CN107945567A - 基于LiFi技术的智能停车场寻车系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，包括：LED光源、LED光信号接收模块、数字信号处理模块、无线通讯模块、客户端、蓝牙模块、云端服务器，所述无线通讯模块包括WiFi模块以及无线4G模块，客户端为用户手机、云端服务器为一电脑；所述基于LiFi技术的智能停车场寻车系统建立在IP网络基础设施环境之上，通过WiFi网络或移动网络为定位导航终端提供定位地图数据下载和地图服务，LED光源作为地图每个车位的节点标识。用户在停车场设置的诸多服务点处拿到LED光信号接收器，将接收器靠近车位灯，识别成功后，将手机再靠近接收器，该接收器将通过蓝牙通信与手机连接，唤醒手机地图app以及提供位置信息，结合下载的地图，可以轻松实现路径查询功能，再结合客户端手机自带的惯性传感器，进行导航引导。

Description

基于LiFi技术的智能停车场寻车系统

背景技术

随着经济的发展和科学技术的进步，现代室内停车场逐渐向大型化、多空间、多功能、智能管理的方向发展，相应的智能反向寻车系统应运而生。当室内停车场空间较大，楼层不单一，停车位较多时，车主返回停车场，面对相似的环境，很容易分不清楚车辆所停靠的位置，从而浪费一些时间在寻找车辆上，同时也给停车场内的行车安全带来一定的隐患。故而，停车场定位成为我们要解决的问题。

说起定位，大家自然都会想到GPS，在室内因卫星信号较差，而不能进行定位。随着室外定位(GPS) 和基于位置的服务(地图+导航)为用户带来的良好体验；特别是其所能带来的巨大的应用和商业潜能对室内定位技术提出了更高的要求和更多的需求。室内定位面临很多独特的挑战，比如说室内的环境动态性很强，不同室内具有不同的布局；某些室内环境位置区分精细，就需要更高精度来分辨不同的特征。虽然许多无线通信芯片来源于国外，但在应用上也受到单一技术无法解决各种挑战，并且不同解决方案存在不同的优势和不同的局限。国内外在室内定位技术应用领域都处于技术尝试阶段。

发明内容

本发明提供基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，LiFi(可见光通信技术)，可见光通信作为一种新兴无线通信方式，因其能效高，绿色环保，不受电磁干扰影响，兼具照明和定位两种功能等优势而成为近年来的一个研究热点，基于可见光通信的室内定位技术也随之被提出。其原理是将需要传输的信息用脉冲宽度调制编译成LED的频闪信号，通过接受装置的光硅管、定时器模块、FSK技术完成光信号、电信号、数字信号的转换。

利用室内无处不在的照明光源作为发射载体，当用户进入灯具照明区域，利用智能手机的外设模块接收并识别光信号，解析出灯具发送的唯一识别信息。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位。相比较其他定位技术，免去了基于位置信号强度的定位算法以及信息处理过程。

基于光波信号的调制原理已经可以应用在很多领域，利用其不同的代码信息，我们将利用停车场每一个车位的LED灯，编织成地图的节点。由于国内外手机摄像头识别光信号研究技术尚未成功，我们用我们所熟知的51单片机控制板作为接收装置，再利用蓝牙传输，向用户手机传输信息，从而构建了我们的停车场寻车系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，包括：LED发射光源、LED光信号接收模块、数字信号处理模块、无线通讯模块、客户端、蓝牙模块、云端服务器，所述无线通讯模块包括WiFi模块以及无线4G模块，客户端为用户手机、云端服务器为一电脑；

所述基于LiFi技术的智能停车场寻车系统建立在 IP 网络基础设施环境之上，通过WiFi 网络或移动网络为定位导航终端提供定位地图数据下载和地图服务，LED光源作为地图每个车位的节点标识。用户在停车场设置的诸多服务点处拿到LED光信号接收器，将接收器靠近车位灯，识别成功后，将手机再靠近接收器，该接收器将通过蓝牙通信与手机连接，唤醒手机地图app以及提供位置信息，结合下载的地图，可以轻松实现路径查询功能，再结合客户端手机自带的惯性传感器，进行导航引导。

所述光信号发射模块：

发射部分完成的功能就是调节出不同频率、不同占空比的可调方波信号，这里用到的是pwm脉冲宽度调制，在初次搭建时，我们选择用单片机的pwm的模块搭建运行环境，从而提供不同频率的正负电压，由于车库的LED灯功率较大，故我们接入H桥驱动电机电路来驱动LED。

按照上述，LED可以闪烁频率较高而且具有一段稳定的带宽，便于后期转换成数字信号。

所述光信号接收模块：

通过设计一个细长的管道加在硅管管的上面，在某一地点只能接收到有限个频率较强的光信号。硅光管通过接收光强变换，可以将发射模块的光信号通过空气介质转换成电信号，但此时电信号极其微弱，故我们用运算放大器设计了放大电路，可以将信号放大十倍左右。此时信号会受到很多干扰因素的影响，干扰因素包括其他光源以及自然白光的影响，故我们这时需将信号通过AD模块，以最高频率采样，再接入数字低通滤波器进行滤波，再恢复成方波信号，然后通过单片机的定时器模块读出频率值，这时我们通过FSK，完成频率带宽于数值的对应，从而完成车库位置的信息确认，所述编码可以包含时间信息、楼层信息以及车库相对位置信息等。再通过蓝牙装置将数码传给手机。

AD芯片可选用PCF8591，ADC0809或者直接使用微控制器内部AD，（转换速率要足够）等,光探测器我们选用硅光管而不是普通的光敏器件。

硅光管是一种直接由光能转换成电能的半导体器件，属整流光电元件。它有一个大面积的PN结，当光照射到PN结上时，在PN结两端便产生电动势，在电极之间就能输出一定的电流和电压。适用于光电检测元件、近红外探测器、光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直特性识别以及光电开关等。此款光电池具有光电倍增管、光电管、硒光电池所无法比拟的宽光谱响应，它特别适用于工作在300NM 到1000NM光谱范围的各种光学仪器（可见光光谱在400~760NM之间的）。对紫蓝光有较高的灵敏度，器件体积小，性能稳定可靠，电路设计简单灵活，是光电管和硒光电池的更新换代产品。

所述数字信号的处理模块：

数字信号的处理可选用单独微控制器处理，直接在移动端处理或提交至远程服务器处理。处理方法：首先预先处理，例如删去抖动点等，再通过接收到具体哪几个不同的频率的信号，大致确定所在区域，再通过不同频率信号的幅度进一步确定距离哪个灯的位置最近，距离哪个的位置最远，最终返回给用户位置。

所述蓝牙模块：

将蓝牙传输装置做进接收器内，从而能够向用户手机数据处理终端传输数据。考虑到接收器存放于停车场的各个服务点内，我们将在接收装置中加上防盗磁条，当有人拿走接收器时，门口检测器会发出响声，从而由工作人员制止这种行为的发生。用户可以在停车场入口处领取磁卡的同时领取接收器，在归还磁卡的同时归还接收器，从而减少了人力。

附图说明

图1为基于LiFi技术的智能停车场寻车系统的总框架；

图2为基于LiFi技术的智能停车场寻车系统工作原理；

图3为基于LiFi的光信号传输模块设计概括；

图4为LiFi基本原理图；

图5为脉冲宽度调制原理图；

图6为光信号发射端流程图；

图7为光信号接收端流程；

图8为移动客户端功能模块界面设计图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的一种具体实施方式：

基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，参照图1；整个系统建立在 IP 网络基础设施环境之上，通过 WiFi 网络或移动网络为定位导航终端提供定位地图数据下载和地图服务。LED光源作为地图每个车位的节点标识。用户在停车场设置的诸多服务点处拿到LED光信号接收器，将接收器靠近车位灯，识别成功后，将手机再靠近接收器，该接收器将通过蓝牙通信与手机连接，唤醒手机地图app以及提供位置信息，结合下载的地图，可以轻松实现路径查询功能，再结合客户端手机自带的惯性传感器，进行导航引导。

图2给出了该系统的工作原理流程图，具体过程如下:

1) 定位车：车辆停车入位后，车主去服务点任意拿取一个接收装置，用该装置识别某特定车位的LED灯信息。接收器可以解码LED频闪信息，通过蓝牙将信息传输给手机，从而手机用来定位车辆信息，并在移动端数据库中添加其车辆停靠信息(包括时间和位置信息) ，用完接收器则放回原处，或在还磁卡的地方归还接收器。

2) 定位人：客户取车时，车主进入停车场就最近服务点任意拿取一个接收装置，对准附近的车位的LED灯，则接收器可以解码LED频闪信息，并通过蓝牙将信息传输给手机，从而手机用来定位车辆信息，并在移动端数据库中添加车主的位置信息(包括时间和位置信息)，用完接收器则放回原处，或在还磁卡的地方归还接收器。

3) 路径规划：手机终端通过网络将地图数据下载到本地或获取对应的地图服务，根据移动端数据库中获得的起讫点信息，定位车辆位置，并进行最短路径的解算。

手机终端将路径显示在定位地图上，并启动惯性定位系统，通过运动检测和路径匹配来实现导航的实时引导，带领客户找到自己的车辆。

参照图3，我们通过实地观察室内停车场的环境，发现每个车位一般都有照明灯，因此将灯光信号的发生装置设置在LED灯内，既便于用户照明。也能有效地实现定位功能。同时为了便于组织交通，在入口( 如楼梯、电梯) 处也要设置这种LED灯，从而实现LED灯与导航地图的匹配。在导航应用中，利用接收器识别信息、Android手机分离出位置信息为导航提供起讫点位置信息，从而实现室内定位导航功能。

参照图4，LiFi通信就是以光波为载波的通信，即用信号对光波进行调制，这里使用脉宽调制(PWM)。发射模块流程参考图6，利用PWM可以给出不同频率、占空比的矩形电信号，此时信号比较小不足以带动大功率LED，所以通过H桥电路放大PWM信号，从而调解LED光的发射，一般情况下，当闪烁频率低于50Hz 以下时，人眼能够识别光源的闪烁，当光强以大于 50Hz 的频率工作时，人眼的反应已经跟不上光源的变化，大多数人将无法分辨出光源闪烁。从而，我们的系统在利用光通信技术完成定位功能的同时也作为光源发出稳定、连续的光，提供照明。

利用LED光通信信息容量大的优势，采用所述技术的车位灯将很好的完成数字信号0000001到1111111的编码，从而完成楼层、时间、车位编号等信息的输入，并实现频闪信号与导航地图的一一位置对应关系，即地图匹配。

信号调制电路原理如图5所示，脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

进一步的参照所述光信号发射端流程图6和光信号接收端流程图7，通过设计一个细长的管道加在光传感器的上面，在某一地点只能接收到有限个频率较强的光信号，经过放大后，AD转换为数字信号传递给微控制器或者移动端，经过FSK技术处理后得到的信息与数据库中的数据或者直接将信息提交到服务器处理，处理成功后返回位置信息给高层。

FSK是频移键控调制的简写，即用不同的频率来表示不同的符号。例如2KHz表示符号0，3KHz表示符号1。

进一步的所述数字信号的处理模块中，数字信号的处理可选用单独微控制器处理，直接在移动端处理或提交至远程服务器处理。处理方法：首先预先处理，例如删去抖动点等，再通过接收到具体哪几个不同的频率的信号，大致确定所在区域，再通过不同频率信号的幅度进一步确定距离哪个灯的位置最近，距离哪个的位置最远，最终返回给用户位置。

进一步的我们将蓝牙传输装置做进接收器内，从而能够向用户手机数据处理终端传输数据。考虑到接收器存放于停车场的各个服务点内，我们将在接收装置中加上防盗磁条，当有人拿走接收器时，门口检测器会发出响声，从而由工作人员制止这种行为的发生。用户可以在停车场入口处领取磁卡的同时领取接收器，在归还磁卡的同时归还接收器，从而减少了人力。

进一步的对于室内导航电子地图的设计：

由于室内空间是一个三维空间，各楼层具有不同的高程信息，但因为是人造空间，几何规则性强，上下层结构相似，其投影到平面上具有完全相同的平面坐标信息，造成了高程信息的唯一可辨识性。同时，室内空间具有更复杂的交通网络。水平方向上，主要交通沿走廊布设，但房间之间的连通，墙壁的限制等使得道路错综复杂; 垂直方向上，多层建筑楼梯、电梯形成了楼层间复杂的道路连通关系。我们根据应用背景和收集到的停车场原始数据，使用 ArcGIS 软件对数据进行加工处理，制作室内导航电子地图，并采用ArcGIS forAndroid 的插件技术对地图数据进行访问和操作，实现导航功能。

进一步的说明最短路径规划方案：

室内停车场的路径规划要解决的是从车主当前位置点到车辆停靠位置点之间如何到达的问题，是典型的最短路径分析。为了简化问题，便于计算机自动求解，需要将停车场内的实际交通路线抽象为边和结点，边代表路段，结点表示路段的端点和交叉点，由此构成有向加权图。形成网络数据集，记录任意两个位置之间的可能路径。

在此基础上定义加权函数为从边到权值的映射。

路径的权是指图中所有边的权值之和: 结点u到结点v之间的最短路径权值可以定义为：

则结点 u到结点 v之间的最短路径定义为权的任意路径。

本设计中采用距离作为权值，研究的是从起点到终点的一条距离最短的路径。在进行路径搜索时采用 Dijkstra 广度优先算法或 A* 启发式算法。我们系统中的APP利用了这种手段实现了车主到汽车的最短路径规划。

进一步的对于惯性定位引导：

惯性定位的基本原理是运动推算，在已知用户当前时刻的位置信息，根据用户的运动速度和运动方向来推算出用户下一时刻的位置。其实现的关键问题是起始位置的获取、运动速度的获取和运动方向的获取。

用户利用接收器识别的光信息来获得用户的初始位置信息。对于运动速度，考虑到室内停车场的应用环境，一般为步行方式，因此可转化为步长和步数的乘积。步长因人而异，但变化有限，可以取经验值(一般为 60 ～80 cm)。步数可以通过 Android 移动终端上的加速度传感器来检测。当用户行走时， Z方向上的加速度会产生相应的变化，并呈现周期性的规律，该周期数即为用户行走的步数。对于运动方向，考虑到路径引导的功能，因此用户一般会沿着导航路径进行行走，因此将导航路径作为用户移动方向的先验知识，使用Android 移动端的电子罗盘设备进行路径匹配验证。电子罗盘的定位精度有限，长时间的导航将存在累计误差。为了避免误差偏离过大，可以在路径匹配算法中为方向设置一个阈值(如与导航路径夹角不大于60°) ，在该阈值范围内时路径匹配成功，用户正在沿导航路径行走，当超过该阈值时，路径匹配失败，这时系统应提示用户扫描附近的车位灯，确定当前位置，重新进行定位导航。

利用此技术，将实现导航功能，并能够体现人性化、智能化等特点。

参照图8. 基于 Android 平台的系统设计：

移动端数据库设计

Android 提供了文件、数据库和网络方式来存取数据，所以我们利用Android的强大功能来作为终端处理器。我们考虑到移动手机的存储空间有限，兼顾数据显示和加载的速度，将采用3种组合方式对数据进行管理，服务器端放置地图二维离线导航数据下载包、三维地图服务数据。移动客户端用文件形式存储二维离线导航数据包，即切片地图，用SQLite 数据库存储用户位置信息，它是一种表格数据结构，本设计中包含了两个表: 车辆停靠位置信息表和车主位置信息表，分别用来存储车辆和车主的位置信息，表的结构一致。

寻车导航功能实现

寻车导航功能实现的核心模块是最短路径分析，其基于网络数据集来实现。ARCGISAPI for Android 提供了 RouteTask 接口来实现最短路径规划的功能。该接口下提供了createLocalRouteTask( ) 函数来装载地理数据库和网络数据集，solve(RouteParameters parameters) 函数来执行路径分析功能，其参数 RouteParameters 用来定义路径分析所需要的停靠点、障碍点等信息，返回的结果为 RouteResult 类，包含了路径行驶方向、行驶时间、路径几何形状等属性信息。ARCGIS API for Android将优化我们的寻车方案，为系统的智能性提供帮助。

软件部分

软件部分我们打算用KEIL MDK5来编写程序，因为Keil软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，并且Keil 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILMDK5的SWD下载速度提升到了50M。同时其还有以下优点：首先软件组件选择方便, 各种软件组件随便我们选择文件系统组件，是我们方便在内存，存储卡，内存设备中读写创建修订文件，图形组件，拥有灵活的人机交互界面，其次MDK5.0提供了丰富的例程供我们使用，有利于我们的研发，最后提升了代码重复利用率，其软件包包括了设备更新和版本管理,使得我们的系统维护变得简单。

Claims (7)

1.一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于；包括LED光源、LED光信号接收模块、数字信号处理模块、无线通讯模块、客户端、蓝牙模块、云端服务器，所述无线通讯模块包括WiFi模块以及无线4G模块，客户端为用户手机、云端服务器为一电脑；

所述基于LiFi技术的智能停车场寻车系统建立在 IP 网络基础设施环境之上，通过WiFi 网络或移动网络为定位导航终端提供定位地图数据下载和地图服务，LED光源作为地图每个车位的节点标识。

2.如权利要求1所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：还包括用户在停车场设置的诸多服务点处拿到LED光信号接收器，将接收器靠近车位灯，识别成功后，将手机再靠近接收器，该接收器将通过蓝牙通信与手机连接，唤醒手机地图app以及提供位置信息，结合下载的地图，以及客户端手机自带的惯性传感器，进行导航引导。

3.如权利要求1所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：所述光信号接收模块通过设计一个细长的管道加在光传感器的上面，在某一地点只能接收到有限个频率较强的光信号，经过放大后，AD转换为数字信号传递给微控制器或者移动端，经过处理后得到的信息与数据库中的数据或者直接将信息提交到服务器处理，处理成功后返回位置信息给高层。

4.如权利要求1所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：AD芯片可选用PCF8591，ADC0809或者直接使用微控制器内部AD，（转换速率要足够）等,光探测器可以选用普通光敏电阻或其他光敏器件（线性度较好，寄生电容小）。

5.如权利要求1所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：所述

数字信号的处理可选用单独微控制器处理，直接在移动端处理或提交至远程服务器处理。

6.如权利要求5所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：处理方法：首先预先处理，例如删去抖动点等，再通过接收到具体哪几个不同的频率的信号，大致确定所在区域，再通过不同频率信号的幅度进一步确定距离哪个灯的位置最近，距离哪个的位置最远，最终返回给用户位置。

7.如权利要求1所述的一种基于LiFi技术的智能停车场寻车系统，其特征在于：接收装置中还具有防盗磁条。