CN108650026A - 适用于大范围可见光定位的可见光定位装置以及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种可见光定位装置以及可见光定位系统，可见光定位装置包括供电模块、处理器模块、光源驱动电路以及光源模块；供电模块与外部电源连接，供电模块与处理器模块以及光源驱动电路连接，处理器模块与光源驱动电路连接，光源驱动电路与光源模块连接；处理器模块生成通信数据帧，并基于ALOHA协议在随机选择的时间片段内将通信数据帧发送至光源驱动电路，光源驱动电路驱动光源模块发送通信数据帧至外部信号接收器，由外部信号接收器实现定位。上述装置可以通过增加时间片段的数量提高定位系统光源的数量，所以基于该定位装置的可见光定位系统对于定位范围具有很好的可扩展性，其功能不会受到定位装置数量或者定位面积增加等因素的影响。

Description

适用于大范围可见光定位的可见光定位装置以及系统
技术领域
本申请涉及可见光定位技术领域，具体涉及一种适用于大范围可见光定位的可见光定位装置以及可见光定位系统。
背景技术
可见光通信具有通信带宽高、速率快、无电磁辐射等优点，已经成为近场无线通信的热点，并有望在室内环境下提供高速互联网接入，作为现有WiFi(WIreless-Fidelity，无线保真)通信的有益补充。近年来，基于可见光通信的室内定位技术也得到快速发展，并有望用较低的部署成本，实现较高的定位精度。它采用调制的光源模块发送参考位置信标，利用摄像头或光电二极管(阵列)作为光传感器，经解调后恢复出信标的身份标识、RSS(Received Signal Strength，接收信号强度)或者入射角度等信息，通过三角定位或者指纹匹配等算法，确定用户的2D或3D位置信息。由于光电二极管功耗低，信号处理所需计算量小，基于光电二极管的定位方案有望在移动设备上实现轻量级的定位服务。但是光电二极管不具备空间分辨能力，需要借助专门的多路访问机制，以保证可靠接收到视场角内的不同LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯发出的信标。
现有的使用普通荧光LED的调制光源模块中，一般采用CDMA(Code DivisionMultiple Access，码分复用)或者TDMA(time division multiple access，时分复用)等多路访问控制技术，但这类方案对于大范围应用场景的扩展性不好。
发明内容
基于此，有必要针对调制光源模块采用码分复用或者时分复用等多路访问控制技术问题对于大范围应用场景拓展性不好的问题，提供适用于大范围可见光定位的一种可见光定位装置以及可见光定位系统。
一种可见光定位装置，包括处理器模块、光源驱动电路以及光源模块；
所述处理器模块与所述光源驱动电路连接，所述光源驱动电路与所述光源模块连接；
所述处理器模块生成通信数据帧，并基于ALOHA协议在随机选择的时间片段内将通信数据帧发送至光源驱动电路，所述光源驱动电路驱动所述光源模块发送所述通信数据帧至外部信号接收器，由所述外部信号接收器实现定位，所述通信数据帧携带所述处理器模块身份信息。
在其中一个实施例中，还包括供电模块，所述供电模块包括AC-DC单元以及DC-DC单元；
所述AC-DC单元分别与外部电源、所述光源驱动电路以及所述DC-DC单元连接，所述DC-DC单元与所述处理器模块连接。
在其中一个实施例中，还包括灯座，所述灯座与所述供电模块连接。
在其中一个实施例中，所述处理器模块用于对所述处理器身份信息进行编码，获得编码信息，对所述身份信息进行调制，获得调制信息，并根据所述编码信息与所述调制信息获得通信数据帧。
在其中一个实施例中，所述编码信息包括曼彻斯特编码，所述调制信息包括二进制开关键控调制。
在其中一个实施例中，所述通信数据帧的格式包括帧起始位、数据、校验和以及帧结束位。
在其中一个实施例中，所述处理器模块包括MCU(Micro Control Unit，微控制器单元)。
在其中一个实施例中，还包括灯壳，所述处理器模块、光源驱动电路以及光源模块置于所述灯壳内部。
在其中一个实施例中，所述光源模块包括LED。
一种可见光定位系统，其特征在于，包括上述可见光定位装置以及信号接收器，所述信号接收器接收所述可见光定位装置中光源模块发送的通信数据帧。
上述可见光定位装置以及可见光定位系统，通过处理器模块生成携带有处理器模块身份信息的通信数据帧，而后在随机选择的时间片段内通过光源驱动电路将所述通信数据帧发送至光源模块，控制光源模块亮度的变化，将通信数据帧发送至外部信号接收器，实现定位功能。上述可见光定位装置以及可见光定位系统采用了基于无线通信系统的ALOHA协议的随机多路访问控制机制，ALOHA为每次数据帧的传输分配一定数目的时间片段，可见光定位系统中的每一个可见光定位装置会随机的选取其中一个时间片段发送数据帧，在其它时间片段静默。随着时间片段的增加，多个定位装置在发送过程中发生冲突的概率会大大减小，即可以通过增加时间片段的数量提高定位系统光源的数量，所以基于该定位装置的可见光定位系统对于定位范围具有很好的可扩展性，其功能不会受到定位装置数量或者定位面积增加等因素的影响。
附图说明
图1为一个实施例中可见光定位装置的结构框图；
图2为另一个实施例中可见光定位装置的结构框图；
图3为基于ALOHA的随机多路访问控制原理的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本申请提供了一种可见光定位装置200，包括处理器模块220、光源驱动电路240以及光源模块260。
处理器模块220用于对处理器模块身份信息进行调制，并通过控制光源驱动电路240来控制光源模块260的亮度变化来并发出处理器模块身份信息。
处理器模块220与光源驱动电路240连接，光源驱动电路240与光源模块260连接，光源模块260与外部信号接收器连接。在其中一个实施例中，供电模块包括电压转换电路，处理器模块包括了MCU。
在接通了电源之后，外界电源向处理器模块220以及光源驱动电路240供电，处理器模块220在获得电能后生成通信数据帧，在其中一个实施例中，可以通过运行处理器模块220内部的固件来生成通信数据帧，并在随机选择的时间片段内将通信数据帧发送至光源驱动电路240，光源驱动电路240驱动光源模块260发送通信数据帧至外部信号接收器，处理器模块220以方波的形式将通信数据帧发送至光源驱动电路240，通过光源驱动电路240控制光源模块260的明亮变化，将通信数据帧发送至外部信号接收器，由外部信号接收器实现定位，通信数据帧具体携带有处理器模块身份信息。
此处的ALOHA协议是指时隙ALOHA协议，即是指ALOHA为每次数据帧的传输分配一定数目的时间片，每个可见光定位装置200随机选取其中一个时间片发送数据帧，在其它时间片静默。基于ALOHA的随机多路访问控制原理如图3所示，图3上部分的图展示了三个可见光定位装置200的传输时段分别占用了三个不同的时间片段，因此他们之间的通信没有冲突，也就是都能被正确接收。而下部分的图，则展示两个了个可见光定位装置200的通信时段发生了部分重叠，如果采用的调制方式是开关键控调制的话，两个不同信号的叠加会破坏两个信号，有可能一个都恢复不出来。信号发送的冲突不可避免的存在，但只要时间片段数目足够多，而同一空间邻域内的灯具数目是有限，实现正确通信的几率是很大的。
上述可见光定位装置200，通过处理器模块220生成携带有处理器模块220身份信息的通信数据帧，而后在随机选择的时间片段内通过光源驱动电路240将所述通信数据帧发送至光源模块260，控制光源模块260亮度的变化，将通信数据帧发送至外部信号接收器，实现定位功能。采用了基于无线通信系统的ALOHA协议的随机多路访问控制机制，ALOHA为每次数据帧的传输分配一定数目的时间片，每个可见光定位装置200随机选取其中一个时间片发送数据帧，在其它时间片静默。随着时间片段的增加，多个定位装置在发送过程中发生冲突的概率会大大减小，即可以通过增加时间片段的数量提高定位系统光源的数量，所以基于该定位装置的可见光定位系统对于定位范围具有很好的可扩展性，其功能不会受到定位装置数量或者定位面积增加等因素的影响。
如图2所示，在其中一个实施例中，供电模块包括AC-DC单元212以及DC-DC单元214。AC-DC单元212分别与外部电源100、光源驱动电路240以及DC-DC单元214连接，DC-DC单元214与处理器模块220连接。AC-DC单元212用于将外部提供交流电转化为可供可见光定位装置200使用的直流电，DC-DC单元214用于将经AC-DC转化后的直流电进一步降压以供处理器模块220使用，在其中一个实施例中，AC-DC单元212用于将220V的交流市电转换为24V的直流电压光源驱动电路240供电，DC-DC单元214进一步将此电压降到3.3V以供处理器220及相关电路使用。通过两步降压提高了可见光定位装置200的工作稳定性。
在其中一个实施例中，可见光定位装置200还包括灯座，灯座与供电模块连接。灯座还可与灯壳连接，灯座用于固定可见光定位装置的各个模块。
在其中一个实施例中，处理器模块220用于对处理器身份信息进行编码，获得编码信息，以及对身份信息进行调制，获得调制信息，并根据编码信息与调制信息获得通信数据帧。编码信息具体包括曼彻斯特编码，调制信息包括二进制开关键控。
在可见光定位系统中，每一个可见光定位装置200都具备其独有的身份信息，即可见光定位装置200的处理器模块220的身份信息，信号接收器300在接收到可见光定位装置200发送的身份信息之后，解调可见光定位装置200的身份信息，信号接收器300只需根据预先保存的灯光的地图，通过灯光的地图初步的判断信号接收器300所在的位置。然后根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果，获得精准的定位效果。
曼彻斯特编码，也叫做相位编码，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。它在以太网媒介系统中的应用属于数据通信中的两种位同步方法里的自同步法，即接收方利用包含有同步信号的特殊编码从信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，达到同步目的。二进制开关键控调制又名二进制振幅键控调制，它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭的调制方式。通过曼彻斯特编码技术对处理器模块220的身份信号进行编码处理，获得该身份信号的编码信号，而后通过二进制开关键控调整该身份信号的编码信号的频率，相位以及幅度等属性，使其更加适合于传输的通信数据帧。
在其中一个实施例中，通信数据帧包括帧起始位、数据、校验和以及帧结束位。本申请的可见光定位装置采用的通信数据帧格式主要包括四部分：帧起始位，数据，校验和，以及帧结束位。其中，帧起始位由重复的“0”和“1”组成，如“10101010”，用于与外界信号接收器300的帧同步。数据部分在定位应用中为可见光定位装置中处理器模块220的UID(UserIdentification，唯一身份标识)。校验和可由CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)校验产生或简单的按位异或操作产生，用于辅助信号接收器端检查接收数据的正确性。帧结束位用于标识一个完整通信帧的结束，可由连续的“0”或者“1”标识。
在其中一个实施例中，可见光定位装置200还包括灯壳。处理器模块220、光源驱动电路240以及光源模块260被置于灯壳内部，灯壳用来保护可见光定位装置的内部元件。
在其中一个实施例中，光源模块包括LED。LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。只需要极微弱电流即可正常发光。在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。LED使用冷发光技术，发热量比同等功率普通照明灯具低很多。LED是由无毒的材料构成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
在其中一个实施例中，本申请的可见光定位装置200外型可为一个灯泡，该灯泡具体为LED灯泡，还包括灯座与灯罩，灯座与外界电源以及可见光定位装置200中供电模块连接，灯座用于固定可见光定位装置内部器件，灯罩与灯座连接，灯罩用于保护可见光定位装置200的内部器件，可见光定位装置还包括了处理器模块220、光源驱动电路240、光源模块260。供电模块用于将外部的市电转化为可供可见光定位装置200中各模块可以直接使用的电能，处理器模块220用于运行专门的固件，实现对处理器模块220身份信息的调制，并通过控制光源驱动电路240来控制光源模块260的亮度变化来并发出处理器模块的身份信息。供电模块包括AC-DC单元212以及DC-DC单元214。处理器模块220具体为MCU。光源模块260具体为LED。供电模块与外部电源100连接，供电模块与处理器模块220以及光源驱动电路240连接，处理器模块220与光源驱动电路240连接，光源驱动电路240与光源模块260连接，光源模块260与外部信号接收器连接。AC-DC单元212分别与外部电源100、光源驱动电路240以及DC-DC单元214连接，DC-DC单元214与处理器模块220连接。
在工作时，可见光定位装置200接通电源后，供电模块的AC-DC单元212将外部的220V交流市电转化为24V的直流电，并通过24V的直流电为光源驱动电路240提供电力，处理器模块220开始工作，同时供电模块的DC-DC单元214将AC-DC单元212转化所得的24V直流电进一步降压至3.3V左右供处理器220及相关电路使用。当到达定位装置所随机选择的时间片段时，处理器模块220运行内部专用的固件，生成通信数据帧，并以方波的形式将通信数据帧发送至光源驱动电路240，通过光源驱动电路240来控制光源模块260的明亮变化来向外界信号接收器300发送通信数据帧，实现可见光定位。
上述可见光定位装置200，通过处理器模块220生成携带有处理器模块220身份信息的通信数据帧，而后在ALOHA为每次数据帧的传输分配的时间片段中随机选择时间片段，通过光源驱动电路240在所述随机选择将所述通信数据帧发送至光源模块260，控制光源模块260亮度的变化，将通信数据帧发送至外部信号接收器，实现定位功能。采用了基于无线通信系统的ALOHA协议的随机多路访问控制机制，即定位装置只会在随机选择的时间片段内将处理器模块的身份信息发送出去，而在剩余的时间片段内保持静默。随着时间片段的增加，多个可见光定位装置200在发送过程中发生冲突的概率会大大减小，即可以通过增加时间片段的数量提高定位系统光源的数量，所以基于该定位装置的可见光定位系统对于定位范围具有很好的可扩展性，其功能不会受到定位装置数量或者定位面积增加等因素的影响。
一种可见光定位系统，其特征在于，包括多个上述的可见光定位装置200以及信号接收器300，信号接收器300接收可见光定位装置200中光源模块260发送的通信数据帧，信号接收器300可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。
在可见光定位系统中，每一个可见光定位装置200都具备其独有的身份信息，即可见光定位装置200的处理器模块220的身份信息，信号接收器300在接收到可见光定位装置200发送的身份信息之后，解调可见光定位装置200的身份信息，信号接收器300只需根据预先保存的灯光的地图，通过灯光的地图初步的判断信号接收器所在的位置。然后根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果，获得精准的定位效果。
上述可见光定位系统，可见光定位装置200通过处理器模块220生成携带有处理器模块220身份信息的通信数据帧，而后在随机选择的时间片段内通过光源驱动电路240将所述通信数据帧发送至光源模块260，控制光源模块260亮度的变化，将通信数据帧发送至外部信号接收器，实现定位功能。采用了基于无线通信系统的ALOHA协议的随机多路访问控制机制，即定位装置只会在随机选择的时间片段内将处理器模块的身份信息发送出去，而在剩余的时间片段内保持静默。随着时间片段的增加，多个定位装置在发送过程中发生冲突的概率会大大减小，即可以通过增加时间片段的数量提高定位系统光源的数量，所以基于该定位装置的可见光定位系统对于定位范围具有很好的可扩展性，其功能不会受到定位装置数量或者定位面积增加等因素的影响。
在其中一个实施例中，可见光定位系统包括了可见光定位装置200以及信号接收器300，可见光定位装置200包括供电模块、处理器模块220、光源驱动电路240、光源模块260、灯壳以及灯座。
可见光定位装置200外型可为一个灯泡，该灯泡具体为LED灯泡，还包括灯座与灯罩，灯座与外界电源以及可见光定位装置200中供电模块连接，灯座用于固定可见光定位装置内部器件，灯罩与灯座连接，灯罩用于保护可见光定位装置200的内部器件，可见光定位装置还包括了处理器模块220、光源驱动电路240、光源模块260。供电模块用于将外部的市电转化为可供可见光定位装置200中各模块可以直接使用的电能，处理器模块220用于运行专门的固件，实现对处理器模块220身份信息的调制，并通过控制光源驱动电路240来控制光源模块260的亮度变化来并发出处理器模块的身份信息。供电模块包括AC-DC单元212以及DC-DC单元214。处理器模块220具体为MCU。光源模块260具体为LED。供电模块与外部电源100连接，供电模块与处理器模块220以及光源驱动电路240连接，处理器模块220与光源驱动电路240连接，光源驱动电路240与光源模块260连接，光源模块260与外部信号接收器连接。AC-DC单元212分别与外部电源100、光源驱动电路240以及DC-DC单元214连接，DC-DC单元214与处理器模块220连接。信号接收器300为智能手机。
在工作时，可见光定位装置200接通电源后，供电模块的AC-DC单元212将外部的220V交流市电转化为24V的直流电，并通过24V的直流电为光源驱动电路240提供电力，处理器模块220开始工作，同时供电模块的DC-DC单元214将AC-DC单元212转化所得的24V直流电进一步降压至3.3V左右供处理器220及相关电路使用。经当到达所随机选择的时间片段时，处理器模块220运行内部专用的固件，生成通信数据帧，并以方波的形式将通信数据帧发送至光源驱动电路240，通过光源驱动电路240来控制光源模块260的明亮变化来向外界信号接收器300发送通信数据帧，信号接收器300通过传感器接受光源模块260发送的通信数据帧，并通过信号接收器300内部的处理器对通信数据帧所携带的可见光定位装置200的身份信息进行解调，信号接收器存储的灯光地图包括了可见光定位装置的位置信息以及身份信息等信息，只要根据灯光地图对比解调所得的身份信息就可实现对信号接收器300的定位。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可见光定位装置，其特征在于，包括处理器模块、光源驱动电路以及光源模块；
所述处理器模块与所述光源驱动电路连接，所述光源驱动电路与所述光源模块连接；
所述处理器模块生成通信数据帧，并基于ALOHA协议在随机选择的时间片段内将通信数据帧发送至光源驱动电路，所述光源驱动电路驱动所述光源模块发送所述通信数据帧至外部信号接收器，由所述外部信号接收器实现定位，所述通信数据帧携带所述处理器模块身份信息。
2.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块包括AC-DC单元以及DC-DC单元；
所述AC-DC单元分别与外部电源、所述光源驱动电路以及所述DC-DC单元连接，所述DC-DC单元与所述处理器模块连接。
3.根据权利要求2所述的可见光定位装置，其特征在于，还包括灯座，所述灯座与所述供电模块连接。
4.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，所述处理器模块用于对所述处理器身份信息进行编码，获得编码信息，对所述身份信息进行调制，获得调制信息，并根据所述编码信息与所述调制信息获得通信数据帧。
5.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，所述编码信息包括曼彻斯特编码，所述调制信息包括二进制开关键控调制。
6.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，所述通信数据帧的格式包括帧起始位、数据、校验和以及帧结束位。
7.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，所述处理器模块包括MCU。
8.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，还包括灯壳，所述处理器模块、光源驱动电路以及光源模块置于所述灯壳内部。
9.根据权利要求1所述的可见光定位装置，其特征在于，所述光源模块包括LED。
10.一种可见光定位系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述可见光定位装置以及信号接收器，所述信号接收器接收所述可见光定位装置中光源模块发送的通信数据帧。
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