CN208334635U - 可见光室内定位装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可见光室内定位装置及系统，涉及室内定位的技术领域，包括光信号发生模块、光信号接收模块和信号处理模块；光信号发生模块包括第一微控制器和发光元件，用于生成以不同频率闪烁的光信号；光信号接收模块包括光照度传感器，光照度传感器用于将光信号转换成第一电压信号；信号处理模块包括滤波器和第二微控制器，滤波器用于接收第一电压信号并将第一电压信号转换为多个不同频率的第二电压信号；第二微控制器用于接收多个不同频率的第二电压信号，并根据第二电压信号生成光照度传感器的定位。本实用新型以可见光为载体，具备无电磁辐射且抗干扰能力强等优点，环境条件受限小，定位更精准。

Description

可见光室内定位装置及系统

技术领域

本实用新型涉及室内定位技术领域，尤其是涉及一种可见光室内定位装置及系统。

背景技术

随着定位和导航服务需求的日益增加，定位技术受到了越来越多的关注。虽然全球定位系统(Global Positioning System，GPS)己经在室外环境中广泛应用，但是在人类活动最为频繁的室内环境中，由于无线信号的衰减和多径效应的影响，GPS定位精度十分有限，无法提供可靠的位置服务。现有主流的室内定位系统通常由电子标签、射频读写器等组成，通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换，它的抗干扰能力差，比较容易受到周边环境的影响。目前，尚未提出定位精准且抗干扰能力强的室内定位技术方案。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种可见光室内定位装置及系统，以实现对室内物体更精准并且抗干扰能力更强的定位。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种可见光室内定位装置，包括：光信号发生模块、光信号接收模块和信号处理模块；光信号发生模块包括第一微控制器和发光元件，用于生成以不同频率闪烁的光信号；光信号接收模块包括光照度传感器，光照度传感器用于将光信号转换成第一电压信号；信号处理模块包括滤波器和第二微控制器，滤波器用于接收第一电压信号并将第一电压信号转换为多个不同频率的第二电压信号；第二微控制器用于接收多个不同频率的第二电压信号，并根据第二电压信号生成光照度传感器的定位。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，第一微控制器包括多个引脚，不同的引脚输出不同频率的电信号。

结合第一方面及其第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，光信号发生模块，还包括驱动模块；驱动模块通过引脚与第一微控制器通信连接，并接收电信号；驱动模块与发光元件通信连接，并将电信号发送给发光元件。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第一微控制器为MSP430单片机，发光元件为LED灯。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，光照度传感器和所有发光元件分别通信连接，接收光信号并生成叠加的电压信号。

结合第一方面及其第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该装置还包括放大电路，放大电路与光照度传感器通信连接，并接收叠加的电压信号并转换为第一电压信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，信号处理模块包括多个中心频率不同的滤波器；多个中心频率不同的滤波器分别与光信号接收模块通信连接，并分别接收第一电压信号。

结合第一方面或其任一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，该装置还包括外接模块；外接模块和第一微控制器通信连接，并将外接信号传递给第一微控制器。

结合第一方面及其第七种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，该装置还包括通信模块；通信模块和滤波器通信连接，接收第二电压信号并发送给指定的接收装置。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种可见光室内定位系统，包括：第一方面或其任一种可能的实施方式的可见光室内定位装置。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：本实用新型实施例提供了一种可见光室内定位装置及系统，电源经过光信号发生模块中第一微控制器，可以生成不同频率的电信号，电信号经过发光元件后转化为闪烁的光信号，不同频率的电信号可以转化为以不同频率闪烁的光信号，光照度传感器同时接收以不同频率闪烁的全部光信号并转换为第一电压信号，第一电压信号经滤波器后转换为多个不同频率的第二电压信号，根据第二电压信号使用三边定位法经第二微控制器计算可生成光照度传感器的定位。本实用新型实施例以可见光为载体，具备无电磁辐射、节能环保且抗干扰能力强等优点，环境条件受限小，定位更精准。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置结构连接图；

图2为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置光信号发生模块结构连接图；

图3为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置光信号接收模块结构连接图；

图4为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置信号处理模块结构连接图；

图5为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置在室内安装示意图；

图6为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置在室内屋顶上表面安装示意图；

图7为本实用新型实施例提供的可见光室内定位装置在室内屋顶下表面安装示意图。

图标：

1-光信号发生模块；2-光信号接收模块；3-信号处理模块；11-第一微控制器；12-发光元件；21-光照度传感器；31-滤波器；32-第二微控制器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，主流的室内定位系统RFID室内定位系统。该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成，结构如图所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。在定位系统应用中，将射频读写器放置在待测移动物体上，射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息，读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。RFID室内定位技术典型系统LANDMARK。该系统通过参考标签和待定标签的信号强度RSSI的分析计算，利用“最近邻居”算法和经验公式计算出带定位标签的坐标。LANDMARK系统定位精度：平均1m。

由于射频信号在空中传播时易受干扰且在同一微波电路、同一方向上不能使用同一频率，因此在飞机、医院等特殊场景下使用受限。除此之外，它也不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

LANDMARK系统有几方面缺陷。首先，系统定位精度由参考标签的位置决定，参考标签的位置会影响定位；第二，系统为了提高定位精度需要增加参考标签的密度，然而密度较高会产生较大的干扰，影响信号强度；第三，因为要通过公式计算欧几里德公式得到参考标签和待定标签的距离，所以计算量较大。

基于以上，本实用新型实施例提供的一种可见光室内定位装置及系统，可以将三个LED灯作为光信号发生装置，利用光电传感器Po188进行光电转换，得到体现光强的电压信号。最终利用stm32单片机读取通过放大电路和滤波电路得到的电压信号，并利用三边定位方法计算得到传感器在平面的位置，从而实现定位功能。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种可见光室内定位装置进行详细介绍。

实施例一：

本实用新型实施例一提供了一种可见光室内定位装置，参见图1所示的可见光室内定位装置结构连接图，该装置包括：光信号发生模块1、光信号接收模块2和信号处理模块3。

光信号发生模块1包括第一微控制器11和发光元件12，用于生成以不同频率闪烁的光信号。

第一微控制器和电源连接，电源发出电信号经过第一微控制器转换为预定频率的PWM波(Pulse Width Modulation，PWM)，预定频率的PWM波经发光元件转换为按照预定频率闪烁的光信号。可以将预定频率分别设置为120Hz、300Hz或540Hz等，可以分别得到120Hz、300Hz或540Hz的光信号。光信号的频率和光信号在不同位置的强度传递了发光元件的编码信息以及位置信息，这是对光信号进行编码的过程。在一次定位中可以使三个发光元件分别产生三种以不同频率闪烁的光信号。

光信号接收模块2包括光照度传感器21，光照度传感器21用于将光信号转换成第一电压信号。

光照度传感器可以选用型号为P0188的传感器。光照度传感器同时接收所有以不同频率闪烁的光信号，将光信号转化为此时光照强度对应的电压信号，即第一电压信号。第一电压信号的变化频率即多个光信号闪烁频率的叠加。

信号处理模块3包括滤波器31和第二微控制器32，滤波器31用于接收第一电压信号并将第一电压信号转换为多个不同频率的第二电压信号。

信号处理模块用于处理第一电压信号。多个中心频率不同的滤波器分别与光照强度传感器分别通信连接。例如，滤波器的中心频率分别为120Hz、300Hz和540Hz。第一电压信号经滤波器还原为原始频率，即分别输出为120Hz、300Hz和540Hz的第二电压信号。

第二微控制器用于接收多个不同频率的第二电压信号，并根据第二电压信号生成光照度传感器的定位。

第二微控制器可以为STM32单片机。第二微控制器与滤波器分别通信连接。第二微控制器接收第二电压信号，并根据第二电压信号进行光照度传感器与各发光元件距离的计算，以得到光照度传感器的定位。

第二电压信号的值取决于光照度传感器与相应频率的发光元件的距离，故可以采用滤波后得到的不同频率的第二电压信号结合三边定位法计算光照度传感器距离相应频率发光元件的距离。

本实用新型实施例提供了一种可见光室内定位装置，电源经过光信号发生模块中第一微控制器，可以生成不同频率的电信号，电信号经过发光元件后转化为闪烁的光信号，不同频率的电信号可以转化为以不同频率闪烁的光信号，光照度传感器同时接收以不同频率闪烁的全部光信号并转换为第一电压信号，第一电压信号经滤波器后转换为多个不同频率的第二电压信号，根据第二电压信号使用三边定位法经第二微控制器计算可生成光照度传感器的定位。本实用新型实施例以可见光为载体，具备无电磁辐射、节能环保且抗干扰能力强等优点，环境条件受限小，定位更精准。

为了使第一微控制器输出不同频率的电信号，第一微控制器包括多个引脚，不同的引脚输出不同频率的电信号。

不同引脚输出不同频率的PWM方波，第一微控制器通过不同的引脚与分别与多个发光元件通信连接，将PWM方波传分别递给多个发光元件，以对发光元件进行编码。

为了保证发光元件的电压足够强，光信号发生模块还包括驱动模块；驱动模块通过引脚与第一微控制器通信连接，并接收电信号；驱动模块与发光元件通信连接，并将电信号发送给发光元件。

驱动模块分别与第一微控制器、发光元件通信连接。参见图2所示的光信号发生模块结构连接图，驱动模块包括开关电路、+12V单电源、三极管和恒流源驱动单元，通过三极管控制开关电路的通断实现发光元件按照预设频率闪烁的控制，以实现与单片机输出信号的一致性。其中，+12V单电源用于给恒流源驱动单元供电。经过驱动模块对电信号的增强，发光元件能够发出更强的光，以使本实用新型的定位更加精确。

为了达到更好的对预设频率控制效果并降低功耗，得到抗冲击和抗震性能更好的光信号，第一微控制器可以为MSP430单片机，发光元件可以为LED灯。下面以MSP430单片机作为第一微控制器和LED灯作为发光元件的情况进行说明。

MSP430系列单片机是16位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。还有运算速度更快、超低功耗和片内资源丰富等诸多特点。

LED灯的工作电压很低(有的仅一点几伏)；工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光)；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

为了将室内的多个发光元件的数据采集，以用于定位数据的测算，光照度传感器和所有发光元件分别通信连接，接收光信号并生成叠加的电压信号。

光照度传感器同时与多个发光元件分别通信连接，参见图3所示的光信号接收模块结构连接图，将接收到的多个光信号转化为此时光照强度对应的叠加的电压信号。最终，实现不同频率PWM波的叠加，叠加后的电压信号在单个信道里传输，时间上虽然重叠，但是在频谱上是不重叠的。信道复用率高，同时分路也很方便，可以有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响，可使频谱效率上升。

为了实现信号放大效果，该装置还包括放大电路，放大电路与光照度传感器通信连接，并接收叠加的电压信号并转换为第一电压信号。

参见图3所示的光信号接收模块结构连接图，放大电路可通过TL082放大器实现对叠加的电压信号的放大，生成第一电压信号。

为了将第一电压信号中不同频率的电信号分开，最终用于定位数据的测算，信号处理模块包括多个中心频率不同的滤波器；多个中心频率不同的滤波器分别与光信号接收模块通信连接，并分别接收第一电压信号。

参见图4所示的信号处理模块结构连接图，图中为多频率电压放大信号即为第一电压信号，滤波器可以使用120Hz带通滤波器、300Hz带通滤波器和540Hz带通滤波器，多个中心频率不同的滤波器分别与放大电路通信连接，以分别接收第一电压信号，第一电压信号经多个滤波器被还原为三个原始频率并分别输出，即对光编码信息进行解码得到第二电压信号。

参见图4所示的信号处理模块结构连接图，多个滤波器分别输出第二电压信号给STM32单片机进行计算，并通过OLED显示屏进行显示，最终实现基于频分复用技术的可见光室内定位。

为了增加本实用新型的适用范围，便于整合到其他系统，实现光通信功能，该装置还包括外接模块；外接模块和第一微控制器通信连接，并将外接信号传递给第一微控制器。

外接模块与外接设备通信连接，以接收外接信号，外接模块将接收到的外接信号发送给第一微控制器，从而在原有第一PWM信号上加入载波，形成正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)波，即传输的信号的上加入了更多的却可以区分开的信号，如此，可供传输的信息不局限于区别发光元件，还可传输一些控制信号，增加本实用新型的适用范围。

为了便于控制信号的执行，该装置还包括通信模块；通信模块和滤波器通信连接，接收第二电压信号并发送给指定的接收装置。

通信模块和一个或多个滤波器通信连接，将经过滤波器还原得到的不同频率的第二电压信号发送给指定的接收装置。例如，指定的接收装置可以为机器人，通信模块接收控制指令所在的滤波器发出的第二电压信号，并将该信号发送给机器人，以控制机器人执行控制指令。

本实用新型以LED光为载体，具备无电磁辐射、节能环保等优点，且可实现光通信；利用巴特沃斯带通滤波器，频带宽度窄，为50Hz，所以滤波效果很好；在定位时引入积分式ADC，排除了因毛刺而带来的AD采样误差；引入频分复用技术，适用于高速数据传输，时间利用率高，且抗干扰能力强，环境条件受限较小。

实施例二：

本实用新型实施例二提供了一种可见光室内定位装置，参见图5所示的可见光室内定位装置在室内安装示意图，LED1，LED2，LED3分别设置在室内屋顶的下表面，各LED与LED控制电路通信连接，光照度传感器设置在地面上，并与测量电路通信连接，测量电路还与OLED通信连接，以显示测量电路的计算结果。

参见图7所示可见光室内定位装置在室内屋顶下表面安装示意图，LED灯分别设置在不重合的位置。

参见图6所示的可见光室内定位装置在室内屋顶上表面安装示意图，放大电路、滤波器、LED驱动模块和单片机分别通信连接并设置在室内屋顶的上表面。其中，滤波器分别选用120Hz滤波器、300Hz滤波器和500Hz滤波器；第一微控制器分别选用120Hz单片机、300Hz单片机和500Hz单片机。

本实用新型实施例将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输一路信号，可以使三个LED发射不同频率的光信号。在接收端设置三个Butterworth带通滤波电路，经过带通滤波器的滤波作用，三种LED光源发出的复合信号被分离出来，最终根据三边定位法确定传感器位置。

实施例三：

本实用新型实施例三提供了一种可见光室内定位系统，该系统包括实施例一中任一种可见光室内定位装置。

本实用新型实施例提供的可见光室内定位系统，与上述实施例提供的可见光室内定位装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的可见光室内定位系统具体工作过程，可以参考前述可见光室内定位装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可见光室内定位装置，其特征在于，包括：光信号发生模块、光信号接收模块和信号处理模块；

所述光信号发生模块包括第一微控制器和发光元件，用于生成以不同频率闪烁的光信号；

所述光信号接收模块包括光照度传感器，所述光照度传感器用于将所述光信号转换成第一电压信号；

所述信号处理模块包括滤波器和第二微控制器，所述滤波器用于接收所述第一电压信号并将所述第一电压信号转换为多个不同频率的第二电压信号；

所述第二微控制器用于接收多个不同频率的所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号生成所述光照度传感器的定位。

2.根据权利要求1所述的可见光室内定位装置，其特征在于，所述第一微控制器包括多个引脚，不同的所述引脚输出不同频率的电信号。

3.根据权利要求2所述的可见光室内定位装置，其特征在于，所述光信号发生模块，还包括驱动模块；

所述驱动模块通过所述引脚与所述第一微控制器通信连接，并接收所述电信号；

所述驱动模块与所述发光元件通信连接，并将所述电信号发送给所述发光元件。

4.根据权利要求1所述的可见光室内定位装置，其特征在于，所述第一微控制器为MSP430单片机，所述发光元件为LED灯。

5.根据权利要求1所述的可见光室内定位装置，其特征在于，所述光照度传感器和所有所述发光元件分别通信连接，接收所述光信号并生成叠加的电压信号。

6.根据权利要求5所述的可见光室内定位装置，其特征在于，还包括放大电路，所述放大电路与所述光照度传感器通信连接，并接收所述叠加的电压信号并转换为所述第一电压信号。

7.根据权利要求1所述的可见光室内定位装置，其特征在于，所述信号处理模块包括多个中心频率不同的所述滤波器；

多个中心频率不同的所述滤波器分别与所述光信号接收模块通信连接，并分别接收所述第一电压信号。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可见光室内定位装置，其特征在于，还包括外接模块；

所述外接模块和所述第一微控制器通信连接，并将外接信号传递给所述第一微控制器。

9.根据权利要求8所述的可见光室内定位装置，其特征在于，还包括通信模块；

所述通信模块和所述滤波器通信连接，接收所述第二电压信号并发送给指定的接收装置。

10.一种可见光室内定位系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的可见光室内定位装置。