一种基于LED标签法的室内可见光定位系统

汪广业,陈艾琳,高英明,王金鹏,李 萍,贺晓阳,邹念育

(大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034)

一种基于LED标签法的室内可见光定位系统

汪广业,陈艾琳,高英明,王金鹏,李 萍,贺晓阳,邹念育

(大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034)

设计并实现了一种基于标签法的LED(发光二极管)室内可见光定位系统。在满足基本照明需求的同时,将当前的位置信息循环加载到LED光源上,通过无线光链路传输到移动终端,系统根据移动终端接收到的信息解析出其在环境中的相对位置,还可将位置映射到地图上并映射出与当前位置相关的提示指令,最终实现可见光定位。利用Stm32处理器作为系统主控制器,设计了一种适用于可见光定位的编码协议,以灵活可靠地传输位置信息。发射端测试了LED光源特性及驱动电路,可保证基本的照明与通信;接收端利用C#语言设计上位机软件以实现移动终端在地图上的映射及实时更新功能;结果表明,该系统定位效果理想。

可见光通信;室内定位;标签法;位置信息;Stm32处理器

0 引 言

目前,GPS(全球定位系统)作为一种成熟的无线定位技术已得到广泛的应用。但在人们活动较为频繁的办公室、商场等室内环境以及隧道、地下停车场等特殊环境中,由于接收信号差而使GPS定位难以适用[1-2]。为此,利用红外、超声波、无线局域网和蓝牙等技术来实现室内定位正被探索研究。这些技术通过移动目标与固定单元的通信来确定它们之间的相对位置,进而推算出目标的实际位置[3]。然而,它们对应用环境的要求较为苛刻,使用场所往往也受到了限制,如矿井、加油站和医院等无线通信被禁止的区域,并且安装、维护和管理的成本也较高,因此不同程度上限制了这些技术的推广和使用。

白光LED(发光二极管)不仅具有工作电压低、寿命长和小型化等优点,而且具备高速调制及响应时间短等特性,从而使LED的应用从照明领域扩展到通信领域,能够同时实现照明和通信的双重功能[4-5]。VLC(可见光通信)作为一种新兴的无线通信方式,在电磁辐射、使用环境和安全性等方面有着明显的优势。因此,基于VLC的室内定位技术也成为了研究的热点。文献[6]提出了一种基于RSS (接收信号强度)的可见光室内定位方法,通过测量接收信号的强度与室内环境下的传输损耗模型相对应,从而估算出目标位置。文献[7]在定位参考信号到达定位终端的TDOA(时间差)基础之上,采用有约束非线性规划算法得到定位终端的位置坐标。文献[8]提出了利用图像传感技术结合数学模型进而实现定位的算法。然而这些定位方法在实际应用中往往会因为信号光强分布和衰减损耗而难以把控,

或所要求的同步时间过于精确,同时成本高、算法复杂等问题也限制了其推行和发展。本文采用原理简单、部署复杂度低、易实现的LED标签法设计了一种以Stm32处理器为核心的室内可见光定位实验系统,并详细阐述了实验过程和最终的定位效果。

1 系统原理

LED标签技术是采用单灯定位原理的一种室内定位方法[9],对不同LED照明光源循环加载与位置相关的信息,当终端接收到某个灯具的位置信息时,即可认为该终端位于其对应的LED光源处。本文设计的可见光定位系统如图1所示。

图1 基于标签法的室内可见光定位系统

该系统不仅可以利用标签法实现用户的快速定位,还可以通过对位置信息进行特定的数据编码以实现传递与当前地址坐标相关的提示指令,使室内定位更加人性化。定位系统主要由发射端和接收端两部分组成,发射端主要包括基于Stm32的主控制器、LED光源及相对应的驱动电路。接收端主要包括光电探测器、滤波及解码电路、UART(异步串行通信)模块和上位机软件。该系统依托室内天花板上的LED灯循环发射具有唯一位置信息数据帧结构的可见光信号,当接收器位于LED光源下方时,接收器上的可见光传感器接收到LED光源发出的带有位置信息的可见光,经过滤波、解调得到位置信息,而LED光源的位置信息预先存在数据库中,通过查询数据库并与接收到的实际位置信息进行比对判定后将接收数据映射到地图上,从而实现基于室内环境的定位。

2 设计与实现

2.1 光源及探测器特性

实验选用3 W的大功率白光LED作为信号源,其额定参数为9 V、330 m A,为在尽可能不影响光源正常工作的前提下实现稳定可靠的无线通信,实验选用略低于额定工作电流的300 m A作为直流偏置点。图2所示为白光LED光源及光电探测器特性。由图2(a)可知,在最大工作电流范围内,LED光源功率与电流呈线性关系,光源具有良好的调制特性。图2(b)为使用积分球测得的白光LED发光光谱,可见白光LED光源发出的光谱主要包括峰值在442 nm处由LED自身发出的蓝光和峰值在561 nm处由荧光粉受激发产生的黄光。而实验选用的光电探测器的光谱最大响应灵敏度在516 nm处,如图2(c)所示,位于蓝光和黄光的峰值波长之间,且光谱响应范围涵盖整个可见光波段。

图2 白光LED光源及光电探测器特性

2.2 驱动电路

LED驱动电路除了提供足够宽范围的开关电流以保证白光LED的正常工作外,还须提供合适的静态工作点[10],使光源能输出足够的功率并具有良好的线性度,确保信号经调制后能线性输出。图3所示为本文设计的白光LED光源驱动电路。经过Stm32处理器编码产生的传输信息作为驱动电路的输入,将输入信号Vi进行放大的同时给予一定的偏置,确保LED光源正常工作,该电路可根据所用光

源的特性通过调节可变电阻Rf值实现对输出量的改变,依据实际应用中的光源参数进行灵活调节。

图3 白光LED光源驱动电路

2.3 数据编码

数据传输的格式包括:起始码头、地址码、地址反码、指令码、指令反码和结束码。码头由一个连续的235μs的高低电平组成,结束码由一个150μs低电平组成。地址码、地址反码、指令码和指令反码均为8位数据格式,按照低位在前高位在后的顺序发送,增加地址反码和指令反码是为了提高信息传输过程中的准确性和可靠性。光源在循环发送位置信息的过程中,在空闲时隙系统向LED光源发送的均为高电平,以保证LED光源能正常提供照明服务。我们将一个逻辑1的传输设定为112μs(28μs高电平和84μs低电平),一个逻辑0的传输设定为56μs (28μs高电平和28μs低电平),具体数据编码格式如图4所示。图4反映位置信息的数据格式为“0-256-34-221”,其中“0”字段即LED光源对应区域的地址坐标,“34”字段表示对当前坐标在室内环境中的一种具体提示指令。根据标签定位技术的特点,为避免在定位区域中出现待测目标同时接收多个信号源发来的位置信息而出现的混乱现象,系统在发射端会对多个LED光源进行分时发送信号。当传输信号的频率大于60 Hz时,白光LED灯不会出现明显的闪烁现象,人眼也无法分辨[11-12],但如果出现连续的逻辑1或连续的逻辑0时,将会导致LED光源发光亮度发生变化,影响照明效果。因此在系统中采用上述编码方式可保证序列中每一比特由两个变化脉冲组成,可以有效减少LED光源在发送定位信息时对照明产生的影响。

图4 数据编码示意图

2.4 数据解码

在接收端,光电探测器将接收到的位置信息传送给滤波放大电路,由于实验中选用的是反向放大电路,因此经过滤波放大处理后的信号与原始信号的相位相反,并且信号被整形为TTL(晶体管―晶体管逻辑)电平的串行信息,利用Stm32处理器的输入捕获功能对信号进行解码。由于数据在编码时将逻辑1设定为连续的28μs高电平和84μs低电平,逻辑0设定为28μs高电平和28μs低电平,反向放大电路会使收发信号相位相反,因此接收端成功接收到的逻辑1应当为连续的28μs低电平和84μs高电平,逻辑0应当为28μs低电平和28μs高电平。同时逻辑电平中的低电平持续时间均为28μs,所以在数据解码时只需捕获高电平的持续时间即能判定出逻辑电平,进一步处理后即可解析出原始的位置信息,大大降低了解码的复杂度。具体解码过程为如下:将Stm32处理器的输入捕获模式设置为上升沿捕获,当捕获到上升沿后,立即将输入捕获模式设置为下降沿捕获(即捕获高电平),随后清零定时器的计数器值,并标记捕获到上升沿。当下降沿到来时,立即更改输入捕获模式为上升沿捕获以便捕获下一次高电平,然后处理此次捕获到的高电平。每次从捕获起始码头开始,以此类推直到捕获到结束码则表示一组数据接收成功。如果在捕获过程中地址码与地址反码或者指令码与指令反码有差异,则放弃本次捕获,从新开始下一次捕获。

2.5 识别映射

系统对所有用于定位的LED光源进行标号,不同的标号对应室内环境中不同区域。每个LED光源都循环发送唯一的位置信息。当移动终端移动到指定区域时,通过探测器将采集到的可见光信号转换为电信号,经滤波放大后通过Stm32处理器对信息进行解码。当系统解码出发射端所发送的位置信息后,通过UART模块将信息传送至PC终端,而室内环境中LED光源的实际位置信息预先存在数据库中,当PC终端收到解码后的位置信息时会通过查询数据库来进行比较和识别,只有比对一致的位置信息才会进一步被映射到地图上,否则系统将放弃本次位置识别。PC终端利用C#高级语言编写并设计了室内可见光定位助手软件,不仅可以根据环境需要灵活地更换地图信息,还可以根据移动终端的位置变化来实时更新当前的位置信息。

3 实验与结果

依据图1所示结构建立数据传输链路,选用半功率半角为60°、功率为3 W的白光LED光源进行

可见光定位系统实验。将6盏相同规格的LED光源布局在实验室环境下,地面被划分为多个不同的子区域,通过改变光源在不同区域上的安装位置来进行多次实验验证。

图5所示为LED光源照度与辐照距离关系图。当LED光源的传输距离为2 m时,其在水平面的照度值在300 lux左右,因此设定每盏LED光源与移动终端的垂直照射距离为2 m,并根据LED光源的辐照度范围将实验环境划分出多个不同区域,以保证每个区域可满足常规室内环境的照明需求。

图5 LED光源照度与辐照距离的关系

在基于标签法的可见光定位系统中,位置信息的准确传输是实现定位的关键。系统发射端利用上述编码方式将位置信息进行编码后,加载到不同LED照明光源上,以分时的形式通过VLC技术发射到自由空间中,此时加载到其中一盏LED光源的波形如图6所示。当移动终端接收到该LED光源发射的位置信息时,即可认为该终端位于该LED光源所对应的区域。探测器将接收到的光信息转换为电信号后传送给接收电路,接收电路对信号进行滤波放大,由于系统中采用反向放大器,为满足上述解码规则,滤波放大后的信号应与原始信号相位相反,并且尽可能地减少波形的失真程度。实验测得接收端经过滤波放大后的信号波形如图7所示,与图6所示信号相位相反,且信号波形还原完好。

图6 加载到LED光源上的信号波形

图7 接收端经过滤波放大后的信号波形

数据经解码后传送给PC机,通过在数据库中查询对比,再将接收的位置信息映射到地图上,此时当前位置的定位光标如图8所示,在上位机映射助手上观察当前的位置在“D”区域,提示指令显示为“The current location is area D”,当移动终端移动到不同LED照明区域时,上位机映射助手会自动更新当前位置信息,实验最终实现了室内VLC的定位功能。

图8 室内可见光定位系统定位演示

4 结束语

基于白光LED的VLC技术在照明的同时可实现通信功能,而利用VLC实现室内定位则被认为是一种更佳选择,其可以与现有的无线定位技术相互弥补、相互配合。本文设计了一种基于LED标签法的室内可见光定位系统,给出了系统的设计方案和具体的实现过程,并利用Stm32处理器设计了符合实际需求的编码协议,设计了地图映射软件来灵活展示定位效果。通过实验验证了定位效果的可行性,为下一步研究可见光定位技术在大型室内场所的实际应用提供了参考。

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Indoor Visible Light Localization System Based on LED Identification Method

WANG Guang-ye,CHEN Ai-lin,GAO Ying-ming,WANG Jin-peng,LI Ping,HE Xiao-yang,ZOU Nian-yu
(Research Institute of Photonics,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

This paper designs and realizes an indoor visible light localization system based on identification method.The system first loads the current position information to the LED light sources.Then the information will be transmitted to the mobile terminal through the wireless optical link,which calculate their relative positions in the environment according to the received information from the mobile terminal,and mapped to the map.Therefore,the system can achieve visible light positioning function,which meets the basic requirements of the lighting at the same time.We use the Stm32 processor as the main controller of the system,and design a kind of coding protocol,which can be used to transmit the position information in the visible light communication process.The characteristics and driving circuits of LED light sources are tested at the transmitter,which can guarantee the basic lighting and communication.The receiver uses C#language to compile the software of the host computer in order to realize the function of mapping and real-time updating of the mobile terminal’s position.The results show that the system can achieve ideal positioning performance.

visible light communication;indoor positioning;identification method;position information;Stm32 processor

TN929.1

A

1005-8788(2016)06-0063-05

10.13756/j.gtxyj.2016.06.018

2016-05-07

辽宁省研究生教育创新计划资助项目(辽教发[2014]154);辽宁省普通高等教育本科教学改革立项资助项目(UPRP20140139);辽宁省教育厅科学技术研究资助项目(L2013213);大连市科技计划资助项目(2014A11GX050,2014A11GX052)

汪广业(1990―),男,辽宁丹东人。硕士研究生,主要研究方向为光通信技术。

邹念育,教授。E-mail:n_y_zou@dlpu.edu.cn