可見光通信在智能照明中的室內定位應用

牛衍方，孫德棟

(1.北京申安投資集團有限公司，北京 102602；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100031)

可見光通信在智能照明中的室內定位應用

牛衍方1，孫德棟2

(1.北京申安投資集團有限公司，北京 102602；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100031)

本文從依托照明控制平臺的智能路燈概述信息技術的進步與發展，引出可見光通信定位技術的發展。比較了幾種常見的室內定位技術，相比發現，單一技術無法完全解決室內定位需求，若還是依托智能照明控制平臺，可見光通信定位將是最具有實現商業化、產業化的方式。可見光通信與智能照明技術的融合，不僅向人們提供了良好的照明，還可提供信息服務，如商業信息推送、應急救援、公共設施精確查找等。

智能照明；可見光通信；室內定位

引言

在建設智慧城市的熱潮中，戶外LED智能路燈已然成為城市實現物聯網的標志性品類，集合了節能照明、無線WiFi、充電樁、環境檢測、燈桿屏、數據監控、攝像頭，依托照明控制平臺實現城市基礎設施互聯。戶外LED智能路燈所具備的天然地理位置優勢，不僅單是城市的基礎電力設施，因其具有的交叉覆蓋的特性，已然成為智慧城市建設的一大突破口。戶外LED智能路燈這一綜合性產品，或將是智慧城市建設中需求量最大的產品品類。同時也為照明產業帶來了無限的想象空間。

智慧城市的建設離不開信息技術的進步與發展，特別是以大數據處理、云計算、移動互聯網、物聯網為代表的新一代信息技術的創新發展。為建設智慧城市提供了有機理的基礎，為更好的迎合以人為本的市場需求提供了創新性的技術應用。

面對室內照明走向智能化的趨勢，而目前的智能照明主要是利用無線或有線通信技術實現遠程控制，僅僅監控著燈具的電參數，卻忽視了光參數的監測。智能照明，應是提供人們良好的可見度、舒適愉快的光環境、具備完整的監控功能，同時應結合自身優勢向人們提供信息服務。近幾年出現的可見光通信技術，為LED照明在智能化方向上提供了新的創新應用。

1 室內定位現狀

說起定位，大家自然都會想到GPS，在室內因無法接收到衛星信號，而不能進行定位。隨著室外定位(GPS)和基于位置的服務(地圖+導航)為用戶帶來的良好體驗；特別是其所能帶來的巨大的應用和商業潛能。對室內定位技術提出了更高的要求和更多的需求。

室內定位面臨很多獨特的挑戰，比如說室內的環境動態性很強，不同室內具有不同的布局；某些室內環境位置區分精細，就需要更高精度來分辨不同的特征。雖然許多無線通信芯片來源于國外，但在應用上也受到單一技術無法解決各種挑戰，并且不同解決方案存在不同的優勢和不同的局限。國內外在室內定位技術應用領域都處于技術嘗試階段。

其中可見光通信技術中的圖像傳感器成像法是最具有發展潛力的通信定位方法，其定位精度高于其他定位算法的定位精度，并且能兼具定位速度快、移植性好的優點。隨著MIMO技術的發展以及智能拍照手機的普及，是未來可見光室內定位技術的發展方向。

2 室內定位技術對比

2.1 超帶寬定位技術

UWB(Ultra-Wide-Band，超帶寬)是一種以極低功耗在短距離內高速傳輸數據的無線技術，利用納秒級的非正弦波窄帶脈沖傳輸數據，從3.1GHz～10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率為UWB使用的頻率范圍。具有很強的穿透性，定位系統采用TDOA(到達時間差)算法，測距精度可到達2.5 cm，測距距離可達到500 m。該系統由定位標簽、定位基站、位置計算引擎組成，可用于復雜環境下人員、物品的精準定位。缺點很明顯就是，需要增設定位基站，對人員、物品加裝定位標簽(表1)。

2.2 WiFi定位技術

需要事先把各個位置上的信號特征(信號強度)測量一遍，存入指紋數據庫。定位時，將當前的信號特征與指紋庫中的進行匹配，從而確定位置。目前Wifi定位精度能達到米級，雖然沒有像UWB、藍牙等達到厘米級，但由于Wifi網絡的普及、商業推廣更容易等優點，被百度、高德、四維等公司看好。無需增設信號發生器，就可很快輔助傳統商業(購物中心、百貨店、大賣場)轉向移動互聯網應用的商業模式。從成本上看，Wifi定位精度越高其構造成本將大幅度提高。還需解決干擾信號對精度影響、海量用戶并行訪問等問題。

2.3 藍牙定位技術

藍牙技術是一種基于Buletooth-Low Energy(BLE，低功耗藍牙)的信號廣播設備，每一個設備有且只有唯一的ID。最近推出的iBeacon就是利用這種特性，在一個區域內廣播自己的信號，通過這種方式它就完成了對一個特定的區域的標記。當用戶拿著手機進入iBeacon的范圍時，手機中的APP將會被喚醒，這樣手機就可以感知到用戶的地理位置發生了變化，判斷是否要觸發一些事件[2]。

2.4 Zigbee定位技術

Zigbee技術是一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術。定位原理與射頻識別基本類似都是通過在待定區域布置參考點，Zigbee參考節點間可相互連接自組成網路系統，當待定位區域出現被感知對象的信息時，在通信距離內的參考節點能快速的采集到這些信息，同時利用路由廣播的方式把信息傳遞給其他參考節點，最終形成一個信息傳遞鏈并經過信息的多級跳躍回傳給終端電腦加以處理，從而實現對一定區域的長時間監控和定位。

2.5 可見光定位技術

可見光通信作為一種新興無線通信方式，因其能效高，綠色環保，不受電磁干擾影響，兼具照明和定位兩種功能等優勢而成為近年來的一個研究熱點，基于可見光通信的室內定位技術也隨之被提出。

其原理是將需要傳輸的信息(燈具安裝ID)編譯成一段調制信號，用脈寬調制的方法附加到LED燈具的驅動電流上，利用室內無處不在的照明光源作為發射載體，當用戶進入燈具照明區域，利用智能手機的前置攝像頭(或是外設模塊)接收并識別光信號，解析出燈具發送的唯一識別信息。利用所獲取的識別信息在地圖數據庫中確定對應的位置信息，完成定位。相比較其他定位技術，免去了基于位置信號強度的定位算法以及信息處理過程[1]。

表1 幾種室內定位技術比較

3 室內定位算法

目前室內定位算法有很多(圖1)，一般都是基于幾何測量的定位算法，在室外環境中應用非常可靠，但在室內環境中，受環境變化較大，可視距離較短，對定位精度要求較高。

圖1 定位算法分類[2]Fig.1 Location algorithm classification

3.1 幾何測量

這類方法是利用測量待測點與已知位置(參考點)之間的幾何關系，再通過運算獲取待測點的位置信息。主要有三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法。

三邊定位法就是測量待測點到三個不同直線上的參考點間的距離，以這三個參考點為圓心，通過測量三邊距離為半徑做出三個圓的交點就是待測點的位置。其他兩種方法都是基于各自的數學關系進行測量。基于測量距離的測量方法有信號到達時間(Time of Arrival，TOA)、信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信號往返時間(Return Time of Flight，RTOF)、信號強度(Received Single Strength，RSS)。

無論哪種無線通信技術，都可采用基于幾何關系算法定位，需要將測試點與參考點之間進行數學運算，誤差精度與信號覆蓋密度有直接關系。

3.2 場景分析

通過觀察空間場景中的信號強度特征來推斷待測目標的位置——指紋識別法。場景分析法主要包括兩個階段，離線勘測階段和在線定位階段。離線勘測首先要建立一個特定場景特征信息與移動設備之間的對應關系數據庫，通過特征比對進行位置測定。而在線定位則是通過實時測量空間中各個用戶信號特征再與下一時段在數據庫中的特征信息比對，從而實時確定目標的位置。

基于Wifi信號的位置指紋定位是根據不同位置下接收到的信號強度向量，通過實時采集的信號強度與數據庫信號空間中儲存的信息向量，進行匹配算法實現定位。

3.3 臨近感知

通過將接收到附近信息發送基站與已建立的基站位置地圖數據庫進行比對，確定當前位置。特別適用于可見光通信定位，在室內天花板上布置多個攜帶信息的LED燈陣列。每個LED燈作為進入地圖數據庫入口，實時傳送著自身位置的光信號。當用戶終端在LED燈陣列中移動時，就可獲取該燈的位置信息。只需將接收到的信息與地圖數據庫中燈具位置進行比對即可，省去利用接入服務器計算的時間。

4 可見光通信與智能照明融合

當節能降耗成為LED照明市場核心競爭力的同時，在“綠色建筑”建設過程中，智能照明系統所帶來的效果非常顯著。使得照明系統工作在全自動狀態，系統按預先設定以及各種傳感節點的基本狀態進行工作，這些狀態會按設定的時間、環境進行相互自動切換。例如隨著自然光照射到室內某些區域時，該區域會跟著自然光線進行緩慢變化，實現智能照明的光照補償。

如同前面所述，戶外LED智能路燈是利用路燈控制平臺實現建設智慧城市，同樣可以采用智能照明控制平臺管理室內環境下的信息處理技術。近幾年興起的可見光通信技術將LED照明的應用從單一的智能照明推向了信息發展領域，特別是室內定位領域。通過與其他室內定位技術比較，可見光通信定位的缺點也是很明顯的。在互聯網、物聯網時代背景下，任何技術融合都變得更有可能。若將可見光通信模塊與Wifi模塊一起嵌入到照明燈具中，很容易實現無線Wifi全覆蓋、高精度定位、智能照明，突破可見光通信在數據上傳、穿透性方面的限制(圖2)。

可見光通信是以照明為前提，將可見光通信做為附加的應用方式，比如可以在商場、超市、地鐵、地下車庫等公共建筑內，方便找到商品、公共設施、車位。基于可見光定位的室內定位實現較為簡單，其性能取決于所布置的LED燈疏密。雖然基于LED可見光通信的室內定位研究還處于技術研究起步階段，真正走向技術應用還需解決：①設計便于攜帶使用的硬件；②解決軟件管理平臺誰來建，誰來用，如何運營等問題；③融合其他無線通信手段，尋求多技術互補。

圖2 可見光通信定位特點Fig.2 Positioning features of visible light communication

5 結論

本文介紹了目前城市物聯網的典型案例，圍繞智能照明管理平臺的發展，對可見光定位技術應用于室內定位做了重點介紹。

目前大多數室內定位技術基本都能夠完成簡單的定位任務，但是與真正的“智能定位”的目標還有一定的差距。可見光通信定位與Wifi或其他技術融合互補，取長補短，可以實現更優化、更高精度、更穩定、成本更低的解決方案，同樣需要解決協議標準化、定位算法改進、管理平臺搭建、運營推廣等種種阻擾和挑戰。

[1] 婁鵬華, 張洪明, 郎凱, 等. 基于室內可見光照明的位置服務系統[J]. 光電子·激光, 2012, 12:11.

[2] 趙嘉琦, 遲楠. 室內LED可見光定位若干關鍵技術的比較研究[J]. 燈與照明, 2015, 34:41.

Indoor Positioning Application of Visible Light Communication in Intelligent Lighting

NIU Yanfang1， SUN Dedong2

(1.Beijing Shenan Investment Group CO. Ltd, Beijing 102602， China;2.STATEGRIDInformation&TelecommunicationGroupCo.Ltd.,Beijing100031,China)

In this paper, the progress and development of information technology based on intelligent lighting control platform is summarized, which leads to the development of the positioning technology of visible light communication. Several indoor positioning technologies were compared and it was found that a single technology can not completely solve the indoor positioning requirements. If relying on intelligent lighting control platform, visible light communication and positioning might be the most commercialized and industrialized way. The integration of visible light communication and intelligent lighting technology not only provide people with a good lighting, but also provide information services, such as business information push, emergency rescue, public facilities, as well as accurate search.

smart lighting; visible light communication; indoor positioning

國家電網公司重點科技項目：《面向電網業務應用的可見光通信技術研究》(合同編號：SGHAZZ00FCJS1500238)

TN929.12

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.021