LED 可见光通信定位及若干定位方式的简介与比较

0 引 言

白光 LED 与传统白炽灯的主要区别在于 LED 光源不仅发光效率高，且 LED 相对白炽灯和荧光灯而言不受电磁信号干扰，光源较为稳定，使用寿命更长。白光 LED 在提供照明的同时，将信息加载到LED 的驱动电流上实现信号传输， 从而实现室内定位功能。国内常用的主流定位方式包括 GPS 定位、北斗定位及基站定位等，由于人们的活动场所不仅仅在室外，更多时候处于家庭、办公室、商场等室内场所，所以这些大型的无线定位方式会受到地域限制及信号屏蔽等影响，使得定位精度无法或难以实现。LED 可见光通信拥有较高的带宽，且传输速率高，因此 LED 可见光通信室内定位方式得到了大力推广与广泛使用，具有广阔的应用前景。

1 几种常见的室内定位方案及简介

1.1 红外线定位技术

红外线是一种波长介于无线电波和可见光波之间的电磁波。红外线室内定位技术定位原理如下 ：

(1) 红外线标识将已经调制的红外射线发射出去 ；

(2) 通过安装在室内的光学传感器接收发射的红外线 ；

(3) 利用相应算法进行计算，实现精准定位。

红外定位技术实现方法有如下两种 ：

(1)将能够发射红外线的电子标签粘贴到被测物体上， 直接测量室内放置的若干红外探测传感器与信号源之间的距离及角度，实现被测物体的精准定位 ；

(2)使用红外织网的方法把若干发射器和接收器按照规则排列，组成红外线覆盖网，直接对被测物体进行定位。

红外线定位示意如图 1 所示。

1.2 蓝牙定位技术

基于低功耗蓝牙（Bluetooth-Low Energy，BLE）信号设备有唯一的 ID，蓝牙定位通过对被测物体信号强度进行检测而实现。在室内布设蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，使得蓝牙局域网接入点始终是该微网络的主设备，通过对被测物体信号强度的检测获知用户的位置信息。

蓝牙室内定位技术所需设备不仅体积小、功耗低、不受视线距离的影响，而且随着移动客户端集成芯片的普及，可以实现精确定位。但受限于蓝牙的短距离传输特性，且稳定性稍差，蓝牙定位技术只能在小范围内推广使用。蓝牙定位技术示意如图 2 所示。

                                                                                                                                                                                       图 2 蓝牙定位技术示意图

1.3 超声波室内定位技术

超声波是一种机械波，可以在气体、液体和固体中传播，而超声波定位就利用这一特性。超声波室内定位系统基于超声波测距系统开发，最简单的方案是首先放置 1 个固定的超声波发射器，2 个任意位置的超声波接收器，然后利用物体发射超声波，记录到达 2 个接收器所用的时间，最后计算时间差，利用反射式测距法或三角定位等算法确定物体的位置。

超声波定位技术常被应用在驾校的驾驶考场、地下聚乙烯 PE管线探测仪以及海上探矿灯等，而室内定位最常用的还是对于无人车间的物品进行定位。超声波示意如图 3所示。

                                                                                                                                                                                      图 3 超声波示意图

1.4 WiFi 室内定位技术

WiFi 室内定位的原理是每一个无线 AP 都有一个全球唯一的 MAC 地址，通常情况下 WiFi 定位技术有如下两种 ：

（1）借助移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，利用差分算法对被测物体进行三角定位 ；

（2）提前获取测量空间各个分布点的信号强度，当被测物体的信号强度被检测到后，直接和数据库中的数据进行对比验证，以直接获取位置信息。

随着科技的发展与进步，对于家庭、公司、商场等人员较为密集的室内场所，可能会出现无法接收手机信号的情况，但这些地方基本已实现 WiFi 信号全覆盖，因此，WiFi 室内定位技术便可以得到推广。借助 WiFi 能够实现大范围定位及检测追踪，但是对于室内定位来说，一般情况下定位范围约 2 m，在 WiFi 路由器和移动端的大力普及情况下，多个用户在通过每次定位后可以实现数据的存储与共享，也能达到提高定位精度的目的。WiFi 定位示意如图 4 所示。

1.5 ZigBee 室内定位技术

ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其定位过程如下 ：

（1）在室内布置若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点 ；

（2）将这些节点和网关进行组网 ；

（3）通过各个微小盲节点之间相互协调通信实现对待测物体的定位。

在组网过程中，各传感器只需较少的能量，通过接力的方式即可将数据通过无线电波从一个节点传送至另一节点。ZigBee 低功耗和低成本的特性使得其工作效率较高，但该技术在信号传输时容易受物体移动和多径效应的影响，若采用不同的信道传输或不同的算法，均会对定位精度造成影响。ZigBee 室内定位示意如图 5 所示。

1.6 LED可见光通信定位

LED 可见光通信（Visible Light Communication，VLC） 定位系统通过固定的 LED 灯具实现。当电源接通后，LED 就会在交流电的作用下不断进行高频闪烁，然后通过移动端的接收设备对发射出的高频信号进行检测并接收，在接收信号的过程中对移动端是否对准光源不作要求，只要有光，就可以通过移动设备接收并处理接收的信号，从而实现精确定位。

LED 可见光通信的核心即确定光源的具体位置，然后利用传感器确定图像中心的位置，最简单的一种就是利用LED 光源定位方式，即利用光源信号到达的强度实现定位，借助对应的算法计算距离光源的对应强度。接着利用差值判断对应具体的位置信息，从而实现定位。但在一般情况下，LED 光电二极管可能会由于产品批次等原因造成参数上的差异， 使得光源亮度有所不同，从而导致测量数据出现偏差，所以在测量之前选取相应的测量算法也是决定实验结果是否精确的关键。LED 可见光通信定位示意如图 6 所示。

2 结 语

本文将常见的室内定位方式做了简单对比，并简要介绍了通过 LED 可见光通信的特点实现较高程度室内定位的方法。LED 可见光通信定位的方式虽存在一些缺点和不足，但随着科技的快速发展，可以利用 LED 可见光通信定位与WiFi 室内定位合作的方式实现较为精准的定位。通过不同定位方式间的相互合作，实现快速、精准的定位。

当然，对于 LED 可见光通信定位而言，该技术还涉及多种定位算法，如几何测量法、场景分析法、临近感知法及图像传感器成像法等，而各种方法均有其各自的使用场景及优缺点，在此不再详细介绍。