CN110426673A - 基于波分复用的可见光定位通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波分复用的可见光定位通信方法和系统，通过在矩形室内空间内设置带有红色灯珠和蓝色灯珠的LED照明灯带，以及放置带有红光滤光片的光电探测器、带蓝光滤光片的光电探测器和内部装有移动平台控制的移动平台，采用波分复用技术，既完成了室内环境定位，也实现了单向通信；采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，有利于保持良好的电磁兼容性，实现定位的同时，通过提取接收信号中的能量有效地向各种终端设备馈电；四个LED照明灯带平均光强相同，由于其属于带状分布光源，容易实现大面积空间的均匀照明，且由于其闪烁频率远高于人眼感知范围(如1kHZ以上)，因此定位和通信功能不影响照明品质。

Description

基于波分复用的可见光定位通信方法和系统

技术领域

本发明涉及平面位置定位技术领域，特别涉及基于波分复用的可见光定位通信方法和系统。

背景技术

作为一种成熟的无线定位技术，GPS导航在室外环境下已经得到了广泛的应用。当人们频繁的活动在隧道、地下等遮蔽环境和室内环境又有定位的需求时，由于接收到的信号很差而无法使用GPS定位。为解决这种问题，人们开始探索不同的室内定位技术。比如，利用无线局域网、蓝牙技术、超声波技术和红外技术等。这些技术通过移动目标和固定单位的通信确定它们之间的相对位置，进而推算出目标实际位置。但是，它们常常都需要安装WiFi接入点，红外发送装置等设备，并且有较为苛刻的安装环境要求，这都极大增加了安装、维护和管理成本。在针对室内场所、普通地面及空间环境条件下的定位及通信需求方面，目前还没有一种原理简单、容易实施、检测精度高的平面位置传感定位及通信方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于波分复用的可见光定位通信方法和系统，解决现有技术中存在的平面位置定位及通信技术所需的环境要求高、定位范围有限、设备系统复杂、使用成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于波分复用的可见光定位通信方法和系统，具体包括以下步骤：

(1)选择一矩形室内空间，所述矩形室内空间的四面墙体上，分别水平布置LED照明灯带，所述LED照明灯带内设置有红色灯珠和蓝色灯珠，四个所述LED照明灯带的安装高度均相同，两个横向或纵向相对平行的所述LED照明灯带长度一致，且与需定位范围的横纵尺寸一致，四个LED照明灯带所包围的区域内放置一台移动平台，所述移动平台上装有带有红光滤光片的光电探测器和带有蓝光滤光片的光电探测器，内部装有移动平台控制中心；

(2)采用大功率直流电源，分别为四个所述LED照明灯带的驱动电路提供电源，所述驱动电路所发出的脉冲电源同时驱动四个所述LED照明灯带，当中央控制区控制LED照明灯带向移动平台发送信息时，发送“1”，则红色灯珠亮，反之，蓝色灯珠亮，且红色灯珠和蓝色灯珠在传递信息时，亮度相同；

(3)覆盖有红色滤光片和蓝色滤光片的光电探测器将检测到的照明信号分别并联送至缓冲放大器，所述缓冲放大器的输出信号送至定位模块，另外，仅覆盖有红色滤光片的光电探测器的输出电流信号连接至移动平台通信模块，完成信息传递；

(4)定位时，一侧的光电探测器接收来自同侧LED照明灯带上的光强照射，其中，覆盖有红色滤光片的光电探测器将同侧灯带上的蓝色灯珠发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号；覆盖有蓝光滤光片的光电探测器将同侧灯带上的红色灯珠发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将两个光电探测器的输出电流信号并联送入定位模块；

(5)在同一时刻，红色灯珠发射的光功率与蓝色灯珠发射的光功率合起来是恒定功率，所述光电探测器接收到的光功率与所述移动平台所处的位置有关，根据平方反比定律，所述光电探测器探测到的光功率会随着距离的平方线性衰减，光电探测器的输出电流信号也会随着距离的平方线性衰减，即其中，k为衰减系数，r为光电探测器与LED照明灯带之间的距离，I₀为r＝0时的电流；

(6)假设所述矩形室内空间的长度为L₁，宽度为L₂，所述移动平台为边长为a的正方形，所述移动平台的左侧与左墙的水平距离为x₁，所述移动平台的右侧与右墙的水平距离为x₂，所述移动平台的前侧与前墙的距离为y₂，所述移动平台的后侧与后墙的距离为y₁，故

由(1)式带入平方反比定律可得方程组

由(2)式可解得x₁，x₂，y₁和y₂，则移动平台中心的位置为按照上述方程组进行计算，得到移动平台所处位置，完成定位功能。

本发明的有益效果是：

(1)采用波分复用技术，既完成了室内环境定位，也实现了单向通信；

(2)四个LED照明灯带平均光强相同，由于其属于带状分布光源，容易实现大面积空间的均匀照明，且由于其闪烁频率远高于人眼感知范围(如1kHZ以上)，因此定位和通信功能不影响照明品质，与传统节能灯相比有更优越的动态照明性能；

(3)移动平台可以在整个空间内自由移动，并可通过通信功能指挥移动平台向指定位置移动；

(4)采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，有利于保持良好的电磁兼容性；实现定位的同时，通过提取接收信号中的能量有效地向各种终端设备馈电，从而取代传统有线或电池供电所带来的不便，减小了终端设备的体积与成本，并极大地延长其待机时间；

(5)本发明的有效范围为四个LED照明灯带所包围区域，且适用于多个移动平台的并行定位，各个移动平台之间互不干扰。

附图说明

图1为本发明中矩形室内空间的结构示意图；

图2为本发明中LED照明灯带驱动原理的结构示意图；

图3为本发明中通信工作的结构示意图；

图4为本发明中LED照明灯带发出功率恒定的结构示意图；

图5为本发明中定位工作的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，首先在需定位矩形室内空间1的四面墙体上水平布置均匀发光的四个LED照明灯带2，3，4和5，四个LED照明灯带均安装在墙的正中央，且保持安装高度相同，并使四个LED照明灯带的长度一致且相对对齐，四个LED照明灯带上均安装有A、B两个LED灯珠，其中灯珠A发红光，灯珠B发蓝光，在四个LED照明灯带包围区域内放置移动平台6，移动平台6上装有带有红光滤光片的光电探测器7，8，9，10和带有蓝光滤光片的光电探测器11，12，13，14，内部装有移动平台控制中心21。

如图2所示，大功率直流电源15为四个LED照明灯带2，3，4和5的驱动电路16提供电源，驱动电路16所发出的脉冲电源同时四个驱动LED照明灯带2，3，4和5，当中央控制区17控制四个LED照明灯带2，3，4和5，向移动平台6发送信息时，发送“1”，则灯珠A亮，反之，灯珠B亮，而且A和B在传递信息时，亮度相同。

如图3所示，光电探测器7和11、8和12、9和13、10和14检测到的照明信号分别并联送至缓冲放大器18，缓冲放大器18的输出信号送至定位模块20，另外光电探测器7，8，9，10的输出电流信号连接至移动平台通信模块19，完成信息传递。

定位时，光电探测器7和11接收来自LED照明灯带2上的光强照射，其中，光电探测器7将灯带2上的灯珠B发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号；光电探测器11将灯带2上的灯珠A发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将光电探测器7和11的输出电流信号并联送入定位模块20。光电探测器8和12接收来自LED照明灯带3上的光强照射，其中，光电探测器8将灯带3上的灯珠B发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号，光电探测器12将灯带3上的灯珠A发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将光电探测器8和12的输出电流信号并联送入定位模块20。光电探测器9和13接收来自LED照明灯带4上的光强照射，其中，光电探测器9将灯带4上的灯珠B发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号，光电探测器13将灯带4上的灯珠A发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将光电探测器9和12的输出电流信号并联送入定位模块20。光电探测器10和14接收来自LED照明灯带5上的光强照射，其中，光电探测器10将灯带5上的灯珠B发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号，光电探测器14将灯带5上的灯珠A发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将光电探测器10和14的输出电流信号并联送入定位模块20。

如图4所示，在同一时刻，灯珠A发射的光功率与灯珠B发射的光功率合起来是恒定功率。光电探测器接收到的光功率与移动平台6所处的位置有关，根据平方反比定律，光电探测器探测到的光功率会随着距离的平方线性衰减，所以光电探测器的输出电流信号也会随着距离的平方线性衰减，即其中，k为衰减系数，r为光电探测器与LED照明灯带之间的距离，I₀为r＝0时的电流。

如图5所示，矩形室内空间的长度为L₁，宽度为L₂，移动平台为边长为a的正方形，移动平台的左侧与左墙的水平距离为x₁，移动平台的右侧与右墙的水平距离为x₂，移动平台的前侧与前墙的距离为y₂，移动平台的后侧与后墙的距离为y₁。故

由(1)式带入平方反比定律可得方程组

由(2)式可解得x₁，x₂，y₁和y₂，则移动平台中心的位置为按照上述方程组进行计算，得到移动平台6目前所处位置，完成定位功能。

通信时，LED照明灯带按照扩频原则进行信息编码。例如以下数据：

帧头	数据	校验位	结束符
				0111	1010111001110110	10	1110

无论数据为0或1，由于红色灯珠和蓝色灯珠信号互补，因此LED灯带2、3、4、5的信号强度均为1。所以，通信的数据不影响定位，通信和定位可以同时进行。

Claims (1)

1.一种基于波分复用的可见光定位通信方法和系统，具体包括以下步骤：

(1)选择一矩形室内空间，所述矩形室内空间的四面墙体上，分别水平布置LED照明灯带，所述LED照明灯带内设置有红色灯珠和蓝色灯珠，四个所述LED照明灯带的安装高度均相同，两个横向或纵向相对平行的所述LED照明灯带长度一致，且与需定位范围的横纵尺寸一致，四个LED照明灯带所包围的区域内放置一台移动平台，所述移动平台上装有带有红光滤光片的光电探测器和带有蓝光滤光片的光电探测器，内部装有移动平台控制中心；

(2)采用大功率直流电源，分别为四个所述LED照明灯带的驱动电路提供电源，所述驱动电路所发出的脉冲电源同时驱动四个所述LED照明灯带，当中央控制区控制LED照明灯带向移动平台发送信息时，发送“1”，则红色灯珠亮，反之，蓝色灯珠亮，且红色灯珠和蓝色灯珠在传递信息时，亮度相同；

(3)覆盖有红色滤光片和蓝色滤光片的光电探测器将检测到的照明信号分别并联送至缓冲放大器，所述缓冲放大器的输出信号送至定位模块，另外，仅覆盖有红色滤光片的光电探测器的输出电流信号连接至移动平台通信模块，完成信息传递；

(4)定位时，一侧的光电探测器接收来自同侧LED照明灯带上的光强照射，其中，覆盖有红色滤光片的光电探测器将同侧灯带上的蓝色灯珠发出的蓝光过滤，将接收到的红光转换为电流信号；覆盖有蓝光滤光片的光电探测器将同侧灯带上的红色灯珠发出的红光过滤，将接收到的蓝光转换为电流信号，将两个光电探测器的输出电流信号并联送入定位模块；

(5)在同一时刻，红色灯珠发射的光功率与蓝色灯珠发射的光功率合起来是恒定功率，所述光电探测器接收到的光功率与所述移动平台所处的位置有关，根据平方反比定律，所述光电探测器探测到的光功率会随着距离的平方线性衰减，光电探测器的输出电流信号也会随着距离的平方线性衰减，即其中，k为衰减系数，r为光电探测器与LED照明灯带之间的距离，I₀为r＝0时的电流；

(6)假设所述矩形室内空间的长度为L₁，宽度为L₂，所述移动平台为边长为a的正方形，所述移动平台的左侧与左墙的水平距离为x₁，所述移动平台的右侧与右墙的水平距离为x₂，所述移动平台的前侧与前墙的距离为y₂，所述移动平台的后侧与后墙的距离为y₁，故

由(1)式带入平方反比定律可得方程组

由(2)式可解得x₁，x₂，y₁和y₂，则移动平台中心的位置为按照上述方程组进行计算，得到移动平台所处位置，完成定位功能。