CN110601760A - 一种基于可见光通信的室内定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可见光通信的室内定位系统及定位方法，在室内定位过程中，发射端和接收端都采用LED，通过在蓝光激发黄光荧光粉的常见商用白光LED上加载特定序列的数字信号，在接收端采用不通电的特定LED(尤其以绿光LED为佳)接收，将接收到的电信号解码并读取定位信息。定位的发射端可以完全在现有室内照明系统上添置，无需改变光通和配光，不会损失任何照明性能。通过在接收端配置合适的LED而非硅基探测器，能提高定位的精度、灵敏度和传输速率。由于接收端也是LED，能够反馈信息，可以通过合适的设计实现向发射端确认坐标、提供接收者的移动信息等功能。

Description

一种基于可见光通信的室内定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种利用可见光的定位系统以及相 应的定位方法。

背景技术

可见光通信作为一种绿色、环保、新型的通信技术，在室内定位方面逐渐 投入应用。蓝光激发黄光荧光粉的白光LED光源已经普遍用于室内照明系统， 借助于现有的LED照明装置进行高精度定位将大大减少设备安装成本，并且LED 定位具有安全、无辐射、速度快、精度高等优势，并可以应用于易燃易爆、飞 机、高铁等对电磁波敏感的特殊场合。目前的可见光LED定位多数采用LED的 发射端和硅基探测器的接收端，主要存在以下两方面的缺陷：1.对于半导体的 光致激发而言，低能量的光子难以激发价带上的电子跃迁到导带上，必须依赖 激子的协助这种发生概率极低的方式，所以能量低于半导体禁带宽度的光子难 以让半导体产生光电流。硅基半导体的禁带宽度大致在1.1-1.3eV，远小于可 见光光子的能量范围1.59-3.26eV，因而所有波长的可见光均能被硅基半导体 吸收。但硅基半导体的这种优异特性在白光LED通信时却成为了缺点，它会将 响应缓慢的荧光粉黄光“忠实”地记录下来。因此当光源中黄光荧光粉被蓝光 激发时，由于黄光荧光粉作为系统中响应最慢的部分，对系统带宽会产生巨大 拖累，从而严重影响系统定位效率；2.这种定位是单向的，不能反馈信息(包 括确认坐标、提供接收者的移动信息等)。在现有技术中，如公开号为CN107991649A的中国专利申请，其技术方案如图1所示，公开了一种基于LED 的可见光室内定位装置，发射端为LED，接收端为摄像头或硅基探测器(硅光电 池)。该方案中明显具有了上述的在接收端不能反馈信息，且传输速率偏低两方 面缺点。

发明内容

利用白光LED进行光通信时，由于信号调制在蓝光上，再经由荧光粉传递 给黄光，所以只接收响应快的蓝光信号而屏蔽掉响应慢的黄光信号，通信的信 息量是不丢失的，并能极大地提高通信传输速率。蓝光光子的能量范围在2.48- 2.85eV，黄光光子的能量范围在2.07-2.19eV，采用禁带宽度在2.19-2.48eV 的半导体作为接收端能实现上述的屏蔽效果。在比如所采用的探测器材料禁带 宽度为2.37eV时，则只接受光子能量高于2.37eV的部分，从而实现良好屏 蔽。

基于上述构思，本发明为解决现有技术存在的技术问题，提出了一种基于 可见光通信的室内定位系统，所述系统包括：

光发射模块10，包括：白光LED光源102、LED驱动电路101；

无线光通信链路11；

光接收模块12，包括：光接收器121，用于只接收所述白光LED光源102 所发出的光中，光子能量高于所述光接收器的探测材料禁带宽度的部分的部分。

由于在通信过程中将黄光部分实现了有效地屏蔽，因此白光LED光源仍可 采用市面上最为常见的产生蓝光并激发YAG黄光荧光粉方式发出白光的LED芯 片。

进一步地，由于禁带宽度在2.19-2.48eV的LED发光颜色一般是绿光， 常见的InGaN/GaN材料体系的商用绿光LED的禁带宽度一般在2.37eV附近， 所以采用绿光LED作为接收端能实现上述的屏蔽效果。也可采用Micro-LED或 纳米LED作为接收端来实现上述功能，由于其结电容很小从而能增益带宽，进 一步增加传输速率。

进一步地，所述系统中，所述光发射模块10还包括：控制芯片100，用于 存储白光LED光源的位置编码信息。既可以让每一个控制芯片各存储一个白光 LED光源的位置编码信息，也可以让一个控制芯片存储位于不同位置处的多个白 光LED光源的不同位置编码信息。所述控制芯片100，控制所述LED驱动电路 101产生直流信号使白光LED光源102发光并加载对应于位置编码的数字信号， 从而将光作为通信载体。

所述光接收模块12还包括：模数转换电路122和解码器123，用于对携带 所述直流信号与所述位置编码的接收光进行处理，对探测到的信号进行模数转 换并解码出定位信息。

进一步地，所述位置编码的生成方式为：由所述控制芯片100将所存储的 与位置相对应的哈弗曼编码序列，进行曼彻斯特编码变换，输出低电平或或高 电平的脉冲信号。

进一步地，所述直流信号为5V，所述脉冲信号的低电平、高电平分别为0V、 0.7V。

进一步地，为提高所述系统的光通信效果，在光发射模块10中还包括反光 元件103，用于对所述白光LED光源发出的光形成反射并出射；光接收模块12 中还包括光学天线120，用于接收所述白光LED光源发出的光并提供至所述光接 收器121。

所述的反光元件103可以采用反光杯的形式；所述光学天线120可以采用 复合抛物面聚光器或球形透镜等。

进一步地，所述光接收模块12还包括定位显示器124，用于显示定位结果。

相应地，本发明还提供了利用上述的基于可见光通信的室内定位系统的室 内定位方法，具体包括以下步骤：

一、光发射模块10向无线光通信链路11中发射白光信号；

二、光接收模块12对经过所述光通信链路11中传播的白光信号进行接收， 且只接收光子能量高于探测材料禁带宽度的部分；

三、利用光接收模块12所接收的光的部分，确定定位信息。

进一步地，所述白光信号中加载有直流信号以及与光发射模块10对应的位 置编码对应的脉冲信号。

进一步地，所述白光LED电压的形成过程具体包括：

(1).对每个光发射模块的位置进行哈弗曼编码并存储；

(2).对哈弗曼编码进行曼彻斯特编码变换；

(3).驱动光发射模块发射白光；所述白光中包含直流信号成分，以及与 每个光发射模块位置对应的高电平和低电平脉冲。

进一步地，所述直流信号为5V，所述脉冲信号的低电平、高电平分别为0V、 0.7V。

上述本发明提供的系统和方法在室内定位过程中，发射端和接收端都采用 LED，通过在蓝光激发黄光荧光粉的常见商用白光LED上加载特定序列的数字信 号，在接收端采用不通电的特定LED(尤其以绿光LED为佳)接收，将接收到的 电信号解码并读取定位信息。定位的发射端可以完全在现有室内照明系统上添 置，无需改变光通和配光，不会损失任何照明性能。通过在接收端配置合适的 LED而非硅基探测器，能提高定位的精度、灵敏度和传输速率。由于接收端也是 LED，能够反馈信息，可以通过合适的设计实现向发射端确认坐标、提供接收者 的移动信息等功能。

附图说明

图1是现有技术的可见光定位系统图。

图2是本发明所提供的系统结构图。

图3是本发明的具体实例中测试系统设置示意图。

图4是三色LED的探测灵敏度测试对比图。

图5是硅基探测器的灵敏度测试结果图。

图6是曼彻斯特编码的高、低电平脉冲示意图。

图7是(虽然这么说也对，但为什么要用麻烦的说法啊，而且输入又不能 体现是哈夫曼编码)曼彻斯特编码的真值表。

图8是定位信息所产生数字信号的发射和接收的测试情况示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 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做出创造性劳动 前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

如图2所示，本发明提供了一种基于可见光通信的室内定位系统，所述系 统包括：

光发射模块10，包括：白光LED光源102、LED驱动电路101；

无线光通信链路11；

光接收模块12，包括：光接收器121，用于只接收所述白光LED光源102 所发出的光中，光子能量高于所述光接收器的探测材料禁带宽度的部分。

所述系统中的光发射模块10还包括：控制芯片100，用于存储白光LED光 源的位置编码信息。既可以让每一个控制芯片各存储一个白光LED光源的位置 编码信息，也可以让一个控制芯片存储位于不同位置处的多个白光LED光源的 不同位置编码信息。所述控制芯片100，控制所述LED驱动电路101产生直流信 号使白光LED光源102发光并加载对应于位置编码的数字信号，从而将光作为 通信载体。

所述光接收模块12还包括：模数转换电路122和解码器123，用于对携带 所述直流信号与所述位置编码的接收光进行处理，对探测到的信号进行模数转 换并解码出定位信息。

所述位置编码的生成方式为：由所述控制芯片100将所存储的与位置相对 应的哈弗曼编码序列，进行曼彻斯特编码变换，输出低电平或或高电平的脉冲 信号。所述直流信号为5V，所述脉冲信号的低电平、高电平分别为0V、0.7V。

为提高所述系统的光通信效果，在光发射模块10中还包括反光元件103， 用于对所述白光LED光源发出的光形成反射并出射；光接收模块12中还包括光 学天线120，用于接收所述白光LED光源发出的光并提供至所述光接收器121。

所述的反光元件103可以采用反光杯的形式；所述光学天线120可以采用 复合抛物面聚光器或球形透镜等。

所述光接收模块12还包括定位显示器124，用于显示定位结果。

相应地，本发明还提供了利用上述的基于可见光通信的室内定位系统的室 内定位方法，具体包括以下步骤：

一、光发射模块10向无线光通信链路11中发射白光信号；

二、光接收模块12对经过所述光通信链路11中传播的白光信号进行接收， 且只接收光子能量高于所述光接收器的探测材料禁带宽度的部分，比如能量范 围在2.19–2.48eV的部分；

三、利用光接收模块12所接收的光的部分，确定定位信息。

所述白光信号中加载有直流信号以及与光发射模块10对应的位置编码。所 述白光LED电压的形成过程具体包括：

(1).对每个光发射模块的位置进行哈弗曼编码并存储；

(2).对哈弗曼编码进行曼彻斯特编码变换；

(3).驱动光发射模块发射白光；所述白光中包含直流信号成分，以及与 每个光发射模块位置对应的高电平和低电平脉冲。所述直流信号为5V，所述脉 冲信号的低电平、高电平分别为0V、0.7V。

在本发明的一个具体实例中，建立了如图3所示结构的系统，通过进行探 测灵敏度的测试，结果如图4和图5所示，验证了在合适的距离和光功率情况 下，探测灵敏度从大到小排序为：绿光LED＞黄光LED＞红光LED＞硅基探测器， 这与“光子能量与探测器材料的禁带宽度差距越小，能量转换效率越大，探测 灵敏度也越大”的理论吻合。由于绿光LED的探测灵敏度更大，信噪比更高， 所以定位精度也更大。相应地，若接收端LED采用黄光LED或红光LED，相比于 硅基探测器而言，LED探测器材料的禁带宽度与光子能量的差距更小，因而也能 一定程度地优化探测灵敏度。

本发明的具体实例中基于上述系统进行室内定位，主要包括以下过程：

步骤1：系统在室内区域安装可见光LED灯阵列，室内长宽10米，高度3 米，在天花板上每2米×2米均匀配置LED灯具102，共25盏，每个LED灯具 在平面的精确位置(x,y)已知，并且对每个LED灯具位置进行哈弗曼编码；

步骤2：将编码信息系存储进控制芯片100，本实施例采用Arduino Uno R3 及其外部电路来存储、控制和驱动白光LED灯具，所以控制芯片100采用了Arduino Uno的核心芯片ATmega 328P；

步骤3：通过编写程序让Arduino Uno R3控制外部电路输出5伏的直流电 压给商用白光LED 102使其发光，其白光形成方式为LED芯片产生蓝光并激发 YAG黄光荧光粉，每一盏白光LED灯具102由4颗白光LED芯片并联组成；

步骤4：通过编写程序让Arduino Uno R3控制外部电路输出幅值为0.7伏 的脉冲数字信号，此脉冲信号的构建方式为将控制芯片100存储的位置信息的 哈弗曼编码序列，再经过曼彻斯特编码变换，输出0伏或0.7伏的脉冲信号， 如图7和图8所示；

步骤5：控制外部电路将步骤3的5伏直流信号与步骤4的0.7伏脉冲数字 信号同时加载在白光LED灯具102上；

步骤6：白光LED灯具102的发光侧配置了反光杯103，发出白光经过无线 光通信链路11，在地面上形成直径2米的圆形配光或2米×2米的蝙蝠翼型配 光；

步骤7：接收器(用户)12通过复合抛物面聚光器或球形透镜等光学天线 120，收集发射器10发出的光信号；

步骤8：接收器(用户)12使用常见的InGaN/GaN材料体系的商用绿光 LED 121作为探测器将光信号转换为电信号；

步骤9：接收器(用户)12处同样采用Arduino Uno R3作为模数转换电路122兼解码器123将接收到的电信号解码并读取定位信息，定位信息所产生数字 信号的发射和接收的测试情况如图8所示；

步骤10：将定位信息经由定位显示器124显示出来，可采用数码管或液晶 显示屏。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于 限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于可见光通信的室内定位系统，其特征在于：所述系统包括：

光发射模块，包括：白光LED光源、LED驱动电路；

无线光通信链路；

光接收模块，包括：光接收器，用于只接收所述白光LED光源所发出的光中，光子能量–高于所述光接收器的探测材料禁带宽度的部分。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光接收器采用不通电的特定LED，如红光LED、黄光LED、绿光LED等材料禁带宽度小于2.48eV的探测器，尤其以绿光LED为佳。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的接收端LED为可以是Micro-LED或纳米LED。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述光发射模块还包括：控制芯片，用于存储白光LED光源的位置编码信息，以及控制所述LED驱动电路产生直流信号使白光LED光源发光并加载对应于位置编码的数字信号；

所述光接收模块还包括：模数转换电路和解码器，用于对携带所述直流信号与所述位置编码的接收光进行处理。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述位置编码的生成方式为：由所述控制芯片将所存储的与位置信息相对应的哈弗曼编码序列，进行曼彻斯特编码变换，输出低电平或高电平的脉冲信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述直流信号为5V，所述脉冲信号的低电平、高电平分别为0V、0.7V。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：上述光发射模块中还包括反光元件，用于对所述白光LED光源发出的光形成反射并出射；光接收模块中还包括光学天线，用于接收所述白光LED光源发出的光并提供至所述光接收器。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的反光元件为反光杯；所述光学天线为复合抛物面聚光器或球形透镜。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光接收模块还包括定位显示器，用于显示定位结果。

10.一种基于可见光通信的室内定位方法，具体包括以下步骤：

一、光发射模块向无线光通信链路中发射白光信号；

二、光接收模块对经过所述光通信链路中传播的白光信号进行接收，且只接收光子能量高于所述光接收器探测材料禁带宽度的部分；

三、通过处理光接收模块所接收的信号，确定定位信息。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述白光信号中加载有直流信号以及与光发射模块对应的位置编码对应的脉冲信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：白光LED电压的形成过程具体包括：

(1).对每个光发射模块的位置进行哈弗曼编码并存储；

(2).对哈弗曼编码进行曼彻斯特编码变换；

(3).驱动光发射模块发射白光；所述白光中包含直流信号成分，以及与每个光发射模块位置对应的高电平和低电平脉冲。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述直流信号为5V，所述脉冲信号的低电平、高电平分别为0V、0.7V。