光通信的非線性補償技術[J].軟件，2020（4）：106-110.

[4]陳詩航.基于LED可見光的室內通信與定位系統研究[D].南寧：廣西大學，2019.

[5]廖舒安.基于多LED的可見光調制與定位技術的實現[D].大連：大連海事大學，2019.

[6]王科.基于接收信號強度的可見光室內定位系統設計[D].武漢：華中科技大學，2017.

[7]喬琪.室內可見光通信定位技術的研究[J].現代信息科技，2019（22）：65-67.

[8]葉子蔚.基于接收信號強度檢測的可見光定位方法研究[D].鄭州：鄭州大學，2018.

[9]王穎.基于室內可見光的通信和定位系統研究[D].蘇州：蘇州大學，2018.

[10]陳道錢.基于RSSI測距及位置指紋的室內可見光定位方法研究[D].杭州：浙江農林大學，2018.

（編輯 王永超）