汪廣業(yè),陳艾琳,高英明,王金鵬,李 萍,賀曉陽,鄒念育

(大連工業(yè)大學光子學研究所,遼寧大連 116034)

一種基于LED標簽法的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)

汪廣業(yè),陳艾琳,高英明,王金鵬,李 萍,賀曉陽,鄒念育

(大連工業(yè)大學光子學研究所,遼寧大連 116034)

設計并實現(xiàn)了一種基于標簽法的LED(發(fā)光二極管)室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)。在滿足基本照明需求的同時,將當前的位置信息循環(huán)加載到LED光源上,通過無線光鏈路傳輸?shù)揭苿咏K端,系統(tǒng)根據(jù)移動終端接收到的信息解析出其在環(huán)境中的相對位置,還可將位置映射到地圖上并映射出與當前位置相關的提示指令,最終實現(xiàn)可見光定位。利用Stm32處理器作為系統(tǒng)主控制器,設計了一種適用于可見光定位的編碼協(xié)議,以靈活可靠地傳輸位置信息。發(fā)射端測試了LED光源特性及驅(qū)動電路,可保證基本的照明與通信;接收端利用C#語言設計上位機軟件以實現(xiàn)移動終端在地圖上的映射及實時更新功能;結(jié)果表明,該系統(tǒng)定位效果理想。

可見光通信;室內(nèi)定位;標簽法;位置信息;Stm32處理器

0 引 言

目前,GPS(全球定位系統(tǒng))作為一種成熟的無線定位技術已得到廣泛的應用。但在人們活動較為頻繁的辦公室、商場等室內(nèi)環(huán)境以及隧道、地下停車場等特殊環(huán)境中,由于接收信號差而使GPS定位難以適用[1-2]。為此,利用紅外、超聲波、無線局域網(wǎng)和藍牙等技術來實現(xiàn)室內(nèi)定位正被探索研究。這些技術通過移動目標與固定單元的通信來確定它們之間的相對位置,進而推算出目標的實際位置[3]。然而,它們對應用環(huán)境的要求較為苛刻,使用場所往往也受到了限制,如礦井、加油站和醫(yī)院等無線通信被禁止的區(qū)域,并且安裝、維護和管理的成本也較高,因此不同程度上限制了這些技術的推廣和使用。

白光LED(發(fā)光二極管)不僅具有工作電壓低、壽命長和小型化等優(yōu)點,而且具備高速調(diào)制及響應時間短等特性,從而使LED的應用從照明領域擴展到通信領域,能夠同時實現(xiàn)照明和通信的雙重功能[4-5]。VLC(可見光通信)作為一種新興的無線通信方式,在電磁輻射、使用環(huán)境和安全性等方面有著明顯的優(yōu)勢。因此,基于VLC的室內(nèi)定位技術也成為了研究的熱點。文獻[6]提出了一種基于RSS (接收信號強度)的可見光室內(nèi)定位方法,通過測量接收信號的強度與室內(nèi)環(huán)境下的傳輸損耗模型相對應,從而估算出目標位置。文獻[7]在定位參考信號到達定位終端的TDOA(時間差)基礎之上,采用有約束非線性規(guī)劃算法得到定位終端的位置坐標。文獻[8]提出了利用圖像傳感技術結(jié)合數(shù)學模型進而實現(xiàn)定位的算法。然而這些定位方法在實際應用中往往會因為信號光強分布和衰減損耗而難以把控,

或所要求的同步時間過于精確,同時成本高、算法復雜等問題也限制了其推行和發(fā)展。本文采用原理簡單、部署復雜度低、易實現(xiàn)的LED標簽法設計了一種以Stm32處理器為核心的室內(nèi)可見光定位實驗系統(tǒng),并詳細闡述了實驗過程和最終的定位效果。

1 系統(tǒng)原理

LED標簽技術是采用單燈定位原理的一種室內(nèi)定位方法[9],對不同LED照明光源循環(huán)加載與位置相關的信息,當終端接收到某個燈具的位置信息時,即可認為該終端位于其對應的LED光源處。本文設計的可見光定位系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于標簽法的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)不僅可以利用標簽法實現(xiàn)用戶的快速定位,還可以通過對位置信息進行特定的數(shù)據(jù)編碼以實現(xiàn)傳遞與當前地址坐標相關的提示指令,使室內(nèi)定位更加人性化。定位系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端兩部分組成,發(fā)射端主要包括基于Stm32的主控制器、LED光源及相對應的驅(qū)動電路。接收端主要包括光電探測器、濾波及解碼電路、UART(異步串行通信)模塊和上位機軟件。該系統(tǒng)依托室內(nèi)天花板上的LED燈循環(huán)發(fā)射具有唯一位置信息數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的可見光信號,當接收器位于LED光源下方時,接收器上的可見光傳感器接收到LED光源發(fā)出的帶有位置信息的可見光,經(jīng)過濾波、解調(diào)得到位置信息,而LED光源的位置信息預先存在數(shù)據(jù)庫中,通過查詢數(shù)據(jù)庫并與接收到的實際位置信息進行比對判定后將接收數(shù)據(jù)映射到地圖上,從而實現(xiàn)基于室內(nèi)環(huán)境的定位。

2 設計與實現(xiàn)

2.1 光源及探測器特性

實驗選用3 W的大功率白光LED作為信號源,其額定參數(shù)為9 V、330 m A,為在盡可能不影響光源正常工作的前提下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信,實驗選用略低于額定工作電流的300 m A作為直流偏置點。圖2所示為白光LED光源及光電探測器特性。由圖2(a)可知,在最大工作電流范圍內(nèi),LED光源功率與電流呈線性關系,光源具有良好的調(diào)制特性。圖2(b)為使用積分球測得的白光LED發(fā)光光譜,可見白光LED光源發(fā)出的光譜主要包括峰值在442 nm處由LED自身發(fā)出的藍光和峰值在561 nm處由熒光粉受激發(fā)產(chǎn)生的黃光。而實驗選用的光電探測器的光譜最大響應靈敏度在516 nm處,如圖2(c)所示,位于藍光和黃光的峰值波長之間,且光譜響應范圍涵蓋整個可見光波段。

圖2 白光LED光源及光電探測器特性

2.2 驅(qū)動電路

LED驅(qū)動電路除了提供足夠?qū)挿秶拈_關電流以保證白光LED的正常工作外,還須提供合適的靜態(tài)工作點[10],使光源能輸出足夠的功率并具有良好的線性度,確保信號經(jīng)調(diào)制后能線性輸出。圖3所示為本文設計的白光LED光源驅(qū)動電路。經(jīng)過Stm32處理器編碼產(chǎn)生的傳輸信息作為驅(qū)動電路的輸入,將輸入信號Vi進行放大的同時給予一定的偏置,確保LED光源正常工作,該電路可根據(jù)所用光

源的特性通過調(diào)節(jié)可變電阻Rf值實現(xiàn)對輸出量的改變,依據(jù)實際應用中的光源參數(shù)進行靈活調(diào)節(jié)。

圖3 白光LED光源驅(qū)動電路

2.3 數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷桨?起始碼頭、地址碼、地址反碼、指令碼、指令反碼和結(jié)束碼。碼頭由一個連續(xù)的235μs的高低電平組成,結(jié)束碼由一個150μs低電平組成。地址碼、地址反碼、指令碼和指令反碼均為8位數(shù)據(jù)格式,按照低位在前高位在后的順序發(fā)送,增加地址反碼和指令反碼是為了提高信息傳輸過程中的準確性和可靠性。光源在循環(huán)發(fā)送位置信息的過程中,在空閑時隙系統(tǒng)向LED光源發(fā)送的均為高電平,以保證LED光源能正常提供照明服務。我們將一個邏輯1的傳輸設定為112μs(28μs高電平和84μs低電平),一個邏輯0的傳輸設定為56μs (28μs高電平和28μs低電平),具體數(shù)據(jù)編碼格式如圖4所示。圖4反映位置信息的數(shù)據(jù)格式為“0-256-34-221”,其中“0”字段即LED光源對應區(qū)域的地址坐標,“34”字段表示對當前坐標在室內(nèi)環(huán)境中的一種具體提示指令。根據(jù)標簽定位技術的特點,為避免在定位區(qū)域中出現(xiàn)待測目標同時接收多個信號源發(fā)來的位置信息而出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象,系統(tǒng)在發(fā)射端會對多個LED光源進行分時發(fā)送信號。當傳輸信號的頻率大于60 Hz時,白光LED燈不會出現(xiàn)明顯的閃爍現(xiàn)象,人眼也無法分辨[11-12],但如果出現(xiàn)連續(xù)的邏輯1或連續(xù)的邏輯0時,將會導致LED光源發(fā)光亮度發(fā)生變化,影響照明效果。因此在系統(tǒng)中采用上述編碼方式可保證序列中每一比特由兩個變化脈沖組成,可以有效減少LED光源在發(fā)送定位信息時對照明產(chǎn)生的影響。

圖4 數(shù)據(jù)編碼示意圖

2.4 數(shù)據(jù)解碼

在接收端,光電探測器將接收到的位置信息傳送給濾波放大電路,由于實驗中選用的是反向放大電路,因此經(jīng)過濾波放大處理后的信號與原始信號的相位相反,并且信號被整形為TTL(晶體管―晶體管邏輯)電平的串行信息,利用Stm32處理器的輸入捕獲功能對信號進行解碼。由于數(shù)據(jù)在編碼時將邏輯1設定為連續(xù)的28μs高電平和84μs低電平,邏輯0設定為28μs高電平和28μs低電平,反向放大電路會使收發(fā)信號相位相反,因此接收端成功接收到的邏輯1應當為連續(xù)的28μs低電平和84μs高電平,邏輯0應當為28μs低電平和28μs高電平。同時邏輯電平中的低電平持續(xù)時間均為28μs,所以在數(shù)據(jù)解碼時只需捕獲高電平的持續(xù)時間即能判定出邏輯電平,進一步處理后即可解析出原始的位置信息,大大降低了解碼的復雜度。具體解碼過程為如下:將Stm32處理器的輸入捕獲模式設置為上升沿捕獲,當捕獲到上升沿后,立即將輸入捕獲模式設置為下降沿捕獲(即捕獲高電平),隨后清零定時器的計數(shù)器值,并標記捕獲到上升沿。當下降沿到來時,立即更改輸入捕獲模式為上升沿捕獲以便捕獲下一次高電平,然后處理此次捕獲到的高電平。每次從捕獲起始碼頭開始,以此類推直到捕獲到結(jié)束碼則表示一組數(shù)據(jù)接收成功。如果在捕獲過程中地址碼與地址反碼或者指令碼與指令反碼有差異,則放棄本次捕獲,從新開始下一次捕獲。

2.5 識別映射

系統(tǒng)對所有用于定位的LED光源進行標號,不同的標號對應室內(nèi)環(huán)境中不同區(qū)域。每個LED光源都循環(huán)發(fā)送唯一的位置信息。當移動終端移動到指定區(qū)域時,通過探測器將采集到的可見光信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)濾波放大后通過Stm32處理器對信息進行解碼。當系統(tǒng)解碼出發(fā)射端所發(fā)送的位置信息后,通過UART模塊將信息傳送至PC終端,而室內(nèi)環(huán)境中LED光源的實際位置信息預先存在數(shù)據(jù)庫中,當PC終端收到解碼后的位置信息時會通過查詢數(shù)據(jù)庫來進行比較和識別,只有比對一致的位置信息才會進一步被映射到地圖上,否則系統(tǒng)將放棄本次位置識別。PC終端利用C#高級語言編寫并設計了室內(nèi)可見光定位助手軟件,不僅可以根據(jù)環(huán)境需要靈活地更換地圖信息,還可以根據(jù)移動終端的位置變化來實時更新當前的位置信息。

3 實驗與結(jié)果

依據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路,選用半功率半角為60°、功率為3 W的白光LED光源進行

可見光定位系統(tǒng)實驗。將6盞相同規(guī)格的LED光源布局在實驗室環(huán)境下,地面被劃分為多個不同的子區(qū)域,通過改變光源在不同區(qū)域上的安裝位置來進行多次實驗驗證。

圖5所示為LED光源照度與輻照距離關系圖。當LED光源的傳輸距離為2 m時,其在水平面的照度值在300 lux左右,因此設定每盞LED光源與移動終端的垂直照射距離為2 m,并根據(jù)LED光源的輻照度范圍將實驗環(huán)境劃分出多個不同區(qū)域,以保證每個區(qū)域可滿足常規(guī)室內(nèi)環(huán)境的照明需求。

圖5 LED光源照度與輻照距離的關系

在基于標簽法的可見光定位系統(tǒng)中,位置信息的準確傳輸是實現(xiàn)定位的關鍵。系統(tǒng)發(fā)射端利用上述編碼方式將位置信息進行編碼后,加載到不同LED照明光源上,以分時的形式通過VLC技術發(fā)射到自由空間中,此時加載到其中一盞LED光源的波形如圖6所示。當移動終端接收到該LED光源發(fā)射的位置信息時,即可認為該終端位于該LED光源所對應的區(qū)域。探測器將接收到的光信息轉(zhuǎn)換為電信號后傳送給接收電路,接收電路對信號進行濾波放大,由于系統(tǒng)中采用反向放大器,為滿足上述解碼規(guī)則,濾波放大后的信號應與原始信號相位相反,并且盡可能地減少波形的失真程度。實驗測得接收端經(jīng)過濾波放大后的信號波形如圖7所示,與圖6所示信號相位相反,且信號波形還原完好。

圖6 加載到LED光源上的信號波形

圖7 接收端經(jīng)過濾波放大后的信號波形

數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后傳送給PC機,通過在數(shù)據(jù)庫中查詢對比,再將接收的位置信息映射到地圖上,此時當前位置的定位光標如圖8所示,在上位機映射助手上觀察當前的位置在“D”區(qū)域,提示指令顯示為“The current location is area D”,當移動終端移動到不同LED照明區(qū)域時,上位機映射助手會自動更新當前位置信息,實驗最終實現(xiàn)了室內(nèi)VLC的定位功能。

圖8 室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位演示

4 結(jié)束語

基于白光LED的VLC技術在照明的同時可實現(xiàn)通信功能,而利用VLC實現(xiàn)室內(nèi)定位則被認為是一種更佳選擇,其可以與現(xiàn)有的無線定位技術相互彌補、相互配合。本文設計了一種基于LED標簽法的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的設計方案和具體的實現(xiàn)過程,并利用Stm32處理器設計了符合實際需求的編碼協(xié)議,設計了地圖映射軟件來靈活展示定位效果。通過實驗驗證了定位效果的可行性,為下一步研究可見光定位技術在大型室內(nèi)場所的實際應用提供了參考。

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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

遼寧省研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(遼教發(fā)[2014]154);遼寧省普通高等教育本科教學改革立項資助項目(UPRP20140139);遼寧省教育廳科學技術研究資助項目(L2013213);大連市科技計劃資助項目(2014A11GX050,2014A11GX052)

汪廣業(yè)(1990―),男,遼寧丹東人。碩士研究生,主要研究方向為光通信技術。

鄒念育,教授。E-mail:n_y_zou@dlpu.edu.cn