CN208239603U - 一种可见光室内定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可见光室内定位装置,其由灯控系统及测量系统构成，该测量系统包含光敏传感器模块，且该光敏传感器模块包含分别能测出上、前、左、右四个方向的值的四个光敏传感器。本实用新型提供了一种结构简单，精度较高的可见光定位装置，并且不影响日常照明。

Description

一种可见光室内定位装置

技术领域

本实用新型属于定位技术领域，尤指一种可见光室内定位装置。

背景技术

目前，基于位置的服务(Location based Services)，即通过定位系统获取位置信息是物联化时代的重要研究课题。全球定位系统作为一种精确定位的导航系统，在各领域均得到了广泛应用，如交通、测绘等行业。其应用在室外定位时可展现高精度、高效益的工作，但对于室内定位，由于无线电磁干扰等，在一定程度上影响了其定位质量，使之应用产生了一定的限制。

而可见光室内定位技术是一种基于可见光通信技术的室内定位技术，这种技术与现有的传统室内定位技术相比，具有定位精度高、无电磁干扰、附加模块少、保密性好、兼顾通信与照明等优点。在基于可见光通信的室内定位技术中，定位的参考点通常为LED 点光源，而定位目标可为光电检测器件，定位的距离检测一般通过接收信号强度(RSS)，到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)等方式。

室内定位技术在人员位置服务、仓库物流、抢险救灾和工矿企业等领域具有广泛的应用。而传统的无线室内定位技术，如红外技术、无线射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术和无线局域网(Wireless LAN，WLAN)技术等，虽然可以在室内环境下取得良好的定位效果，但是无法在射频敏感区域应用，并且由于其需要其他设备的辅助，硬件成本大。基于发光二极管LED(Light Emitting Diode，LED)的室内定位技术不仅不会产生任何射频干扰、绿色环保，还具有同时实现照明和定位的功能，成为近年来的研究热点。

随着智能手机与平板电脑的兴起，基于可见光通信(visible lightcommunication，VLC)的室内定位系统快速发展，VLC室内定位技术的实现具有了更大的可能，其具有高保密性、抗干扰能力强、通信质量好、兼顾通信与照明等优点。可见光的定位方法是基于 VLC的室内定位技术，通过将人眼识别不到的高频信号加载到LED 灯具上，来传输定位相关的信息。VLC定位技术可以利用摄像头作为接入端，通过运行相应的软件，捕捉LED灯具的信号，实现接收端的定位。但是，用于定位的传统VLC算法如到达时间法、到达时间差法、到达信号角度法等需要接收端与发射端设备时钟的严格同步，从而需要智能设备不断分析捕获的视频信号，导致智能设备的高功耗，将缩短电池寿命，且成本较高。虽然另外的定位算法如接收信号强度法(received signal strength,RSS)不需要其时钟同步，但在现今的多种VLC定位算法中，传统的RSS三角定位算法由于多径效应导致的码间干扰，使定位的精度得不到有效的保障。

因而如何降低设备的复杂程度，同时提高定位精度，排除外界杂散光源的影响，成为业界努力解决的技术问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型首要目的在于提供一种简单的可抗干扰的可见光定位装置。其次要目的在于，借助设置4个特定位置方向点传感器，实现抗干扰及高精度且实现方式简单的可将光定位系统。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种可见光室内定位装置,由灯控系统及测量系统构成，该测量系统包含光敏传感器模块，且该光敏传感器模块包含分别能测出左、右、上、前四个方向的值的四个光敏传感器；所述灯控系统控制LED灯珠作为光源；所述光敏传感器能进行光源探测并将光能转变为电压，并利用I2C的通信协议实现测量系统与灯控系统之间的光通信，且该可见光室内定位装置运用三点定位进行坐标定位。

其中，较佳的，该光敏传感器模块为中空的箱体，所述四个光敏传感器分别设置于该箱体的左、右、上、前的壁面中部，优选四个光敏传感器分别位于所在面的面对角线交点处。

其中，较佳的，该箱体为吸收光的性能好的深色箱子。

其中，较佳的，该灯控系统还包括键盘、至少3个高亮LED灯珠及 LED驱动电路。

其中，较佳的，该测量系统还包括A/D模块及显示模块。

其中，较佳的，所述箱体为5cm*5cm*3cm的箱体。

其中，较佳的，所述箱体后部设有外接电源接口及通信端子。

其中，较佳的，所述LED驱动电路是控制输入LED灯的占空比以改变电流，来改变不同位置的光强从而实现定位。

借助上述结构，本实用新型有益效果在于，提供了一种结构简单，精度较高的可见光定位装置，并且不影响日常照明。

附图说明

图1本实用新型一具体实施例的各模块的系统框图；

图2本实用新型一具体实施例的各模块电路流程示意图；

图3本实用新型的光敏传感器模块的箱体、电路接口板及四个传感器设置位置示立体示意图；

图4本实用新型的光敏传感器模块的箱体另一角度的立体示意图；

图5本实用新型利用插值法经多次采集数据然后利用MATLAB进行拟合得到特定函数曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步具体的说明。

本实用新型的一种可见光室内定位装置，其是由相互独立的LED控制电路和测量电路组成。参见图1所示，其为本实用新型一具体实施例的各模块的系统框图，并请参阅图2，本实用新型一具体实施例的各模块电路流程示意图。由图可知，本实用新型的整个系统分为系统模块、LED 驱动模块、检测模块、LCD显示模块。

本实用新型的要点在于，借助如图3及4所示的光敏传感器模块的设置，其借助4个位于三维轴向上的四个光敏传感器测出上、前、左、右四个方向的值，然后可由MCU控制系统将所测数值进行处理得出具体坐标值，于本具体实施例中，首先利用四个光敏传感器测出上、前、左、右四个方向的值；然后用三角定位法，利用测得值先将X轴的值进行处理得出传感器在X轴的坐标表达式。

其中：di-左右光敏传感器的差值c-顶部光敏传感器的值

通过X轴坐标的值确定Y轴坐标的表达式得

其中：d-前面传感器的值，

然后采用插值法，多次采集数据，利用MATLAB进行拟合得到特定函数，如图5所示。

在本具体实施例中，LED控制部分包括STC89C52单片机、电源模块和恒压驱动模块、键盘输入模块。LED控制电路通过单片机控制PWM的占空比来控制恒压模块驱动3W高亮白LED灯珠。测量电路包括STC89C52 单片机、光敏传感器、LCD显示模块、A/D模块。测量电路通过三点定位法来确定唯一坐标，借助光敏传感器模块分别测出上、前、左、右四个方向的值，其主要是应用光敏传感器将测得光能转化成电压值，利用A/D 模块将测得的电压值采样，将采样值送给STC89C52单片机，单片机将该值通过LCD进行显示。将经过大量的测量数据通过MATLAB对数据拟合得到其线性关系，得到唯一坐标值。同理，利用控制电路输出占空比实现 LED灯的高频闪烁，通过测控电路显示控制电路输出的数字信息。

另外，由于本系统LED控制电路采用+12伏单电源供电，供电功率不大于5W，且为了能提供稳定的电源，本实用新型的电源较佳采用变压和稳压器。其优点：结构简单、搭建时间短。

而感光测量元件优选光敏传感器，其在不同的光照强度下，光敏电阻的阻值随光强的变化而变化，使得电流的改变，从而可以感应位置的变化。其优点：成本低，可靠性好，更换容易。且由于光敏传感器的阻值随光强变化明显，是比较符合本实用新型的要求的传感器。

为了实现较高的定位精度，本实用新型采用控制输入LED灯的占空比，改变电流，以此来改变不同位置的光强，实现定位的方法。其优点：光强可控，定位准确，不会产生相同光强的点。当然也可以采用控制输入三颗LED的电压，以改变输出光强，从而实现定位。但是该方法有损坏LED的风险，不易控制。而且不能是实现在3个LED正常照明(无明显闪烁)的情况下，测量电路通过传感器接受的信号判断传感器的位置。

在本具体实施例中，是采用了容易上手，适合初学者的STC89C52RC 单片机作为MCU控制系统，其是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、强抗干扰的单片机。内置八位中央处理单元，512字节内部数据存储器 RAM，8k片内程序存储器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口。

整个系统由电源、STC89C52测量系统、STC89C52灯控系统、显示模块、光敏传感器模块、高亮LED灯珠、LED驱动电路、键盘模块等组成。系统采用自制恒压源(包含±5V、±12V)为系统供电，采用LCD1602作为显示模块显示传感器坐标值，运用三点定位矩阵算法进行坐标定位，运用光敏传感器进行光源探测并将光能转变为电压，利用I2C的通信协议实现测量系统与灯控系统之间的光通信，运用STC89C52控制实现对LED 灯珠的驱动，采用MATLAB对数据进行拟合，系统框图见图1。

而光源的来源，在本实施例中，是运用三个3W高亮白光LED灯珠发送光能，并借助光敏作为光电传感器将光能转换为电压，利用光敏传感器接受不同的光强以改变电路中的阻值，进而测得在某一位置的电压值，然后利用A/D转换将电压值转换成数字量。

同时，本实用新型利用自拟定的通信协议通过高亮LED灯珠与光敏接收模块实现了从灯控系统到主控系统之间的信息传递。

为了抗干扰，本实用新型的该具体实施例将4个位于三维轴向上的四个光敏传感器安设于4个位于一个箱子内，较佳的本实施例采用了深色箱子的方案，深色箱子吸收光的性能好，可最大限度吸收自然光，减少自然光在箱内反射，最大限度减少自然光的干扰，经试验测试，在本具体实施例中，该箱体较佳采用尺寸为5cm*5cm*3cm的箱体，其效果最佳，而四个光敏传感器的轴向延长线交叉于一坐标原点，较佳的四个光敏传感器分别位于所在面的面对角线交点处。如图3、4所示，所述箱体后部设有外接电源接口及通信端子。电路板是设于未设置光敏传感器的箱体底部，且外接电源接口及通信端设于该箱体后部开口处。

另外为了安装及定位方便，本实用新型的箱子位于底板两侧较佳设有一对凸耳。

并且，本实用新型可以采用大量拟合测量数据以消除少量数据对坐标精确度的影响。

如表一所示，可分不同时段测得215组数据，并将不同时段外部光强影响视为常数，将其减掉，从而可以降低外部光源对本系统的精度影响。

为保证测试不受干扰，本实用新型具体实施例测试时采用了80cm* 80cm*80cm的箱体构建测试环境。

表一：图3、及图4的传感器所在位置对应光强数据

根据上述测试数据分析，可知，测试满足了基本要求，定位误差在 10cm以内，并可以判断传感器放置的区域。

传感器的箱体于本实施例中，是采用5cm*5cm*3cm的箱体。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种可见光室内定位装置,由灯控系统及测量系统构成，其特征在于，

该测量系统包含光敏传感器模块，且该光敏传感器模块包含分别能测出左、右、上、前四个方向的值的四个光敏传感器；所述灯控系统控制LED灯珠作为光源；所述光敏传感器能进行光源探测并将光能转变为电压，并利用I2C的通信协议实现测量系统与灯控系统之间的光通信，且该可见光室内定位装置运用三点定位进行坐标定位。

2.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，该光敏传感器模块为中空的箱体，所述四个光敏传感器分别设置于该箱体的左、右、上、前的壁面中部。

3.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，该箱体为吸收光的性能好的深色箱子。

4.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，该灯控系统还包括键盘、至少3个高亮LED灯珠及LED驱动电路。

5.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，该测量系统还包括A/D模块及显示模块。

6.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，所述箱体为5cm*5cm*3cm的箱体。

7.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，所述箱体后部设有外接电源接口及通信端子。

8.根据权利要求4所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，所述LED驱动电路是控制输入LED灯的占空比以改变电流，来改变不同位置的光强从而实现定位。

9.根据权利要求2所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于，四个光敏传感器分别位于所在面的面对角线交点处。