基于光信號的室內定位裝置設計

周帥宇 萬旺 呂文軒

【摘 要】文章設計一種基于光信號的室內定位裝置，利用RSS定位技術，在保證正常照明的情況下，通過LED不斷地發送特定的位置信息載波信號，通過數據編碼、數據解碼、識別映射等過程，獲取發射端的信息并于數據庫中的數據進行實時對比，實現室內的準確定位。

【關鍵詞】室內定位;可見光通信;載波信號

【中圖分類號】TN929.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0066-02

0 引言

由于信號的衰減，衛星定位在室內比較困難。隨著輔助衛星定位的出現，在北美某些木質的房屋或在國內比較淺度的室內如靠近窗的地方，通過輔助衛星定位也可以定位。但是，深度室內定位目前仍沒有辦法通過輔助衛星定位來解決。同時也出現了根據室內地磁場的分布來做室內定位的技術，類似于指紋采集來搜集室內的地磁信息從而提供室內位置。

通過比較各種室內定位技術，從市場的反饋、技術的領先性和應用前景方面來看，基于可見光通信的室內定位技術是一個比較有前景的技術。光源是室內一個必要的基礎設施，它最大的優勢在于不需要我們進行額外的部署。此外，光源進行部署以后進行變動的可能性比較小，每個位置都可以精確地量化，從而保證定位結果的精確性。高通可見光定位技術精度可以達到厘米量級，和目前其他主流技術的定位精度有質的區別，有可能產生新的應用場景。

1 系統方案論證與比較

1.1 傳感器的比較與選擇

方案一：通過攝像頭作為對天花板的可見光陣列連續不斷地拍照，根據每個燈光的不同位置來確定實時坐標。但該方法對于攝像頭的精度要求較高且需要較高的圖像處理技術。

方案二：LED可見光定位技術主要是將室內不同位置的3個LED的光照強度分別儲存在數據庫中，將接收端感受到的光照強度與數據庫的內容相比較來確定位置坐標。

1.2 測距方法的比較與選擇

方案一：AOA技術需要設置方向性陣列，獲取發射端的發射信號角度信息，再利用交匯法來獲得坐標。要求高空間分辨率，對于室內系統來說難以實現。

方案二：在室內，收、發端距離較小，信號傳輸時間較短，對于同步傳輸的時鐘精度要求很高。

方案三：RSS技術僅使用3個LED作為信號源發射不同頻率的載波信號，接收端根據接收到的信號強度，計算距離，并與數據庫內的數據做比較，得出坐標值。

綜合考慮以上方案，選用方案三并且使用頻分復用技術：讓3個LED的發光頻率分別位于3個頻段，并且每個頻段的中心頻率相隔較遠，保證光信號之間的相互獨立，以此來區分不同的LED。

1.3 濾波電路的比較與選擇

濾波電路有多種選擇方案，分為以下幾種：高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。由于采用頻分復用技術，且每個頻段中心頻率相隔較遠，所以采用帶通濾波器，使其滿足在一個LED頻率處保證波形的完整正確，在其他兩個LED頻率處最大限度地抑制干擾波，由此過濾出一個LED燈的波形及它的強度。

1.4 抗干擾方法

由于采集到的光波信號比較微小，且易受外部光環境的干擾，因此我們采用由LM324N組成的多級放大電路對光敏電阻接收到的光信號進行處理。由于外部自然光會對接收信號造成影響，因此在放大電路中采用阻容耦合以便于濾去自然光。通過多級運放光信號進行放大處理后，將處理得到的信號接入比較器電路輸出到單片機中斷接口以觸發單片機響應，同時將信號接到單片機的AD轉換接口用于計算傳感器對每一個燈的感應強度（距離），從而完成室內定位。

附加抗干擾方法：①采用大功率LED燈珠，增大光的強度，減少太陽光及其反光的干擾。②濾波電路之前增加放大電路，放大接收到的信號，降低硬件干擾的可能性及噪聲波對定位的影響。

2 定位原理的分析與說明

2.1 數據編碼

數據報文包括起始碼頭、地址碼、地址反碼、指令碼、指令反碼和結束碼。LED燈在不斷發送位置信息的空閑時隙輸出高電平，保證正常的室內照明。為保證接收端能區分3個LED，我們使用帶一定校驗的編碼方式并且采用分時復用、異步傳輸的技術。

2.2 數據解碼

光電傳感器將LED燈的位置信息傳送給濾波放大電路，利用處理器的輸入捕獲功能對信號進行解碼。將處理器的“輸入捕獲模式設置為“上升沿捕獲”，當上升沿到來后，將“輸入捕獲模式”設置為“下降沿捕獲”，隨后清零定時器，并標記捕獲到上升沿。當捕捉到下降沿時，更改輸入“捕獲模式”為“上升沿捕獲”，以便捕獲下一次的高電平，然后處理此次捕獲到的高電平。從起始碼頭開始，直到捕獲到結束碼則表示一組數據接收成功。如果在捕獲過程中出現差錯，則放棄本次捕獲。

2.3 識別映射

定位系統中不同的標號對應不同的LED。每個LED反復輸出特定的位置信息。當接收端移動到特定區域時，光電傳感器將可見光信號轉換為電信號，經過濾波放大器后，通過處理器對信息進行處理。當系統解碼出發射端所發送的位置信息及光照強度信息后，將該信息與數據庫中的坐標點做對比。LED 燈的實際位置信息及室內不同位置的光強信息預先存在數據庫中，解碼后的位置信息和光照信息會通過查詢數據庫來進行實時比較，當成功匹配到數據庫中的坐標點時，輸出該點的坐標。

3 系統測試

3.1 測試方案

將傳感器放置在坐標紙的不同區域內，LCD顯示出傳感器所處的區域和坐標。

3.2 測試結果（見表1）

3.3 測試結果分析

誤差在合理范圍內。

參 考 文 獻

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[4]董文杰，王旭東，吳楠，等.基于LED光強的室內可見光定位系統的實現[J].光通信技術，2017（3）.

[責任編輯：鐘聲賢]