CN106535328A - 一种白光led通讯室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种白光LED通讯室内定位系统及方法，该系统包括发射中控平台、多组发射机、接收机、后台解算平台；定位方法采用时分、优化光传输时间长度计算距离的技术。发射中控平台通过电力载波技术，将时分报文传递给不同的发射机，发射机将报文调制为直流脉冲信号，耦合于LED驱动基准电源，驱动LED灯发射光信号,接收机从而获得光信号的传输时间长度、强度等信息传递后台解算平台，后台解算平台采用优化融合的算法，反馈闭环自适应校正系统求解出接收机的坐标位置，并加载于地图上实现定位。此系统定位精度高、成本低、操作简便、易于商业化。

Description

一种白光LED通讯室内定位系统及方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体地说，涉及一种白光LED通讯室内定位系统及方法。

背景技术

全球定位系统GPS技术在建筑物内部及人口密集的城市接收的信号非常微弱，仅适合于室外定位导航。当前室内定位导航技术大多采用无线射频的方式，例如RFID、蓝牙、Wi-Fi、红外线、超声波等多种方式。

RFID定位技术利用了电感、电磁耦合及雷达反射的传输特性，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。RFID室内定位系统通常由电子标签、射频读写器、中间件及计算机数据库组成，其优点是通用性高、速率快、天线及产品模块体积小，已经广泛应用于门禁控制、IC卡、停车场管理等领域中；其缺点在于作用距离近，不易在室内兼容其他系统联合工作，并易受其他射频信号的干扰，定位精度较低。

蓝牙定位技术主要利用蓝牙基站不断发送广播报文，蓝牙终端设备收到广播报文后，测量出接收功率，带入到功率衰减与距离关系的函数中，测算出多个基站的距离，实现多点定位的功能。其优点是设备体积小并且易于集成在手机等移动终端内，适宜短距离、小范围定位；其缺点是蓝牙器件和设备比较昂贵，环境稳定性较差，其耗电量比较大，不适于室内复杂环境定位。

Wi-Fi定位技术是一种无线局域网络(WLAN)信号传输方式，接收端通过接收无线局域网热点AP发射的功率信号RSSI，利用各种测距方法测量用户与无线热点APR的距离。其优点是硬件平台的成熟，易于安装，成本较低；其缺点是易受其他射频信号的干扰，定位精度较低，定位器能耗较高不利环保。

红外线定位技术是将信号调制到红外线光谱，接收端通过接收调制过的红外射线信号来进行位置来估算，然后再通过有线或无线网络将数据传输给控制中心实现定位。其优点是具有相对较高的室内定位精度；其缺点是直线视距和传输距离较短，很容易受墙壁或其它障碍物遮挡，并且很容易被室内其他光源或热源干扰，大量铺设红外线设备对人体健康造成损害，室内定位的应用受到很大限制。

超声波技术是通过发射波与回波之间的时间差来计算物体间的距离，采用三角定位或三边定位方法确定物体定位的方法。其优点是系统简单，室内定位精度较高；其缺点是需要大量设备硬件，成本费用很高，受非视距和多径效应影响严重，使用范围有限。

于上述这些射频技术普遍存在易受其它射频信号干扰，稳定性差，定位精度不高，定位距离短，无线通信频谱资源占用重叠的现象严重等问题，均不适宜室内复杂环境定位。因此产业界迫切需要一种普适，低功耗、定位精度高，能广泛应用于室内定位的技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种白光LED通讯室内定位系统及方法，对现有技术普遍使用的室内照明LED灯具进行简单改造，不需另外铺设额外辅助设备条件下，具有照明与通讯定位双重功能，保密性好，安全性高，不受电磁波干扰，通信速率快，成本费用低，可见光波段属于空白频谱段，无需授权许可，能广泛应用于人口密集及射频禁用的室内定位。

其具体技术方案为：

一种白光LED通讯室内定位系统，包括发射中控平台1、多组发射机3(一个发射机配一个LED灯)、接收机4、后台解算平台5。发射中控平台1通过照明电力线路2与多组发射机3实现电力载波信息传递，多组发射机3每个发射机与匹配LED灯采用电路连接，多组发射机3通过发射光信号与接收机4实现通信，接收机4的定位信息通过蓝牙传给后台解算平台5解算。

发射中控平台采用电力载波技术，通过照明线路将分时规划指令报文传递给不同的发射机，发射机按指令将报文编码、调制处理为直流脉冲信号，耦合于LED驱动基准电源，驱动LED灯发射互不干扰的光信号,接收机将接收到的光信号进行系列处理，从而获得光信号的强度、传输时间长度等数字信息，并通过蓝牙接口传递给后台解算平台，后台解算平台自建立了优化融合算法软件，反馈闭环自适应校正系统，反复融合光传输时间长度与光强度衰减与距离函数关系，求解出接收机的坐标位置，并加载于地图上实现定位。

优选地，所述发射中控平台包括中央处理单元、RTC时钟模块、电力载波模块、对外接口、电源(AC/DC)。中央处理单元采用ARM+FPGA组成，其中ARM模块运行嵌入linux系统，并提供应用层软件，FPGA模块有信道编码、数据缓存、调制解调功能，ARM与FPGA采用数据、地址总线连接。RTC时钟为系统提供基准时间、时钟对时，电力载波模块通过电力线输送数字信号，对外接口带有LAN、WLAN、USB等人机交互接口，电源(AC/DC)模块为内部电路使用电源。

优选地，所述多组发射机(一个发射机配一个LED灯)每个发射机包括发射处理单元、拨码开关、RTC时钟模块、电力载波模块、高速开关、耦合器、对外连接器、电源管理单元。发射处理单元由ARM模块组成，ARM有指令解码、数字编码、信号调制、控制发射机各个模块及器件的功能，拨码开关用于状态(输出功率、时钟同步等)设置，RTC时钟作为时钟定时，电力载波模块负责与发射中控平台进行信息交互，耦合器是将调制后的脉冲信号耦合到LED驱动电源上，高速开关调节LED灯发射，对外连接器用于外部与发射机各单元的接口连接，电源管理单元将交流电源进行AC/DC(交流/直流)、DC/DC变换，一部分提供给LED驱动基准电源，一部分降压后提供给发射机内部电路使用及LED点亮电源。

优选地，所述接收机包括接收处理单元(ARM+FPGA)、光电传感器(PD)、RTC时钟模块、可变增益放大器(VGA)、带通滤波器(BPF)、模数转换(ADC)模块、对外接口(Wi-Fi、蓝牙、USB等)、电源管理单元。光电传感器(PD)将接收的光信号转换为电信号，去除PD的直流偏置信号，可变增益放大器(VGA)使电信号增益放大、带通滤波器去除杂散光，模数转换(ADC)模块将模拟电信号转换为数字信号，接收处理单元由ARM+FPGA模块组成，ARM+FPGA有信号采集、指令解码解调功能，并通过蓝牙将信号输出至后台解算平台，RTC时钟模块作为时钟定时，对外接口有Wi-Fi、蓝牙、USB等信息交互接口，电源管理单元有高能电源模块、DC/DC变换，负责向接收机内部电路及硬件提供使用电源。

一种白光LED通讯室内定位方法，采用时分、优化光传输时间长度计算距离的技术，包括以下步骤：

步骤1、首先根据室内照明场域里众多LED灯具的数量及布置拓扑图，制定各个LED灯之间共用一个信道的时分方法，对各个LED灯具的发射时间(时序排列)进行间隔控制，使得灯光不重叠的各个LED同时发送信息，这样可以将整个场域的灯具仅仅排列为几十个甚至几个时序，大大缩短报文发送时间。此时序脚本文通过对外接口(USB)输入发射中控平台。

步骤2、发射中控平台中央处理单元ARM读取传输来的时序脚本文，并组装成含有ID号、时钟信号等信息的报文传递给FPGA编码、存储、整理，再通过电力载波技术加载于照明电力线上，实现向不同的发射机发送数据信号。

步骤3、每个发射机配置一个LED灯具，且每个发射机只有唯一个ID号，只有接收到带有当前发射机所对应的ID号的报文时，该发射机才接收并处理该报文。发射处理单元(ARM)通过电力载波技术接收发射中控平台发送的报文，从而获得报文中的时序与网络RTC时钟信号等信息，通过系统网络RTC时钟对时，实现本发射机与其他发射机之间的时钟同步，同时确定定位信息的发射时间戳、频率等信息，所需发射的定位信息经指令解码、数字编码、信号调制为直流脉冲信号，并通过控制高速开关、耦合器将数字直流脉冲信号耦合于LED驱动基准电源上，驱动LED灯具发射光信号。

步骤4、微弱光信号经接收机光电传感器(PD)接收并转换为电信号，去除PD的直流偏置信号，再经可变增益放大器(VGA)增益放大、带通滤波器去除杂散光，模数转换(ADC)模块将模拟电信号转换为数字信号，接收处理单元(ARM+FPGA)对信号进行采集、解调、解码(所采用的解调、解码方法与发射机相对应)，利用无线网络(WIFI)实现RTC时钟校准，获取发射机的定位信息中的时间戳与接收机本地时间戳的差值、接收机将光信号的强度、时间长度、频率等信息通过对外接口(蓝牙)传送给后台解算平台。

步骤5、后台解算平台是通过获取光传输时间长度和光强度信息进行优化融合定位的。首先整个系统存在一个时钟精度足够高的系统时钟输出源，并且该时钟源通过网络的方式向各个发射机输出时钟戳，各发射机均按照该时钟源输出的时间戳信息进行对时，由于时钟源到各发射机之间的延时误差均可视为一致，故可认为实现发射机时钟同步。接收机接收到发射机的报文之后，可以得到接收报文的时间戳,接收时间戳减去发射时间戳即可得到一个时间长度T。后台解算平台根据光传输时间长度T和光速常量c,利用最小二乘反演方法得到接收机到各发射机之间的距离,同时根据光强场域模型变化量与距离的函数关系，采用优化融合的算法及反馈的闭环自适应校正系统求解出接收机的坐标位置，至少通过3个以上发射机(LED灯)到接收机的距离进行解算，从而得到接收机3D坐标，并加载于地图上实现定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明具有定位精度高(＜±0.3m)、成本低、操作简便等特点，适合推广应用。

附图说明

图1白光LED通讯室内定位系统示意图；

图2发射中控平台架构示意图；

图3发射机架构示意图；

图4接收机架构示意图；

图5时分灯具规划排列示意图。

图6发射中控平台ARM+FPGA模块运行流程图。

图中：1－发射中控平台、2－照明电力线、3－多组发射机(一个发射机配一个LED灯)、4－接收机、5－后台解算平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明提供了一种白光LED通讯室内定位系统，包括发射中控平台1、多组发射机3(一个发射机配一个LED灯)、接收机4、后台解算平台5(见图1)。

发射中控平台包括中央处理单元、RTC时钟源模块、电力载波模块、对外接口、电源(AC/DC)模块(见图2)。中央处理单元采用ARM+FPGA架构，其中ARM模块运行嵌入linux系统，并提供应用层软件，FPGA模块实现信道编码、数据缓存、调制解调功能，ARM模块与FPGA模块的数据和地址总线相连接以进行控制指令和数据交互，RTC时钟源模块为系统提供基准时间，时钟对时。电力载波模块通过电力线输送数字信号，对外接口带有LAN、WLAN、USB等人机交互接口，电源(AC/DC)模块为内部电路提供使用电源。

发射中控平台首先将预先设定的时分灯具规划排列指令报文通过对外接口(USB)传递到中央处理单元，ARM模块读取发射时序脚本文件。

脚本文件采用类似windows中的ini文件格式，说明如表1所示。

表1

根据发射时序脚本文件所定义的发射时序逻辑生成相应的命令报文的延时发送时间、固定发送时间、间隔发送时间，并针对各个发射机组装相应的命令报文，发送到FPGA模块编码、存储、整理，再由电力载波模块通过电力载波技术将命令报文经电力线上传递给多个发射机，所述命令报文中还包括有与所要接收该命令报文的发射机相对应的ID号。

发射机群组包括多个发射机和LED灯具构成的组，每个发射机配置一个被控制LED灯具，发射机设置于LED照明灯具之内，

其中，每个发射机均包括发射处理单元(ARM模块)、拨码开关、RTC时钟模块、电力载波模块、高速开关、耦合器、对外连接器、电源管理单元(见图3)。

发射机通过电力载波模块与发射中控平台进行信息交互，发射处理单元(ARM)根据与各自发射机对应的ID号取出本机应该接收并处理的发射中控平台发送的命令报文，从而获得命令报文中的时序与网络RTC时钟信息，经过与发射中控平台的RTC时钟对时，实现本发射机与其他发射机之间10nS级的时钟同步，同时确定发射时间戳、ID号、频率等定位信息，发射的定位信息经指令解码、数字编码、信号调制，使其成为数字直流脉冲信号，LED驱动基准电源经耦合器耦合了数字直流脉冲信号从而成为LED直流驱动信号，通过高速开关控制驱动LED灯具进行发射，此时LED灯具产生的光信号也相应地被编码调制上了定位信息。

电源管理单元将由电力线提供的220V交流电变换为24V直流电(AC/DC)，再降压为16V、3.3V(DC/DC)，24V直流电作为LED驱动基准电源，16V直流电作为LED点亮电源，3.3V直流电作为发射机内部电路使用电源。

接收机由多个客户端接收机组成，每个接收机包括接收处理单元(ARM+FPGA)、光电传感器(PD)、RTC时钟模块、可变增益放大器(VGA)、带通滤波器(BPF)、模数转换(ADC)模块、对外接口(Wi-Fi、蓝牙、USB等)、电源管理单元(见图4)。光电传感器(PD)将光信号转换为电信号，去除PD的直流偏置信号，可变增益放大器(VGA)使电信号增益放大、带通滤波器去除杂散光，模数转换(ADC)模块将模拟电信号转换为数字信号，接收处理单元(ARM+FPGA)采用扫频方式搜索、采集信号，由于发射机(包括LED灯具)被分为至少50个以上的频点，在载波频率附近搜索、采集信号采用如下具体步骤：

1)接收机从低频点开始采样数据并进行解码。

2)在12mS内判定是否有LED灯光发射的报文信息。

3)如果有报文，则继续采样。在1.5秒范围内读取所有的报文。这里有两个停止采样准备数据传输的边界条件：(1)时间达到1.5秒；(2)采样达到8个灯。

4)若(2)、(3)均不成立则更换频点，重复第(3)步骤。

5)在全部频点扫描过程中最多记录15个LED灯信息。若在未实现全频段扫描过程中，已经发现10个LED，则不在继续扫描，记录匹配的发射机相关数据。

6)完成初次扫描后，以后次依旧从(1)步骤开始循环。

接收处理单元(ARM+FPGA)对搜索、采集到的信号进行解调解码(解调解码方法与发射机编码调制方法相对应)，实现RTC时钟校准定时，获取发射机时间戳与接收机时间戳的差值、光信号的强度及附加的其它信息，并通过对外接口(蓝牙)将信息发送给后台解算平台。

后台解算平台已经建立的数学物理模型、各个LED灯的拓扑图坐标、优化融合定位算法软件、反馈的闭环自适应校正系统。该平台再根据光传输时间长度T和光速常量c,利用最小二乘迭代反演算方法得到接收机到发射机之间的时间长度距离L，同时利用光强场域模型中光强衰减与距离的函数关系，融合调整时间长度距离L，得到L₁，…依次重复，解算接收机与LED灯之间距离的坐标位置，并加载于地图上实现定位。

人为设定分时序控制各个LED灯具发射的规划排列指令报文的特征(见图5)：由于一条电力线或同一电力线网络上带有多个LED灯具，数量可能多达几百个甚至更多，因此需要对各个LED灯具的发射时间(时序排列)进行间隔控制以共用有限的信道，使灯光覆盖区域不重叠的多个LED灯具同时发送各自定位信息及时间控制，可以将整个场域的数百个或者更多的LED灯具只使用几十个甚至仅仅几个时序，从而大大缩短定位报文发送和处理时间。，将室内照明区域划分为A、B、C……等多个区域，其中A区之间LED灯光之间存在相互重叠，B区之间LED灯光之间存在重叠。但是A11、B11、C11、D11……灯光之间并不重叠，A22、B22、C22、D22……之间灯光也不重叠，因此在时序规划时可以让A11、B11、C11、D11……同时发送信号。同理，可以让A22、B22、C22、D22……同时发送信号。即时刻需要灯光区域不重叠的Aij、Bij、Cij、Dij……灯具发送数据其他均保持常亮，i，j属于自然数。例如，假设控制100个LED灯具，根据灯光覆盖范围不重叠的原则将其分为10组，每组灯具(报文脚本)发送间隔时间8mS，报文总数NUM_Msg数值为10(不同的控制时序报文数量不同)。

发射中控平台ARM+FPGA模块运行流程的特征(见图6)：系统启动初始化并进入自检程序，若不正常，自动返回继续调整直到正常，关闭外部触发中断，ARM模块开始依次读取这些发射时序脚本文件，开启外部触发中断，ARM模块首先将读取的控制灯具数、发送间隔时间、报文总数等报文参数输出到FPGA模块中的寄存器，然后将读取[报文正文内容]中的数据包类型识别位的报文，继续不间断输出到FPGA模块中的寄存器，再经整理成不同报文，通过电力载波技术将共用一个信道的报文传递给发射机。

本发明第一种实施方式是取3组发射机与LED灯位置场域，接收机固定在可移动的定位目标上，在室内环境下做水平运动，接收机与发射机之间可认为始终保持一固定垂直高度，从而得到接收机3D坐标。并加载于地图上实现定位。

本发明第二种实施方式与第一种实施方式大致相同，主要区别在于：第二种实施方式是取10组发射机与LED灯位置场域，接收机与发射机为可变垂直高度，建立新的光强场域模型，确定光强度衰减与距离的高阶函数关系，调整接收机到发射机之间的光传输时间距离，实现三维定位。其它实施步骤同上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种白光LED通讯室内定位系统，其特征在于，包括发射中控平台、多组发射机、接收机、后台解算平台；发射中控平台通过照明电力线路与多组发射机实现电力载波信息传递，多组发射机每个发射机与匹配LED灯采用电路连接，多组发射机通过发射光信号与接收机实现通信，接收机的定位信息通过蓝牙传给后台解算平台解算。

2.根据权利要求1所述的白光LED通讯室内定位系统，其特征在于，

所述发射中控平台包括中央处理单元、RTC时钟模块、电力载波模块、对外接口、电源模块，中央处理单元采用ARM+FPGA组成，其中ARM模块运行嵌入linux系统，并提供应用层软件，FPGA模块有信道编码、数据缓存、调制解调功能，ARM与FPGA采用数据、地址总线连接；RTC时钟为系统提供基准时间、时钟对时，电力载波模块通过电力线输送数字信号，对外接口带有LAN、WLAN、USB的人机交互接口，电源模块为内部电路使用电源。

3.根据权利要求1所述的白光LED通讯室内定位系统，其特征在于，所述的多组发射机每个发射机包括发射处理单元、拨码开关、RTC时钟模块、电力载波模块、高速开关、耦合器、对外连接器、电源管理单元；发射处理单元由ARM模块组成，ARM有指令解码、数字编码、信号调制、控制发射机各个模块及器件的功能，拨码开关用于状态设置，RTC时钟作为时钟定时，电力载波模块负责与发射中控平台进行信息交互，耦合器是将调制后的脉冲信号耦合到LED驱动电源上，高速开关调节LED灯发射，对外连接器用于外部与发射机各单元的接口连接，电源管理单元将交流电源进行AC/DC、DC/DC变换，一部分提供给LED驱动基准电源，一部分降压后提供给发射机内部电路使用及LED点亮电源。

4.根据权利要求1所述的白光LED通讯室内定位系统，其特征在于，所述接收机包括接收处理单元、光电传感器、RTC时钟模块、可变增益放大器、带通滤波器、模数转换模块、对外接口、电源管理单元；光电传感器将光信号转换为电信号，去除PD的直流偏置信号，可变增益放大器使电信号增益放大、带通滤波器去除杂散光，模数转换模块将模拟电信号转换为数字信号，接收处理单元由ARM+FPGA模块组成，ARM+FPGA有信号采集、指令解码解调功能，并通过蓝牙接口将信号输出至后台解算平台，RTC时钟模块作为时钟定时，对外接口有Wi-Fi、蓝牙、USB的信息交互接口，电源管理单元有高能电源模块、DC/DC变换，负责向接收机内部电路及硬件提供使用电源。

5.一种白光LED通讯室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先根据室内照明场域里众多LED灯具的数量及布置拓扑图，制定各个LED灯之间共用一个信道的时分方法，对各个LED灯具的发射时间进行间隔控制，使得灯光不重叠的各个LED同时发送信息，将整个场域的灯具仅仅排列为几十个甚至几个时序，大大缩短报文发送时间；此时序脚本文通过对外接口输入发射中控平台；

步骤2、发射中控平台中央处理单元ARM读取传输来的时序脚本文，并组装成含有ID号、时钟信号的信息的报文传递给FPGA编码、存储、整理，再通过电力载波技术加载于照明电力线上，实现向不同的发射机发送数据信号；

步骤3、每个发射机配置一个LED灯具，且每个发射机只有唯一个ID号，只有接收到带有当前发射机所对应的ID号的报文时，该发射机才接收并处理该报文；发射处理单元通过电力载波技术接收发射中控平台发送的报文，从而获得报文中的时序与网络RTC时钟信号的信息，通过系统网络RTC时钟对时，实现本发射机与其他发射机之间的时钟同步，同时确定定位信息的发射时间戳、频率的信息，所需发射的定位信息经指令解码、数字编码、信号调制为直流脉冲信号，并通过控制高速开关、耦合器将数字直流脉冲信号耦合于LED驱动基准电源上，驱动LED灯具发射光信号；

步骤4、微弱光信号经接收机光电传感器接收并转换为电信号，去除PD的直流偏置信号，再经可变增益放大器增益放大、带通滤波器去除杂散光，模数转换模块将模拟电信号转换为数字信号，接收处理单元对信号进行采集、解调、解码，利用无线网络实现RTC时钟校准，获取发射机的定位信息中的时间戳与接收机本地时间戳的差值、接收机将光信号的强度、时间长度、频率的信息通过对外接口传送给后台解算平台；

步骤5、后台解算平台是通过获取光传输时间长度和光强度信息进行优化融合定位的；首先整个系统存在一个时钟精度足够高的系统时钟输出源，并且该时钟源通过网络的方式向各个发射机输出时钟戳，各发射机均按照该时钟源输出的时间戳信息进行对时，由于时钟源到各发射机之间的延时误差均视为一致，认为实现发射机时钟同步；接收机接收到发射机的报文之后，得到接收报文的时间戳,接收时间戳减去发射时间戳即得到一个时间长度T；后台解算平台根据光传输时间长度T和光速常量c,利用最小二乘反演方法得到接收机到各发射机之间的距离,同时根据光强场域模型变化量与距离的函数关系，采用优化融合的算法及反馈的闭环自适应校正系统求解出接收机的坐标位置，至少通过3个以上发射机到接收机的距离进行解算，从而得到接收机3D坐标，并加载于地图上实现定位。