基于STM132室内可见光定位系统的实现

胡玉松

摘 要：随着移动通信与无线网络等技术的发展，室内可见光定位技术越来越受到人们的关注。文章针对室内可见光定位原理，基于信号到达时间的距离的测量方法，给出了以STM32F103ZET6为核心处理器来实现室内可见光定位的设计方案，并对在80 cmx80 cmx80 cm定位空间内采用呈网格分布的多个点进行了测试，对于实测的平均定位误差为10 cm以内，验证了方案的可行性及有效性。

關键词：室内定位；可见光通信；到达时间

室内无线定位技术随着移动通信与无线网络等技术的发展日趋成熟，基于位置识别的服务（Location BasedServices，LBS）正受到越来越多的关注，其中信号到达时间（Time of Arrival，TOA）技术是实现LBS的关键之一[1]。 可见光室内定位技术作为一种新兴定位技术，其具有能效高、绿色环保、不受电磁干扰影响等优势，成为近年来的一个研究热点，也最具应用前景[2]。本文通过TOA技术来对距离进行测量，采用三边定位法来实现位置估计。为了实现室内定位，使用STM32作为处理器，并搭建硬件系统，在80cmX 80 cmX 80 cm定位空间内采用呈网格分布的多个点进行了测试，验证了方案的可行性及有效性。

1 LDO架构

1.1 定位原理

在室内可见光定位系统中，由天花板上固定位置的LED阵列发射具有唯一位置信息数据帧结构的可见光信号，当接收器位于LED光源下方时，接收器上的可见光传感器接收到LED光源发出的带有位置信息的可见光，通过解码、解调等信号处理后恢复出原始信号，并传送给STM32处理器进行相应的定位算法分析得到移动目标的位置。

1.2 定位算法

本文采用的几何测量法，该方法通过光接收器测量待测点与已知位置的LED灯的几何关系，再通过把数据传回给处理器，处理器通过特定的运算以获取待测点的位置信息。三边法依据待测点到3个不在同一直线上的LED灯的距离，以这3个LED为圆心，以测量的三边距离为半径做出3个圆，这3个圆的交点便是待测点的位置。但还需要使用一种方法计算待测点的位置，这里采用TOA的测量方式。具体操作是3个LED同时或者分时发射具有唯一位置信息数据帧结构的可见光信号，光接收器通过检测光到达传感器的时间，这个时间记为t，通过公式（1）可以得到待测点到参考点（LED灯的位置）的距离：

R=C·t

（1）

通过上面的分析，可以得到三边定位法的公式为：

其中，（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），（X3，y3，Z3）分别为3个LED灯的位置坐标，R1，R2，R3分别为待测点S到发送端的距离，（xo，Yo，Zo）为待测点S的坐标。3个LED成三角关系安装于室内屋顶（同一平面），故Z1=Z2=Z3=H（H为LED灯离地面的高度），且传感器及待测点都在地面，所以Zo=0，这样就少一组数据，简化了计算。通过简单的数学计算便可以得出S的坐标（x，y，0）。

2 室内定位系统的设计实现

2.1 硬件系统设计

为了获得更高的精度，本系统需要使用3个LED作为信息发送点，且这些LED不能在同一条线上，这3个LED位置信息也必须已知。因利用三边定位法来测量位置信息，需要先将光信号转化为电信号，采用GY-30完成此功能，GY-30内置AD模块，将模拟信号转换为数字信号，减少了外围电路设计，提高了抗干扰能力。GY-30出来的数据传送给STM32单片机，通过三边定位法进行计算得出位置信息。为了方便查看位置信息，系统采用液晶显示器进行实时显示。室内定位场景如图l所示，使用5块木板搭建一个方盒子，方盒前面空出。木盒实际大小为80 cmX80 cmX80 cm，为方便测试数据，在木盒底板绘制了方格，具体如图1所示。

为了增加测量精度，传感器由4个GY-30构成，4个GY-30测得的数据取平均值，存入数据库中，通过查询数据库并于接收到的实际位置信息进行对比判定后，将接收数据映射到LCD屏幕上，从而实现基于室内环境的定位[3]。

2.2 软件实现

为方便得到位置信息，通过LCD显示器显示坐标。整个工作流程：STM32系统上电后，经过初始化后，开始捕获传感器初始数据。数据捕获完后，单片机通过继电器发出控制命令驱动3个SW的LED点亮，并在同时计算传感器接收到信号的时间，通过三边定位法计算，在经过滤波处理得出（x，y，0）的坐标值，然后驱动LCD显示器显示坐标信息[4]。

3 测试结果

定位系统的实物模型是80 cmX80 cmX80 cm的立方体木盒，3个LED成三角形关系安装在木盒顶部，LED通过驱动电路来控制开关。木盒底部画出了网格，可以快速得出实际位置值，便于与系统检测出的值做对比[5]。检测传感器由4个GY-30模块完成，最终的检测值取4个传感器平均值数。对坐标值进行多次测量，测量结果如表l所示。

根据上述测试数据，定位误差在10 cm以内，测试满足了基本要求，并可以判断传感器放置的区域。

4 结语

可见光定位技术具有非常大的潜在市场，具有能效高、绿色环保、不受电磁干扰影响等优势。本文结合三边定位原理，通过搭建一个80 cmX80 cmX80 cm的可见光定位系统并测试，测试验证定位精度低于10 cm，实验证明了可见光定位的可操作性，也验证了三边定位法的有效性。

[参考文献]

[1]赵嘉琦，迟楠.室内LED可见光定位若干关键技术的比较研究[J]灯与照明，2015 （1）：34-41.

[2]董文杰，王旭东，吴楠，等基于LED光强的室内可见光定位系统的实现[J]可见光通信，2017 （3）：4.

[3]吴楠，王旭东，胡晴晴，等基于多LED高精度室内可见光定位方法[J]电子与信息学报，2015 （3）：727-732.

[4]王旭东，胡晴晴，吴楠.高精度室内可见光定位算法[J]光电子·激光，2015（5）：862-867.

[5]旷亚和.基于LED的无线数据传输技术研究与设计实现[D]大连：大连海事大学，2014.