CN103823204B - 一种基于可见光标签的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可见光标签的室内定位方法，属于无线通信技术领域。本发明方法基于可见光通信，发射端通过控制LED阵列发射具有定位码型的可见光信号，使位于室内的用户从接收到的光信号解析出其所在的位置。每个LED具有唯一的ID号，设计LED循环发送的定位数据帧结构，加载到LED驱动放大电路上，驱动LED灯阵列发出数据光信号；探测器在识别帧头的同时将用户定位于光功率最大的子小区。本方法无需频段申请、无电磁干扰、绿色安全，基于可见光LED定位的精度更高。另外，在可见光LED通信的同时还可以对室内场景中进行绿色照明，通过现有的照明灯进行室内可见光通信的定位，无需另外架设可见光光源，方便地实现室内的定位。

Description

一种基于可见光标签的室内定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于可见光标签的室内定位方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着移动通信与无线网络等技术的发展，基于位置的服务越来越受到人们的关注。位置信息的获取能给基于位置感知的服务提供更多的便利。例如，在紧急救助、个人医疗保健、认知无线电和个性化信息传输等领域，当人们位于不同的地理位置时，可以方便地得到与当前位置相对应的信息。
在户外，对位置信息的获取一般通过GPS全球定位卫星。GPS设备通过接收来自4个或4个以上的卫星信号来估计接收终端的当前位置，可实现精度较高的定位。除了美国的GPS外，还有一些国家和组织也提供类似的定位服务，如俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星导航系统、欧洲的“伽利略”卫星定位系统和我国的“北斗”卫星导航系统。这些系统在户外能很好地满足人们的定位需求，但由于卫星信号一般都很微弱，不能穿透绝大多数建筑物，在室内不能实现有效地定位。
为了解决室内定位导航的问题，科技巨头和研究机构开展了大量的研究，如基于移动通信网络的辅助GPS(A-GPS)、伪卫星(Pseudolite)、无线局域网(WLAN)、射频标签(RFID)、Zigbee、蓝牙(Bluetooth，BT)、超宽带无线电(Ultra WideBand，UWB)、红外定位、计算机视觉定位、地磁、超声波定位和LED可见光定位等。其中，基于光线强度的定位方法和系统(CN101825697A)，公开了依序调整一照明系统的至少三个点光源的照度，所述的点光源例如是发光二极管(LED)灯源，并收集该照明系统照射于一目标物上的光线的一光度资讯，依据该光度资讯，计算各该些点光源与该目标物间的一距离，依据该各该些点光源所在的一位置以及与该目标物间的该距离，计算该目标物的一定位位置。该技术方法和系统的实施步骤采用至少三个点光源并通过调整点光源照射目标物的照度和照射角度来确定目标物的位置，因此定位过程复杂且室内定位精度不高。
发明内容
发明的目的是为解决室内高精度定位的难题，提出了一种基于可见光标签的室内定位方法。发射端通过控制LED阵列发射具有定位码型的可见光信号，使位于室内的用户从接收到的光信号解析出其所在的位置。
一种基于可见光标签的室内定位方法，具体包括如下步骤：
步骤一、在室内天花板上安装一个LED灯阵列。所述LED灯阵列由LED灯以等边三角形的分布方式向四面拓展而成，阵列中多个等边三角形的辐照将室内空间分成多个三棱柱空间，每个三棱柱空间称为一个空间单元，其对应的3个LED灯安装在每个空间单元的顶面，即天花板上。
所述以等边三角形的分布方式具体为：三个LED灯分别位于等边三角形的三个顶点，以其中任意两个顶点为相邻等边三角形的顶点，找到相邻等边三角形的第三个顶点，安装一个LED灯，形成三个新的等边三角形；再在新的等边三角形基础上，继续以此方法扩展，形成以等边三角形为单元的平面LED灯阵列。
步骤二、对每个LED编号，记作(i＝1,2,3)，其中下标(x,y)表示LED在室内的横纵坐标，横纵坐标能通过编码转换成LED的ID号(LED-ID)，i表示LED的发光时隙。每个LED具有唯一的ID号。
步骤三、根据步骤二得到LED编号，设计LED循环发送的定位数据帧结构，定位数据帧由帧头(Synchronization Header,SHR)和定位时段组成。帧头用于从接收的串行数据中提取定位时段；定位时段分成三个时隙(timeslot)，记作时隙1(TS1)，时隙2(TS2)和时隙3(TS3)。定位时段标志了LED灯发光的时隙，定位时段的取值标志了LED灯的位置。在一个空间单元中，3个LED的时隙不同。为属于第i个时隙的LED，记作LED-TSi，表示在第i个时隙(TSi)内发射自己的LED-ID，其他时隙都为0。
每个空间单元中LED的LED-ID以时分复用的形式加载到LED发射的光信号中，形成数据光信号。
所述的LED发送的定位数据帧由信号发生器产生，加载到LED驱动放大电路上，LED驱动放大电路与LED灯阵列连接，驱动LED灯阵列发出数据光信号来传输定位数据帧内容。每个单元中的三个LED分属于不同的时隙，每个分别在第i个时隙内发射(x,y)通过编码转换的LED-ID，其他时隙发射0。
所述高速是指满足定位数据传输的兆量级速率。
步骤四、室内用户携带探测器，探测器所在平面作为参考面，探测器接收所在空间单元的LED发射的数据光信号，忽略其他LED对探测器的干扰。在接收的串行数据中识别帧头，由于数据帧是循环发送的，两帧数据的帧头之间即为定位时段；与探测器相连的上位机检测定位时段的每个比特宽度功率大小来判断接收的是0码还是1码，得到定位时段每个比特的码型，再根据定位时段中每个时隙的比特位数划分出每个时隙对应的LED-ID。通过三个不同时隙的LED-ID将用户定位到由这三个LED编号对应的三角形区域内。
步骤五、为了提高定位的精度，将等边三角形小区进行细分，具体方法为：在等边三角形内部，由等边三角形中线和边围成的三个等面积四边形子小区。
步骤六、探测器在识别帧头的同时，探测得到三个LED灯的光功率，比较接收的三个LED灯的光功率，将用户定位于光功率最大的子小区，若某两个时隙的光功率相同则将用户定位到这两个时隙对应的子小区的交界处。
步骤七、探测器的输出经放大和模数转换后，得到待处理的数据信号，透明传输至接收端的上位机。接收端的上位机根据步骤四、六所获取的用户位置信息，再将此信息以无线网络上传至服务器，服务器控制发射端发送的数据帧内容。
若在发射端的定位数据帧后加入图像传输时段，图像传输时段和定位时段相同，是由图像数据编码后以时分复用的形式组成。通过步骤三设定的帧结构，就能在完成定位功能的同时实现对应子小区的图像数据的传输。
有益效果
本发明方法基于可见光通信，不同于传统的无线通信，无需频段申请、无电磁干扰、绿色安全，基于可见光LED定位的精度更高。另外，在可见光LED通信的同时还可以对室内场景中进行绿色照明，通过现有的照明灯进行室内可见光通信的定位，无需另外架设可见光光源，方便地实现室内的定位。本发明的数据帧包含定位数据帧和图像数据帧，使发明的系统在定位用户的同时还可以向用户发送基于位置的服务，在高密度人群的场景中也可以作为传统无线通信方式的一种补充。
附图说明
图1为本发明提供的一种室内LED阵列分布的示意图；
图2为本发明提供的一种LED阵列的LED-ID分配示意图；
图3为本发明中发射端发送的数据帧结构示意图，其中(a)是定位数据帧结构示意图；(b)是拓展到图像传输的定位数据帧结构示意图；
图4是本发明提供的一种基于可见光LED的室内定位系统装置图；
图5是本发明实施例中组成的单元及其子小区示意图；
图6是本发明实施例中用户位于单元的子小区或边界点时探测器接收的波形图，其中(a)是用户位于1-1时的波形图；(b)是用户位于1-2时的波形图；(c)是用户位于A时的波形图；(d)是用户位于O时的波形图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明的室内模型尺寸为100m×100m×3m，LED灯安装在天花板上，将LED灯以等边三角形的方式向四面拓展，等边三角分布的LED灯的辐照将室内空间分成了若干个三棱柱空间，每个三棱柱空间称为一个空间单元，3个LED灯分别安装在每个单元的天花板上。参考面即用于接收可见光信号的光探测器所在的水平面距离地面1m。
如图2所示，以左下角为原点做直角坐标系，为了区分天花板上的LED以便定位，将每个LED进行编号，记作其中下标(x,y)表示LED在室内的横纵坐标，横纵坐标可以通过编码转换成LED的ID号(LED-ID)，i表示LED的发光时隙，这样每个LED都具有独特的编号根据图2中的布局，每个单元都是由三种不同发光时隙的LED组成，例如图2右侧的单元是由和组成，这三个LED分属于不同的时隙。为了提高定位的精度，单元进行细分，分成由等边三角形中线和边围成的三个等面积四边形子小区——区、区和区。
根据每个LED的唯一的编号设计了如图3(a)所示的LED发送的定位数据帧的结构。数据帧由同步头(Synchronization Header,SHR)和定位时段组成。同步头长度是10比特，码型为010101011110，用于接收端的帧同步。定位时段分成三个时隙(timeslot),记作时隙1(TS1),时隙2(TS2)和时隙3(TS3)。定位时段标志了LED灯发光的时隙，定位时段的取值标志了LED灯的位置。在一个单元中，3个LED的时隙是不同的。属于第i个时隙的LED，记作LED-TSi，它在第i个时隙(TSi)内发射自己的LED-ID，其他时隙都为0。每个单元中的LED-ID以时分复用的形式加载到LED上进行发送。例如在图2的由 和组成的单元中，的下标(3,3)是它的横纵坐标，用二进制表示成LED-ID为00000011 00000011，上标表示在第一个时隙内发送其LED-ID；的下标(4,3)是它的横纵坐标，转换成LED-ID为00000100 00000011，上标表示在第二个时隙内发送其LED-ID；的下标(4,2)是它的横纵坐标，转换成LED-ID为00000100 00000010，上标表示在第三个时隙内发送其LED-ID。每个单元的LED-ID就以一种时分复用的形式(TimeDivision Multiplexing,TDM)加载到LED上进行发送，接收端经过信号处理就可以实现定位功能。如图3(b)所示，LED发送的数据帧也可以拓展到图像数据帧。帧结构类似于定位数据帧，但是加入了图像数据传输时段，在此时段每个时隙里发送的不是LED-ID而是经过编码的图像数据。
在接收端，探测器接收到的三个定位时隙信号，就是等边三角形三个顶点位置对应的LED灯的ID号。通过三个不同时隙的LED-ID将用户位置定位到由该这三个LED编号对应的三角形区域内。为了提高定位精度，对接收的三个LED灯的光功率再进行比较，确定接收端用户位于哪个子小区内。例如定位时段接收到的第一个时隙的码型为0000001100000011，第二个时隙的码型为00000100 00000011，第三个时隙的码型为0000010000000010，用户首先被定位到由组成的单元；若某个时隙接收到的光强值最大，说明光探测器距离某个时隙对应的LED最近，用户被进一步定位到对应的子小区。
为了验证本发明的方法能够实现室内高精度定位，设计了图4所示的实验系统。实验系统包括FPGA信号发生器401，LED驱动电路402，LED阵列403，光探测器404，放大电路及A/D转换405，FPGA和USB数据传输406，上位机407。发射端发送图3(b)中的拓展到图像传输的定位数据帧，数据帧是由信号发生器401产生的，它通过LED驱动电路402加载到LED阵列403上。可见光信号通过室内自由空间后，被光探测器404接收，经过放大电路和AD转换405后变为光数字信号，FPGA和USB数据传输系统406将数据透明传输至上位机407，上位机运用C#软件识别定位码型、分析定位时段的三个时隙光强度得到单元的LED-ID及其所属子小区并显示在C#图形用户界面上。本发明实施例中定位信息传输速率为1Mbit/s，可以满足定位数据及图像的传输速率需求。
如图5所示，选取组成的单元，单元分为三个子小区，记作子小区、子小区和子小区，并标定了A、B、C、O、1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2等一系列特殊位置的点。
当探测器处于1-1、1-2、A、O时的波形图如图6的(a)、(b)、(c)、(d)所示。可见，当探测器处于1-1时，三个时隙的归一化幅度分别为0.82、0、0，探测器将被定位至子小区，当探测器处于1-2时，三个时隙的归一化幅度分别为0.81、0.25、0.25，探测器被定位至子小区，而当探测器处于临界点A时，三个时隙的归一化幅度分别为0.82、0.82、0.1，探测器被定位至A点，当探测器处于临界点O时，三个时隙的归一化幅度分别为0.82、0.82、0.82，探测器被定位至O点。其他点原理类似，这样探测器就可以被定位至子区域或临界点，提高了定位的精度。接收端获取用户位置信息后将此信息以无线网络上传至服务器，服务器控制发射端发送拓展到图像传输的定位数据帧，就能在完成定位功能的同时实现对应子小区的图像数据的传输，从而实现基于用户位置的服务(Location Based Service,LBS)。
本发明主要技术优势：
1.依据本发明设计的可见光室内定位的实验系统具有可见光通信的绿色安全、可进行高速数据通信和免频率许可的优点；
2.依据本发明设计的可见光定位的实验系统属于可见光波段，无电磁干扰。
3.依据本发明设计的可见光定位的实验系统相较于其他无线定位方式精度更高。定位系统应用在室内场景中，照明灯既可以通信也可以照明，可以通过现有的照明灯进行室内可见光通信的定位，无需另外架设可见光光源，可以很方便地实现室内的定位。
4.依据本发明设计的可见光定位的实验系统同时实现了定位和图像传输，可以为用户提供基于位置的服务。
该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于可见光标签的室内定位方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、在室内天花板上安装一个LED灯阵列；所述LED灯阵列由LED灯以等边三角形的分布方式向四面拓展而成，阵列中多个等边三角形的辐照将室内空间分成多个三棱柱空间，每个三棱柱空间称为一个空间单元，其对应的3个LED灯安装在每个空间单元的顶面；
所述以等边三角形的分布方式具体为：三个LED灯分别位于等边三角形的三个顶点，以其中任意两个顶点为相邻等边三角形的顶点，找到相邻等边三角形的第三个顶点，安装一个LED灯，形成三个新的等边三角形；再在新的等边三角形基础上，继续以此方法扩展，形成以等边三角形为单元的平面LED灯阵列；
步骤二、对每个LED编号，记作i＝1,2,3，其中下标(x,y)表示LED在室内的横纵坐标，横纵坐标能通过编码转换成LED的ID号，i表示LED的发光时隙；每个LED具有唯一的ID号；
步骤三、根据步骤二得到LED编号，设计LED循环发送的定位数据帧结构，定位数据帧由帧头和定位时段组成；帧头用于从接收的串行数据中提取定位时段；定位时段分成三个时隙，记作时隙1，时隙2和时隙3；定位时段标志了LED灯发光的时隙，定位时段的取值标志了LED灯的位置；在一个空间单元中，3个LED的时隙不同；为属于第i个时隙的LED，记作LED-TSi，表示在第i个时隙内发射自己的LED-ID，其他时隙都为0；
每个空间单元中LED的LED-ID以时分复用的形式加载到LED发射的光信号中，形成数据光信号；
步骤四、室内用户携带探测器，探测器所在平面作为参考面，探测器接收所在空间单元的LED发射的数据光信号，忽略其他LED对探测器的干扰；在接收的串行数据中识别帧头，两帧数据的帧头之间即为定位时段；与探测器相连的上位机检测定位时段的每个比特宽度功率大小来判断接收的是0码还是1码，得到定位时段每个比特的码型，再根据定位时段中每个时隙的比特位数划分出每个时隙对应的LED-ID；通过三个不同时隙的LED-ID将用户定位到由这三个LED编号对应的三角形区域内；
步骤五、将等边三角形小区进行细分，具体方法为：在等边三角形内部，由等边三角形中线和边围成的三个等面积四边形子小区；
步骤六、探测器在识别帧头的同时，探测得到三个LED灯的光功率，比较接收的三个LED灯的光功率，将用户定位于光功率最大的子小区，若某两个时隙的光功率相同则将用户定位到这两个时隙对应的子小区的交界处；
步骤七、探测器的输出经放大和模数转换后，得到待处理的数据信号，透明传输至接收端的上位机；接收端的上位机根据步骤四、六所获取的用户位置信息，再将此信息以无线网络上传至服务器，服务器控制发射端发送的数据帧内容。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光标签的室内定位方法，其特征在于：在发射端的定位数据帧后加入图像传输时段，图像传输时段和定位时段相同，由图像数据编码后以时分复用的形式组成；通过步骤三设定的帧结构，就能在完成定位功能的同时实现对应子小区的图像数据的传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光标签的室内定位方法，其特征在于：所述的LED发送的定位数据帧由信号发生器产生，加载到LED驱动放大电路上，LED驱动放大电路与LED灯阵列连接，驱动LED灯阵列发出数据光信号来传输定位数据帧内容；每个单元中的三个LED分属于不同的时隙，每个分别在第i个时隙内发射(x,y)通过编码转换的LED-ID，其他时隙发射0。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光标签的室内定位方法，其特征在于：所述高速为兆量级速率。
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