基于VLC的新型無線定位識別系統(tǒng)的設(shè)計方案

1、    基于vlc的新型無線定位識別系統(tǒng)的設(shè)計方案    于正永+董進(jìn)+徐彤+朱東進(jìn)摘要：提出一種vlc（可見光通信）新型無線定位識別系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)通過可見光發(fā)射機(jī)將所要傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行編碼，并調(diào)制到可見光光束上進(jìn)行傳輸，在接收機(jī)上進(jìn)行了信號的解碼、相干解調(diào)，并在移動終端設(shè)備上自動為使用者播放被識別物的詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)識別功能，通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時vlid（可見光標(biāo)識）所處的平面空間坐標(biāo)，確定終端持有者所處的實(shí)際位置區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無線定位功能。關(guān)鍵詞：vlc；無線定位；識別系統(tǒng)；設(shè)計方案；led：tp311 ：a ：1009-3044（2016）33-0205

2、-03由于led功耗低、使用壽命長、電路尺寸小、綠色環(huán)保、良好的信號調(diào)制功能以及較高的響應(yīng)靈敏度等特性，因此它不但可以用作日常照明，而且可以通過相應(yīng)的信號調(diào)制技術(shù)，將信號調(diào)制到可見光束上實(shí)現(xiàn)信號傳輸，使得led同時具備照明和通信的雙重功能。所謂可見光通信（visible light communication，vlc）就是指運(yùn)用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在自由空間中直接傳輸光信號的通信方式。vlc相比于傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)1，具有成本低、傳輸帶寬大、安全性高、不產(chǎn)生電磁干擾和電磁輻射、空間復(fù)用性能較好等優(yōu)勢，引起國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注和研究2-3。1 系統(tǒng)概述基于vl

3、c的新型無線定位識別系統(tǒng)即在需要安裝定位識別系統(tǒng)的地方（如各類場館展區(qū)、大型購物中心等）對led照明系統(tǒng)進(jìn)行合適的改造，使led發(fā)射的可見光中包含按照一定方式調(diào)制的特定的vlid。當(dāng)持有移動終端的人員進(jìn)入某led光源的有效光照區(qū)域時，帶有光電二極管探測器（pd）的移動終端將直接接收帶識別碼的可見光信號，進(jìn)而解析出可見光特有的vlid，便可在終端中自動為用戶播放被識別物的詳細(xì)信息，包括文字、圖片、語音、視頻等豐富的多媒體資訊，為用戶提供個性化、交互式的多媒體信息服務(wù)。此外，通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時vlid所處的平面空間坐標(biāo)，確定終端持有者所處的實(shí)際位置區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無線定位功能，使用者實(shí)時了解場館的展品/商品

4、信息、資源分布、安全出口、休閑服務(wù)以及所處位置等相關(guān)信息，為使用者提供特色化服務(wù)。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。2 系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，在室內(nèi)部署大量攜帶vlid的照明設(shè)備，并在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中確定每個vlid在平面空間中的位置坐標(biāo)。當(dāng)移動終端進(jìn)入可識別范圍即可解析相應(yīng)id，進(jìn)而得到移動終端所處的地理位置，實(shí)現(xiàn)無線定位的功能。在整個室內(nèi)無線定位識別系統(tǒng)中，可見光發(fā)射機(jī)僅負(fù)責(zé)廣播vlid，不需要同周邊的設(shè)備建立通信關(guān)系，極大地減低了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜度，同時一定意義上降低了研發(fā)及部署的成本。移動終端中存儲了所有需要提供的音視頻資料、導(dǎo)航路線等服務(wù)信息，所有信息與vlid具有對應(yīng)關(guān)系，由上層軟件開發(fā)定義。vl

5、id編碼器為固定設(shè)備，設(shè)置在天花板、墻壁等固定位置上，為了方便系統(tǒng)維護(hù)，需要采用vlc的方式同系統(tǒng)管理員權(quán)限的設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，以實(shí)現(xiàn)vlid編碼重置、照明設(shè)備亮度調(diào)節(jié)等功能。每個發(fā)射機(jī)中的vlid編碼在網(wǎng)絡(luò)中具有唯一性和容錯性，當(dāng)移動終端進(jìn)入到少量vlid照明設(shè)備覆蓋交界處時，由于發(fā)生光信號干擾，將無法通過容錯性檢查，不會觸發(fā)任何錯誤操作。圖2所示給出了以某場館展廳、大型購物中心為例的可見光通信無線定位識別系統(tǒng)示意圖。從上圖2可以看出，該系統(tǒng)只需對該場館的展品、商品附近的led照明燈具進(jìn)行改造，使其發(fā)射的可見光中包含按照一定方式調(diào)制的vlid，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)廣播功能。當(dāng)持有移

6、動終端的人員進(jìn)入有效光照區(qū)域時，移動終端將直接接收帶識別碼的可見光信號，自動為使用者播放vlid相關(guān)的多媒體資料，同時還可以實(shí)現(xiàn)位置定位功能。2.1 可見光收發(fā)信機(jī)設(shè)計可見光收發(fā)信機(jī)設(shè)計包括可見光發(fā)射機(jī)和可見光接收機(jī)兩個部分組成，vlc系統(tǒng)發(fā)送端，將編碼器輸出的數(shù)據(jù)信息調(diào)制成電信號，然后驅(qū)動led光源發(fā)送光信號，通過自由空間光通路傳送至系統(tǒng)接收端，在接收端通過光電二極管探測器（pd）檢測出光信號并進(jìn)行信號放大、濾波等處理轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過解調(diào)電路模塊、解碼器以及識別碼比對，實(shí)現(xiàn)信息傳輸和識別功能。具體實(shí)現(xiàn)原理、電路圖分別如圖3和圖4所示。其中，發(fā)射機(jī)運(yùn)用運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)阻抗隔離和信號調(diào)節(jié)，運(yùn)

7、用幅值均衡器來降低輸入信號的帶寬衰減；調(diào)節(jié)三極管靜態(tài)工作點(diǎn)和基極交流小信號擺幅的基礎(chǔ)上采用電流驅(qū)動確保其達(dá)到最大額定電流和三極管、運(yùn)算放大器獲取合適的增益帶寬大小。接收機(jī)采用pin-pd和跨阻放大器，pin-pd直接指向led光源，在帶有pd的可見光接收機(jī)上接收此類光信號之后，進(jìn)行前置放大、濾波、自適應(yīng)放大、解調(diào)等處理，最終通過電平判決器生成數(shù)字信號驅(qū)動后級數(shù)字處理器。2.2 編解碼器設(shè)計本系統(tǒng)采用fpga實(shí)現(xiàn)vlid編解碼，編碼形式采用曼切斯特編解碼4。vlid編碼器作為獨(dú)立的控制設(shè)備，安裝在需要改造的可見光照明設(shè)備上，不需要同周圍的編碼器產(chǎn)生通信。為了便于維護(hù)vlid編碼設(shè)備，增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)

8、的可移植性，需要使得編碼器具有無線訪問功能。具體來說，在vlid編碼器的狀態(tài)機(jī)中設(shè)置三種系統(tǒng)狀態(tài)：監(jiān)聽狀態(tài)、應(yīng)答狀態(tài)和工作狀態(tài)。1）工作狀態(tài)：vlid編碼器正常模式下的狀態(tài)，此時編碼器周期性的發(fā)射存儲在芯片內(nèi)部的vlid，并通過可見光發(fā)射機(jī)和光學(xué)設(shè)備將vlid廣播出去。2）監(jiān)聽狀態(tài)：vlid編碼器收到系統(tǒng)管理員發(fā)送的可見光信號，接收系統(tǒng)操作指令，重置芯片內(nèi)部vlid。3）應(yīng)答狀態(tài)：完成vlid編碼器的重置功能，通過驅(qū)動可見光發(fā)射機(jī)控制照明設(shè)備完成應(yīng)答動作，完成后將自動跳轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)。vlid解碼器安裝在移動終端上，用以識別自由空間中的vlid，為移動終端提供解碼服務(wù)。解碼器的輸入端連接判決器的

9、輸出接口，對經(jīng)過兩級數(shù)據(jù)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特解碼，得到vlid編碼數(shù)據(jù)，之后對vlid編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)操作，濾除信號干擾產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，最后解析vlid編碼數(shù)據(jù)，得到真正的vlid發(fā)送給多媒體播放設(shè)備，完成定位識別操作。 2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)采用verilog hdl語言5進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，開發(fā)使用ise design suite 14.7。fpga軟件設(shè)計包括圖1中照明設(shè)備、管理設(shè)備兩個方面，照明設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)manchester曼徹斯特編解碼以及crc8校驗(yàn)算法等功能，只管發(fā)射廣播幀，接收管理幀，而管理設(shè)備即為pad，它是導(dǎo)覽以及管理都使用的，作為管理設(shè)備，開通了向fpga發(fā)送管理

10、指令的權(quán)限，作為識別設(shè)備的pad只能接收fpga發(fā)送的指令。fpga模塊是通過串口與pad通信，響應(yīng)或發(fā)送vlc管理指令或vlid導(dǎo)覽指令。vlid解碼器采用內(nèi)置的編碼信息表以及冗余碼檢驗(yàn)表，有效地避免系統(tǒng)中碼間干擾。vlid解碼器的信號處理器端口接收到信號后，通過manchester解碼器將其恢復(fù)為原碼，然后通過串行總線發(fā)至移動終端pad，移動終端pad作為軟件系統(tǒng)實(shí)時偵聽和fpga間的信號通信端口，接收到vlid識別原碼就會立即進(jìn)行自動查找數(shù)據(jù)庫，依據(jù)vlid識別碼和識別物的對應(yīng)匹配關(guān)系，播放相對應(yīng)的音視頻、地圖、圖片、文檔等多媒體資料，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)識別功能。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

11、3 應(yīng)用場景本系統(tǒng)可廣泛的部署在各類室內(nèi)場館展區(qū)中，如紀(jì)念館展廳、博物館、展覽館、大型購物中心等，通過無線定位，為使用者提供實(shí)時精確的特色服務(wù)。1）應(yīng)用于紀(jì)念館展廳、博物館、展覽館等各類場館，當(dāng)參觀者持有移動終端進(jìn)入展覽區(qū)域并接收到相應(yīng)的vlid時，移動終端將自動為參觀者提供展區(qū)的文字、圖片、語音、視頻等多媒體導(dǎo)覽資訊和定位功能，為參觀者提供全面、豐富的展品信息，極大的提高各類展館的信息化水平，其應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景非常廣泛。2）應(yīng)用于大型購物中心，在購物推車上安裝vlc無線定位識別終端，在購物車進(jìn)入某一購物區(qū)域時將自動解析該區(qū)域照明設(shè)備發(fā)出的vlid，進(jìn)而自動、精確、分類的為消費(fèi)者提供商品推廣、

12、促銷折扣、購物指南等商業(yè)信息，是一種新型的商業(yè)推廣交互方式，應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景非常廣泛。本系統(tǒng)一旦產(chǎn)業(yè)化投入市場，具有很大的價格優(yōu)勢，又具有很強(qiáng)的功能優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，必將大幅提升此類產(chǎn)品的科技含量和技術(shù)檔次，增強(qiáng)此類產(chǎn)品在市場上的核心競爭力。4 結(jié)束語本文給出了一種vlc新型無線定位識別系統(tǒng)的設(shè)計方案，介紹該系統(tǒng)的總體功能，重點(diǎn)闡述了可見光收發(fā)信機(jī)設(shè)計、編解碼設(shè)計以及系統(tǒng)軟件設(shè)計等內(nèi)容，該系統(tǒng)具有無電磁輻射，安全性高、綠色環(huán)保、頻段固定、兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢，是未來室內(nèi)定位識別領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有很大的科研價值和促進(jìn)意義，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及生態(tài)效益等。參考文獻(xiàn)：1 辛鑫，王東. 基于rfid的智能終端導(dǎo)覽系統(tǒng)j.微計算機(jī)信息，2008，24（5-2）：199-200，284.2 王旭東，胡晴晴，吳楠.高精度室內(nèi)可見光定位算法j.光電子·激光，2015，26（5）：862-868.3 高燕龍，施