胡玉松

摘 要：隨著移動(dòng)通信與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)可見(jiàn)光定位技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。文章針對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光定位原理，基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的距離的測(cè)量方法，給出了以STM32F103ZET6為核心處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光定位的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)在80 cmx80 cmx80 cm定位空間內(nèi)采用呈網(wǎng)格分布的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)于實(shí)測(cè)的平均定位誤差為10 cm以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了方案的可行性及有效性。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；可見(jiàn)光通信；到達(dá)時(shí)間

室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)隨著移動(dòng)通信與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，基于位置識(shí)別的服務(wù)（Location BasedServices，LBS）正受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中信號(hào)到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)LBS的關(guān)鍵之一[1]。 可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)作為一種新興定位技術(shù)，其具有能效高、綠色環(huán)保、不受電磁干擾影響等優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，也最具應(yīng)用前景[2]。本文通過(guò)TOA技術(shù)來(lái)對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，采用三邊定位法來(lái)實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，使用STM32作為處理器，并搭建硬件系統(tǒng)，在80cmX 80 cmX 80 cm定位空間內(nèi)采用呈網(wǎng)格分布的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性及有效性。

1 LDO架構(gòu)

1.1 定位原理

在室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)中，由天花板上固定位置的LED陣列發(fā)射具有唯一位置信息數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光信號(hào)，當(dāng)接收器位于LED光源下方時(shí)，接收器上的可見(jiàn)光傳感器接收到LED光源發(fā)出的帶有位置信息的可見(jiàn)光，通過(guò)解碼、解調(diào)等信號(hào)處理后恢復(fù)出原始信號(hào)，并傳送給STM32處理器進(jìn)行相應(yīng)的定位算法分析得到移動(dòng)目標(biāo)的位置。

1.2 定位算法

本文采用的幾何測(cè)量法，該方法通過(guò)光接收器測(cè)量待測(cè)點(diǎn)與已知位置的LED燈的幾何關(guān)系，再通過(guò)把數(shù)據(jù)傳回給處理器，處理器通過(guò)特定的運(yùn)算以獲取待測(cè)點(diǎn)的位置信息。三邊法依據(jù)待測(cè)點(diǎn)到3個(gè)不在同一直線上的LED燈的距離，以這3個(gè)LED為圓心，以測(cè)量的三邊距離為半徑做出3個(gè)圓，這3個(gè)圓的交點(diǎn)便是待測(cè)點(diǎn)的位置。但還需要使用一種方法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的位置，這里采用TOA的測(cè)量方式。具體操作是3個(gè)LED同時(shí)或者分時(shí)發(fā)射具有唯一位置信息數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光信號(hào)，光接收器通過(guò)檢測(cè)光到達(dá)傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間記為t，通過(guò)公式（1）可以得到待測(cè)點(diǎn)到參考點(diǎn)（LED燈的位置）的距離：

R=C·t

（1）

通過(guò)上面的分析，可以得到三邊定位法的公式為：

其中，（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），（X3，y3，Z3）分別為3個(gè)LED燈的位置坐標(biāo)，R1，R2，R3分別為待測(cè)點(diǎn)S到發(fā)送端的距離，（xo，Yo，Zo）為待測(cè)點(diǎn)S的坐標(biāo)。3個(gè)LED成三角關(guān)系安裝于室內(nèi)屋頂（同一平面），故Z1=Z2=Z3=H（H為L(zhǎng)ED燈離地面的高度），且傳感器及待測(cè)點(diǎn)都在地面，所以Zo=0，這樣就少一組數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了計(jì)算。通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算便可以得出S的坐標(biāo)（x，y，0）。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了獲得更高的精度，本系統(tǒng)需要使用3個(gè)LED作為信息發(fā)送點(diǎn)，且這些LED不能在同一條線上，這3個(gè)LED位置信息也必須已知。因利用三邊定位法來(lái)測(cè)量位置信息，需要先將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，采用GY-30完成此功能，GY-30內(nèi)置AD模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，減少了外圍電路設(shè)計(jì)，提高了抗干擾能力。GY-30出來(lái)的數(shù)據(jù)傳送給STM32單片機(jī)，通過(guò)三邊定位法進(jìn)行計(jì)算得出位置信息。為了方便查看位置信息，系統(tǒng)采用液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。室內(nèi)定位場(chǎng)景如圖l所示，使用5塊木板搭建一個(gè)方盒子，方盒前面空出。木盒實(shí)際大小為80 cmX80 cmX80 cm，為方便測(cè)試數(shù)據(jù)，在木盒底板繪制了方格，具體如圖1所示。

為了增加測(cè)量精度，傳感器由4個(gè)GY-30構(gòu)成，4個(gè)GY-30測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)并于接收到的實(shí)際位置信息進(jìn)行對(duì)比判定后，將接收數(shù)據(jù)映射到LCD屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)基于室內(nèi)環(huán)境的定位[3]。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

為方便得到位置信息，通過(guò)LCD顯示器顯示坐標(biāo)。整個(gè)工作流程：STM32系統(tǒng)上電后，經(jīng)過(guò)初始化后，開(kāi)始捕獲傳感器初始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)捕獲完后，單片機(jī)通過(guò)繼電器發(fā)出控制命令驅(qū)動(dòng)3個(gè)SW的LED點(diǎn)亮，并在同時(shí)計(jì)算傳感器接收到信號(hào)的時(shí)間，通過(guò)三邊定位法計(jì)算，在經(jīng)過(guò)濾波處理得出（x，y，0）的坐標(biāo)值，然后驅(qū)動(dòng)LCD顯示器顯示坐標(biāo)信息[4]。

3 測(cè)試結(jié)果

定位系統(tǒng)的實(shí)物模型是80 cmX80 cmX80 cm的立方體木盒，3個(gè)LED成三角形關(guān)系安裝在木盒頂部，LED通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)。木盒底部畫(huà)出了網(wǎng)格，可以快速得出實(shí)際位置值，便于與系統(tǒng)檢測(cè)出的值做對(duì)比[5]。檢測(cè)傳感器由4個(gè)GY-30模塊完成，最終的檢測(cè)值取4個(gè)傳感器平均值數(shù)。對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表l所示。

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，定位誤差在10 cm以?xún)?nèi)，測(cè)試滿足了基本要求，并可以判斷傳感器放置的區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)光定位技術(shù)具有非常大的潛在市場(chǎng)，具有能效高、綠色環(huán)保、不受電磁干擾影響等優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合三邊定位原理，通過(guò)搭建一個(gè)80 cmX80 cmX80 cm的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)并測(cè)試，測(cè)試驗(yàn)證定位精度低于10 cm，實(shí)驗(yàn)證明了可見(jiàn)光定位的可操作性，也驗(yàn)證了三邊定位法的有效性。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]董文杰，王旭東，吳楠，等基于LED光強(qiáng)的室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]可見(jiàn)光通信，2017 （3）：4.

[3]吳楠，王旭東，胡晴晴，等基于多LED高精度室內(nèi)可見(jiàn)光定位方法[J]電子與信息學(xué)報(bào)，2015 （3）：727-732.

[4]王旭東，胡晴晴，吳楠.高精度室內(nèi)可見(jiàn)光定位算法[J]光電子·激光，2015（5）：862-867.

[5]曠亞和.基于LED的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D]大連：大連海事大學(xué)，2014.