CN107741225B - 一种基于太阳能电池的被动式定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于太阳能电池的被动式定位系统包括：光源控制模块，光源和锚节点及无线数据采集模块和数据处理模块，锚节点包括太阳能电池、信号处理模块、电流检测与计量模块、锚节点控制模块、可见光通信解调模块和无线通信模块。锚节点控制模块，判断太阳能电池输出的电信号的变化量是否大于设定阈值，在太阳能电池输出的电信号的变化量大于设定阈值时，激活可见光通信解调模块和无线通信模块，命令可见光通信解调模块解调由光信号转换成的数字信号并识别出光源的编号，同时也命令锚节点的无线通信模块与定位系统的无线数据采集模块进行通信。本发明同时提供一种采用上述定位系统实现的定位方法，通过太阳能电池检测被定位目标遮挡的阴影链路获取定位目标的位置信息。

Description

一种基于太阳能电池的被动式定位系统
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能电池的被动式定位系统及方法，属于定位领域。
背景技术
现今的定位技术的研究已经非常广泛，所应用到的设备也非常的丰富，主要包括视频摄像，红外，蓝牙，wifi，超声波，可见光等。然而这些技术设备都存在一些缺陷，比如，利用视频图像的识别来对目标定位并不适合比较私密的空间，红外和超声波定位设备比较昂贵，蓝牙和WiFi的定位精度不高等。最重要的是这些技术都需要通过外部电源进行供电才可以工作。因此增加了定位系统安装的复杂度，并提高了定位设备的后期维护费用。
近年来，国内外的科研机构都对基于可见光通信的定位技术进行了大量的研究，研究发现可见光的定位精度非常高可以到达毫米量级。但是这些研究全都是利用光电探测器对可见光的强度进行检测实现定位。由于光电探测器的成本较高，且易损坏，同时需要稳压电源提供供电，因此不适于大规模的进行应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种维护成本低，不需要外部供电的被动式定位系统，同时给出一种定位方法。技术方案如下：
一种基于太阳能电池的被动式定位系统包括：光源控制模块，分布在定位区域的多个光源和多个锚节点，无线数据采集模块和数据处理模块，其特征在于，锚节点包括太阳能电池、信号处理模块、电流检测与计量模块、锚节点控制模块、可见光通信解调模块和无线通信模块，其中，
光源控制模块，用于控制光源根据信道复用的方式发射光信号，使锚节点可以根据接收到的光信号识别出光源的编号；
太阳能电池，用来检测光源发射的光信号，并将光信号转换成电信号；用于对整个锚节点供电
信号处理模块，用于对太阳能电池输出的电信号进行放大和滤波处理；
电流检测与计量模块，用于检测信号处理模块输出的经过处理的电信号，将其转换成数字信号，并送入锚节点控制模块；
锚节点控制模块，判断太阳能电池输出的电信号的变化量是否大于设定阈值，在太阳能电池输出的电信号的变化量大于设定阈值时，激活可见光通信解调模块和无线通信模块，命令可见光通信解调模块解调由光信号转换成的数字信号并识别出光源的编号，同时也命令锚节点的无线通信模块与定位系统的无线数据采集模块进行通信，向无线数据采集模块发送该锚节点位置信息及对应的光源的编号；
无线数据采集模块将接收到的各锚节点的位置信息及对应的光源的编号发送到数据处理模块进行后续的定位处理。
本发明同时提供一种采用上述定位系统实现的定位方法，通过太阳能电池检测被定位目标遮挡的阴影链路获取定位目标的位置信息，步骤如下：
(1)初始阶段，定位区域没有目标出现的情况下，检测监控区域铺设的锚节点中太阳能电池的输出电流I0；
(2)线下指纹采集阶段，此时各个太阳能电池产生的电流强度为Ik
(3)判断太阳能电池的输出电流的变化量ΔIk＝Ik-I0是否大于预设阈值Iset，若变化量大于阈值，则无线通信模块发送该锚节点的编号及对应的光源编号；
(4)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的锚节点的编号发送给数据处理模块，则生成每个预定位置对应的锚节点的指纹库
(5)定位阶段，各个太阳能电池产生的电流强度为It；
(6)判断太阳能电池输出电流的变化量ΔIt＝It-I0是否大于预设阈值Iset，若大于设定阈值，则无线通信模块发送此锚节点的位置和编号信息，及对应的光源编号；
(7)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的锚节点信息发送给数据处理模块；
(8)利用聚类算法对锚节点进行聚类，得到多个簇向量组成簇向量组，每个簇向量包含属于该簇的锚节点的编号；
(9)从每个光源对应的簇向量组里各抽出一个簇向量，组成新的M*N个簇向量组，M为光源的个数， N为每个光源对应的簇向量组里簇的个数；
(10)将线上阶段各个预知位置对应的锚节点信息与新组成的M*N各簇向量组做匹配得到目标坐标。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，适于与已有的可见光通信系统进行整合。太阳能电池可以同时承担检测光信号和为定位系统提供电能的工作，可以大大节约定位系统维护的成本，易于大范围的应用。同时本发明提供的被动式定位的方法，可以利用单目标指纹库定位多个目标，大大降低了指纹库的构建成本，且降低指纹库的存储时间。
附图说明
图1为本发明锚节点的结构图。
图2为本发明的基于太阳能电池的被动式定位系统的场景示意图。
图3为本发明提出定位方法的框架示意图
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造做进一步的详细说明，本实例仅限于说明本发明的一种实施方法，不代表对本发明覆盖范围的限制。
本发明的被动式定位系统包括光源(如LED灯、日光灯、白炽灯等)，光源控制模块，锚节点(包括：太阳能电池、信号处理模块、电流电压检测与计量模块、锚节点控制模块、可见光通信(VLC)解调模块和无线通信模块)，无线数据采集模块和数据处理模块。光源控制模块用于控制光源根据信道复用的方式 (如时分复用，频分复用，码分复用，波分复用等)发射光信号，使接收端可以根据接收到的光信号识别出光源的编号。锚节点按照一定的规则(如等间距的)铺设在定位区域用于检测各光源发射信号的特征，本发明首次提出锚节点利用太阳能电池的输出电流(或电压)检测光信号的同时为锚节点中各个模块提供电能。当某锚节点控制模块判断太阳能电池的输出电流(或电压)的变化量大于设定的阈值时，锚节点控制模块激活可见光通信解调模块和无线通信模块，命令VLC通信解调模块解调光信号并识别出光源的编号，同时也命令无线通信模块与无线数据采集模块进行通信，传输该锚节点位置信息及对应的光源的编号。数据处理模块将无线数据采集模块传来的位置信息进行处理得到目标的位置信息。
如图1所示，为本发明的锚节点的结构图。当光源发出的光照射到锚节点结构中的太阳能电池时，太阳能电池中产生电流(或电压)并储存电能，并为锚节点中各个模块和无线通信提供电能。当如图2所示，定位目标出现在监控区域时，光源发出的光受到被定位目标遮挡，其中一部分太阳能电池产生的电流(或电压)会迅速变小，当变化量大于电流检测与计量模块中设定的阈值时，锚节点控制模块激活VLC解调模块和无线通信模块，命令VLC解调信号处理模块的输出信号获取光源的编号，并命令无线通信模块向无线数据采集模块发送该锚节点的位置信息及光源的编号。无线数据采集模块在每个工作周期末尾向数据处理模块传输所接收到的信息。数据处理模块对数据进行处理。该定位方法处理的步骤为(这里以太阳能电池的输出电流为例)
(1)初始阶段，定位区域没有目标出现的情况下，各个太阳能电池产生的电流强度为I0。
Figure BDA0001395194070000031
中m表示锚节点的编号，n表示光源的编号；
(2)线下指纹采集阶段，将被定位物体放置在定位区域的预设位置 P＝[X1 … Xk… XK]，Xk＝(xk，yk)T。此时各个太阳能电池产生的电流强度为
Figure BDA0001395194070000032
将该数据存储，并用于构建指纹库。
(3)判断各太阳能电池输出电流的变化量ΔIk＝Ik-I0是否大于预设阈值Iset。若
Figure BDA0001395194070000033
则无线通信模块发送该锚节点的位置信息及对应的光源编号；
(4)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的信息发送给数据处理模块，则生成每个预定位置对应指纹库：S＝[S1 … Sk … SK]，
Figure BDA0001395194070000041
收到锚节点信息的
Figure BDA0001395194070000042
没收到锚节点信息的
Figure BDA0001395194070000043
(5)定位阶段，各个太阳能电池产生的电流强度为It。
Figure BDA0001395194070000044
(6)判断各光源由各太阳能电池转换的电流的变化量ΔIt＝It-I0是否大于预设阈值Iset。若
Figure BDA0001395194070000045
则无线通信模块发送该锚节点的位置信息及对应的光源编号；
(7)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的信息发送给数据处理模块，则生成锚节点状态矩阵：
Figure BDA0001395194070000046
收到锚节点信息的
Figure BDA0001395194070000047
没收到锚节点信息的
Figure BDA0001395194070000048
(8)根据锚节点状向量
Figure BDA0001395194070000049
中状态为1的锚节点的坐标之间的欧式距离，利用聚类算法对锚节点状向量Sn进行分簇，得到簇向量组
Figure BDA00013951940700000410
其中Rn为某锚节点对应第n 个光源的状态向量Sn的分簇数，W为其对应的每个簇的包含锚节点编号；
(9)根据分出的所有簇向量进行插值构建单目标锚节点状态矩阵
Figure BDA00013951940700000411
(10)步骤9中插值的特征为
Figure BDA0001395194070000051
中，若
Figure BDA0001395194070000052
存在则对应的
Figure BDA0001395194070000053
设为1；若
Figure BDA0001395194070000054
不存在则
Figure BDA0001395194070000055
插入0；
(11)将线上阶段状态矩阵与指纹库中的状态矩阵做匹配得到目标坐标。

Claims (1)

1.一种基于太阳能电池的被动式定位系统包括：光源控制模块，分布在定位区域的多个光源和多个锚节点，无线数据采集模块和数据处理模块，其特征在于，锚节点包括太阳能电池、信号处理模块、电流检测与计量模块、锚节点控制模块、可见光通信解调模块和无线通信模块，其中，
光源控制模块，用于控制光源根据信道复用的方式发射光信号，使锚节点可以根据接收到的光信号识别出光源的编号；
太阳能电池，用来检测光源发射的光信号，将光信号转换成电信号并对整个锚节点供电；
信号处理模块，用于对太阳能电池输出的电信号进行放大和滤波处理；
电流检测与计量模块，用于检测信号处理模块输出的经过处理的电信号，将其转换成数字信号，并送入锚节点控制模块；
锚节点控制模块，判断太阳能电池输出的电信号的变化量是否大于设定阈值，在太阳能电池输出的电信号的变化量大于设定阈值时，激活可见光通信解调模块和无线通信模块，命令可见光通信解调模块解调由光信号转换成的数字信号并识别出光源的编号，同时也命令锚节点的无线通信模块与定位系统的无线数据采集模块进行通信，向无线数据采集模块发送该锚节点位置信息及对应的光源的编号；
无线数据采集模块将接收到的各锚节点的位置信息及对应的光源的编号发送到数据处理模块进行后续的定位处理，其中，通过太阳能电池检测被定位目标遮挡的阴影链路获取定位目标的位置信息，步骤如下：
(1)初始阶段，定位区域没有目标出现的情况下，检测监控区域铺设的锚节点中太阳能电池的输出电流I0；
(2)线下指纹采集阶段，此时各个太阳能电池产生的电流强度为Ik
(3)判断太阳能电池的输出电流的变化量ΔIk＝Ik-I0是否大于预设阈值Iset，若变化量大于阈值，则无线通信模块发送该锚节点的编号及对应的光源编号；
(4)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的锚节点的编号发送给数据处理模块，则生成每个预定位置对应的锚节点的指纹库
(5)定位阶段，各个太阳能电池产生的电流强度为It；
(6)判断太阳能电池输出电流的变化量ΔIt＝It-I0是否大于预设阈值Iset，若大于设定阈值，则无线通信模块发送此锚节点的位置和编号信息，及对应的光源编号；
(7)无线数据采集模块将一个工作周期内接收的锚节点信息发送给数据处理模块；
(8)利用聚类算法对锚节点进行聚类，得到多个簇向量组成簇向量组，每个簇向量包含属于该簇的锚节点的编号；
(9)从每个光源对应的簇向量组里各抽出一个簇向量，组成新的M*N个簇向量组，M为光源的个数，N为每个光源对应的簇向量组里簇的个数；
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