基于VLC的新型无线定位识别系统的设计方案

于正永+董进+徐彤+朱东进

摘要：提出一种VLC（可见光通信）新型无线定位识别系统的设计方案。该系统通过可见光发射机将所要传输的信号进行编码，并调制到可见光光束上进行传输，在接收机上进行了信号的解码、相干解调，并在移动终端设备上自动为使用者播放被识别物的详细信息，实现识别功能，通过网络规划时VLID（可见光标识）所处的平面空间坐标，确定终端持有者所处的实际位置区域，实现无线定位功能。

关键词：VLC；无线定位；识别系统；设计方案；LED

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0205-03

由于LED功耗低、使用寿命长、电路尺寸小、绿色环保、良好的信号调制功能以及较高的响应灵敏度等特性，因此它不但可以用作日常照明，而且可以通过相应的信号调制技术，将信号调制到可见光束上实现信号传输，使得LED同时具备照明和通信的双重功能。所谓可见光通信（Visible Light Communication，VLC）就是指运用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在自由空间中直接传输光信号的通信方式。VLC相比于传统无线传输技术[1]，具有成本低、传输带宽大、安全性高、不产生电磁干扰和电磁辐射、空间复用性能较好等优势，引起国内外众多学者的关注和研究[2-3]。

1 系统概述

基于VLC的新型无线定位识别系统即在需要安装定位识别系统的地方（如各类场馆展区、大型购物中心等）对LED照明系统进行合适的改造，使LED发射的可见光中包含按照一定方式调制的特定的VLID。当持有移动终端的人员进入某LED光源的有效光照区域时，带有光电二极管探测器（PD）的移动终端将直接接收带识别码的可见光信号，进而解析出可见光特有的VLID，便可在终端中自动为用户播放被识别物的详细信息，包括文字、图片、语音、视频等丰富的多媒体资讯，为用户提供个性化、交互式的多媒体信息服务。此外，通过网络规划时VLID所处的平面空间坐标，确定终端持有者所处的实际位置区域，实现无线定位功能，使用者实时了解场馆的展品/商品信息、资源分布、安全出口、休闲服务以及所处位置等相关信息，为使用者提供特色化服务。该系统网络拓扑图如图1所示。

2 系统设计

如图1所示，在室内部署大量携带VLID的照明设备，并在网络规划中确定每个VLID在平面空间中的位置坐标。当移动终端进入可识别范围即可解析相应ID，进而得到移动终端所处的地理位置，实现无线定位的功能。在整个室内无线定位识别系统中，可见光发射机仅负责广播VLID，不需要同周边的设备建立通信关系，极大地减低了网络拓扑的复杂度，同时一定意义上降低了研发及部署的成本。移动终端中存储了所有需要提供的音视频资料、导航路线等服务信息，所有信息与VLID具有對应关系，由上层软件开发定义。VLID编码器为固定设备，设置在天花板、墙壁等固定位置上，为了方便系统维护，需要采用VLC的方式同系统管理员权限的设备进行点对点通信，以实现VLID编码重置、照明设备亮度调节等功能。每个发射机中的VLID编码在网络中具有唯一性和容错性，当移动终端进入到少量VLID照明设备覆盖交界处时，由于发生光信号干扰，将无法通过容错性检查，不会触发任何错误操作。

图2所示给出了以某场馆展厅、大型购物中心为例的可见光通信无线定位识别系统示意图。

从上图2可以看出，该系统只需对该场馆的展品、商品附近的LED照明灯具进行改造，使其发射的可见光中包含按照一定方式调制的VLID，以实现点对点、点对多点的数据广播功能。当持有移动终端的人员进入有效光照区域时，移动终端将直接接收带识别码的可见光信号，自动为使用者播放VLID相关的多媒体资料，同时还可以实现位置定位功能。

2.1 可见光收发信机设计

可见光收发信机设计包括可见光发射机和可见光接收机两个部分组成，VLC系统发送端，将编码器输出的数据信息调制成电信号，然后驱动LED光源发送光信号，通过自由空间光通路传送至系统接收端，在接收端通过光电二极管探测器（PD）检测出光信号并进行信号放大、滤波等处理转换为电信号，再经过解调电路模块、解码器以及识别码比对，实现信息传输和识别功能。具体实现原理、电路图分别如图3和图4所示。

其中，发射机运用运算放大电路实现阻抗隔离和信号调节，运用幅值均衡器来降低输入信号的带宽衰减；调节三极管静态工作点和基极交流小信号摆幅的基础上采用电流驱动确保其达到最大额定电流和三极管、运算放大器获取合适的增益带宽大小。接收机采用PIN-PD和跨阻放大器，PIN-PD直接指向LED光源，在带有PD的可见光接收机上接收此类光信号之后，进行前置放大、滤波、自适应放大、解调等处理，最终通过电平判决器生成数字信号驱动后级数字处理器。

2.2 编解码器设计

本系统采用FPGA实现VLID编解码，编码形式采用曼切斯特编解码[4]。VLID编码器作为独立的控制设备，安装在需要改造的可见光照明设备上，不需要同周围的编码器产生通信。为了便于维护VLID编码设备，增强整个网络的可移植性，需要使得编码器具有无线访问功能。具体来说，在VLID编码器的状态机中设置三种系统状态：监听状态、应答状态和工作状态。

1）工作状态：VLID编码器正常模式下的状态，此时编码器周期性的发射存储在芯片内部的VLID，并通过可见光发射机和光学设备将VLID广播出去。

2）监听状态：VLID编码器收到系统管理员发送的可见光信号，接收系统操作指令，重置芯片内部VLID。

3）应答状态：完成VLID编码器的重置功能，通过驱动可见光发射机控制照明设备完成应答动作，完成后将自动跳转至工作状态。

VLID解码器安装在移动终端上，用以识别自由空间中的VLID，为移动终端提供解码服务。解码器的输入端连接判决器的输出接口，对经过两级数据采样后的数据进行曼彻斯特解码，得到VLID编码数据，之后对VLID编码数据进行校验操作，滤除信号干扰产生的错误数据，最后解析VLID编码数据，得到真正的VLID发送给多媒体播放设备，完成定位识别操作。

2.3 系统软件设计

本系统采用Verilog HDL语言[5]进行系统软件设计，开发使用ISE Design Suite 14.7。FPGA软件设计包括图1中照明设备、管理设备两个方面，照明设备主要实现Manchester曼彻斯特编解码以及CRC8校验算法等功能，只管发射广播帧，接收管理帧，而管理设备即为PAD，它是导览以及管理都使用的，作为管理设备，开通了向FPGA发送管理指令的权限，作为识别设备的PAD只能接收FPGA发送的指令。FPGA模块是通过串口与PAD通信，响应或发送VLC管理指令或VLID导览指令。

VLID解码器采用内置的编码信息表以及冗余码检验表，有效地避免系统中码间干扰。VLID解码器的信号处理器端口接收到信号后，通过Manchester解码器将其恢复为原码，然后通过串行总线发至移动终端PAD，移动终端PAD作为软件系统实时侦听和FPGA间的信号通信端口，接收到VLID识别原码就会立即进行自动查找数据库，依据VLID识别码和识别物的对应匹配关系，播放相对应的音视频、地图、图片、文档等多媒体资料，实现系统识别功能。该系统的软件设计流程图如图5所示。

3 应用场景

本系统可广泛的部署在各类室内场馆展区中，如纪念馆展厅、博物馆、展览馆、大型购物中心等，通过无线定位，为使用者提供实时精确的特色服务。

1）应用于纪念馆展厅、博物馆、展览馆等各类场馆，当参观者持有移动终端进入展览区域并接收到相应的VLID时，移动终端将自动为参观者提供展区的文字、图片、语音、视频等多媒体导览资讯和定位功能，为参观者提供全面、丰富的展品信息，极大的提高各类展馆的信息化水平，其应用及产业化前景非常广泛。

2）应用于大型购物中心，在购物推车上安装VLC无线定位识别终端，在购物车进入某一购物区域时将自动解析该区域照明设备发出的VLID，进而自动、精确、分类的为消费者提供商品推广、促销折扣、购物指南等商业信息，是一种新型的商业推广交互方式，应用及产业化前景非常广泛。

本系统一旦产业化投入市场，具有很大的价格优势，又具有很强的功能优势和性能优势，必将大幅提升此类产品的科技含量和技术档次，增强此类产品在市场上的核心竞争力。

4 结束语

本文给出了一种VLC新型无线定位识别系统的设计方案，介绍该系统的总体功能，重点阐述了可见光收发信机设计、编解码设计以及系统软件设计等内容，该系统具有无电磁辐射，安全性高、绿色环保、频段固定、兼容性强等优势，是未来室内定位识别领域产品的发展方向，具有很大的科研价值和促进意义，将产生较大的经济效益、社会效益及生态效益等。

参考文献：

[1] 辛鑫，王东. 基于RFID的智能终端导览系统[J].微计算机信息，2008，24（5-2）：199-200，284.

[2] 王旭東，胡晴晴，吴楠.高精度室内可见光定位算法[J].光电子·激光，2015，26（5）：862-868.

[3] 高燕龙，施安存，张运方， 等. 基于白光LED的室内高精度定位算法的实现[J].半导体光电，2015，36（1）：141-144，149.

[4] 陈新坤，周东，余敬东. Manchester编码器的FPGA设计与实现[J].电子科技大学学报，2003，32（3）：324-327.

[5] 侯伯亨，刘凯，顾新，等. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安电子科技大学出版社，2009.