CN108363052A - 一种基于可见光通信的室内定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可见光通信的室内定位系统，选用发出除室内照明灯的光成分之外的可见光的单色光LED，通过在信号发射器中使用单色光LED传递唯一ID，再通过在信号接收器的光电探测器的接收端设置滤光片，避免唯一ID信号被室内照明灯干扰，提高了信号接收器接收唯一ID信号的准确性与效率，信号接收器接收到包含唯一ID的单色光信号后将之转换为电信号，将与信号发射器这种匹配关系发送至服务器，由于信号发射器和信号接收器其中之一为固定端，服务器端即可确定信号发射器的位置和信号接收器的位置，从而实现在室内定位。本发明还提供一种基于可见光通信的室内定位方法，具有上述有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别涉及一种基于可见光通信的室内定位系统及方法。
背景技术
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编译成一段调制信号，用脉宽调制的方法附加到LED灯具的驱动电流上，利用光源作为发射载体，光电探测器接收并识别光信号，利用识别信息在数据库中确定对应的位置信息，相比其他定位技术，免去了基于位置信号强度的定位算法以及信息处理过程。
但是，在室内使用环境中，往往有照明灯等各种光信号的干扰，大大影响了可见光定位的准确性。
因此，如何在利用可见光进行室内定位减少室内照明灯对传输定位信息的光信号的干扰，增强可见光室内定位的准确可靠性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可见光通信的室内定位系统及方法，用于在利用可见光进行室内定位减少室内照明灯对传输定位信息的光信号的干扰，增强可将光室内定位的准确可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于可见光通信的室内定位系统，包括：
信号发射器，包括单色光LED，以及用于控制所述单色光LED发出包含所述信号发射器的唯一ID的单色光信号的控制器；所述单色光LED的单色光为除室内照明灯的光成分之外的可见光；
信号接收器，包括用于接收所述单色光信号并将所述单色光信号转化为电信号的光电探测器，以及设于所述光电探测器的接收端的用于过滤除所述单色光之外的光成分的滤光片；
与所述信号接收器连接的服务器，用于识别所述电信号以得到所述唯一ID；
其中，所述信号发射器为固定端，所述信号接收器为移动端；或者，所述信号发射器为所述移动端，所述信号接收器为所述固定端。
可选地，所述控制器具体包括：
用于为所述单色光LED供电的电源模块，与所述电源模块连接的开关，与所述开关连接的通过控制所述开关的通断以控制所述单色光LED生成所述单色光信号的控制芯片。
可选地，所述开关具体为场效应管，所述控制芯片具体通过OOK调制控制所述单色光LED生成所述单色光信号；
所述单色光LED设于所述场效应管的漏极与所述电源模块之间，所述控制芯片与所述场效应管的栅极连接。
可选地，所述单色光LED具体为红光LED。
可选地，还包括设置于所述光电探测器和所述服务器之间的IV放大器。
可选地，所述信号接收器为所述固定端；
相应的，所述信号接收器还包括设于所述光电探测器和所述服务器之间的通信器。
可选地，所述信号发射器具体设置于工人的头盔顶部，所述信号接收器具体设置于矿井内壁。
可选地，所述通信器与所述服务器具体通过铜线连接。
可选地，所述通信器具体为无线通信器。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种基于可见光通信的室内定位方法，基于如上述任意一项所述的基于可见光通信的室内定位系统，包括：
所述控制器将所述唯一ID转化为模拟信号，并通过所述模拟信号控制所述单色光LED发出所述单色光信号；
所述光电探测器探测到的所述单色光信号时，将所述单色光信号转化为电信号传递至所述服务器；
所述服务器识别所述电信号得到所述唯一ID，根据预先存储的唯一ID与信号发射器的对应关系得到所述唯一ID对应的信号发射器，并结合所述固定端的位置确定所述信号发射器的位置和所述信号接收器的位置。
本发明提供的基于可见光通信的室内定位系统，选用发出除室内照明灯的光成分之外的可见光的单色光LED，通过在信号发射器中使用单色光LED传递唯一ID，再通过在信号接收器的光电探测器的接收端设置滤光片，避免唯一ID信号被室内照明灯干扰，提高了信号接收器接收唯一ID信号的准确性与效率，信号接收器接收到包含唯一ID的单色光信号后将之转换为电信号，将与信号发射器这种匹配关系发送至服务器，由于信号发射器和信号接收器其中之一为固定端，服务器端即可确定信号发射器的位置和信号接收器的位置，从而实现在室内定位。因此，本申请提供的基于可见光通信的室内定位系统组成结构简单，易于实施，能够在室内环境下避免照明灯的干扰，实现了准确可靠的室内定位。本发明还提供一种基于可见光通信的室内定位方法，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明提供的一种基于可见光通信的室内定位系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种开关电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种ID编码时序图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于可见光通信的室内定位系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于可见光通信的室内定位系统的应用场景示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于可见光通信的室内定位系统及方法，用于在利用可见光进行室内定位减少室内照明灯对传输定位信息的光信号的干扰，增强可将光室内定位的准确可靠性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
图1为本发明提供的一种基于可见光通信的室内定位系统的结构示意图。如图1所示，基于可见光通信的室内定位系统包括：
信号发射器1，包括单色光LED11，以及用于控制单色光LED11发出包含信号发射器1的唯一ID的单色光信号的控制器12；单色光LED11的单色光为除室内照明灯的光成分之外的可见光；
信号接收器2，包括用于接收单色光信号并将单色光信号转化为电信号的光电探测器21，以及设于光电探测器21的接收端的用于过滤除单色光之外的光成分的滤光片22；
与信号接收器2连接的服务器3，用于识别电信号以得到唯一ID；
其中，信号发射器1为固定端，信号接收器2为移动端；或者，信号发射器1为移动端，信号接收器2为固定端。
在具体实施中，由于室内光线通常由照明灯组成，信号发射器1的单色光LED11的单色光应为除室内照明灯的光成分之外的可见光。一般照明灯的光成分通常为使用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成的白光，为免除干扰，单色光LED11具体可以为红光LED。
信号发射器1的控制器12具体可以包括用于为单色光LED11供电的电源模块，与电源模块连接的开关，与开关连接的通过控制开关的通断以控制单色光LED11生成单色光信号的控制芯片。其中，控制芯片中存储有唯一ID及发送唯一ID的控制程序，控制程序与开关所在电路的设计相对应。具体地，控制器12可以通过脉冲宽度调制的方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
信号接收器2的光电探测器21的接收端(如光敏电阻外表面)设有与单色光LED11对应的滤光片22，如单色光为红光时，对应的滤光片为红色滤光片。与信号发射器1具有唯一ID一样，信号接收器2也具有唯一的ID值，如果信号接收器2为固定端，则这个ID值应包含信号接收器2的位置，否则该ID值应能够唯一标识该信号接收器2。另外，为了防止单色光信号在传播过程中损耗，造成信号接收器2识别不准，可以在光电探测器21和服务器3之间设置IV放大器，在光电探测器21将单色光信号转换为电信号之后，对电信号进行放大处理，再经过ADC模数转换器，将模拟的电压信号转换为可由计算机识别的数字信号进行传输和识别。
服务器3可以与信号接收器2近距离连接，也可以为远程连接。服务器3识别数字信号得到唯一ID，根据预先存储的唯一ID与信号发射器1对应关系得到对应的信号发射器1，并依据固定端的位置定位信号发射器1和信号接收器2。
在实际应用中，信号发射器1和信号接收器2二者其一为固定端(即固定位置)，另一为移动端，而作为固定端的一方应设置多个，用以标识不同的位置。若移动物体携带信号发射器1，则信号接收器2在接收到包含信号发射器1的唯一ID的单色光信号时，即可确定信号发射器1在探测范围内，确定信号发射器1的位置以便将之提供给移动物体或者远程工作人员；若移动物体携带信号接收器2，则信号发射器1的唯一ID包括信号发射器1的位置，信号接收器2在接收到包含信号发射器1的唯一ID的单色光信号时，即可通过唯一ID中的位置信息获知自身所在的位置。
本发明实施例提供的基于可见光通信的室内定位系统，选用发出除室内照明灯的光成分之外的可见光的单色光LED，通过在信号发射器中使用单色光LED传递唯一ID，再通过在信号接收器的光电探测器的接收端设置滤光片，避免唯一ID信号被室内照明灯干扰，提高了信号接收器接收唯一ID信号的准确性与效率，信号接收器接收到包含唯一ID的单色光信号后将之转换为电信号，将与信号发射器这种匹配关系发送至服务器，由于信号发射器和信号接收器其中之一为固定端，服务器端即可确定信号发射器的位置和信号接收器的位置，从而实现在室内定位。因此，本申请提供的基于可见光通信的室内定位系统组成结构简单，易于实施，能够在室内环境下避免照明灯的干扰，实现了准确可靠的室内定位。
图2为本发明实施例提供的一种开关电路的结构示意图。图3为本发明实施例提供的一种ID编码时序图。
在上述实施例的基础上，在另一实施例中，开关具体为场效应管，控制芯片具体通过OOK调制控制单色光LED11生成单色光信号；单色光LED11设于场效应管的漏极D与电源模块之间，控制芯片与场效应管的栅极G连接。
如图2所示，Vcc为电源模块提供的电源电压，一般为5V，Vin为控制芯片编程产生的ID脉冲OOK信号，Vin控制场效应管IRF840的通断。栅源电压VGS具有控制作用，如果在漏极D和源极S之间加上电压VDS，就能产生漏极电流ID，场效应管IRF840即可开始工作。而且VGS值越大，场效应管IRF840内的自由电子越多，导致电阻减小，在相同VDS源漏极电压作用下漏极电流ID就越大。电流ID直接驱动单色光LED11的明和暗，即产生携带唯一ID单色光信号。
如图3所示，将每一帧信号分为24T，LED1的ID部分占用3T，LED2的ID部分占用5T，LED3的ID部分占用7T；三个LED的ID之间时间间隔都为3T，将三个LED的ID编码采用时分复用(TDOA)的方式分开的目的就是为了使不同LED的ID信息不发生干扰，所以三个LED的ID信息能够同时发送；因为没有干扰，信号接收器2的光电探测器21也可以接收并识别不同LED的信号。对应的算法如下文所示：
根据上述算法，即在三个不同的信号发射器1分别产生三个单色光LED11对应的携带各自唯一ID的单色光信号，并以光强的形式发送出去。信号接收器2接收到单色光信号，将单色光信号转化为电信号输送至服务器3。服务器3检测各单色光信号的下降沿的个数，由此识别出对应的信号发射器1。
上述开关电路以及控制程序的设计原理为通过时分复用的方式防止各信号发射器1的信号相互干扰，再以不同的下降沿个数作为各信号发射器1的唯一ID，用以使信号接收器2识别出个信号发射器1。不论是信号发射器1为固定端，还是信号接收器2为固定端，信号接收器2均可以在接收到包含唯一ID的单色光信号后，将之发送至服务器3，由服务器3根据自身预先存储的唯一ID对应的信号发射器1以及固定端的位置，获得该信号发射器1和信号接收器2自身所处的位置。
本发明实施例提供了一种简单易行的开关电路的设计方式。基于本发明第一个实施例，开关电路除了采用本实施例中的设计外，还可以有其他设计。如在具体场景中，以将信号发射器1设置于移动物体上为例，依照需要定位的移动物体的数量设置唯一ID的位数，在利用OOK调制方法的基础上，可以将唯一ID用16位的OOK调制信号表示，就可以代表216＝65536个唯一ID。
图4为本发明实施例提供的另一种基于可见光通信的室内定位系统的结构示意图。图5为本发明实施例提供的一种基于可见光通信的室内定位系统的应用场景示意图。
如图4所示，信号接收器2为固定端；相应的，信号接收器2还包括设于光电探测器21和服务器3之间的通信器23。
以将信号接收器2固定设置在定位现场为例，移动物体携带信号发射器1。除了移动物体具有获知自身位置的需求外，远程的工作人员可能也具有获知移动物体的位置的需求。因此在服务器3与光电探测器21处于远程连接的情况下，信号接收器2还包括设于光电探测器21和服务器3之间的通信器23。
通信器23可以为有线通信器也可以为无线通信器，具体视定位现场的情况而定。
本发明实施例提供一种基于可见光通信的室内定位系统的应用场景——矿井。矿井作为一个特殊的工作环境，安全工作得到党的国家的高度重视，矿工们的生命财产安全被放在首要位置，要确保安全最重要的就是要时刻了解并掌握工作人员的位置，以便对每天工作的人员进行人员管理，限制井下人数，指导或管理矿工远离危险区域，保障安全等。在矿井里，空气中弥漫着可吸收无线电磁波的细微的碳颗粒，且矿下地理环境复杂多变，使得基于RF的定位方案，比如GPS、WIFI、无线电、蓝牙等的定位方案，在这样的苛刻环境中无法满足高精度和稳定的定位，而GPS甚至无法正常工作。然而，可见光定位是以LED发出的可见光作为载波，不受空气中碳颗粒的干扰，始终沿直线传播，进一步提高了定位精度。因此，本申请提供的基于可见光通信的室内定位系统在矿井中优势更加明显。
如图5所示，在矿井中，可将信号发射器1设置于工人的头盔顶部，将信号接收器2设置于矿井内壁。具体可以将多个信号接收器2等间距(如间隔2米)的安装于矿井顶部，各信号接收器2分别通过铜线与服务器3连接。
当工人经过某一信号接收器2的监测范围内，设于其头盔顶部的信号发射器1发出包含唯一ID的单色光信号，信号接收器2接收到单色光信号，将之转换为电信号发送至服务器3，由服务器3识别出信号接收器2的位置、唯一ID以及对应的工人信息，即可得知此工人所在的位置。
本领域技术人员可以参考上述实施例得到以信号发射器1作为固定端的方案。
上文详述了基于可见光通信的室内定位系统对应的各个实施例，在此基础上，本申请还公开了与上述方法对应的基于可见光通信的室内定位方法，基于上述任意一项所述的基于可见光通信的室内定位系统，包括：
控制器12将唯一ID转化为模拟信号，并通过模拟信号控制单色光LED11发出单色光信号；
光电探测器21探测到单色光信号时，将单色光信号转化为电信号传递至服务器3；
服务器3识别电信号得到唯一ID，根据预先存储的唯一ID与信号发射器1的对应关系得到唯一ID对应的信号发射器1，并结合固定端的位置确定信号发射器1的位置和信号接收器2的位置。
由于方法部分的实施例与系统部分的实施例相互对应，因此方法部分的实施例请参见系统部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
以上对本发明所提供的基于可见光通信的室内定位系统及方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其它实施例的不用之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统及方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列的要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种基于可见光通信的室内定位系统，其特征在于，包括：
信号发射器，包括单色光LED，以及用于控制所述单色光LED发出包含所述信号发射器的唯一ID的单色光信号的控制器；所述单色光LED的单色光为除室内照明灯的光成分之外的可见光；
信号接收器，包括用于接收所述单色光信号并将所述单色光信号转化为电信号的光电探测器，以及设于所述光电探测器的接收端的用于过滤除所述单色光之外的光成分的滤光片；
与所述信号接收器连接的服务器，用于识别所述电信号以得到所述唯一ID；
其中，所述信号发射器为固定端，所述信号接收器为移动端；或者，所述信号发射器为所述移动端，所述信号接收器为所述固定端。
2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述控制器具体包括：
用于为所述单色光LED供电的电源模块，与所述电源模块连接的开关，与所述开关连接的通过控制所述开关的通断以控制所述单色光LED生成所述单色光信号的控制芯片。
3.根据权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于，所述开关具体为场效应管，所述控制芯片具体通过OOK调制控制所述单色光LED生成所述单色光信号；
所述单色光LED设于所述场效应管的漏极与所述电源模块之间，所述控制芯片与所述场效应管的栅极连接。
4.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述单色光LED具体为红光LED。
5.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，还包括设置于所述光电探测器和所述服务器之间的IV放大器。
6.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述信号接收器为所述固定端；
相应的，所述信号接收器还包括设于所述光电探测器和所述服务器之间的通信器。
7.根据权利要求6所述的室内定位系统，其特征在于，所述信号发射器具体设置于工人的头盔顶部，所述信号接收器具体设置于矿井内壁。
8.根据权利要求7所述的室内定位系统，其特征在于，所述通信器与所述服务器具体通过铜线连接。
9.根据权利要求6所述的室内定位系统，其特征在于，所述通信器具体为无线通信器。
10.一种基于可见光通信的室内定位方法，其特征在于，基于如权利要求1至9任意一项所述的基于可见光通信的室内定位系统，包括：
所述控制器将所述唯一ID转化为模拟信号，并通过所述模拟信号控制所述单色光LED发出所述单色光信号；
所述光电探测器探测到的所述单色光信号时，将所述单色光信号转化为电信号传递至所述服务器；
所述服务器识别所述电信号得到所述唯一ID，根据预先存储的唯一ID与信号发射器的对应关系得到所述唯一ID对应的信号发射器，并结合所述固定端的位置确定所述信号发射器的位置和所述信号接收器的位置。
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