可见光室内定位系统设计与研究Design and Research of Visible Light Indoor Positioning system

邢格霏 薛晓

【摘要】可见光室内定位系统是一种新式的室内定位技术。主要分为两个部分，第一个是利用光源的位置及功率分布情况来确定室内具体位置：第二个是利用白色LED光源的良好调制性能实现可见光通信，相比传统室内定位技术，具有更多的优点（节约资源、成本低，频谱资源丰富）。本文主要讨论了关于室内的参考点光强分布算法和实现三路通信的方法。

【关键词】可见光室内定位 光通信 调制 参考点光强

引言

随着现代化的快速进行，人们对于室内准确定位的需求也在不断提高。现阶段的定位技术主要有GPS、超声波定位技术、红外定位技术、WIFI定位技术等。其中的GPS属于室外定位，由于建筑物的阻挡，室内接受到的信号比较微弱，他的定位精度远远不够，因此出现了后几种定位技术。然而超声波定位需要在室内布局大量的传感器设备成本高，蓝牙定位技术距离短，范围小，稳定性差。WiFi定位技术利用热点到移动用户端进行测量，容易受到其他信号干扰，影响定位精度。由此，利用室内可见光源的定位技术逐渐发展起来。

其主要有：

1、功耗低。LED消耗功率极低，绿色环保，是现在室内的普遍使用光源。

2、定位精度高。LED灯兼顾照明的作用，遍布室内，其光波稳定I生大大增加了可调制性能。

3、成本低。可见光室内定位依托于室内LED灯的天然条件，不需要额外的布置特殊发射点，降低了设备和人工维护。

现阶段，许多相关高校和企业的研究机构提出了自己的技术方案。国外有美国宾夕法尼亚大学，牛津大学，国内有清华大学北京邮电大学，上海复旦大学，北京理工大学，中国地质大学等。本文主要针对具体要求，进行了方案论述和设计。

1室内定位系统的体系结构设计

1.1系统环境搭建

设计并制作可见光室内定位装置，其构成示意图如图1所示。搭建80cmx80cmx80cm的立方空间（包含顶部、底部和3个侧面）。顶部平面放置3个白光IED，其位置和角度自行设置，由1LED控制电路进行控制和驱动;底部平面绘制纵横坐标线（间隔5cm），并分为A、B、c、D、E五个区域，如图2所示。要求在3个LED正常照明（无明显闪烁）的情况下，测量电路根据传感器检测的信号判定传感器的位置。

（2）LED控制电路可使用键盘输入阿拉伯数字，在正常照明和定位（i吴差满足基本要求）

（3）测量电路能接收并显示3个LED发送的数字信息。

（4）LED控制电路外接3路音频信号源，在正常照明和定位的情况下，发送的语音信号中，选择任意一路进行播放，且接收的语音信号均无明显失真。

1.3可见光室内定位主要功能分析

分析基本功能的要求可知需要通过室内可见光源实现定位，在发挥部分提出了两端无线的信号传输通讯问题，能够在发送和接受端利用可见光的光信道实现通讯。本文方案主要是通过检测多个LED光源的光照强度，利用样点采样数据建立三维立体模型，存储到下位机的FIFO中以便再次测量得出相对应的位置光强数据，推测出接收端和参考光源之间的距离，以此计算出接收端的位置，因此，我们结合其他定位方式确定采用了利用光照强度实现定位。对于第二部分，利用光信道进行信息的传输，可以通过信号的调制与解调原理，实现三路信号的传输和发送。采用AM调制与解调进行设计，本文主要做原理说明。

2、可见光室内定位系统的体系结构设计

2.1总系统构成

可见光室内定位系统由LED控制电路、传感器测量电路、下位机数据处理和坐标显示三部分组成。

2.2 LED控制电路及传感器测量电路

根据LED的发光特性和其驱动电路的特点，VLC系统大都设计成光强度调制一直接探测（IM-DD：fight：light-intensity modulation-direct dictation）的发送一接收模式。VLC系统的一般原理框图如图所示，需要传输的数据首先转换为电信号，电信号经过发射端电路的处理之后，通过驱动电路加载在LED上，LED发出经过调制后携带有信息的光波。光电探测器将光信号转换为电信号，经过接收端电路的处理后，电信号还原出数据信息。如图3：

2.3字符传输电路设计

在VLC系统的发射端，从STM32单片机发出的字符信号经过串口通信模块后，进入由MCU控制的调制模块，调制后的信号通过LED驱动电路以光强调制的方式驱动LED发光，LED发出携带有信息的光波，完成信号的发射。在VLC系统的接收端，光电检测器将光信号转换为电信号，此时的信号为模拟信号，经过串口将数据传输到STM32进行解调，将原始数据进行恢复。

2.4下位机程序處理设计

程序部分分为光强数据采集、存储三维数据扫描、LED发射字符信息的接收与处理显示、坐标显示。

3、可见光定位系统主要模块分析设计

3.1LED调制特性分析

发光二级管基本原理LED，即发光二极管，全称为fightemitting diode，是一种固体半导体发光器件，它由III-V族化合物制作而成。与普通二级管相同，发光二极管的核心部件是PN结，PN结具有一定的电势势垒，当PN结两端的电压为正向时，PN结一的电势势垒下降，P区域和N区域的多数载流子分别向对方区域进行扩散，由于电子扩散的速率大于空穴的扩散速率，使得大量的电子扩散到P区，导致多数载流子对少数载流子的注入。这些注入的电子与价带中的空穴产生复合，释放的能量以以光能的形式表现出来。

LED的调制能力可以由其光功率一电流曲线来描述，如图4所示：

其中，Io为偏置电流;AI为峰值电流与偏置电流之差。调制深度表征交流信号同直流偏置的关系。调制度越高，光信号越容易被光电探测器检测，接收端所消耗的功率就较低。大多数可见光通信实验中，电路的驱动能力达到百分之几到百分之十几的调制度。

2、LED的调制带宽

调制带宽直接影响到系统的传输速率。LED的调制带宽定义为在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降为某一低频参考频率值的一半时（-3db）的频率即为LED的调制带宽。如图6所示：

LED调制带宽的测量系统由信号的发射端和接收端组成。在发射端，信号发生器发出正弦波信号，放大器对其进行放大，提高LED的调制深度，从而使信号在接收端更容易被光电探测器检测到;随后，放大后的信号以光强调制的方式加载到通过恒流源驱动的LED上，LED发出携带信号的光波;在接收端，光电探测器将光信号还原为电信号，经过放大器放大后，输出到示波器上。在实际应用中，有时会在光电检测器前加上蓝色滤光片，滤除白光LED中发出的黄色荧光分量，只保留用于通信的蓝光，这样可以大幅度提升系统的调制带宽。

以STM32F103单片机做控制系统，其主要特点为主频72MHz，48K内存，51个可编程I/O口，5组串行口输入输出，3个12位DAC，1个12位ADC。在光源信号的信息传输中，处理速率比较高，通信功能完备。键盘输入字符信息控制发送，音频信号输入。

3.2信息发送接收方法

目前可见光通信中，调制方式主要有OOK（开关键控）、PPM（脉冲位置调制）、OFDM（正交频分复用）等。OOK调制（开关键控）又名二进制振幅键控（2ASK），振幅键控是一种幅度随数字基带信号变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。在OOK调制中，以有无脉冲表示码元“1”和“0”。该调制方式较为简单，易于实现，在可见光通信系统中比较常见。

PPM调制是将m个原始数据信息映射到2m个时隙中去，接收端则通过脉冲在时隙中的位置将信息还原出来。同OOK调制一样，PPM调制的系统传输速率受到LED调制带宽的限制，当m较大时，系统的传输效率较低，可见光通信系统中，m不适宜过大。在PPM调制中，接收机需要时隙和码元同步，与OOK调制相比，PPM方式的电路设计较复杂一些。OFDM调制（正交频分复用）是一种新型的编码技术，属于多载波调制的一种。其基本思想将信道分为多个正交子信道，把高迷并行数据转化为多个低迷并行的子数据流。由于每个子信道的带宽是原信道带宽的一小部分，信道均衡更加容易。OFDM调制频谱利用率较高，同时能够较好的减弱码间串扰（ISIO从电路设计复杂程度来看，OOK调制、PPM调制优势比较明显，而OFDM调制则具有较好的频谱利用率和克服多径性能。

在本系统中，由于电路设计并不复杂，采用OOK调制方式。根据控制方式的不同，OOK调制又可以细分为两种：非归零开关键控（Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK）和归零开关键控（Reture-to-Zero OOK RZ-00K）。在NRZ-OOK中，”0”为高电平，”0”为零电平;而在RZ-OOK中，每个脉冲结束后都要回到零电平，图7为两者调制脉冲示意图。RZ-OOK对带宽的要求高于NRZ-OOK，由于LED调制带宽普遍不高（一般为儿MHZ），系统采用NRZ-OOK。如图8所示：

3.3光强数据测量与定位：

光强传感器模块，如图9：

TSL2561光度传感器是一个复杂的光传感器具有跨越大部分可见光谱平坦的响应，能够直接12C通信，输出光强模拟量。

这里的定位有两种方式：

1、我们通过采集三点光源，对整个区间平面进行样本采集，得到的一个三维数据表，将其存到单片机内。通过再次测得的数据与原先数据库做对比得到相应的位置信息。如图10所示：

图10三维数据（平面坐标、光强信息）空间分布将采样到的数据信息，利用MATLAB工具将其生成三维模型，依据每点的光强数值就可以得到相应的位置信息了。但其需要采集足够多的样本点，且对于具有相同光强的位置无法判断出具体象限。且由于环境变化的影响容易导致测得的数据发生变化进而产生较大的误差。

2、根据三点光源分布，再平面上找出最集中的光强参考点，以此建立参考坐标系。将参考点为中心的光强分布规律数据进行线性拟合，设计算法，随着光强的变化量增加减少，计算出相应的位移量。这样的采样点数据可以大量减少，同时只要保证三点光源的集中光强参考点数值不会出现大幅度变化，就可以较准确实现测量。

3 4LED驱动电路与信号放大集成

LED驱动电路原理图设计，如图11所示：

主要包括两个部分，第一部分利用电信号比例转换控制光信号的输出强度，驱动LED正常照明。第二部分拥有音频信号的集成放大和滤波。能够实现将来自音频信号输入端的信号与高频承载信号调制，由LED光信号发送至光电管接收端。由接收传感器测量电路对收到的调制信号进行解调，判断来自不同光源的信号。电路主要芯片：TDA2030，LMl875，XYM20C51。实物电路如图12所示：

4.2测试过程

区间按点取样测试整个面的数据，然后用EXCEL拟合所有的数据，输出关系曲线，求绝对误差值。测试过程如图13：

4.3测试结果

采用全盘取样逐次逼近的方式不断画小传感器所在区间，通过布局合理的灯光位置，通過采集数据，拟合求出灯光的光强量的递增曲线和曲线线性规律。初点采样后，根据已知函数曲线，求出当前线性点，划分线性点的ABCD区间，求区间中心值后作差，差值比较确定靠近区间。依次逐渐逼近来确定最后的目标值。如图

14所示：

曲线数据由图表对比可知x轴方向和Y轴方向的光强变化趋势是线性增大的。

采样点利用曲线数据结合逐次逼近法可以较准确定位当前传感器的坐标。经测量误差范围在2.5cm左右。可在三路中任选一路测量。

4.4总结：

本文对室内可见光通信系统进行了研究。介绍了可见光通信的优点，简要概括了其国内外发展现状。阐述了LED的发光机理和白光LED的分类，分析了LED的基本特性，设计了LED带宽测试平台，测试了白光LED的调制带宽。设计了一套基于白光LED的室内点对点可见光通信系统，采用光强调制一直接检测的发送一接收模式和OOK调制方式。分字符、音频两路信号，详细说明了发射端和接收端的工作原理，完成了串口通信电路、放大电路、驱动电路、光电检测电路等模块的电路设计和总体封装。为了验证系统的传输性能，进行了实验测试。实验结果表明，在一定的通信范围内，系统能够较好的传输字符、音频。系统传输速率为9600bps，传输距离为0.6m，具备一定的抵抗环境光噪声的能力。