可見光通信在智能照明中的室內(nèi)定位應(yīng)用

牛衍方，孫德棟

(1.北京申安投資集團(tuán)有限公司，北京 102602；2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100031)

可見光通信在智能照明中的室內(nèi)定位應(yīng)用

牛衍方1，孫德棟2

(1.北京申安投資集團(tuán)有限公司，北京 102602；2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100031)

本文從依托照明控制平臺(tái)的智能路燈概述信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，引出可見光通信定位技術(shù)的發(fā)展。比較了幾種常見的室內(nèi)定位技術(shù)，相比發(fā)現(xiàn)，單一技術(shù)無法完全解決室內(nèi)定位需求，若還是依托智能照明控制平臺(tái)，可見光通信定位將是最具有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的方式?？梢姽馔ㄐ排c智能照明技術(shù)的融合，不僅向人們提供了良好的照明，還可提供信息服務(wù)，如商業(yè)信息推送、應(yīng)急救援、公共設(shè)施精確查找等。

智能照明；可見光通信；室內(nèi)定位

引言

在建設(shè)智慧城市的熱潮中，戶外LED智能路燈已然成為城市實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)志性品類，集合了節(jié)能照明、無線WiFi、充電樁、環(huán)境檢測、燈桿屏、數(shù)據(jù)監(jiān)控、攝像頭，依托照明控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)。戶外LED智能路燈所具備的天然地理位置優(yōu)勢，不僅單是城市的基礎(chǔ)電力設(shè)施，因其具有的交叉覆蓋的特性，已然成為智慧城市建設(shè)的一大突破口。戶外LED智能路燈這一綜合性產(chǎn)品，或?qū)⑹侵腔鄢鞘薪ㄔO(shè)中需求量最大的產(chǎn)品品類。同時(shí)也為照明產(chǎn)業(yè)帶來了無限的想象空間。

智慧城市的建設(shè)離不開信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，特別是以大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。為建設(shè)智慧城市提供了有機(jī)理的基礎(chǔ)，為更好的迎合以人為本的市場需求提供了創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用。

面對(duì)室內(nèi)照明走向智能化的趨勢，而目前的智能照明主要是利用無線或有線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，僅僅監(jiān)控著燈具的電參數(shù)，卻忽視了光參數(shù)的監(jiān)測。智能照明，應(yīng)是提供人們良好的可見度、舒適愉快的光環(huán)境、具備完整的監(jiān)控功能，同時(shí)應(yīng)結(jié)合自身優(yōu)勢向人們提供信息服務(wù)。近幾年出現(xiàn)的可見光通信技術(shù)，為LED照明在智能化方向上提供了新的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 室內(nèi)定位現(xiàn)狀

說起定位，大家自然都會(huì)想到GPS，在室內(nèi)因無法接收到衛(wèi)星信號(hào)，而不能進(jìn)行定位。隨著室外定位(GPS)和基于位置的服務(wù)(地圖+導(dǎo)航)為用戶帶來的良好體驗(yàn)；特別是其所能帶來的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)提出了更高的要求和更多的需求。

室內(nèi)定位面臨很多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，比如說室內(nèi)的環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)，不同室內(nèi)具有不同的布局；某些室內(nèi)環(huán)境位置區(qū)分精細(xì)，就需要更高精度來分辨不同的特征。雖然許多無線通信芯片來源于國外，但在應(yīng)用上也受到單一技術(shù)無法解決各種挑戰(zhàn)，并且不同解決方案存在不同的優(yōu)勢和不同的局限。國內(nèi)外在室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都處于技術(shù)嘗試階段。

其中可見光通信技術(shù)中的圖像傳感器成像法是最具有發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄐ哦ㄎ环椒?，其定位精度高于其他定位算法的定位精度，并且能兼具定位速度快、移植性好的?yōu)點(diǎn)。隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展以及智能拍照手機(jī)的普及，是未來可見光室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展方向。

2 室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比

2.1 超帶寬定位技術(shù)

UWB(Ultra-Wide-Band，超帶寬)是一種以極低功耗在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄帶脈沖傳輸數(shù)據(jù)，從3.1GHz～10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率為UWB使用的頻率范圍。具有很強(qiáng)的穿透性，定位系統(tǒng)采用TDOA(到達(dá)時(shí)間差)算法，測距精度可到達(dá)2.5 cm，測距距離可達(dá)到500 m。該系統(tǒng)由定位標(biāo)簽、定位基站、位置計(jì)算引擎組成，可用于復(fù)雜環(huán)境下人員、物品的精準(zhǔn)定位。缺點(diǎn)很明顯就是，需要增設(shè)定位基站，對(duì)人員、物品加裝定位標(biāo)簽(表1)。

2.2 WiFi定位技術(shù)

需要事先把各個(gè)位置上的信號(hào)特征(信號(hào)強(qiáng)度)測量一遍，存入指紋數(shù)據(jù)庫。定位時(shí)，將當(dāng)前的信號(hào)特征與指紋庫中的進(jìn)行匹配，從而確定位置。目前Wifi定位精度能達(dá)到米級(jí)，雖然沒有像UWB、藍(lán)牙等達(dá)到厘米級(jí)，但由于Wifi網(wǎng)絡(luò)的普及、商業(yè)推廣更容易等優(yōu)點(diǎn)，被百度、高德、四維等公司看好。無需增設(shè)信號(hào)發(fā)生器，就可很快輔助傳統(tǒng)商業(yè)(購物中心、百貨店、大賣場)轉(zhuǎn)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的商業(yè)模式。從成本上看，Wifi定位精度越高其構(gòu)造成本將大幅度提高。還需解決干擾信號(hào)對(duì)精度影響、海量用戶并行訪問等問題。

2.3 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是一種基于Buletooth-Low Energy(BLE，低功耗藍(lán)牙)的信號(hào)廣播設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備有且只有唯一的ID。最近推出的iBeacon就是利用這種特性，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)廣播自己的信號(hào)，通過這種方式它就完成了對(duì)一個(gè)特定的區(qū)域的標(biāo)記。當(dāng)用戶拿著手機(jī)進(jìn)入iBeacon的范圍時(shí)，手機(jī)中的APP將會(huì)被喚醒，這樣手機(jī)就可以感知到用戶的地理位置發(fā)生了變化，判斷是否要觸發(fā)一些事件[2]。

2.4 Zigbee定位技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術(shù)。定位原理與射頻識(shí)別基本類似都是通過在待定區(qū)域布置參考點(diǎn)，Zigbee參考節(jié)點(diǎn)間可相互連接自組成網(wǎng)路系統(tǒng)，當(dāng)待定位區(qū)域出現(xiàn)被感知對(duì)象的信息時(shí)，在通信距離內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)能快速的采集到這些信息，同時(shí)利用路由廣播的方式把信息傳遞給其他參考節(jié)點(diǎn)，最終形成一個(gè)信息傳遞鏈并經(jīng)過信息的多級(jí)跳躍回傳給終端電腦加以處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域的長時(shí)間監(jiān)控和定位。

2.5 可見光定位技術(shù)

可見光通信作為一種新興無線通信方式，因其能效高，綠色環(huán)保，不受電磁干擾影響，兼具照明和定位兩種功能等優(yōu)勢而成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)也隨之被提出。

其原理是將需要傳輸?shù)男畔?燈具安裝ID)編譯成一段調(diào)制信號(hào)，用脈寬調(diào)制的方法附加到LED燈具的驅(qū)動(dòng)電流上，利用室內(nèi)無處不在的照明光源作為發(fā)射載體，當(dāng)用戶進(jìn)入燈具照明區(qū)域，利用智能手機(jī)的前置攝像頭(或是外設(shè)模塊)接收并識(shí)別光信號(hào)，解析出燈具發(fā)送的唯一識(shí)別信息。利用所獲取的識(shí)別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對(duì)應(yīng)的位置信息，完成定位。相比較其他定位技術(shù)，免去了基于位置信號(hào)強(qiáng)度的定位算法以及信息處理過程[1]。

表1 幾種室內(nèi)定位技術(shù)比較

3 室內(nèi)定位算法

目前室內(nèi)定位算法有很多(圖1)，一般都是基于幾何測量的定位算法，在室外環(huán)境中應(yīng)用非?？煽?，但在室內(nèi)環(huán)境中，受環(huán)境變化較大，可視距離較短，對(duì)定位精度要求較高。

圖1 定位算法分類[2]Fig.1 Location algorithm classification

3.1 幾何測量

這類方法是利用測量待測點(diǎn)與已知位置(參考點(diǎn))之間的幾何關(guān)系，再通過運(yùn)算獲取待測點(diǎn)的位置信息。主要有三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法。

三邊定位法就是測量待測點(diǎn)到三個(gè)不同直線上的參考點(diǎn)間的距離，以這三個(gè)參考點(diǎn)為圓心，通過測量三邊距離為半徑做出三個(gè)圓的交點(diǎn)就是待測點(diǎn)的位置。其他兩種方法都是基于各自的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行測量?；跍y量距離的測量方法有信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信號(hào)往返時(shí)間(Return Time of Flight，RTOF)、信號(hào)強(qiáng)度(Received Single Strength，RSS)。

無論哪種無線通信技術(shù)，都可采用基于幾何關(guān)系算法定位，需要將測試點(diǎn)與參考點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，誤差精度與信號(hào)覆蓋密度有直接關(guān)系。

3.2 場景分析

通過觀察空間場景中的信號(hào)強(qiáng)度特征來推斷待測目標(biāo)的位置——指紋識(shí)別法。場景分析法主要包括兩個(gè)階段，離線勘測階段和在線定位階段。離線勘測首先要建立一個(gè)特定場景特征信息與移動(dòng)設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通過特征比對(duì)進(jìn)行位置測定。而在線定位則是通過實(shí)時(shí)測量空間中各個(gè)用戶信號(hào)特征再與下一時(shí)段在數(shù)據(jù)庫中的特征信息比對(duì)，從而實(shí)時(shí)確定目標(biāo)的位置。

基于Wifi信號(hào)的位置指紋定位是根據(jù)不同位置下接收到的信號(hào)強(qiáng)度向量，通過實(shí)時(shí)采集的信號(hào)強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫信號(hào)空間中儲(chǔ)存的信息向量，進(jìn)行匹配算法實(shí)現(xiàn)定位。

3.3 臨近感知

通過將接收到附近信息發(fā)送基站與已建立的基站位置地圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，確定當(dāng)前位置。特別適用于可見光通信定位，在室內(nèi)天花板上布置多個(gè)攜帶信息的LED燈陣列。每個(gè)LED燈作為進(jìn)入地圖數(shù)據(jù)庫入口，實(shí)時(shí)傳送著自身位置的光信號(hào)。當(dāng)用戶終端在LED燈陣列中移動(dòng)時(shí)，就可獲取該燈的位置信息。只需將接收到的信息與地圖數(shù)據(jù)庫中燈具位置進(jìn)行比對(duì)即可，省去利用接入服務(wù)器計(jì)算的時(shí)間。

4 可見光通信與智能照明融合

當(dāng)節(jié)能降耗成為LED照明市場核心競爭力的同時(shí)，在“綠色建筑”建設(shè)過程中，智能照明系統(tǒng)所帶來的效果非常顯著。使得照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定以及各種傳感節(jié)點(diǎn)的基本狀態(tài)進(jìn)行工作，這些狀態(tài)會(huì)按設(shè)定的時(shí)間、環(huán)境進(jìn)行相互自動(dòng)切換。例如隨著自然光照射到室內(nèi)某些區(qū)域時(shí)，該區(qū)域會(huì)跟著自然光線進(jìn)行緩慢變化，實(shí)現(xiàn)智能照明的光照補(bǔ)償。

如同前面所述，戶外LED智能路燈是利用路燈控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建設(shè)智慧城市，同樣可以采用智能照明控制平臺(tái)管理室內(nèi)環(huán)境下的信息處理技術(shù)。近幾年興起的可見光通信技術(shù)將LED照明的應(yīng)用從單一的智能照明推向了信息發(fā)展領(lǐng)域，特別是室內(nèi)定位領(lǐng)域。通過與其他室內(nèi)定位技術(shù)比較，可見光通信定位的缺點(diǎn)也是很明顯的。在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，任何技術(shù)融合都變得更有可能。若將可見光通信模塊與Wifi模塊一起嵌入到照明燈具中，很容易實(shí)現(xiàn)無線Wifi全覆蓋、高精度定位、智能照明，突破可見光通信在數(shù)據(jù)上傳、穿透性方面的限制(圖2)。

可見光通信是以照明為前提，將可見光通信做為附加的應(yīng)用方式，比如可以在商場、超市、地鐵、地下車庫等公共建筑內(nèi)，方便找到商品、公共設(shè)施、車位?；诳梢姽舛ㄎ坏氖覂?nèi)定位實(shí)現(xiàn)較為簡單，其性能取決于所布置的LED燈疏密。雖然基于LED可見光通信的室內(nèi)定位研究還處于技術(shù)研究起步階段，真正走向技術(shù)應(yīng)用還需解決：①設(shè)計(jì)便于攜帶使用的硬件；②解決軟件管理平臺(tái)誰來建，誰來用，如何運(yùn)營等問題；③融合其他無線通信手段，尋求多技術(shù)互補(bǔ)。

圖2 可見光通信定位特點(diǎn)Fig.2 Positioning features of visible light communication

5 結(jié)論

本文介紹了目前城市物聯(lián)網(wǎng)的典型案例，圍繞智能照明管理平臺(tái)的發(fā)展，對(duì)可見光定位技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位做了重點(diǎn)介紹。

目前大多數(shù)室內(nèi)定位技術(shù)基本都能夠完成簡單的定位任務(wù)，但是與真正的“智能定位”的目標(biāo)還有一定的差距?？梢姽馔ㄐ哦ㄎ慌cWifi或其他技術(shù)融合互補(bǔ)，取長補(bǔ)短，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化、更高精度、更穩(wěn)定、成本更低的解決方案，同樣需要解決協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、定位算法改進(jìn)、管理平臺(tái)搭建、運(yùn)營推廣等種種阻擾和挑戰(zhàn)。

[1] 婁鵬華, 張洪明, 郎凱, 等. 基于室內(nèi)可見光照明的位置服務(wù)系統(tǒng)[J]. 光電子·激光, 2012, 12:11.

[2] 趙嘉琦, 遲楠. 室內(nèi)LED可見光定位若干關(guān)鍵技術(shù)的比較研究[J]. 燈與照明, 2015, 34:41.

Indoor Positioning Application of Visible Light Communication in Intelligent Lighting

NIU Yanfang1， SUN Dedong2

(1.Beijing Shenan Investment Group CO. Ltd, Beijing 102602， China;2.STATEGRIDInformation&TelecommunicationGroupCo.Ltd.,Beijing100031,China)

In this paper, the progress and development of information technology based on intelligent lighting control platform is summarized, which leads to the development of the positioning technology of visible light communication. Several indoor positioning technologies were compared and it was found that a single technology can not completely solve the indoor positioning requirements. If relying on intelligent lighting control platform, visible light communication and positioning might be the most commercialized and industrialized way. The integration of visible light communication and intelligent lighting technology not only provide people with a good lighting, but also provide information services, such as business information push, emergency rescue, public facilities, as well as accurate search.

smart lighting; visible light communication; indoor positioning

國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目：《面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的可見光通信技術(shù)研究》(合同編號(hào)：SGHAZZ00FCJS1500238)

TN929.12

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.021