地下停車場VLC 信標廣播系統設計與實現

［吳臻 楊夢媛］

1 引言

近年來，隨著經濟和城市現代化化進程的飛速發(fā)展，城市中出現越來越多的大型商圈，但隨之而來的城市空間卻越來越小，城市中心區(qū)域的停車區(qū)域也越來越緊張。地下停車場成為了解決城市停車難的重要手段。新晉的大型商超為客戶提供大量的免費地下停車位以吸引客流前往商超消費。但由于客戶對新晉商超的不熟悉，往往出現停車消費后，難以找到汽車的停放位置的情況。因此在一個大型的空曠缺乏無線信號的地下環(huán)境中，如何建立一個可靠的位置信標體系并提供可靠的定位服務，仍有待深入研究。

本文采用可見光通信和市電電力線通信結合的方式，構建室內定位信標體系。電力線通信（Power Line Communication，簡稱PLC）利用現有的配電網絡來實現設備接入，是有效解決“最后一公里”問題的一個低成本方案。該技術把載有用戶交互信息進行的高頻調制后加載到市電電力網系統中，通過電線傳輸信息；終端設備適配器再把高頻調制信號從電流中解調出來恢復原有的信息。借用于以有的市電電力網絡，可以免去網絡布線的成本，加速通信網絡的建設?？梢姽馔ㄐ牛╒isible Light Communication，簡稱VLC），是利用發(fā)光二極管LED 發(fā)射出的照明光線作為載波，將所需信號加載到可見光載波上傳遞信息，讓LED 光源實現照明和光通信的雙重功能[1]，其具有無電磁波輻射、成本低、節(jié)能、保密性強等優(yōu)勢[2～3]。

本文針對室內停車場受外部自然光線影響較小的特點，設計并實現基于PLC 信標信息設定，VLC 信標信息分發(fā)的室內定位系統，實現室內位置信息的設置和分發(fā)功能。

2 系統架構設計

系統架構設計圖如圖1 所示。

圖1 系統設計架構示意圖

系統的最高層為信標管理層，由信標管理服務器組成，其核心為一臺具有管理功能的PC 服務器，服務器通過串口連接電力線載波調試模塊。管理服務器可將信標信息通過串口發(fā)送給電力線載波模塊，電力線載波模塊將信標信息調制后通過電力線向其管轄范圍內的室內照明系統中的LED 模塊進行信標信息的設置。管理服務器可實現信標信息的設置、更新等操作。

第二層為信標信息發(fā)送層，室內照明系統中增加電力線載波解調模塊，電力線載波解調模塊靜默解調電力線上的調制信息，并將其解調后發(fā)送給可見光驅動模塊?？梢姽怛寗幽K內集成嵌入式MCU，該MCU 可解析并保存電力線載波模塊解調的信標信息，并驅動LED 照明電路，將信息以可見光作為載波媒介調制信息后在可見光范圍內進行傳輸。

最下層為信標信息接收層，該層為用戶手持的可見光解調模塊。該模塊同樣靜默接收當前范圍內的可見光，并從可見光中嘗試解調特定頻率的載波信息。當正常識別可見光中的調制信息后，信標接收模塊內的MCU 會通過該模塊的LCD 液晶屏顯示當前照明燈所攜帶的信標信息。

3 電力線信標信息設置子系統設計

電力線載波具有安裝方便，免布線的天然優(yōu)勢，可非常方便的應用與各種已布局電力線的環(huán)境中，特別適合老舊小區(qū)或無線信號不可到達區(qū)域的升級改造項目。在實際應用中還發(fā)現載波在防雷方面具有良好的效果，載波信號可以通過磁環(huán)與外部線路耦合，可有效減少傳導到芯片端的脈沖能量，減少器件損壞的風險。

電力線載波通信系統核心處理單元采用一顆高集成度的電力線載波通SOC-SH99F01，其內部集成了高速增強型8051 兼容單片機和高性能電力線載波通信模塊（Powerline Transceiver，簡稱PLT）。SH99F01 具有標準8051 芯片的大部分特性。SH99F01 內建PLT 模塊設計為全集成電力線載波通信引擎，內建模擬前端電路和調制解調電路，外圍電路簡潔，支持高性能的擴頻載波通信技術和窄帶調制通信技術，支持過零傳輸，采用載波雙模通信技術，結合前向糾錯編解碼算法，能夠最大程度提高載波物理層通信能力，適應各種低壓電力線信道環(huán)境。芯片內部的邏輯結構圖如圖2 所示。

圖2 電力線載波模塊邏輯框圖

通過即采用高度集成化的電力線載波通信芯片，可將電力線載波的調制和解調工作全部集中到一個芯片內部實現。在信標管理單元模塊中，其僅需要將下發(fā)的信標配置信息提交給電力線載波芯片即可。

3.1 電力線載波通信數據幀設計

信標管理單元設計兩種功能，即信標節(jié)點查詢和信標節(jié)點設置。數據幀結構都統一采用如圖3 結構標示。

圖3 電力線載波通信幀結構示意圖

（1）Address 字段：長度為8 字節(jié)，填充訪問對象的ID 信息。如廣播所有節(jié)點則填充全0xFF

（2）Cmd 字段：根據不同的字段定義了不同的功能，其定義如下：

0x00：強制信標節(jié)點查詢指令

0x01：信標節(jié)點查詢指令

0x02：信標節(jié)點查詢響應指令

0x03：信標節(jié)點信息設置指令

0x04：信標節(jié)點信息設置響應指令

（3）Length 字段：表明后續(xù)數據域的長度

（4）Data 字段：填充所需要的數據內容，最長不超過16 字節(jié)

（5）Check 字段：為CRC16 校驗和結果，校驗和的計算范圍為前面4 個字段的所有區(qū)域內容，不包含自己本身。

3.2 信標節(jié)點發(fā)現感知過程

信標管理單元上線后，由于其本身不存在其他信標節(jié)點單元的信息。故會優(yōu)先全域發(fā)送強制信標節(jié)點單元查詢指令0x00，發(fā)送地址為全0xFF 地址。

各信標節(jié)點接收該指令后，各信標節(jié)點單元監(jiān)聽電力線載波，當電力線空閑時，強制回復自己的ID 信息。信標節(jié)點記錄已回復信標管理節(jié)點ID 查詢指令，當后續(xù)再接收到周期ID 查詢指令時，不再對其進行響應。

信標管理單元等待接收信標節(jié)點單元的響應信息，并將信標節(jié)點的ID 信息記錄到其ID 數據庫中。后續(xù)信標管理單元周期性的發(fā)送信標節(jié)點ID 查詢指令，以便有新的節(jié)點設備加入時，會被信標管理單元所感知。

信標節(jié)點感知過程如圖4 所示。

圖4 信標單元發(fā)現過程流程圖

3.3 信標節(jié)點信息設置過程

信標管理單元通過查詢命令獲取全域內的信標節(jié)點后，通過命令0x03 和對應節(jié)點的ID 進行車庫位置信息的設置工作。車庫位置信息由車庫所在的樓層，車庫的區(qū)域，車庫的編號組成。信標節(jié)點獲取該信息后，將信息存儲到本地的Flash 中。后續(xù)信標節(jié)點將本地Flash 中所存儲的信息以可見光的形式進行信標信息的發(fā)送。

4 可見光信標信息發(fā)送子系統設計

當信標信息經過電力線信標信息設置子系統的設置后，每一個擁有信標信息發(fā)送功能的室內照明設備的都擁有唯一的信標信息。信標信息將通過可見光的方式在室內照明系統工作時，同步廣播到該照明區(qū)域中。

4.1 信息加載方式

可見光信標分發(fā)模塊上級通過電力線載波模塊與市電系統連接，通過靜默監(jiān)控電力線中的調制載波信息，解調其中被調制的信標配置信息。并將該信息傳輸給可見光驅動模塊。

4.2 信息調制方式

可見光發(fā)送端的信息調制方式采用4PPM 調制，4PPM 脈沖位置調制通信技術作為一種新興的通信技術，具有編碼簡單、能量傳輸效率高的有點。他的原理是被編碼的二進制數據流每兩位組合成一個數據碼元組，總的占用時間為100 μs，再將該碼元組分成4 個25 μs 的時隙，根據碼元組的狀態(tài)，在不同的時隙放置單脈沖。由于4PPM 通信依賴信號脈沖在時間上的位置傳輸信息，所以解調時先保證收發(fā)雙方時隙同步、幀同步，然后根據100μs 中脈沖所在的位置解調。

其輸入數據和輸出數據的關系如表1 所示。

表1 輸入碼元和輸出碼元映射關系表

其信號脈沖波形圖如圖5 所示。

圖5 PPM 調制信號波形圖

4.3 VLC 數據幀結構

為了提高接收端的接收同步速度，降低傳輸過程中的碼間串擾。實際在數據幀發(fā)送前設計增加2 bit 的幀頭和1 bit 的幀結束符。發(fā)送數據幀結構如圖6 所示。

圖6 VLC 數據幀結構圖示意圖

以一個ASCII 字符為例，其數據長度為8 bits，每2個bits組合得到1一個4-PPM數據碼元組，合計4個4-PPM數據碼元組。每個4-PPM 組從幀頭（2 bits）、4PPM（4 bits）和幀尾（1 bit）總長度為2+4+1=7 脈沖時隙。則一個ASCII 字符的發(fā)送時間為（8/ 2）* 7=28 脈沖時隙。每個時隙設計為25μs，則每個ASCII 字符的發(fā)送時長為28 * 25=700μs，轉換成發(fā)送速率為8 bit/700μs=11.42 kbit/s。

4.4 VLC 信標信息組成

為表達地下車庫所在的位置信息，設計VLC 標簽信息中包含車庫的樓層、車庫的區(qū)域、車庫的編號，信息編碼方式如圖7 所示。

圖7 VLC 信息編碼幀結構詳細圖

（1）1 字節(jié)：F 表明是室內高層停車區(qū)，B 表明是地下停車區(qū)

（2）2 字節(jié)：表明當前的樓層，是F 地上幾樓或B地下幾樓

（3）3 字節(jié)：A 固定值，表明后面是停車場的區(qū)域

（4）4 字節(jié)：停車區(qū)的區(qū)域劃分，采用可識別的ASCII 字符標示

（5）5 字節(jié)：N 固定值，表明后面是停車場的車位編號

（6）6～9 字節(jié)：停車場的車位編號，預留長度為4字節(jié)

（7）10 字節(jié)：校驗和，采用CRC8 的檢驗算法，對前面1～9 字節(jié)的內容進行CRC8 計算

整個VLC 數據幀的總長度為10 字節(jié)，發(fā)送該VLC數據幀所需要的時間：Ts=10 * 8 bit/ 11.42 kbit/s=7.0 ms

由于整個位置信標信息發(fā)送時間僅需要7 ms，設計VLC 數據幀的發(fā)送間隔為100 ms 可滿足整個位置信標系統的信息發(fā)布。

5 試驗驗證

5.1 功能驗證

基于以上信標系統的設計，實驗中設計了相應的硬件電路，包含信標服務器、信標節(jié)點和VLC 定位接收端，組成的系統實物測試如圖8 所示。信標服務器管理各信標節(jié)點的信標發(fā)送規(guī)則和信標信息，信標服務器與各信標節(jié)點通過PLC 互聯。首先信標服務器中的信標管理單元通過PLC 發(fā)布各信標節(jié)點的信標信息；然后各信標節(jié)點中的電力線載波模塊接收PLC 上的信標信息，并通過可見光通信驅動模塊將信標信息加載到LED 光源上，通過VLC 在所在區(qū)域廣播。而VLC 定位接收端需要確定自己的位置時，接收最近的LED 發(fā)布的VLC 信號，成功獲取相應的信標，即可確定自身位置，從而完成室內定位。

圖8 實物測試圖

6 結束語

本文針對室內停車場無線信號弱而自然光干擾少的特點，設計并實現了一套基于電力線和可見光通信的信標分發(fā)系統。通過可見光系統實現位置信標信息的廣播發(fā)送，為后續(xù)基于可見光的自動導航系統提供鋪墊。進過實裝設備測試，可見光信標系統中，最遠的傳播距離可到2 m 時實現11.42 kbit/s 的信號傳輸速率。在可見光接收端成功實現信標信息的解調和顯示。后續(xù)擴展功能將以該信標信息作為基礎，實現室內或地下車庫的導航功能。