LED 可見光通信定位及若干定位方式的簡介與比較

0 引 言

白光 LED 與傳統(tǒng)白熾燈的主要區(qū)別在于 LED 光源不僅發(fā)光效率高，且 LED 相對白熾燈和熒光燈而言不受電磁信號干擾，光源較為穩(wěn)定，使用壽命更長。白光 LED 在提供照明的同時，將信息加載到LED 的驅(qū)動電流上實現(xiàn)信號傳輸， 從而實現(xiàn)室內(nèi)定位功能。國內(nèi)常用的主流定位方式包括 GPS 定位、北斗定位及基站定位等，由于人們的活動場所不僅僅在室外，更多時候處于家庭、辦公室、商場等室內(nèi)場所，所以這些大型的無線定位方式會受到地域限制及信號屏蔽等影響，使得定位精度無法或難以實現(xiàn)。LED 可見光通信擁有較高的帶寬，且傳輸速率高，因此 LED 可見光通信室內(nèi)定位方式得到了大力推廣與廣泛使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 幾種常見的室內(nèi)定位方案及簡介

1.1 紅外線定位技術(shù)

紅外線是一種波長介于無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位原理如下 ：

(1) 紅外線標(biāo)識將已經(jīng)調(diào)制的紅外射線發(fā)射出去 ；

(2) 通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收發(fā)射的紅外線 ；

(3) 利用相應(yīng)算法進行計算，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

紅外定位技術(shù)實現(xiàn)方法有如下兩種 ：

(1)將能夠發(fā)射紅外線的電子標(biāo)簽粘貼到被測物體上， 直接測量室內(nèi)放置的若干紅外探測傳感器與信號源之間的距離及角度，實現(xiàn)被測物體的精準(zhǔn)定位 ；

(2)使用紅外織網(wǎng)的方法把若干發(fā)射器和接收器按照規(guī)則排列，組成紅外線覆蓋網(wǎng)，直接對被測物體進行定位。

紅外線定位示意如圖 1 所示。

1.2 藍(lán)牙定位技術(shù)

基于低功耗藍(lán)牙（Bluetooth-Low Energy，BLE）信號設(shè)備有唯一的 ID，藍(lán)牙定位通過對被測物體信號強度進行檢測而實現(xiàn)。在室內(nèi)布設(shè)藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，使得藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是該微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，通過對被測物體信號強度的檢測獲知用戶的位置信息。

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)所需設(shè)備不僅體積小、功耗低、不受視線距離的影響，而且隨著移動客戶端集成芯片的普及，可以實現(xiàn)精確定位。但受限于藍(lán)牙的短距離傳輸特性，且穩(wěn)定性稍差，藍(lán)牙定位技術(shù)只能在小范圍內(nèi)推廣使用。藍(lán)牙定位技術(shù)示意如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                                       圖 2 藍(lán)牙定位技術(shù)示意圖

1.3 超聲波室內(nèi)定位技術(shù)

超聲波是一種機械波，可以在氣體、液體和固體中傳播，而超聲波定位就利用這一特性。超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)基于超聲波測距系統(tǒng)開發(fā)，最簡單的方案是首先放置 1 個固定的超聲波發(fā)射器，2 個任意位置的超聲波接收器，然后利用物體發(fā)射超聲波，記錄到達(dá) 2 個接收器所用的時間，最后計算時間差，利用反射式測距法或三角定位等算法確定物體的位置。

超聲波定位技術(shù)常被應(yīng)用在駕校的駕駛考場、地下聚乙烯 PE管線探測儀以及海上探礦燈等，而室內(nèi)定位最常用的還是對于無人車間的物品進行定位。超聲波示意如圖 3所示。

                                                                                                                                                                                      圖 3 超聲波示意圖

1.4 WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)

WiFi 室內(nèi)定位的原理是每一個無線 AP 都有一個全球唯一的 MAC 地址，通常情況下 WiFi 定位技術(shù)有如下兩種 ：

（1）借助移動設(shè)備和三個無線網(wǎng)絡(luò)接入點的無線信號強度，利用差分算法對被測物體進行三角定位 ；

（2）提前獲取測量空間各個分布點的信號強度，當(dāng)被測物體的信號強度被檢測到后，直接和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比驗證，以直接獲取位置信息。

隨著科技的發(fā)展與進步，對于家庭、公司、商場等人員較為密集的室內(nèi)場所，可能會出現(xiàn)無法接收手機信號的情況，但這些地方基本已實現(xiàn) WiFi 信號全覆蓋，因此，WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)便可以得到推廣。借助 WiFi 能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍定位及檢測追蹤，但是對于室內(nèi)定位來說，一般情況下定位范圍約 2 m，在 WiFi 路由器和移動端的大力普及情況下，多個用戶在通過每次定位后可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與共享，也能達(dá)到提高定位精度的目的。WiFi 定位示意如圖 4 所示。

1.5 ZigBee 室內(nèi)定位技術(shù)

ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其定位過程如下 ：

（1）在室內(nèi)布置若干個待定位的盲節(jié)點和一個已知位置的參考節(jié)點 ；

（2）將這些節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進行組網(wǎng) ；

（3）通過各個微小盲節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)通信實現(xiàn)對待測物體的定位。

在組網(wǎng)過程中，各傳感器只需較少的能量，通過接力的方式即可將數(shù)據(jù)通過無線電波從一個節(jié)點傳送至另一節(jié)點。ZigBee 低功耗和低成本的特性使得其工作效率較高，但該技術(shù)在信號傳輸時容易受物體移動和多徑效應(yīng)的影響，若采用不同的信道傳輸或不同的算法，均會對定位精度造成影響。ZigBee 室內(nèi)定位示意如圖 5 所示。

1.6 LED可見光通信定位

LED 可見光通信（Visible Light Communication，VLC） 定位系統(tǒng)通過固定的 LED 燈具實現(xiàn)。當(dāng)電源接通后，LED 就會在交流電的作用下不斷進行高頻閃爍，然后通過移動端的接收設(shè)備對發(fā)射出的高頻信號進行檢測并接收，在接收信號的過程中對移動端是否對準(zhǔn)光源不作要求，只要有光，就可以通過移動設(shè)備接收并處理接收的信號，從而實現(xiàn)精確定位。

LED 可見光通信的核心即確定光源的具體位置，然后利用傳感器確定圖像中心的位置，最簡單的一種就是利用LED 光源定位方式，即利用光源信號到達(dá)的強度實現(xiàn)定位，借助對應(yīng)的算法計算距離光源的對應(yīng)強度。接著利用差值判斷對應(yīng)具體的位置信息，從而實現(xiàn)定位。但在一般情況下，LED 光電二極管可能會由于產(chǎn)品批次等原因造成參數(shù)上的差異， 使得光源亮度有所不同，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，所以在測量之前選取相應(yīng)的測量算法也是決定實驗結(jié)果是否精確的關(guān)鍵。LED 可見光通信定位示意如圖 6 所示。

2 結(jié) 語

本文將常見的室內(nèi)定位方式做了簡單對比，并簡要介紹了通過 LED 可見光通信的特點實現(xiàn)較高程度室內(nèi)定位的方法。LED 可見光通信定位的方式雖存在一些缺點和不足，但隨著科技的快速發(fā)展，可以利用 LED 可見光通信定位與WiFi 室內(nèi)定位合作的方式實現(xiàn)較為精準(zhǔn)的定位。通過不同定位方式間的相互合作，實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的定位。

當(dāng)然，對于 LED 可見光通信定位而言，該技術(shù)還涉及多種定位算法，如幾何測量法、場景分析法、臨近感知法及圖像傳感器成像法等，而各種方法均有其各自的使用場景及優(yōu)缺點，在此不再詳細(xì)介紹。