CN105487050A

CN105487050A - 一种基于led灯的定位方法及系统

Info

Publication number: CN105487050A
Application number: CN201410476306.4A
Authority: CN
Inventors: 迟楠; 许银帆
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: CN105487050B

Abstract

本发明涉及可见光定位技术，公开了一种基于LED灯的定位方法及系统。本发明中，基于LED灯的定位方法，包含以下步骤：由发射端发射N路可见光至接收端；其中，N为大于1的自然数，发射端包含N个LED灯，每一个LED灯分别发射一路可见光，且每一路可见光均携带有对应的LED灯唯一的地址码与各LED灯的布局信息；由接收端根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与布局信息，获取接收端的位置信息。与现有技术相比，为每一个LED灯分配一个唯一的地址码，使发射端的各个LED灯发出的可见光区别开来，各个LED灯发出的可见光不需同步。这样，避免了多灯定位同步的问题，提高了室内定位的精度。

Description

一种基于LED灯的定位方法及系统

技术领域

本发明涉及可见光定位技术，特别涉及一种基于LED灯的定位方法及系统。

背景技术

近年来，白色发光二极管(LED)在照明、通信和传感技术等各个领域广泛被应用，随着可见光通信(VisibleLightCommunication，简称“VLC”)技术的发展，LED应用于室内定位系统具有许多优点。

现有的定位系统主要基于全球定位系统(GPS)和无线电波技术。GPS定位在室内环境中会出现较大的定位误差，不适用于室内定位。基于无线电波技术(如WLAN、RFID、UWB、WIFI与蓝牙等)的室内定位系统，由于电磁干扰等因素影响了定位质量，而且不能在医院、飞机或一些危险的环境中使用。

相较之下，VLC定位技术有如下的优点：由于受到的多径效应以及无线电磁干扰较少，所以定位精度高。而且，可以利用室内密布的照明设备来传输信息，而无需投资额外的设施来容纳和支持用于室内定位的信标。此外，不会产生任何射频干扰，因此可以在射频辐射被严格限制的环境中使用。

虽然基于LED的VLC定位技术具有很多优点，但多灯之间很难保持精确的同步导致室内定位不精确。另外，灯与灯之间的干扰也影响室内定位的精确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LED灯的定位方法及系统，避免了多灯定位同步的问题，提高了室内定位的精度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于LED灯的定位方法，包含以下步骤：

由发射端发射N路可见光至接收端；其中，所述N为大于1的自然数，所述发射端包含N个LED灯，每一个LED灯分别发射一路可见光，且每一路可见光均携带有对应的LED灯唯一的地址码与各LED灯的布局信息；

由所述接收端根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息。

本发明的实施方式还提供了一种基于LED灯的定位系统，包含：发射端和接收端；

所述发射端，用于发射N路可见光至接收端；其中，所述N为大于1的自然数，所述发射端包含N个LED灯，每一个LED灯分别发射一路可见光，且每一路可见光均携带有对应的LED灯唯一的地址码与各LED灯的布局信息；

所述接收端，用于根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息。

本发明实施方式相对于现有技术而言，为每一个LED灯分配一个唯一的地址码，对其身份进行标识，使发射端的各个LED灯发出的可见光区别开来，各个LED灯发出的可见光不需同步，接收端只根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与布局信息，便可获取位置信息，对接收端进行定位，进而可以实现对使用接收端的用户进行定位。这样，避免了多灯定位同步的问题，提高了室内定位的精度。

另外，在所述由发射端发射N路可见光至接收端的步骤中，将进行码分多址CDMA编码后的各路可见光发射至所述接收端。这样，携带地址码的可见光即使在频率、时间和空间上重叠，也可以区分不同的地址码信息，避免了各个LED灯发出的可见光的干扰，提高了室内定位的精确性。

另外，在所述由发射端发射N路可见光至接收端的步骤中，由所述发射端通过相互独立的衰落信道传输每一路可见光及其若干个副本至接收端。只要接收端接收到其中一个副本，就可获取该副本对应的可见光携带的信息，增强了系统的可靠性。

另外，在所述由所述接收端根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息的步骤中，由所述接收端对内置的若干个接收机接收的各路可见光分别进行最大比合并，获取各路可见光携带的地址码与所述布局信息。

这样，即使每一路可见光的强度都很弱，没有一路信号可以被单独解调出时,对各路的可见光进行最大比算合并，仍有可能合成出达到信噪比要求的、可被解调的信号，降低接收端无法识别可见光的概率，提高系统的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的基于LED灯的定位方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中的基于LED灯的定位方法流程图；

图3是根据本发明第一实施方式中的m序列示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的基于LED灯的定位方法流程图；

图5是根据本发明第三实施方式的基于LED灯的定位方法流程图；

图6是根据本发明第四实施方式的基于LED灯的定位系统结构示意图；

图7是根据本发明第四实施方式中的LED灯结构示意图；

图8是根据本发明第六实施方式的基于LED灯的定位系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于LED灯的定位方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，由发射端发射N路可见光至接收端。其中，N为大于1的自然数，发射端包含N个LED灯，每一个LED灯分别发射一路可见光，且每一路可见光均携带有对应的LED灯唯一的地址码与各LED灯的布局信息。

具体地说，室内顶置N个LED灯具作为本系统的发射端，每个LED灯都具有一个唯一的注册号，作为自己的地址码，其中，该注册号是LED灯内置芯片的注册号。而且，上述的注册号是由工厂光刻的64位ROM码，包括48位序列号、8位循环冗余校验码(CRC)和8位家族码。

优选地，LED灯的地址码可以采用正交码。每两个LED灯的地址码之间均是正交的，这样，可以提高地址码之间的抗干扰性，进而可以提高本系统的定位精度。

在本步骤中，包含以下子步骤，具体流程如图2所示：

步骤201，由每一个LED灯读取各自的地址码与所有LED灯的布局信息。由于每一个LED灯发出的可见光均携带所有LED灯的布局信息，这样，可以从单个LED灯发出的可见光中直接获取每一个LED灯的位置信息，减少了计算量，使定位速度更快。

步骤202，由每一个LED灯将读取的地址码与布局信息按照预设的数据格式生成一帧数据，并对数据进行脉位调制(PPM)编码。

步骤203，由每一个LED灯将进行PPM编码后的数据以预设的速率随可见光发射出去。具体地说，将经PPM编码后的数据以较高的速率随可见光发射出去。采用PPM编码，只需要根据数据信号来控制每帧数据中的脉冲位置，而不需要控制每帧数据的脉冲幅度和极性，可以降低调制与解调的复杂度。此外，采用PPM编码可以以最小的光平均功率实现最高的数据传输速率，提高定位速度。

进一步地，在101步骤中，可以先对各路可见光进行码分多址(CDMA)编码，再发射至接收端。具体地说，可以选择不同的扩频码对各路可见光进行码分多址(CDMA)编码，形成不同的码分信道，即以不同的互成正交的码序列来区分LED实现多址。

下面以对3个LED灯(LED灯1、LED灯2与LED灯3)发射的可见光携带的地址码(地址码A、地址码B与地址码C)进行CDMA编码为例进行说明。利用序列c1(t)对地址码A进行编码生成信号y1(t)，利用序列c2(t)对地址码B进行编码生成信号y2(t)，利用序列c3(t)对地址码C进行编码生成信号y3(t),其中，c1(t)、c2(t)与c3(t)为同一个m序列(P＝15)，但起始位置不同，具体如图3所示。在接收端，对y1(t)、y2(t)与y31(t)进行相应的解码便可得出LED灯1、LED灯2与LED灯3的地址码。

这样，携带地址码的可见光即使在频率、时间和空间上重叠，也可以区分不同LED灯的地址码信息，避免了各个LED灯发出的可见光的干扰，提高了室内定位的精确性。

步骤102，由接收端接收各路可见光。接收可见光是现有成熟的技术，在此不再赘述。

步骤103，检测各路可见光的强度。检测可见光的强度是现有成熟的技术，在此不再赘述。

步骤104，根据各路可见光的强度及其携带的地址码与布局信息，获取位置信息。

具体地说，接收端通过多入多出(MIMO)信号处理技术对接收的各路可见光中的信息进行解调，从每路可见光中解调出对应的LED灯的地址码与所有LED灯的布局信息。由于在接收端所处的位置，是多个LED灯发出的可见光的交叠区域，对各路可见光进行两两对比，获取各路可见光之间的强度关系，根据获取的可见光之间的光强关系，以及解调出的LED灯的地址码与布局信息，可以获取接收端的位置信息，进而，可以对持有接收端的用户进行定位。其中，接收端可以为手机、平板电脑等移动终端。

与现有技术相比，由于为每一个LED灯分配了一个唯一的地址码，对其身份进行标识，使发射端的各个LED灯发出的可见光区别开来，各个LED灯发出的可见光不需同步，接收端只根据接收的各路可见光的强度，及其携带的地址码与各LED灯的布局信息，便可获取位置信息，对接收端进行定位。这样，避免了多灯定位同步的问题，提高了室内定位的精度。

本发明的第二实施方式涉及一种基于LED灯的定位方法，具体流程如图4所示。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本第一实施方式中，是根据各路可见光的强度关系，获取接收端的位置信息；而在本发明第二实施方式中，是根据强度最大的可见光获取接收端的位置信息，减小了计算量，可以减少定位时间，实现快速定位。

具体地说，在本实施方式中，包含以下步骤：

步骤401～403分别与第一实施方式中的步骤101～103相似，在此不再一一赘述。

步骤404，比较各路可见光的强度，并获取强度最大的可见光对应的LED灯的地址码。如果用户正好处于多个LED灯照明区域的交界处，定位系统的接收端就会接收到多个LED灯发出的可见光。由于LED灯发出的可见光的光强随距离而衰减，接收端接收光强最大的可见光对应的LED灯距离接收端最近，所以接收的光强最大的可见光对应的LED灯的位置即为接收端的位置，或者最接近接收端的位置。比较接收的可见光的光强，获取强度最大的可见光对应的LED灯的地址码，以供获取接收端的位置信息。

步骤405，根据获取的强度最大的可见光对应的LED灯的地址码在布局信息中的位置，获取接收端的位置信息。

由于从N个光强数据中获取最大值的计算简单，计算量小，这样，可以减少定位时间，实现快速定位。

本发明的第三实施方式涉及一种基于LED灯的定位方法，具体流程如图5所示。第三实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第三实施方式中，还由发射端发射每一路可见光的副本，并由接收端对内置的若干个接收机接收的各路可见光分别进行最大比合并后，获取各路可见光携带的地址码与布局信息，这样，可以提高系统的可靠性。

具体地说，在本实施方式中，包含以下步骤：

步骤501，由发射端通过相互独立的衰落信道传输每一路可见光及其若干个副本至接收端，其中，每一路可见光的副本均携带该路可见光对应的LED灯的地址码与所有LED灯的布局信息。

比如说，室内有2个LED灯(LED灯1与LED灯2)，LED灯1发送3个副本(副本11、副本12、副本13)至接收端，LED灯2发送3个副本(副本21、副本22、副本23)至接收端，其中，副本11、副本12、副本13携带LED灯1的地址码与所有LED灯的布局信息，副本21、副本22、副本23携带LED灯2的地址码与所有LED灯的布局信息。

步骤502，由接收端接收各路可见光或者其副本。本步骤与第一实施方式中的步骤102相似，在此不再赘述。

步骤503，由接收端对内置的若干个接收机接收的各路可见光分别进行最大比合并，并获取各路可见光携带的地址码与所有LED灯的布局信息。

比如，接收端包含两个接收机(接收机1与接收机2)，接收机1接收到了LED灯1发射的可见光的副本11与LED灯2发射的可见光的副本22；接收机2接收到了LED灯1发射的可见光的副本12与LED灯2发射的可见光的副本23；接收端对接收到的LED灯1发射的可见光的副本11与LED灯1发射的可见光的副本12进行最大比合并，获取LED灯1发射的可见光携带的信息；也对接收到的LED灯2发射的可见光的副本22与LED灯2发射的可见光的副本23进行最大比合并，获取LED灯2发射的可见光携带的信息；其中，最大比合并是对各可见光信号进行同相加权合并,权重是各信号的功率与噪声功率的比值，最大比合并的输出信噪比(SNR)等于各信号的SNR之和。采用MRC加权合并后，可以有效增强接收信号，提高系统可靠性。

步骤504与步骤505分别与第一实施方式中的步骤103、104相似，在此不再一一赘述。

这样，即使每一路可见光的强度都很弱，没有一路信号可以被单独解调出时,对每一路的可见光进行最大比算合并，仍有可能合成出达到信噪比要求的、可被解调的信号，降低接收端无法识别可见光的概率，提高系统的可靠性。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第四实施方式涉及一种基于LED灯的定位系统，如图6所示，包含：发射端和接收端。

发射端，用于发射N路可见光至接收端。其中，N为大于1的自然数，发射端包含N个LED灯(LED灯1、LED灯2、……、LED灯N)和服务器，每一个LED灯分别发射一路可见光，且每一路可见光均携带有对应的LED灯唯一的地址码与各LED灯的布局信息，且LED灯的地址码是正交码。

具体地说，每一个LED灯均包含DS28CM00芯片、单片机与发射模块，具体如图7所示。

单片机，用于从DS28CM00芯片中读取LED灯的地址码，并从服务器中读取所有LED灯的布局信息。另外，单片机，还用于控制各LED灯的发射时序。

发射模块，用于将读取的地址码与布局信息按照预设的数据格式生成一帧数据，并对数据进行脉位调制(PPM)编码后，以预设的速率发射出去。

接收端，用于根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与布局信息，获取接收端的位置信息。

其中，接收端包含：检测模块、比较模块与获取模块。

检测模块，用于检测各路可见光的强度。

比较模块，用于比较每两路之间可见光的强度，并获取各路可见光的强度关系。

获取模块，用于对各路可见光进行PPM解码以得到各LED灯携带的地址码与布局信息，并根据获取的各路可见光的强度关系，获取接收端的位置信息。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明的第五实施方式涉及一种基于LED灯的定位系统。第五实施方式与第四实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本第四实施方式中，接收端是根据各路可见光的强度关系，获取接收端的位置信息；而在本发明第五实施方式中，接收端是根据强度最大的可见光获取接收端的位置信息，减小了计算量，可以减少定位时间，实现快速定位。

具体地说，在本实施方式中，接收端也包含：检测模块、比较模块与获取模块。

检测模块，用于检测各路可见光的强度。与第四实施方式中的检测模块相似，在此不再赘述。

比较模块，用于比较各路可见光的强度，并获取强度最大的可见光。

获取模块，用于对获取的强度最大的可见光进行PPM解码，得到对应的LED灯的地址码以及对应的LED灯在布局信息中的位置，以获取接收端的位置信息。

本实施方式为与第二实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本发明第六实施方式涉及一种基于LED灯的定位系统，第六实施方式在第四实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第六实施方式中，发射模块还用于通过相互独立的衰落信道传输每一路可见光及其若干个副本至接收端，接收端，还用于对内置的若干个接收机接收的同一路可见光进行最大比合并，获取各路可见光携带的地址码与布局信息。

具体地说，在本实施方式中，接收端包含若干个接收机、最大比合并模块与获取模块，具体如图8所示。

接收机，用于接收各路可见光或者其副本。

最大比合并模块，用于对各接收机接收的同一路可见光或者其副本进行最大比合并。

获取模块，用于根据最大比合并模块的结果获取各路可见光携带的地址码与布局信息。

这样，即使每一路可见光或其副本的强度都很弱，没有一路信号可以被单独解调出时,对每一路的可见光进行最大比算合并，仍有可能合成出达到信噪比要求的、可被解调的信号，降低接收端无法识别可见光的概率，提高系统的可靠性。

本实施方式为与第三实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种基于LED灯的定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由发射端发射N路可见光至接收端的步骤中，包含以下子步骤：

由每一个所述LED灯读取各自的地址码与所述布局信息；由每一个所述LED灯将读取的地址码与所述布局信息按照预设的数据格式生成一帧数据，并对所述数据进行脉位调制PPM编码；

由每一个所述LED灯将进行所述PPM编码后的数据以预设的速率发射出去。

3.根据权利要求2所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由所述接收端根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息的步骤中，包含以下子步骤：

对接收的各路可见光中的信息进行解调，获取各LED灯的地址码与所述布局信息。

4.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，所述LED灯的地址码是正交码。

5.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由发射端发射N路可见光至接收端的步骤中，

将进行码分多址CDMA编码后的各路可见光发射至所述接收端。

6.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由发射端发射N路可见光至接收端的步骤中，

由所述发射端通过相互独立的衰落信道传输每一路可见光及其若干个副本至接收端。

7.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由所述接收端根据接收的各路可见光携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息的步骤中，

由所述接收端对内置的若干个接收机接收的各路可见光分别进行最大比合并，获取各路可见光携带的地址码与所述布局信息。

8.根据权利要求1所述的基于LED灯的定位方法，其特征在于，在所述由所述接收端根据接收的各路可见光的强度及其携带的地址码与所述布局信息，获取所述接收端的位置信息的步骤中，包含以下子步骤：

检测各路可见光的强度；

比较各路可见光的强度，并获取强度最大的可见光对应的LED灯的地址码；

根据获取的强度最大的可见光对应的LED灯的地址码在所述布局信息中的位置，获取所述接收端的位置信息。

9.一种基于LED灯的定位系统，其特征在于，包含：发射端和接收端；

10.根据权利要求9所述的基于LED灯的定位系统，其特征在于，所述发射端还包含服务器，且所述LED灯包含DS28CM00芯片、单片机与发射模块；

所述单片机，用于从所述DS28CM00芯片中读取所述LED灯的地址码，并从所述服务器中读取所述布局信息；

所述发射模块，用于将读取的地址码与所述布局信息按照预设的数据格式生成一帧数据，并对所述数据进行脉位调制PPM编码后，以预设的速率发射出去。

11.根据权利要求10所述的基于LED灯的定位系统，其特征在于，所述发射模块，还用于通过相互独立的衰落信道发射可见光及其若干个副本。

12.根据权利要求11所述的基于LED灯的定位系统，其特征在于，所述接收端包含若干个接收机、最大比合并模块与获取模块；

所述接收机，用于接收各路可见光或者其副本；

所述最大比合并模块，用于对各所述接收机接收的同一路可见光或者其副本进行最大比合并；

所述获取模块，用于根据所述最大比合并模块的结果获取各路可见光携带的地址码与所述布局信息。

13.根据权利要求10所述的基于LED灯的定位系统，其特征在于，所述接收端包含：检测模块、比较模块与获取模块；

所述检测模块，用于检测各路可见光的强度；

所述比较模块，用于比较各路可见光的强度，并获取强度最大的可见光；

所述获取模块，用于对获取的强度最大的可见光进行PPM解码，得到对应的LED灯的地址码以及对应的LED灯在所述布局信息中的位置，以获取所述接收端的位置信息。