基于可見光通信的光定位系統*

黃俊嘉 勞健濤 肖嘉榮 余志賢 王小由 唐小煜

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

隨著移動通信技術的發展與居民生活質量的提高，人們對于精度高、實時性強、污染性低的定位與導航服務的需求度越來越大.目前，基于GPS全球定位系統的室外無線電定位技術的發展已經相當成熟，具有良好的穩定性與精確度，并且廣泛用于交通、農業、測量等眾多領域.然而對于室內定位領域，基于GPS的定位系統在室內環境中無法提供較好的定位服務，與此同時目前室內定位的解決方案，如WiFi、藍牙、DFID等，具有部署難、成本高、功耗大等缺點，導致了用戶的體驗滿意度不高[1].為此，本文提出基于可見光通信的光定位系統，在滿足室內照明的基礎上實現室內的實時定位服務，并且具有成本低、部署易、功耗低的優點.

2 系統方案設計

在可見光定位體系中，基于光電探測器件的可用于定位服務的信號參數主要有：信號到達角度、信號到達時間、信號強度等.由于測量信號到達角度與信號到達時間需要高成本的精密光電檢測器，以及直接測量多個LED光源的光照強度容易導致系統的測量誤差大，抗干擾能力降低等情況，因此為達到定位系統精度高、成本低等性能指標，本文采用的是一種基于區分多光源信號的光強測量方案.系統框架如圖1所示.

圖1 系統框架圖

從圖1可知，本光定位系統主要由發射端、接收端與PC端3部分構成.在發射端，由AD9833信號發生器電路產生多路不同頻率差異較大的正弦波信號，經過基于TL082芯片的LED驅動電路分別對多個LED燈進行調制，同時保證了LED燈的正常照明；在接收端，基于BPW34硅光電二極管的光電轉換電路將環境的光信號轉換成電信號，并且通過基于OPA567的放大電路進行信號的放大，以便于后續對信號的處理.電信號分別通過不同截止頻率的帶通濾波器分別將LED驅動電路對應頻率的電信號提取出來，進而通過峰值檢測器轉換成幅度信息，由STM32通過ADC采集并傳輸到PC端；PC端則通過三角定位算法處理STM32傳送的信號，最終得出接收點的位置信息并顯示.

3 硬件設計

3.1 信號發射端

本光定位系統的發射端主要用于實現電信號到光信號的轉換，在保證LED燈能正常照明的同時，還確保其光信號能達到可被接收端區分與處理的性能指標要求.為此，本文提出了一種由基于AD9833的信號發生器電路與基于TL082芯片的LED驅動電路所構成的信號發射端設計.

3.1.1 基于AD9833的信號發生器電路

AD9833是由ADI公司生產的一款低功耗的可編程波形發生器，具有良好的頻率響應與穩定性，圖2對信號發生器電路原理進行了分析.相比于傳統的信號發生器電路，該電路具有良好的可部署性，其輸出頻率與相位都可以通過編程進行調整，大大提高了光定位系統的部署調試效率.同時，該信號發生器電路具有0.004 Hz的高分辨率以及12.65 mW的低功耗性能，能滿足較多應用場景的要求.信號發生器電路原理圖如圖2所示.

圖2 信號發生器電路原理圖

3.1.2 基于TL082芯片的LED驅動電路

為滿足信號發生器電路信號在電壓上能在LED的導通區進行調制，同時在電流上能有效驅動LED燈以達到正常照明效果，本文提出了一種基于TL082芯片的LED驅動電路,電路原理圖如圖3所示.

圖3 LED驅動電路原理圖

由圖3可知，該LED驅動電路是一種由TL082運算放大器與NPN三極管所構成的射極跟隨器電路.該電路是一種典型的電流放大器電路，具有輸出阻抗小，輸出能力強，以及可降低后級對前級的影響等特點.其中，R2與R3可控制LED驅動信號的直流偏置電壓；R1與R4起到了保護LED燈的限流作用.

3.2 信號接收端

本光定位系統的發射端主要用于實現光信號到電信號的轉換，并對電信號進行處理，提取出可用于定位算法的有效信息.

在光電轉換部分，本系統采用BPW34硅光電二極管接收可見光信號并將其轉換為電流信號，再經過跨阻運算放大器將電流信號轉換成電壓信號，圖4為光電轉換電路原理.其中，LMH6629是TI公司生產的跨阻運算放大器，具有工作電壓低、噪聲小等優點.相比起常用于光電轉換的OPA567，LMH6629在低電壓電源工作時，其允許信號的直流偏置更低，對交流信號的放大效果更明顯.

圖4 光電轉換電路原理圖

4 軟件設計

4.1 數據傳輸設計

由于本系統采用STM32的3路ADC同時采集3路信號的AD值，然而串口通信只有1路通道.為使接收端能正確接收并區分發送端傳輸的數據，本系統對通信數據的幀結構進行了規范，圖5為系統的傳輸數據結構.

圖5 傳輸數據結構圖

STM32通過設置定時器觸發數據傳輸，分別設置不同路信號的幀頭為0x01,0x02,0x03…以及統一的幀尾0x00.同時在傳輸數據前先對數據進行預處理，確保數據中不包含當前幀的幀頭標志以及幀尾標志.

4.2 定位算法設計

本文結合無線測距技術與光信道的傳輸問題，對RSSI的定位技術進行簡化與改進，提出了一種基于光強信號的RSSI 3點定位算法[2].該算法的核心思想為將光強信號數據轉換為相應的距離數據，通過在3個已知點，即3個LED燈的坐標基礎上對距離數據進行計算與整合，最終得出所求點的坐標[3].

在傳統的定位方案上，光強信號到距離數據的轉換一般使用最小二乘曲線擬合法.但該方法在定位系統部署時需要測試大量數據，且抗干擾能力差.為此，本文提出了一個關于光強信號到距離數據的經驗轉換公式[4]

(1)

其中，d為轉換后光源點到定位點的距離；E為光照信號強度；A為探測設備在單位距離上所測得的光照信號強度的絕對值；n為環境影響因子，對測試結果進行修正得出.

對3個LED光源分別以距離數據為半徑作圓，在理想情況下，3個圓會相交于一點，圖6是理想情況的3點定位圖，其中點A,點B,點C分別為已知的光源點，相交點D則為所求的定位點.而在實際情況下，3個圓并不會完全相交于一點，圖7是一般情況的3點定位圖.其中，點A與點B為兩個圓的圓心，其坐標分別為(xA，yA)和(xB，yB)，點E和點F分別為圓A與圓B的交點，點G為AB與EF的交點.通過公式推導與計算，可以得出點G的坐標(xG，yG)

同理可求得另外兩個中心點的坐標(xH，yH)和(xI，yI)，結合3個中心點形成的三角形，計算出該三角形的重心即為所求定位點的坐標.

圖6 理想情況的3點定位圖

圖7 一般情況的3點定位圖

通過Matlab對該光定位算法進行仿真，圖8是系統的仿真結果.其中，三角形標記點為LED燈坐標點，綠色圓圈為所求定位點，紅色星星為光定位算法的計算結果.仿真結果表明，該定位算法的時間復雜度與空間復雜度較小，且具有良好的定位精度[5].

圖8 定位算法系統仿真圖

4.3 上位機設計

為了能更好地將定位結果進行可視化，本文采用C#語言編寫上位機，通過串口接收光強信號數據流，同時執行RSSI 3點定位算法和濾波算法，將RSSI 3點定位算法和濾波算法的執行移植到處理速度更快的個人電腦上進行處理，以實現更高的相應速度.將定位坐標點顯示于PictureBox窗口，實現定位信息的實時顯示.圖9是上位機界面內容.在接收到定位算法輸出的坐標點數據后，將其顯示于圖10中的運動軌跡展示窗口，實現實時顯示定位信息.在此之外，我們設計了數據導出功能，以便于對算法進行擬合和測試.

圖9 上位機界面

5 測試結果與分析

本系統以90 cm×90 cm×90 cm的箱體作為室內模擬環境，同時在箱體上部安裝3個額定功率為10 W的白光LED燈，用于實現箱體內的正常照明以及光信號的傳遞.待其他系統設備完成部署并初始化后，實驗員通過黑色不反光直尺勻速移動系統接收端，圖10是系統內部圖與移動軌跡，同時在上位機觀察其運動軌跡，測量定位誤差大小.圖11是上位機還原物體的運動軌跡結果.

測量結果顯示，該系統在被測物體靜止時的定位效果較為理想，其測量誤差在2 cm以內；而在運動過程中，被測物體在抖動較小的情況下測量誤差在1～4 cm范圍內，在抖動較大的情況下誤差則維持在6 cm以內.

圖10 移動軌跡演示圖

圖11 上位機顯示的運動軌跡圖

6 結束語

本文設計并實現了一套以STM32F103VE單片機為主控的基于可見光通信的光定位系統，其在軟硬件方面都針對實際應用場景進行優化.實驗結果證明，該系統無論在影響用戶體驗滿意度的人機交互的友好度上，還是在定位精度、系統功耗等評判裝置的性能指標上，都有非常好的實現效果，對于高校學生的科研課題或企業的研發工作都有良好的參考價值與思維擴展價值.