基于室内LED照明光源的定位导航系统的研究

基于室内 LED照明光源的定位导航系统的研究

张浩、王红

山东协和学院，山东 济南 250107

关键词：室内定位；可见光；通信技术

1.定位技术研究现状

1.1室内定位研究

定位分为室内定位和室外定位，而室内定位在国内研究主要在定位机制上和物理依赖及定位范围的研究^[2]。定位机制在基于临近关系的室内定位、基于几何关系的室内定位和基于场景分析的室内定位；物理依赖主要在基于GPS的室内定位、基于无线传感网络（红外、蓝牙、WIFI、超声波等）室内定位；定位范围分为广域和局域两种室内定位。

到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)，RSS等技术是室内定位的主要测距方法。这些方法都均有一定局限性^[1]。

1.2基于LED灯光定位导航研究

对国内外对室内定位系统的研究发现，室内定位系统是大型会展等应用场景的一个重要组成部分，传统卫星定位技术由于信号到达地面时较弱且无法穿透建筑物，因此无法应用于室内环境。目前基于LED灯光定位导航的研究很多在大型室内停车场方面研究，通过对技术的研究能提高定位精度。

2.目前室内定位导航存在的问题

现如今国内外的会展行业发展迅速，根据我们团队发放的问卷调查中数据显示，在会展中，大约有71%的用户无法快找到自己的需求展位，在寻找需求展位时只能依靠会展举办方提供的展会场地地图或者人工问询来寻找需求展位。因此，在我国会展行业飞速发展的大前景下，迫切需要一套成型的解决方案，来解决我国当前在会展中存在的这一系列问题。

3.室内LED照明光源的定位导航系统研究

3.1整体架构

本文研究一种基于室内LED照明光源的定位导航系统，包括控制部分、发射部分、接收部分以及客户端。室内定位系统主要由微型芯片控制部分、LED发射部分、手机接收部分以及客户端四个部分组成。其工作原理是，利用单片机控制LED设备发出人眼识别不到的频闪，用户通过微信小程序扫描这种频闪，并将频闪信息传递给数据库，数据库通过微信小程序将最优路线发送给用户。同时将用户数据反馈给数据库，最终生成用户数据分析报告。

①控制部分：控制部分是一台单片机，通过光电开关控制LED电流通断，达到人眼捕捉不到的灯光频闪，传输数据。把芯片植入LED并且存储实际位置的地理信息，然后通过特定频率的灯光发射出来，表示具体的位置信息。

②发射部分：发射部分是LED可见光源，LED高速频闪，可以传输定位信息，以及其他信息，比如广告等。

③接收部分：接收部分是用户智能手机，智能手机作为定位信息的接收终端，打开相匹配的微信小程序，调用手机相机，利用前/后置摄像头捕获可见光定位信号。从中提取该信号来源LED灯的位置信息。

④客户端：手机前/后置摄像头捕获可见光定位信号后，由微信小程序将具体频率信息解读出来并上传给服务器。服务器做识别并将对应用户当前位置信息和目标位置规划设计最佳路径，返回给终端用户的手机，微信小程序呈现结果。引导用户移动至目标，从而实现导航功能。

3.2系统原理

单片机微控制器植入LED并且存储实际位置的地理信息，然后通过特定频率的灯光发射出来，表示具体地理位置信息。然后手机摄像头收集信号，服务器对可见光进行接收，通过解码、解调、预均衡得出源码信息。

3.3系统的硬件设计和软件设计

3.3.1系统硬件设计部分

主要由可见光定位信号发送端（可见光定位LED灯具）以及可见光定位信号接收端（智能手机）组成，系统无需额外的硬件辅助设备。定位LED灯具中内嵌单片机微控制器将灯具所对应的预分配唯一标识符（unique identification，UID）经过可支持多级调光的无闪烁线路编码，得到满足IEEE建议的照明要求，且编码效率相较IEEE标准有更高的编码码字，再通过的LED驱动器以开关键控调制方式控制LED灯具“开／关”，实现可见光定位信号的发送。

3.3.2系统软件设计部分

手机端的微信小程序和服务器上的数据处理端。手机端的微信小程序主要包括LED灯光信号获取模块和地图显示模块。LED灯光信号获取模块功能是，驱动智能手机的前置摄像头对LED灯发出的可见光定位信号进行连续抓取以获得条纹图像；地图显示模块功能是，载入并显示会展地图，在地图上显示用户实时位置、规划路径和用户已走过的路径。

服务器上的数据处理端包括LED灯光信号解析模块、定位模块与导航模块。LED灯光信号解析模块功能是，对所获取的条纹图像进行图像预处理并解码位置信息，计算获得高精度的位置坐标；定位模块功能是，根据位置坐标参数在地图显示模块上进行标记，并实时向导航模块发送位置更新信息；导航模块功能是，接收定位模块的位置坐标，根据用户请求的目标位置和当前的位置坐标计算最优路径。

3.结束语

本文主要研究一种基于LED可见光室内定位导航系统，此系统可以让商场数字化，并且在停车场、展览馆、博物馆、图书馆和医院等实现室内场景的位置信息获取，完成车辆精确定位、实景地图和会展导航功能，此外，还具有低功耗和抗电磁干扰的优点。

【参考文献】

[1]周牧,蒲巧林,田增山.室内WLAN定位中位置指纹优化的接入点部署方法[J].通信学报,2015,36(S1):30-41.

[2]余桂英,金炜佳.基于可见光强度的室内定位技术研究[J].中国计量大学学报,2020,31(01):21-25+78.

基金项目：山东省大学生创新创业训练计划支持项目“室内定位系统服务你我他”（项目编号：S202013324039）

指导老师：王红（1982-）女，汉族，山东德州人，硕士，副教授，研究方向为嵌入式、计算机应用。

作者简介：张浩（2001-），男，山东滨州人，计算机科学与技术专业，本科。

摘要：随着时代的发展与进步，位置信息在人们的生活中凸显着越来越重要的作用。室内定位技术因为环境复杂等因素成为现今的研究热点。本文以可见光通信技术为基础，研究一种基于室内LED照明光源的定位导航系统，LED价格便宜且安装便捷，可以有效应对和解决目前室内定位技术遇到的困难和问题。因此，利用LED可见光定位技术是本文研究的重点。