兼顧照明的室內可見光定位系統研究

劉智港, 趙 黎, 朱 彤, 張 峰, 賈光鋒

(西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710021)

引 言

隨著無線網絡、移動通信技術的快速發展以及基于信息感知的分布式網絡的普及，建立在諸多新興技術如廣域泛在網絡、人工智能、認知無線電及 LTE Release 9+等基礎上的定位技術引起了學者的極大研究興趣，因此催生了許多應用廣泛的基于位置的服務[1-3]。室外定位可借助全球定位系統(global positioning system,GPS)、伽利略導航和北斗定位[4-5]，但對于室內定位，由于受障礙物、建筑物、通信鏈路以及多徑效應的影響，其定位精度下降嚴重，不能滿足人們日趨增長的室內精確定位需求[6]。

所謂室內定位,即根據特定空間中已知的一系列參考點的位置坐標以及與位置相關的數據信息來獲得該空間內移動終端設備或其持有者位置的過程[7-9]，盡管用于室內定位的紅外線定位、超聲波定位、藍牙定位、射頻識別(radio frequency identification,RFID)定位、超寬帶(ultra wideband,UWB)定位[10-11]、無線保真技術(wireless fidelity,WIFI)定位、Zigbee定位、麥克風陣列定位、即時定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping,SLAM)室內定位、室內電力線定位等技術可以提供從幾米到幾十厘米的定位精度，然而，大多數基于無線通信的系統會受到電磁干擾影響，在接入用戶較多的情況下會導致定位質量的下降，并且其定位成本高，安全性也得不到有效保障[12]。

可見光通信是指利用室內照明發光二極管(light emitting diode,LED)實現無線通信的新技術，由于其具有無電磁干擾、保密性好、易部署等優點，基于可見光的室內定位技術應運而生，成為未來一個發展趨勢[13-15]。作者以80cm×80cm×80cm的室內空間為研究平臺，兼顧照明與定位，設計了滿足國際標準的光源布局模型，并提出了多點標定相對定位算法，實現了基于可見光的精確室內定位，為室內定位提供了一種有效的解決方案。

1 可見光定位系統建模

1.1 系統建模

本文中設計了一種基于可見光的室內定位系統，系統模型如圖1所示。圖中PD為光電二極管(ptotodiode),本系統以3個LED燈珠為光源，在發送端將需要傳送的信息通過調制電路加載到驅動LED光源的電流上，以LED光源作為信息傳輸的載體；在接收端光電檢測器作為光信號測量電路的信息采集與接收器，由光敏電阻及其控制電路組成，將接收到的數據通過STM32F103進行數據處理，所獲數據經STC15F2K60S2單片機將定位坐標輸出到LCD顯示屏上。通過數據標定整合實現了對可見光光強采集、室內定位及數據顯示。

Fig.1 Schematic diagram of positioning systems of visible light

1.2 光源布局

圖2為本文中搭建的室內光源布局模型。房間大小為80cm×80cm×80cm的正方體，采用3個5W的LED 燈珠作為光源，定位目標點為地面平面，以房間一角作為坐標原點建立3維坐標系。根據國際照明標準規定[16]，辦公室內的光照度必須保持在300lx～1500lx之間，為了保證照度要求，需對3顆燈珠的布局進行合理設計。圖3為LED燈珠在天花板上的分布示意圖。3顆燈珠在天花板上呈等邊三角形分布，邊長L0=2cm,各燈珠距離房頂邊緣的距離分別為:L1=40.86cm，L2=40cm，L3=L6=39cm，L4=L5=39.13cm。單顆LED燈珠在接收平面某點的照度可表示為[17-18]：

Fig.2 Layout model of indoor light source

(1)

式中,I0為LED的中心發光強度，m為光源的輻射模式，φ為光源的發射角，ψ為定位點的入射角，dn為光源到定位點的距離。假設點光源的坐標為(xn,yn,0.8),在地面接收面上某一點坐標為(x,y,0)，則dn可表示為[19-20]：

(2)

由于cosφ=cosψ=0.8/dn,所以En可簡化為：

(3)

由于LED發出的光為非相干光，則接收平面上某點接收到的總的光照度為[21-22]：

(4)

式中,En為各個點光源在到達接收面某點(x，y，0)時接收到的光照度，M為總的光源個數。

Fig.3 Layout of LED array on the ceiling

根據以上布局，光源選擇呈等邊三角形分布的3個LED燈珠，則接收平面的光照度分布如圖4所示。光照度值都在300lx～1500lx之內，滿足國際規定的照度標準。

Fig.4 Distribution map of light intensity

2 多點標定相對定位原理

本系統所設計的定位傳感器模型如圖5所示。作為接收LED光源所發出的信號，其作用為光電檢測器。由于光敏電阻對光的敏感度高、感光性好，為保證定位準確及定位的便捷性和電路穩定性，因此用光敏電阻代替光電檢測器，作為測量電路的定位裝置。在圖5的定位裝置中,a,b,c,d分別為4個光敏電阻,均勻地分布在5cm×5cm的電路板4個頂點處。

Fig.5 Model of sensor

由于本系統采用的是呈等邊三角形分布的LED光源布局方式,在接收端可保證傳感器能接收到3個互不干擾的信號，對于接收到的光照信號采取多點標定光強相對定位法進行處理。

根據接收平面光照度不同對目標平面進行區域劃分及坐標點定位,如圖6所示。目標平面為室內地面，首先將地面進行坐標化、區域化，以地面正中心為坐標原點建立平面直角坐標系，坐標原點即房間正中心點，將整個地面劃分為A,B,C,D,E這5個區域，其中A區域為邊長40cm的正方形。其次對其中9個特殊中心點邊界坐標定位，其標號為1～9，具體坐標已給出。

對傳感器4個頂點采集到的光照強度進行相應的數據處理，將4個光敏電阻所接收到的光照強度轉換為電壓量化后的值,可表示為：ua，ub，uc，ud，根據各點光照強度量化值即可判斷定位目標點所在區域。

Fig.6 Map of ground coordinate

由于相鄰傳感器接收電壓量化值之差會隨著傳感器所處位置而變化，因此,可根據不同點可見光的光照強度的差值判別目標點的坐標，實現傳感器的相對定位，設相鄰兩個傳感器電壓量化值之差分別為：ubc，uad，uba，ucd，其差值可表示為：

(5)

式中,ubc，uad為水平方向相鄰兩個光敏電阻所獲數據的差值，uba，ucd為豎直方向兩相鄰光敏電阻所獲數據的差值；令uh(i)，uv(i)分別為任意目標點水平方向差值的均值與豎直方向差值的均值,則有：

(6)

經過光照度的數值計算，在定位中心點5處，相鄰傳感器所接收到的數據差值接近于0，因此以定位坐標點5作為中心參考點，根據目標位置處光照量化值與定位中心點處的差值及系統靈敏度以確定定位目標點的坐標。令A(i)為任意待定位點的uh(i)與中心處uh(5)的光照強度量化值的差值，B(i)為任意待定位點uv(i)與中心處uv(5)的光照強度量化值的差值，其中i為位置標號，則有：

(7)

為了精確標定各個方向光照強度的變化率，本文中選定2,4,6,8這4個特殊點，分別根據這4個點的光照強度及其距離中心點的距離，數值計算x軸兩側及y軸兩側的定位靈敏度Wi與Pi,則有：

(8)

式中，d為4個特殊點到地面中心的距離，d=40cm。為方便計算，待定位點坐標引入坐標平面x軸與y軸方向平均靈敏度Wx與Py,則有：

(9)

令xx，yy為目標定位點的所測坐標，則有：

(10)

令e為相對誤差,則有：

(11)

式中,x，y為目標定位點的實際坐標。

3 系統實現及結果

在該套可見光定位系統當中，房間模型為80cm×80cm×80cm的正方體，采用強度調制/直接檢測(intensity modulation/direct modulation, IM/DM)調制方式，光源為3個5W的LED燈珠呈等邊三角形均勻分布在天花板正中心；信號接收端為4個光敏電阻組成的定位傳感器陣列，以STM32處理器集成的高分辨率及強抗噪聲的12位A/D作為數據處理部分，經過多次標定將所測定位坐標顯示在LCD顯示屏上。

表1為9個特殊中心及邊界點位置對應的9組光照度量化數據及所在的室內地面區域。將表1按照(5)式～(8)式的相對差值數據處理方法進行計算，所獲數據及定位靈敏度如表2所示。將表2按照(10)式～(11)式進行坐標轉換，計算得到定位點位置參量，將其與實際定位坐標進行對比，結果如表3所示。

實驗數據表明，除第9個目標點外，其它8個目標定位點實測位置與實際位置的誤差值Δx，Δy在10cm以內，相對誤差e的值均小于10cm，LCD顯示分辨率為0.1cm，定位誤差達到厘米級標準;由于目標位置9靠近室內門外受自然光影響較大，導致定位誤差較大，說明本文中提供的算法對某些特殊點仍需改進。

Table 1 Quantitative and regional analysis of light intensity

Table 2 Light intensity difference and sensitivity analysis

Table 3 Comparison table of positioning error

4 結 論

研究并設計了一套兼顧照明與定位的可見光室內定位系統。將室內定位的光源進行了布局，使其滿足國際照明標準；設計了整個定位系統的硬件平臺，采用合理的定位算法對數據進行融合處理，并且計算了定位靈敏度與相對誤差，實現了對可見光光強采集、室內定位及數據顯示。經過最終的級聯和調試，本系統坐標實際測量誤差低于10cm,顯示分辨率為0.1cm,供電功率低于5W，LCD數據顯示定位誤差滿足厘米級的高精度定位。實驗系統證明了該方法的可行性，可以滿足目前室內定位的需求，為室內目標定位提供了一種可靠有效的解決方案。