基于多LED可见光源的室内位置检测装置设计*

张 总 ， 王建莉

(1.兰州工业学院 电气工程学院,甘肃 兰州 730050；2.甘肃交通职业技术学院 ,甘肃 兰州 730050)

0 引言

目前，因采用WIFI、蓝牙、ZigBee等技术和基于时间到达(TOA)、到达时间差(TDOA)、接收信号强度指示(RSSI)等算法的室内定位方案系统复杂、成本高，促使人们探索更低成本及更高精度的室内定位方案。近年来随着可见光通信技术的发展，新一代LED技术得到大规模应用，可见光通信系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。可见光通信系统在满足照明要求的同时，凭借低成本、无电磁污染的特点在室内定位方面也显现出优势。本文设计了一种基于多LED可见光源的室内位置检测装置。

1 基于多LED可见光源的室内位置检测系统总体设计

该系统由两大部分组成：大功率LED可见光驱动部分(由LED灯、单片机与电源组成的信息发射控制模块)和可见光接收定位部分(由GY-30数字光强度传感器、STM32系统组成)。此外，系统还包括液晶显示模块、精密恒流源模块以及可见光室内建模等。可见光室内定位装置外形空间为80 cm×80 cm×80 cm的立方结构，顶部装置3个LED灯，底部平面绘制纵横坐标线，系统总体结构如图1所示。

系统工作的关键在于采集并区分3个LED灯的光强信息，以备定位计算。首先，由单片机与电源组成的信息发射控制模块使3个LED灯发出不同频率的可见光，以此区分灯所在的不同区域；再由光强检测传感器获取不同频率可见光光强，依据LED灯所在的特殊位置坐标，结合室内光强与距离的关系，最终计算并完成室内定位。

2 硬件设计

2.1 系统模型

可见光室内定位装置采用A、B、C三个点LED照明，LED布局采用等腰三角形，以便采用三边定位算法的系统，由测试端获得3个互不干扰的参考信号，系统模型如图2所示。

图1 基于多LED可见光源的室内位置检测系统总体结构图

图2 LED安装位置模型

2.2 LED可见光驱动系统

采用圆形集成大功率高亮白光带透镜聚光LED室内照明灯珠，聚光60°；利用51单片机设置LED的ID号并控制LED的闪烁频率，通过51单片机I/O引脚输出到LED驱动电路的信号输入端，完成可见光信号发送。

2.3 光强采集系统

采用1个数字光强度检测模块GY-30作为光照采集系统核心部件。GY-30采用了ROHM原装BH1750FVI芯片，其分光特性和光谱范围与人眼十分接近，光源依赖性强，能够对不同环境的可见光进行精确测量。其内置16 bitA/D转换器，通过串口与微控制器相连接可以直接进行数字输出，省略了复杂的计算和标定，利用其高分辨率可以精确测量传感器当前光照强度，显示所处位置。系统总体框图如图3所示。

图3 系统总体框图

3 定位原理

定位装置开始工作前先测量出3个LED发射端的坐标，数字光强度检测模块不断采集当前传感器部件的光照强度状态，测得3个LED发射端到待测点间的距离，利用三边定位法即可确定待测点的坐标。设(x1,y1,z1) 、 (x2,y2,z2) 、(x3,y3,z3)为3个LED灯的位置坐标，d1、d2、d3为待测点S到发送端的距离，(x,y,z)为待测点S的坐标，其关系如下：

(1)

设未知点位置为(x,y)，令其中的第一个球形的球心坐标为P1(0,0)；第二个球形处于相同纵坐标，球心坐标为P2(d,0)；第三个球形球心坐标为P3(i,j)，3个球形半径分别为r1、r2、r3；z为三球形相交点的水平面高度。则有：

(2)

当z=0时，即为3个圆在水平面上相交为一点，首先解出x:

(3)

式(2)变形后，将式(1)的z2代入式(2)，再代入式(3)得到y的计算公式：

4 程序设计

主程序流程图如图4所示。

5 测试结果

(1) 基本功能测试：驱动LED电路工作，将传感器置于B、D、C、E区域任意位置，区分出其位于横纵坐标的哪个区域。测试结果如表1所示。

(2) 高精度区测量精度测试：驱动LED电路工作，将传感器分别置于A、B、C、D、任意区域，记录显示其所在位置坐标值及位于不同位置的最大偏差距离。测试结果如表2所示。

图4 主程序流程图

测试项目测试要求显示1传感器位于B、D区域显示上下区域上2传感器位于C、E区域显示左右区域右

表2 高精度区测量精度测试 cm

(3) 数字信息传输功能测试：在正常照明和定位的情况下，LED控制电路中利用键盘输入阿拉伯数字，记录显示测量电路接收的信息。测试结果如表3所示。

表3 数字信息传输功能测试

6 结束语

本文设计了一种基于LED可见光的室内定位装置，具有功耗低、定位算法简单、成本低等优点，实验数据表明:该装置具有精确定位及一定的信息传送的功能。

参考文献：

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