CN108508407A - 一种可见光通信的室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可见光通信的室内定位系统，包括光信号发射模块、光信号接收模块、定位模块，光信号发射模块用于发射光信号至光信号接收模块；光信号接收模块用于接收光信号并将光信号转换为电信号；定位模块用于接收并处理电信号以获取光信号接收模块的定位坐标。其中，光信号发射模块包括LED灯组、通信模块，LED灯组包括一个或多个LED灯，LED灯用于发射光信号；通信模块与LED灯组电连接，通信模块用于控制LED灯光信号的频率及LED灯光信号的光强。本发明很好的利用现有大规模推广的LED灯完成室内通信网络的构建，实现高精度的室内定位服务，可以有效的推动智能家庭系统的发展和相关室内服务行业的进步，有巨大的市场前景。

Description

一种可见光通信的室内定位系统

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种可见光通信的室内定位系统。

背景技术

随着物联网的推广和室内智能化的发展，高精度定位服务的需求也越来越紧迫。现有主流的室内定位技术依赖于RFID，超声波，ZigBee，WiFi，UWB等无线通信网络，基于其信号衰减检测技术，借助定位算法确定最终定位坐标。但由于无线电频带宽的限制、电磁辐射干扰，特别是室内墙壁等阻隔物对于无线通信网络信号衰减的影响，使得无线电构成的室内定位方案推广相对困难。

如今，正逐渐普及的LED光源不仅能提供基本照明，还可以进行高速数据通信。这种基于LED灯光的新型无线通信技术被称为可见光通信(VLC)，其原理是在LED灯中植入数字芯片，将传输信息调制到可见光载波上，终端设备接收光信号并恢复出所携带信息。光与无线电属于不同频段的电磁波，但光的频谱带宽是无线电的10000倍之多，采用VLC技术来构建高速无线光接入网是可行的，并且具备诸多优势，比如高速率、无电磁干扰、保密性高、不会对人体健康造成影响、安装方便等。

但现有的基于可见光通信的室内定位系统及定位方案存在着发射端的LED灯相互孤立，无法互连、模型不准确以及定位算法的优化程度不高等问题，导致室内可见光定位系统的定位精度不高，系统设计复杂，制造成本过高，无法推广。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可见光通信的室内定位系统，包括光信号发射模块、光信号接收模块、定位模块，光信号发射模块用于发射光信号至光信号接收模块；光信号接收模块用于接收上述光信号并将上述光信号转换为电信号；上述定位模块用于接收并处理上述电信号以获取上述光信号接收模块的定位坐标。

进一步的，光信号发射模块包括LED灯组、通信模块，LED灯组包括一个或多个LED灯，LED灯用于发射光信号；通信模块与上述LED灯组电连接，通信模块用于控制LED灯光信号的频率及LED灯光信号的光强。其中，通信模块是基于蓝牙网络的蓝牙通信模块，蓝牙通信模块与LED灯组的LED灯进行电连接以建立多个蓝牙节点，并基于蓝牙节点实现信号的传递，实现LED灯组内的各个LED灯的互联，进而保证蓝牙通信的稳定性，以避免单个蓝牙节点出现故障而造成通信中断的问题，同时以避免各个LED灯相互孤立、信息传递困难的现状。

进一步的，光信号接收模块包括光学检测模块、信号转换模块，光学检测模块用于检测接收LED灯组发射的混合光信号；信号转换模块与光学检测模块电连接，信号转换模块用于将混合光信号转换为电信号并发送所述电信号。其中，光学检测模块为光学传感器，该光学传感器用于感应接收LED灯组发射的混合光信号。

进一步的，定位模块包括滤波模块、算法处理模块，滤波模块用于接收并处理电信号以获取LED灯组发射的混合光信号内不同频率的方波信号及不同频率方波信号的光强信息，该算法处理模块用于根据不同频率的方波信号以处理获取光信号接收模块的位置。

进一步的，滤波模块包括信号分辨模块、滤波分离模块，信号分辨模块用于分辨处理电信号以获取LED灯组的方波信号频率；滤波分离模块用于对LED灯组的不同方波信号频率进行分离处理以获取不同频率的方波信号及该不同频率的方波信号的光强信息。其中，滤波分离模块为数字滤波器，以对LED灯组的方波信号频率进行分离出各个LED灯的不同频率的方波信号及对应的光强信息。

进一步的，算法处理模块内部建立一光强分布模型，该光强分布模型用于根据不同频率的方波信号的光强信息获取光信号接收模块的定位坐标。

进一步的，光强分布模型是通过不同频率方波信号的光强信息获取定位圆半径并基于RSS三边定位算法与泰勒展开式获取所述光信号接收模块的定位坐标。其中，对于定位圆半径的获取至少含三种不同频率的方波信号的光强信息，在进一步的通过RSS三边定位算法与泰勒展开式设定阈值以对定位圆半径进行精度控制，以减少定位误差，实现对光信号接收模块的精准定位。

进一步的，光强分布模型是基于LED灯正下方为中心点，检测该中心点的0°、45°、90°、135°四个方向的光强分布以建立模型。其中，通过所建立的光强分布模型可以得到LED灯的光强信息与二维平面上距离的关系，从而可通过光强信息准确的定位圆的半径值以提高定位的精度。

进一步的，上述的一种可见光通信的室内定位系统还包括云端设备，该云端设备与通信模块通信连接。其中云端设备可以为因特网、云平台等，以实现与蓝牙通信模块的网络互联。

进一步的，云端设备内置一频率表，该频率表为光信号频率与LED灯的定位地址相适配的对应关系表。

本发明的有益效果在于：

本发明所提供的一种可见光通信的室内定位系统可以实现LED灯组内各个LED灯的通信互联，并通过算法处理模块获取光信号接收模块的位置的同时建立光强分布模型，以基于RSS三边定位算法等功能减少定位误差，以提高定位精度。LED灯组与蓝牙通信模块互联，实现定位信息的传递和共享，方便定位系统的改造和大规模推广。同时，通过泰勒展开式对RSS三边定位算法的输出值进行阈值设定，去除误差较大的定位点，从而整体提升定位的准确性。因此，本发明很好的利用现有大规模推广的LED灯完成室内蓝牙通信网络的构建，实现高精度的室内定位服务，可以有效的推动智能家庭系统的发展和相关室内服务行业的进步，有巨大的市场前景。

附图说明

图1为实施例一中的一种可见光通信的室内定位系统的组织结构图；

图2为实施例一中LED垂直方向上的光功率分布图；

图3为实施例一中的检测光功率分布图；

图4为实施例一中的光功率与定位圆半径的关系图；

图5为实施例一中的一种可见光通信的室内定位系统在有无其他光源干扰下的光功率与定位圆半径的关系图；

图中，1-光信号发射模块，2-光信号接收模块，3-定位模块，4-滤波模块。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

参照图1，本实施例提供了一种可见光通信的室内定位系统，包括光信号发射模块1、光信号接收模块2、定位模块3，光信号发射模块1用于发射光信号至光信号接收模块2；光信号接收模块2用于接收光信号并将该光信号转换为电信号；定位模块3用于接收并处理电信号以获取光信号接收模块2的定位坐标。

其中，光信号发射模块1包括LED灯组、通信模块，LED灯组包括一个或多个LED灯，LED灯用于发射光信号；通信模块与LED灯组电连接，通信模块用于控制LED灯光信号的频率及LED灯光信号的光强。其中，通信模块是基于蓝牙网络的蓝牙通信模块，蓝牙通信模块与LED灯组的LED灯进行电连接以建立多个蓝牙节点，并基于蓝牙节点实现信号的传递及定位信息的共享，实现LED灯组内的各个LED灯的互联，进而保证蓝牙通信的稳定性，以避免单个蓝牙节点出现故障而造成通信中断的问题，同时以避免各个LED灯相互孤立、信息传递困难的现状。

其中，光信号接收模块包括光学检测模块、信号转换模块，光学检测模块用于检测接收LED灯组发射的混合光信号；信号转换模块与光学检测模块电连接，信号转换模块用于将混合光信号转换为电信号并发送所述电信号。其中，光学检测模块为光学传感器，该光学传感器用于感应接收LED灯组发射的混合光信号。

其中，定位模块包括滤波模块、算法处理模块，滤波模块用于接收并处理电信号以获取LED灯组发射的混合光信号内不同频率的方波信号及不同频率方波信号的光强信息，算法处理模块用于根据不同频率的方波信号以获取光信号接收模块的位置。

其中，滤波模块包括信号分辨模块、滤波分离模块，信号分辨模块用于分辨处理所述电信号以获取LED灯组的方波信号频率；滤波分离模块用于对LED灯组的不同方波信号频率进行分离处理以获取不同频率的方波信号及该不同频率的方波信号的光强信息。其中，滤波分离模块为数字滤波器，以对LED灯组的方波信号频率进行分离出各个LED灯的不同频率的方波信号及对应的光强信息。

其中，算法处理模块内部建立一光强分布模型，该光强分布模型用于根据不同频率的方波信号的光强信息获取光信号接收模块的定位坐标。其中，该光强分布模型为二维平面光强分布模型。

其中，光强分布模型是通过不同频率方波信号的光强信息获取定位圆半径并基于RSS三边定位算法与泰勒展开式获取所述光信号接收模块的定位坐标。其中，对于定位圆半径的获取至少含三种不同频率的方波信号的光强信息，在进一步的通过RSS三边定位算法与泰勒展开式设定阈值以对定位圆半径进行精度控制，以减少定位误差，实现对光信号接收模块的精准定位。

其中，光强分布模型是基于LED灯正下方为中心点，检测该中心点的0°、45°、90°、135°四个方向的光强分布以建立模型。其中，通过所建立的光强分布模型可以得到LED灯的光强信息与二维平面上距离的关系，从而可通过光强信息准确的定位圆的半径值以提高定位的精度。

本实施例中的一种可见光通信的室内定位系统还包括云端设备，该云端设备与通信模块通信连接。其中云端设备可以为因特网、云平台等，以实现与蓝牙通信模块的网络互联。

其中，云端设备内置一频率表，该频率表为光信号频率与LED灯的定位地址相适配的对应关系表。

具体的，光强分布模型的建立过程为：

参照图2，图2所示的是LED灯垂直方向上的光强衰减规律，其是基于光信号接收模块距离LED灯的垂直距离以获取在二维平面上的光强最大值，并将其作为二维光强归一化的基数。

将光学传感器分别置于0°、45°、90°、135°四个方向上，并均步移动以获得光强数值，其0点处即LED灯的最下方，也就是光强数值最大的点，其具体光功率分布如图3。

如图4所示的是光学传感器基于0°、45°、90°、135°四个方向所检测获取的定位圆半径与光功率的关系图，并通过该关系图建立了二维平面光强分布模型，其二维平面光强分布模型的表达式为：

Co_pt表示LED光照强度相关的光功率常数，它是LED灯Tx在正常光照环境，正常的入射角度下，接受端的光强传感器在固定感光面积的情况下获取的光照滤波增益。并设P_ei为传感器获取的光功率P_r与对应LED在二维平面上的最大光功率值P_t的比值。其中:

C_opt＝R(φ)A_eff(ψ)

P_ei＝P_ri/P_t

进而通过获取二维平面光强分布规律以得到光强与二维平面的定量关系，进一步的，利用光学传感器所获取的光强数值得到定位圆的半径值。

如图5为光强分别在有无其他光源干扰下的关系分布规律，在实际使用时会有其它干扰光源，包括环境光，组内其它LED灯，以及漫反射、折射灯光源，会对光强分布模型有影响，但其从拟合的效果发现光强和定位圆半径的关系仍然符合光强分布模型的规律，只是在其它光源的干扰下，光强数值会总体提升，主要是其它光源对各个检测光光强的增加；前面论述的P_ei需要考虑其它光源的功率增加的影响，设立影响因数γ来评估其它光源对模型的影响情况，公式表达如下：

公式中其它光源影响因数γ，主要和所处环境中其它LED的数量有关，环境光的影响并不大，可以通过实验获知其它LED数量增加时因数γ改变。

本实施例中可通过建立有其它光源干扰下的光强分布模型，可以准确建立光学传感器获知的光强数值与二维平面内距离的关系，为定位算法提供定位参数，并减少系统模型误差，提升定位精度。

利用获取的定位数值，借助算法处理模块得到最终的定位坐标。算法模块主要利用RSS三边定位算法得到三个主要LED灯的位置DN，获取光信号发射模块到三个主要LED灯的位置DN之间的距离，可以通过以下的等式来确立两者之间的关系：

公式中x_i、y_i和z_i分别是对应的三个LED灯Tx_i在绝对坐标系下的位置，估测的位置(x_e,y_e)可以通过第二和第三个等式分别减去第一个等式得到两个线性方程来计算，并在z₁＝z₂＝z₃条件下可以表示为：

AX＝B

其中，

等式可以用线型矩阵组表示为：X＝(A^TA)^-1A^TB

通过获知光信号发射模块的三个LED灯对应的Tx_i坐标，光信号接收模块检测的直线距离d_ci，利用线性矩阵组就可以初步获取得到光信号接收模块的初步定位位置。

在室内环境LED光会受到环境光和障碍物的折射，漫反射，反射等光照的影响，这会影响三边定位算法的精度，在充分考虑室内复杂环境的影响下，利用泰勒展开式对计算结果进行反馈更正后达到指定精度后输出最后的定位坐标，利用泰勒展开式可以对三边定位的的输入定位进行算法的优化和误差的评估。

通过对数据的采集，可以得到如下的等式：

上式用泰勒展开式展开后，只保留一阶偏导数，忽略后续的偏导数，展开如下式：

在上式写成矩阵形式f＝CΔ，解这个矩阵等式可以得到：

Δ＝(C^TC)^-1C^Tf

其中，

解出做出调整：x'_e＝x_e+Δx,y'_e＝y_e+Δy，重复上述过程直到Δx,Δy满足预先设定的误差阈值Δx+Δy≤ε，最后满足条件的(x_e,y_e)就是最后的光信号接收模块的定位坐标。

本实施例所提供的一种可见光通信的室内定位系统，其定位过程大致为：LED灯组内的多个LED灯发射光信号以形成混合光信号，并基于蓝牙通信模块对LED灯发射光信号的频率及光强进行控制；光学传感器感应获取得到混合光信号并通过信号转换模块将该混合光信号放大为电信号；将该电信号发送至信号分辨模块以对其进行分辨获得不同频率的方波信号，滤波处理模块对该不同方波信号频率进行分离进而获取不同频率的方波信号以及对应的光强信息；进一步的通过算法处理模块对所获取的不同频率的方波信号进行处理以获取光信号接收模块的位置。另外，基于所获取的光强信息与所建立的光强分布模型进一步的对光信号接收模块的位置进行定位，具体的，是采用至少3个不同频率的方波信号获取定位圆半径，并且借助与RSS三边定位算法与泰勒展开式进行计算获取光信号接收模块的定位坐标，以减少定位误差，进一步的提高定位的精度。

本实施例所提供的一种可见光通信的室内定位系统，其在满足照明要求的条件下实现室内定位的功能，解决传统定位技术的需要额外复杂设备的缺点，本发明可以实现LED灯组的互联和与云端设备的通信，并可以直接检测混合信号，分离还原每个LED灯光信号的方波信号频率，获取定位信息，利用RSS定位算法和泰勒展开式进行定位精度阈值的控制，从而得到最终的定位坐标。整体定位精度高，系统简单，操作方便，可以大大提高推广的可能性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，包括光信号发射模块、光信号接收模块、定位模块，所述光信号发射模块用于发射光信号至光信号接收模块；所述光信号接收模块用于接收所述光信号并将所述光信号转换为电信号；所述定位模块用于接收并处理所述电信号以获取所述光信号接收模块的定位坐标。

2.如权利要求1所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述光信号发射模块包括LED灯组、通信模块，所述LED灯组包括一个或多个LED灯，所述LED灯用于发射光信号；所述通信模块与所述LED灯组电连接，所述通信模块用于控制所述LED灯光信号的频率及所述LED灯光信号的光强。

3.如权利要求2所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括光学检测模块、信号转换模块，所述光学检测模块用于检测接收所述LED灯组发射的混合光信号；所述信号转换模块与所述光学检测模块电连接，所述信号转换模块用于将所述混合光信号转换为电信号并发送所述电信号。

4.如权利要求3所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述定位模块包括滤波模块、算法处理模块，所述滤波模块用于接收并处理所述电信号以获取所述LED灯组发射的混合光信号内不同频率的方波信号及所述不同频率方波信号的光强信息，所述算法处理模块用于根据所述不同频率的方波信号以获取所述光信号接收模块的位置。

5.如权利要求4所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述滤波模块包括信号分辨模块、滤波分离模块，所述信号分辨模块用于分辨处理所述电信号以获取LED灯组的方波信号频率；所述滤波分离模块用于对所述LED灯组的方波信号频率进行分离处理以获取不同频率的方波信号及所述不同频率的方波信号的光强信息。

6.如权利要求4或5所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述算法处理模块内部建立一光强分布模型，所述光强分布模型用于根据所述光强信息获取所述光信号接收模块的定位坐标。

7.如权利要求6所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述光强分布模型是通过所述不同频率方波信号的光强信息获取定位圆半径并基于RSS三边定位算法与泰勒展开式获取所述光信号接收模块的定位坐标。

8.如权利要求7所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述光强分布模型是基于所述LED灯正下方为中心点检测所述中心点的0°、45°、90°、135°四个方向的光强分布以建立模型。

9.如权利要求2所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，还包括云端设备，所述云端设备与所述通信模块通信连接。

10.如权利要求9所述的一种可见光通信的室内定位系统，其特征在于，所述云端设备内置一频率表，所述频率表为光信号频率与所述LED灯的定位地址相适配的对应关系表。