基于可見光通信的光定位系統(tǒng)*

黃俊嘉 勞健濤 肖嘉榮 余志賢 王小由 唐小煜

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展與居民生活質(zhì)量的提高，人們對于精度高、實時性強(qiáng)、污染性低的定位與導(dǎo)航服務(wù)的需求度越來越大.目前，基于GPS全球定位系統(tǒng)的室外無線電定位技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，具有良好的穩(wěn)定性與精確度，并且廣泛用于交通、農(nóng)業(yè)、測量等眾多領(lǐng)域.然而對于室內(nèi)定位領(lǐng)域，基于GPS的定位系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中無法提供較好的定位服務(wù)，與此同時目前室內(nèi)定位的解決方案，如WiFi、藍(lán)牙、DFID等，具有部署難、成本高、功耗大等缺點，導(dǎo)致了用戶的體驗滿意度不高[1].為此，本文提出基于可見光通信的光定位系統(tǒng)，在滿足室內(nèi)照明的基礎(chǔ)上實現(xiàn)室內(nèi)的實時定位服務(wù)，并且具有成本低、部署易、功耗低的優(yōu)點.

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

在可見光定位體系中，基于光電探測器件的可用于定位服務(wù)的信號參數(shù)主要有：信號到達(dá)角度、信號到達(dá)時間、信號強(qiáng)度等.由于測量信號到達(dá)角度與信號到達(dá)時間需要高成本的精密光電檢測器，以及直接測量多個LED光源的光照強(qiáng)度容易導(dǎo)致系統(tǒng)的測量誤差大，抗干擾能力降低等情況，因此為達(dá)到定位系統(tǒng)精度高、成本低等性能指標(biāo)，本文采用的是一種基于區(qū)分多光源信號的光強(qiáng)測量方案.系統(tǒng)框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架圖

從圖1可知，本光定位系統(tǒng)主要由發(fā)射端、接收端與PC端3部分構(gòu)成.在發(fā)射端，由AD9833信號發(fā)生器電路產(chǎn)生多路不同頻率差異較大的正弦波信號，經(jīng)過基于TL082芯片的LED驅(qū)動電路分別對多個LED燈進(jìn)行調(diào)制，同時保證了LED燈的正常照明；在接收端，基于BPW34硅光電二極管的光電轉(zhuǎn)換電路將環(huán)境的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并且通過基于OPA567的放大電路進(jìn)行信號的放大，以便于后續(xù)對信號的處理.電信號分別通過不同截止頻率的帶通濾波器分別將LED驅(qū)動電路對應(yīng)頻率的電信號提取出來，進(jìn)而通過峰值檢測器轉(zhuǎn)換成幅度信息，由STM32通過ADC采集并傳輸?shù)絇C端；PC端則通過三角定位算法處理STM32傳送的信號，最終得出接收點的位置信息并顯示.

3 硬件設(shè)計

3.1 信號發(fā)射端

本光定位系統(tǒng)的發(fā)射端主要用于實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，在保證LED燈能正常照明的同時，還確保其光信號能達(dá)到可被接收端區(qū)分與處理的性能指標(biāo)要求.為此，本文提出了一種由基于AD9833的信號發(fā)生器電路與基于TL082芯片的LED驅(qū)動電路所構(gòu)成的信號發(fā)射端設(shè)計.

3.1.1 基于AD9833的信號發(fā)生器電路

AD9833是由ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗的可編程波形發(fā)生器，具有良好的頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性，圖2對信號發(fā)生器電路原理進(jìn)行了分析.相比于傳統(tǒng)的信號發(fā)生器電路，該電路具有良好的可部署性，其輸出頻率與相位都可以通過編程進(jìn)行調(diào)整，大大提高了光定位系統(tǒng)的部署調(diào)試效率.同時，該信號發(fā)生器電路具有0.004 Hz的高分辨率以及12.65 mW的低功耗性能，能滿足較多應(yīng)用場景的要求.信號發(fā)生器電路原理圖如圖2所示.

圖2 信號發(fā)生器電路原理圖

3.1.2 基于TL082芯片的LED驅(qū)動電路

為滿足信號發(fā)生器電路信號在電壓上能在LED的導(dǎo)通區(qū)進(jìn)行調(diào)制，同時在電流上能有效驅(qū)動LED燈以達(dá)到正常照明效果，本文提出了一種基于TL082芯片的LED驅(qū)動電路,電路原理圖如圖3所示.

圖3 LED驅(qū)動電路原理圖

由圖3可知，該LED驅(qū)動電路是一種由TL082運(yùn)算放大器與NPN三極管所構(gòu)成的射極跟隨器電路.該電路是一種典型的電流放大器電路，具有輸出阻抗小，輸出能力強(qiáng)，以及可降低后級對前級的影響等特點.其中，R2與R3可控制LED驅(qū)動信號的直流偏置電壓；R1與R4起到了保護(hù)LED燈的限流作用.

3.2 信號接收端

本光定位系統(tǒng)的發(fā)射端主要用于實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，并對電信號進(jìn)行處理，提取出可用于定位算法的有效信息.

在光電轉(zhuǎn)換部分，本系統(tǒng)采用BPW34硅光電二極管接收可見光信號并將其轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過跨阻運(yùn)算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，圖4為光電轉(zhuǎn)換電路原理.其中，LMH6629是TI公司生產(chǎn)的跨阻運(yùn)算放大器，具有工作電壓低、噪聲小等優(yōu)點.相比起常用于光電轉(zhuǎn)換的OPA567，LMH6629在低電壓電源工作時，其允許信號的直流偏置更低，對交流信號的放大效果更明顯.

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路原理圖

4 軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

由于本系統(tǒng)采用STM32的3路ADC同時采集3路信號的AD值，然而串口通信只有1路通道.為使接收端能正確接收并區(qū)分發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，本系統(tǒng)對通信數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)范，圖5為系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

圖5 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

STM32通過設(shè)置定時器觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，分別設(shè)置不同路信號的幀頭為0x01,0x02,0x03…以及統(tǒng)一的幀尾0x00.同時在傳輸數(shù)據(jù)前先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)中不包含當(dāng)前幀的幀頭標(biāo)志以及幀尾標(biāo)志.

4.2 定位算法設(shè)計

本文結(jié)合無線測距技術(shù)與光信道的傳輸問題，對RSSI的定位技術(shù)進(jìn)行簡化與改進(jìn)，提出了一種基于光強(qiáng)信號的RSSI 3點定位算法[2].該算法的核心思想為將光強(qiáng)信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，通過在3個已知點，即3個LED燈的坐標(biāo)基礎(chǔ)上對距離數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與整合，最終得出所求點的坐標(biāo)[3].

在傳統(tǒng)的定位方案上，光強(qiáng)信號到距離數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換一般使用最小二乘曲線擬合法.但該方法在定位系統(tǒng)部署時需要測試大量數(shù)據(jù)，且抗干擾能力差.為此，本文提出了一個關(guān)于光強(qiáng)信號到距離數(shù)據(jù)的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換公式[4]

(1)

其中，d為轉(zhuǎn)換后光源點到定位點的距離；E為光照信號強(qiáng)度；A為探測設(shè)備在單位距離上所測得的光照信號強(qiáng)度的絕對值；n為環(huán)境影響因子，對測試結(jié)果進(jìn)行修正得出.

對3個LED光源分別以距離數(shù)據(jù)為半徑作圓，在理想情況下，3個圓會相交于一點，圖6是理想情況的3點定位圖，其中點A,點B,點C分別為已知的光源點，相交點D則為所求的定位點.而在實際情況下，3個圓并不會完全相交于一點，圖7是一般情況的3點定位圖.其中，點A與點B為兩個圓的圓心，其坐標(biāo)分別為(xA，yA)和(xB，yB)，點E和點F分別為圓A與圓B的交點，點G為AB與EF的交點.通過公式推導(dǎo)與計算，可以得出點G的坐標(biāo)(xG，yG)

同理可求得另外兩個中心點的坐標(biāo)(xH，yH)和(xI，yI)，結(jié)合3個中心點形成的三角形，計算出該三角形的重心即為所求定位點的坐標(biāo).

圖6 理想情況的3點定位圖

圖7 一般情況的3點定位圖

通過Matlab對該光定位算法進(jìn)行仿真，圖8是系統(tǒng)的仿真結(jié)果.其中，三角形標(biāo)記點為LED燈坐標(biāo)點，綠色圓圈為所求定位點，紅色星星為光定位算法的計算結(jié)果.仿真結(jié)果表明，該定位算法的時間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度較小，且具有良好的定位精度[5].

圖8 定位算法系統(tǒng)仿真圖

4.3 上位機(jī)設(shè)計

為了能更好地將定位結(jié)果進(jìn)行可視化，本文采用C#語言編寫上位機(jī)，通過串口接收光強(qiáng)信號數(shù)據(jù)流，同時執(zhí)行RSSI 3點定位算法和濾波算法，將RSSI 3點定位算法和濾波算法的執(zhí)行移植到處理速度更快的個人電腦上進(jìn)行處理，以實現(xiàn)更高的相應(yīng)速度.將定位坐標(biāo)點顯示于PictureBox窗口，實現(xiàn)定位信息的實時顯示.圖9是上位機(jī)界面內(nèi)容.在接收到定位算法輸出的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)后，將其顯示于圖10中的運(yùn)動軌跡展示窗口，實現(xiàn)實時顯示定位信息.在此之外，我們設(shè)計了數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，以便于對算法進(jìn)行擬合和測試.

圖9 上位機(jī)界面

5 測試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)以90 cm×90 cm×90 cm的箱體作為室內(nèi)模擬環(huán)境，同時在箱體上部安裝3個額定功率為10 W的白光LED燈，用于實現(xiàn)箱體內(nèi)的正常照明以及光信號的傳遞.待其他系統(tǒng)設(shè)備完成部署并初始化后，實驗員通過黑色不反光直尺勻速移動系統(tǒng)接收端，圖10是系統(tǒng)內(nèi)部圖與移動軌跡，同時在上位機(jī)觀察其運(yùn)動軌跡，測量定位誤差大小.圖11是上位機(jī)還原物體的運(yùn)動軌跡結(jié)果.

測量結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在被測物體靜止時的定位效果較為理想，其測量誤差在2 cm以內(nèi)；而在運(yùn)動過程中，被測物體在抖動較小的情況下測量誤差在1～4 cm范圍內(nèi)，在抖動較大的情況下誤差則維持在6 cm以內(nèi).

圖10 移動軌跡演示圖

圖11 上位機(jī)顯示的運(yùn)動軌跡圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套以STM32F103VE單片機(jī)為主控的基于可見光通信的光定位系統(tǒng)，其在軟硬件方面都針對實際應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化.實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)無論在影響用戶體驗滿意度的人機(jī)交互的友好度上，還是在定位精度、系統(tǒng)功耗等評判裝置的性能指標(biāo)上，都有非常好的實現(xiàn)效果，對于高校學(xué)生的科研課題或企業(yè)的研發(fā)工作都有良好的參考價值與思維擴(kuò)展價值.