索了多种技术手段，如红外技术、超声波技术、无线局域网和蓝牙技术等，以满足室内定位的需要。这些技术通过通信确定运动目标与固定单元之间的相对位置，进而推导出目标的实际位置。但它们往往需要安装wi-fi接入点、红外发射机等设备，对安装环境的要求也更加严格，这大大增加了安装、维护和管理的成本。
关键词：可见光通信；室内定位导航；LED技术；
设计并实现了一个基于室内LED光源的定位服务系统。系统利用LED标签（LED ID）技术，LED提供照明的同时广播自身的位置
ID信息，移动终端将接收到的ID信息与位置关联，实现自身的被动定位。可见光通信的调制编码以及解调解码模块均采用单片机处理器（PC）实现，并提供UART 接口分别与PC控制端和手机显示端进行通信。PC控制端向LED信号源发送位置服务信息，LED信号源通过空间光传输方式将自身位置ID和接收到的位置服务信息广播出去。
一、目标定位方法目标定位采用单灯定位法，对不同LED照明光源加载与位置相关的ID信息，当终端接收到某个位置ID信息时，即可认为该终端位于其对应的LED光源处。在接收终端，再将接收的数据映射到GIS导航地图上，从而实现基于位置信息的定位导航功能，其定位精度为相邻照明光源距离的1／2。这种方法实现简单、覆盖面广，具有较强的应用前景。二、系统整体设计设计的定位系统结构如图１所示，
图1定位系统结构
1.可见光通信模块。（1）LED ID分配问题。ID是位置信息的标识，加载到LED的ID地址信息通过接收端判断从而确定自身所在位置。每个ID地址包括室外ID和室内ID。室外ID标识信号源所在位置的室外地理环境，室内ID标识室内具体位置。由于不同的室内规模和照明设计，使用的LED光源数量不同，接收端如何通过ID地址快速定位，关键在于ID的合理分配。因此，在ID分配时考虑原则如下：每一个ID地址由几个8位字段组成，每个字段之间用点号隔开，其中第1个8位字段代表ID长度，前４位比特代表室外ID的字段长度，后４位比特代表室内ID的字段长度，其余的即为室外ID字段和室内ID字段，长度由第１个８位字段给定。例如，某个信号源的ID地址为36．188．76．111．80．92．214，第１个字段36的二进制表示为00100100，那么0010表示室外ID的长度为2，0100表示室内ID的长度为４，因此188．76为该信号源的室外ID地址，111．80．92．214为室内ID地址，当ID地址长度与首字段所示不符时，接收端放弃本次位置更新操作，等待下一步更新。该ID分配方法，不仅可以提供目标的快速定位，同时可以将同一空间用于定位使用的ＬＥＤ信号源组成整体，有利于管理和维护，同时便于扩展应用到复杂环境的定位，并与室外定位一体化。（2）数据编码。系统采用了开关键控（ＯＯＫ，ｏｎ－ｏｆｆ－ｋｅｙｉｎｇ）和曼彻斯特编码方式。采用ＯＯＫ系统传递信号，简单易行，通过“１”，“０”的脉冲编码控制LED的明暗“闪烁”发送数据，因所用调制频率较高，不会对人眼造成伤害，且人眼无法辨别这种“闪烁”。但如果出现长“１”或长“０”编码时，就会出现ＬＥＤ发光亮度的变化，影响照明效果。因此，在ＯＯＫ系统中，采用曼彻斯特编码方式，因为曼彻斯特编码是一种数字双相码，序列中每一比特由两个开关脉冲组成，可以有效减少LED实现通信功能时对照明产生的影响，在定位导航应用中适合采用这种编码方式。（3）差错控制技术。为了提高通信的可靠性，系统采用了信道差错控制编码。循环冗余校验编码（ＣＲＣ）是目前研究比较成熟的一种线性分组码，具有很强的检测错误能力，编码器及错误检测电路都很容易实现，是常用的检测错误码。系统中，使用单片机作为中央处理单元，很多单片机中集成了硬件的ＣＲＣ计算模块。在发送端，单片机计算要发送数据包的ＣＲＣ校验值并和数据包一起送到ＬＥＤ照明光源发射出去；而在接收端，针对收到的数据包及其特征，单片机计算其ＣＲＣ校验值并与数据包中的ＣＲＣ值进行比较以判断数据在传输过程中是否出错，实现对数据包的检错处理，提高了系统的可靠性。（4）封装成帧。ID数据包被封装成帧以便在物理层上传输。封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后构成一帧，确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界，常用的帧定界方法有字节计数法、特定字符填充法、违例编码法。本系统采用了违例编码法进行帧标识。在曼彻斯特编码方法中，将数据比特“１”编码成“高－低”电平对，将数据比特
“０”编码成“低－高”电平对。“高－高”或者“低－低”电平对在数据比特的编码中都是违例的，而我们可以借用这些违例编码的序列来定界帧的开始和结束。帧的格式为：帧头、位置ＩＤ、位置服务类型、位置服务数据长度、位置服务内容、ＣＲＣ校验位、帧尾。其中“位置服务类型”标识了附加位置服务信息的类型，占用１个字节，字节的前两位比特“００”表示通用类，“１１”表示专用类，后六位比特表示通用类或者专用类型号。（5）调制及驱动。发射端电路由编码器和驱动器组成，其中编码器采用单片机进行曼彻斯特编码处理。由于单片机的输出电流较小，不能满足驱动ＬＥ
Ｄ灯的调制要求，需要另行设计电路来驱动。本系统采用对白光ＬＥＤ进行直接数字调制方法。设计数字调制驱动电路时不仅要保证ＬＥＤ光源输出足够的功率（提供几10甚至几×10２ｍＡ的电流），而且要尽可能减小调制信号的失真，因此需根据白光ＬＥＤ的电光转换特性曲线，选择适当的偏置工作点和调制深度，同时达到照明和数字调制的要求。（6）单片机解码。光电接收端设计了一种曼彻斯特编码异步解调法。光电二极管接收到的小信号首先送到单片机的电压比较器模块，将信号整形为3.3Ｖ低电压ＴＴＬ电平的串行信息，再经过单片机的定时计数器进行解码。假设在曼彻斯特编码中，数字“１”代表高电平，数字“０”代表低电平，１位信息比特占用２位脉宽。解码过程如下：首先要捕捉到违例码元，即连“０”或者连“１”，当检测到多于３位宽度的脉冲即捕捉到一帧的帧头或帧尾；然后继续对串行的数据进行脉宽计时，直到检测到第１个１位脉宽的脉冲即为有效数据。需要注意的是，帧头／帧尾前后的一位数据比特是应硬件解码需求而专门添加的，最后还原有效数据比特时需去掉。
2.外围设备接口模块。信号源与控制端之间，以及光电转换模块与手机或者ＰＤＡ等移动显示终端之间的接口部分，构成了系统的外围设备接口模块。很多单片机处理芯片集成了异步串行通信（UART）模块和USB模块。ＵＡＲＴ使用范围比较广泛，大部分手机和手持终端支持ＵＡＲＴ串口，并且与带有Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ａｎｄｒｏｉｄ等操作系统的终端设备通信时无需额外开发驱动程序，便于模块集成化。同时，ＵＡＲＴ转无线通信的技术比较成熟，有很多集成芯片支持ＵＡＲＴ转Ｗｉ－Ｆｉ或者蓝牙，可以满足不同环境下的外围接口需求。然而，若在不改装终端设备或者在某些无线通信受限的使用场合，需要开发USB模块实现有线接口模式。
总而言之，设计并实现了一种基于室内ＬＥＤ照明光源的位置服务系统，利用照明功能的必要性和泛在特性，系统克服了其他定位方法存在的成本昂贵、适用范围受限等问题。
参考文献：
［１］王红．浅谈基于室内可见光照明的位置服务系统.2017.
［２］刘秀英，基于室内可见光照明的位置服务系统的研
究.2018.
（广西大学生创业训练项目立项编号：201910595062）
论文作者:尹子桐 李琛 谢王照祺 韩丽霞 陈文武
论文发表刊物:《科学与技术》2019年14期
论文发表时间:2019/12/4
标签：位置论文; 曼彻斯特论文; 室内论文; 数据论文; 单片机论文; 信号源论文; 字段论文; 《科学与技术》2019年14期论文;