地下停车场VLC 信标广播系统设计与实现

［吴臻 杨梦媛］

1 引言

近年来，随着经济和城市现代化化进程的飞速发展，城市中出现越来越多的大型商圈，但随之而来的城市空间却越来越小，城市中心区域的停车区域也越来越紧张。地下停车场成为了解决城市停车难的重要手段。新晋的大型商超为客户提供大量的免费地下停车位以吸引客流前往商超消费。但由于客户对新晋商超的不熟悉，往往出现停车消费后，难以找到汽车的停放位置的情况。因此在一个大型的空旷缺乏无线信号的地下环境中，如何建立一个可靠的位置信标体系并提供可靠的定位服务，仍有待深入研究。

本文采用可见光通信和市电电力线通信结合的方式，构建室内定位信标体系。电力线通信（Power Line Communication，简称PLC）利用现有的配电网络来实现设备接入，是有效解决“最后一公里”问题的一个低成本方案。该技术把载有用户交互信息进行的高频调制后加载到市电电力网系统中，通过电线传输信息；终端设备适配器再把高频调制信号从电流中解调出来恢复原有的信息。借用于以有的市电电力网络，可以免去网络布线的成本，加速通信网络的建设。可见光通信（Visible Light Communication，简称VLC），是利用发光二极管LED 发射出的照明光线作为载波，将所需信号加载到可见光载波上传递信息，让LED 光源实现照明和光通信的双重功能[1]，其具有无电磁波辐射、成本低、节能、保密性强等优势[2～3]。

本文针对室内停车场受外部自然光线影响较小的特点，设计并实现基于PLC 信标信息设定，VLC 信标信息分发的室内定位系统，实现室内位置信息的设置和分发功能。

2 系统架构设计

系统架构设计图如图1 所示。

图1 系统设计架构示意图

系统的最高层为信标管理层，由信标管理服务器组成，其核心为一台具有管理功能的PC 服务器，服务器通过串口连接电力线载波调试模块。管理服务器可将信标信息通过串口发送给电力线载波模块，电力线载波模块将信标信息调制后通过电力线向其管辖范围内的室内照明系统中的LED 模块进行信标信息的设置。管理服务器可实现信标信息的设置、更新等操作。

第二层为信标信息发送层，室内照明系统中增加电力线载波解调模块，电力线载波解调模块静默解调电力线上的调制信息，并将其解调后发送给可见光驱动模块。可见光驱动模块内集成嵌入式MCU，该MCU 可解析并保存电力线载波模块解调的信标信息，并驱动LED 照明电路，将信息以可见光作为载波媒介调制信息后在可见光范围内进行传输。

最下层为信标信息接收层，该层为用户手持的可见光解调模块。该模块同样静默接收当前范围内的可见光，并从可见光中尝试解调特定频率的载波信息。当正常识别可见光中的调制信息后，信标接收模块内的MCU 会通过该模块的LCD 液晶屏显示当前照明灯所携带的信标信息。

3 电力线信标信息设置子系统设计

电力线载波具有安装方便，免布线的天然优势，可非常方便的应用与各种已布局电力线的环境中，特别适合老旧小区或无线信号不可到达区域的升级改造项目。在实际应用中还发现载波在防雷方面具有良好的效果，载波信号可以通过磁环与外部线路耦合，可有效减少传导到芯片端的脉冲能量，减少器件损坏的风险。

电力线载波通信系统核心处理单元采用一颗高集成度的电力线载波通SOC-SH99F01，其内部集成了高速增强型8051 兼容单片机和高性能电力线载波通信模块（Powerline Transceiver，简称PLT）。SH99F01 具有标准8051 芯片的大部分特性。SH99F01 内建PLT 模块设计为全集成电力线载波通信引擎，内建模拟前端电路和调制解调电路，外围电路简洁，支持高性能的扩频载波通信技术和窄带调制通信技术，支持过零传输，采用载波双模通信技术，结合前向纠错编解码算法，能够最大程度提高载波物理层通信能力，适应各种低压电力线信道环境。芯片内部的逻辑结构图如图2 所示。

图2 电力线载波模块逻辑框图

通过即采用高度集成化的电力线载波通信芯片，可将电力线载波的调制和解调工作全部集中到一个芯片内部实现。在信标管理单元模块中，其仅需要将下发的信标配置信息提交给电力线载波芯片即可。

3.1 电力线载波通信数据帧设计

信标管理单元设计两种功能，即信标节点查询和信标节点设置。数据帧结构都统一采用如图3 结构标示。

图3 电力线载波通信帧结构示意图

（1）Address 字段：长度为8 字节，填充访问对象的ID 信息。如广播所有节点则填充全0xFF

（2）Cmd 字段：根据不同的字段定义了不同的功能，其定义如下：

0x00：强制信标节点查询指令

0x01：信标节点查询指令

0x02：信标节点查询响应指令

0x03：信标节点信息设置指令

0x04：信标节点信息设置响应指令

（3）Length 字段：表明后续数据域的长度

（4）Data 字段：填充所需要的数据内容，最长不超过16 字节

（5）Check 字段：为CRC16 校验和结果，校验和的计算范围为前面4 个字段的所有区域内容，不包含自己本身。

3.2 信标节点发现感知过程

信标管理单元上线后，由于其本身不存在其他信标节点单元的信息。故会优先全域发送强制信标节点单元查询指令0x00，发送地址为全0xFF 地址。

各信标节点接收该指令后，各信标节点单元监听电力线载波，当电力线空闲时，强制回复自己的ID 信息。信标节点记录已回复信标管理节点ID 查询指令，当后续再接收到周期ID 查询指令时，不再对其进行响应。

信标管理单元等待接收信标节点单元的响应信息，并将信标节点的ID 信息记录到其ID 数据库中。后续信标管理单元周期性的发送信标节点ID 查询指令，以便有新的节点设备加入时，会被信标管理单元所感知。

信标节点感知过程如图4 所示。

图4 信标单元发现过程流程图

3.3 信标节点信息设置过程

信标管理单元通过查询命令获取全域内的信标节点后，通过命令0x03 和对应节点的ID 进行车库位置信息的设置工作。车库位置信息由车库所在的楼层，车库的区域，车库的编号组成。信标节点获取该信息后，将信息存储到本地的Flash 中。后续信标节点将本地Flash 中所存储的信息以可见光的形式进行信标信息的发送。

4 可见光信标信息发送子系统设计

当信标信息经过电力线信标信息设置子系统的设置后，每一个拥有信标信息发送功能的室内照明设备的都拥有唯一的信标信息。信标信息将通过可见光的方式在室内照明系统工作时，同步广播到该照明区域中。

4.1 信息加载方式

可见光信标分发模块上级通过电力线载波模块与市电系统连接，通过静默监控电力线中的调制载波信息，解调其中被调制的信标配置信息。并将该信息传输给可见光驱动模块。

4.2 信息调制方式

可见光发送端的信息调制方式采用4PPM 调制，4PPM 脉冲位置调制通信技术作为一种新兴的通信技术，具有编码简单、能量传输效率高的有点。他的原理是被编码的二进制数据流每两位组合成一个数据码元组，总的占用时间为100 μs，再将该码元组分成4 个25 μs 的时隙，根据码元组的状态，在不同的时隙放置单脉冲。由于4PPM 通信依赖信号脉冲在时间上的位置传输信息，所以解调时先保证收发双方时隙同步、帧同步，然后根据100μs 中脉冲所在的位置解调。

其输入数据和输出数据的关系如表1 所示。

表1 输入码元和输出码元映射关系表

其信号脉冲波形图如图5 所示。

图5 PPM 调制信号波形图

4.3 VLC 数据帧结构

为了提高接收端的接收同步速度，降低传输过程中的码间串扰。实际在数据帧发送前设计增加2 bit 的帧头和1 bit 的帧结束符。发送数据帧结构如图6 所示。

图6 VLC 数据帧结构图示意图

以一个ASCII 字符为例，其数据长度为8 bits，每2个bits组合得到1一个4-PPM数据码元组，合计4个4-PPM数据码元组。每个4-PPM 组从帧头（2 bits）、4PPM（4 bits）和帧尾（1 bit）总长度为2+4+1=7 脉冲时隙。则一个ASCII 字符的发送时间为（8/ 2）* 7=28 脉冲时隙。每个时隙设计为25μs，则每个ASCII 字符的发送时长为28 * 25=700μs，转换成发送速率为8 bit/700μs=11.42 kbit/s。

4.4 VLC 信标信息组成

为表达地下车库所在的位置信息，设计VLC 标签信息中包含车库的楼层、车库的区域、车库的编号，信息编码方式如图7 所示。

图7 VLC 信息编码帧结构详细图

（1）1 字节：F 表明是室内高层停车区，B 表明是地下停车区

（2）2 字节：表明当前的楼层，是F 地上几楼或B地下几楼

（3）3 字节：A 固定值，表明后面是停车场的区域

（4）4 字节：停车区的区域划分，采用可识别的ASCII 字符标示

（5）5 字节：N 固定值，表明后面是停车场的车位编号

（6）6～9 字节：停车场的车位编号，预留长度为4字节

（7）10 字节：校验和，采用CRC8 的检验算法，对前面1～9 字节的内容进行CRC8 计算

整个VLC 数据帧的总长度为10 字节，发送该VLC数据帧所需要的时间：Ts=10 * 8 bit/ 11.42 kbit/s=7.0 ms

由于整个位置信标信息发送时间仅需要7 ms，设计VLC 数据帧的发送间隔为100 ms 可满足整个位置信标系统的信息发布。

5 试验验证

5.1 功能验证

基于以上信标系统的设计，实验中设计了相应的硬件电路，包含信标服务器、信标节点和VLC 定位接收端，组成的系统实物测试如图8 所示。信标服务器管理各信标节点的信标发送规则和信标信息，信标服务器与各信标节点通过PLC 互联。首先信标服务器中的信标管理单元通过PLC 发布各信标节点的信标信息；然后各信标节点中的电力线载波模块接收PLC 上的信标信息，并通过可见光通信驱动模块将信标信息加载到LED 光源上，通过VLC 在所在区域广播。而VLC 定位接收端需要确定自己的位置时，接收最近的LED 发布的VLC 信号，成功获取相应的信标，即可确定自身位置，从而完成室内定位。

图8 实物测试图

6 结束语

本文针对室内停车场无线信号弱而自然光干扰少的特点，设计并实现了一套基于电力线和可见光通信的信标分发系统。通过可见光系统实现位置信标信息的广播发送，为后续基于可见光的自动导航系统提供铺垫。进过实装设备测试，可见光信标系统中，最远的传播距离可到2 m 时实现11.42 kbit/s 的信号传输速率。在可见光接收端成功实现信标信息的解调和显示。后续扩展功能将以该信标信息作为基础，实现室内或地下车库的导航功能。