基于光信号的室内定位装置设计

周帅宇 万旺 吕文轩

【摘 要】文章设计一种基于光信号的室内定位装置，利用RSS定位技术，在保证正常照明的情况下，通过LED不断地发送特定的位置信息载波信号，通过数据编码、数据解码、识别映射等过程，获取发射端的信息并于数据库中的数据进行实时对比，实现室内的准确定位。

【关键词】室内定位;可见光通信;载波信号

【中图分类号】TN929.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0066-02

0 引言

由于信号的衰减，卫星定位在室内比较困难。随着辅助卫星定位的出现，在北美某些木质的房屋或在国内比较浅度的室内如靠近窗的地方，通过辅助卫星定位也可以定位。但是，深度室内定位目前仍没有办法通过辅助卫星定位来解决。同时也出现了根据室内地磁场的分布来做室内定位的技术，类似于指纹采集来搜集室内的地磁信息从而提供室内位置。

通过比较各种室内定位技术，从市场的反馈、技术的领先性和应用前景方面来看，基于可见光通信的室内定位技术是一个比较有前景的技术。光源是室内一个必要的基础设施，它最大的优势在于不需要我们进行额外的部署。此外，光源进行部署以后进行变动的可能性比较小，每个位置都可以精确地量化，从而保证定位结果的精确性。高通可见光定位技术精度可以达到厘米量级，和目前其他主流技术的定位精度有质的区别，有可能产生新的应用场景。

1 系统方案论证与比较

1.1 传感器的比较与选择

方案一：通过摄像头作为对天花板的可见光阵列连续不断地拍照，根据每个灯光的不同位置来确定实时坐标。但该方法对于摄像头的精度要求较高且需要较高的图像处理技术。

方案二：LED可见光定位技术主要是将室内不同位置的3个LED的光照强度分别储存在数据库中，将接收端感受到的光照强度与数据库的内容相比较来确定位置坐标。

1.2 测距方法的比较与选择

方案一：AOA技术需要设置方向性阵列，获取发射端的发射信号角度信息，再利用交汇法来获得坐标。要求高空间分辨率，对于室内系统来说难以实现。

方案二：在室内，收、发端距离较小，信号传输时间较短，对于同步传输的时钟精度要求很高。

方案三：RSS技术仅使用3个LED作为信号源发射不同频率的载波信号，接收端根据接收到的信号强度，计算距离，并与数据库内的数据做比较，得出坐标值。

综合考虑以上方案，选用方案三并且使用频分复用技术：让3个LED的发光频率分别位于3个频段，并且每个频段的中心频率相隔较远，保证光信号之间的相互独立，以此来区分不同的LED。

1.3 滤波电路的比较与选择

滤波电路有多种选择方案，分为以下几种：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。由于采用频分复用技术，且每个频段中心频率相隔较远，所以采用带通滤波器，使其满足在一个LED频率处保证波形的完整正确，在其他两个LED频率处最大限度地抑制干扰波，由此过滤出一个LED灯的波形及它的强度。

1.4 抗干扰方法

由于采集到的光波信号比较微小，且易受外部光环境的干扰，因此我们采用由LM324N组成的多级放大电路对光敏电阻接收到的光信号进行处理。由于外部自然光会对接收信号造成影响，因此在放大电路中采用阻容耦合以便于滤去自然光。通过多级运放光信号进行放大处理后，将处理得到的信号接入比较器电路输出到单片机中断接口以触发单片机响应，同时将信号接到单片机的AD转换接口用于计算傳感器对每一个灯的感应强度（距离），从而完成室内定位。

附加抗干扰方法：①采用大功率LED灯珠，增大光的强度，减少太阳光及其反光的干扰。②滤波电路之前增加放大电路，放大接收到的信号，降低硬件干扰的可能性及噪声波对定位的影响。

2 定位原理的分析与说明

2.1 数据编码

数据报文包括起始码头、地址码、地址反码、指令码、指令反码和结束码。LED灯在不断发送位置信息的空闲时隙输出高电平，保证正常的室内照明。为保证接收端能区分3个LED，我们使用带一定校验的编码方式并且采用分时复用、异步传输的技术。

2.2 数据解码

光电传感器将LED灯的位置信息传送给滤波放大电路，利用处理器的输入捕获功能对信号进行解码。将处理器的“输入捕获模式设置为“上升沿捕获”，当上升沿到来后，将“输入捕获模式”设置为“下降沿捕获”，随后清零定时器，并标记捕获到上升沿。当捕捉到下降沿时，更改输入“捕获模式”为“上升沿捕获”，以便捕获下一次的高电平，然后处理此次捕获到的高电平。从起始码头开始，直到捕获到结束码则表示一组数据接收成功。如果在捕获过程中出现差错，则放弃本次捕获。

2.3 识别映射

定位系统中不同的标号对应不同的LED。每个LED反复输出特定的位置信息。当接收端移动到特定区域时，光电传感器将可见光信号转换为电信号，经过滤波放大器后，通过处理器对信息进行处理。当系统解码出发射端所发送的位置信息及光照强度信息后，将该信息与数据库中的坐标点做对比。LED 灯的实际位置信息及室内不同位置的光强信息预先存在数据库中，解码后的位置信息和光照信息会通过查询数据库来进行实时比较，当成功匹配到数据库中的坐标点时，输出该点的坐标。

3 系统测试

3.1 测试方案

将传感器放置在坐标纸的不同区域内，LCD显示出传感器所处的区域和坐标。

3.2 测试结果（见表1）

3.3 测试结果分析

误差在合理范围内。

参 考 文 献

[1]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，2015，37（3）：727-732.

[2]STEFANIA M，GIANLUIGI F.An experimental model for UWB dis-tance measurements and its application to localization problems[A].Inter-national conference on Ultra-Wideband[C].Paris France Pisca-taway：IEEE，2014（9）：1-3.

[3]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.

[4]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].光通信技术，2017（3）.

[责任编辑：钟声贤]