用可见光信号实现对手机的定位.doc

用可见光信号实现对手机的定位.doc 用可见光信号实现对手机的定位 摘 要可见光通信是一种新兴的无线光通信技术。它是利用LED以光载波信号进行信号调制和传输，同时实现照明和通信两种功能。在覆盖范围内，这种技术均可以进行高速的信号传输，未来发展明朗。且布控安装简单，一个LED灯光源即可实现照明与通信两种功能。此项技术，受到了越来越多人的注意，并且已经成为关注的焦点。本文针对这一研究热点，使用JAVA语言，将可见光通信的优势与智能手机结合在一起，使手机实现用可见光通信进行室内定位，充分发挥新技术给我们带来的便利。 【关键词】可见光通信白光LED 可见光信号识别 JAVA 安卓 1 概述 可见光通信的研究始于2000年左右，日本KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama等人率先提出利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统的设想。之后，在接下来的几年里，他们在传输的阴影效应、码间串扰等问题上也展开了多项研究分析，促成可见光通信迅猛发展。 国内在这方面的研究刚刚起步，正处于摸索阶段，不过已经有很多专家致力于LED可见光无线通信方面的研究。 2 主要研究课题 目前，可见光通信在实验室内已经十分成熟，有专用的收发装置可供利用。本人利用这些资源，进行地图位置呈现等模块的编写，老师则编写 1 解码模块，共同将其运用于安卓手机上，实现手机的室内定位。 定位基本方法:用软件对由接收器“录音“得到的数字波形文件进行处理，得到LED的ID编码。如果程序预先知道各个灯的位置，根据所在灯的ID即可实现LED灯的室内定位。 3 研究意义及应用前景 LED照明光无线通信目前尽管尚未完全成熟，但其应用前景十分乐观。 一方面，对于可见光通信本身的优势来说，可将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可同时上网，最高速率可达3.25G/S，平均上网速率达到150M ，十分快速，具有带宽大，省空间等特点。 另一方面，和其他室内定位技术相比，具有很强的优势。目前较多使用的室内定位技术有超声波技术，红外技术等。 超声波测距法是通过发射波以及回波之间的时间差来计算出物体间的距离。超声波定位技术系统简单，而且整体精度也比较高，但是需要大量的硬件设备，成本非常高，对探测器同步要求也很高，因此使用范围有限。 红外线室内定位技术是将信号调制到红外线光谱，接收端通过接收调制过的红外射线信号来进行位置的估计。但是大量铺设红外设备对人体的健康会造成损害，因此红外线用于室内定位比较少。 上述这几种技术虽在一定程度上能满足人们的定位需求，但是并没有一种能有比较高的定位精度，又能适用于所有的场合。而利用可见光进行定位，则可以满足人们的需求。 除此之外，在定位功能的基础上可以对其功能进行快速拓展，通过可 2 见光的ID识别，将其应用于博物馆、图书馆中――当接收器接收到反射器所传递的ID编码后，软件可以根据所得到的ID号，实现不同的功能。在博物馆中，可以实现自动对当前展品进行解说，在图书馆中则可以方便的显示当前的书架号码，并将使用者引导至所需要的位置，不必费时四处寻找。 4 过程 可见光通信(Visible Light Communication，简称VLC)是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术。它是利用LED以光载波信号进行信号调制和传输，接收端利用光电二极管等光电转换器进行光的吸收，以此实现通信功能。 (1)将该光源的ID号通过FPGA/单片机编码产生矩形脉冲信号，经由LED驱动电路通过LED光信号发射出去。 (2)接收端由专用的光电转换器将光信号转变为电信号。 (3)信号通过手机MIC口传入手机，解析信号后，得到真正的ID编码，最后将ID编码所对应的特定坐标显示在app的地图上。如图1所示。 5 方法 关于传输方法与识别方法，在这里大致做一个介绍。 起初使用频率调制编码方式，将数字0映射为1100，数字1映射为1010。0000为帧头，1111为帧尾。但是手机的音频口并不利于方波进行信号传输，即当MIC输入的信号有较长时间保持非零电平时，手机会强行将持续非零电平拉回零电平。如图2所示。 最后则采用了曼彻斯特编码，即当由低电平跳变到高电平时，表示数 3 字信号1;当由高电平跳变到低电平时，就表示数字信号0。从而极大的降低了错误率。如图3所示。 6 总体 第一步:由录音所得的信号进行反解码。 第二步:分析信号，从得到的的ID号与程序数据库中的编号进行比对，得到位置坐标。 第三步:得出识别结果。 6.1 信号的反解码 为了保证系统的稳定运行，采用了两套不同的保证措施。(此过程由老师编写) 6.1.1 奇偶校验 牺牲了数据位的最后一位作为校验位，可以检测出一位的错误。 如本次发送的数据为65，其7位二进制编码为1000001，由于其7位的和为偶，故设置最后一位的值为0，发送的8位数据为10000010。接收端在检测出8位数据后，会对前七位做加法，将结果的奇偶性和最后一位进行对比，匹配则认为结果正确，否则，舍弃该结果。 6.1.2 帧头帧尾判断 接收端在检测到连续4个0后，会认为找到了一个可能的帧头，然后程序会对4个0后的第9-16位数进行判决，判决到连续的4个1才会认为找到了帧头和帧尾，并取出中间的8位数作为数据解码。若找不到类似标志，则认为失败 帧头 ID 奇偶校验位 帧尾 4 因此，在进行信号的反解码过程中，上述保证措施是必须被排除在外的，防止将其识别，出现差错。 由于系统采用曼彻斯特编码，采用了一定的算法，将其转换成二进制数字，详细过程和具体步骤如下: (1)求采样数据均值，用于判决高低电平。 (2)得出电平发生跳变的位置，对于两个相邻跳变的位置，根据中间的数据应用曼彻斯特编码规则得出实际发送的数据。 (3)使用求和函数寻找帧头和帧尾，进而得到8位ID。同时将ID号相加，判断奇偶，并与奇偶效验位对比。若未找到或不符合，则放弃此次接收的信号。 6.2 ID编码与坐标的对应 系统支持最多8位ID序号。通过ID编码在画布上定义不同位置，像经纬分配一样，为ID的不同值指定不同的意义。具体过程详见附录。 6.3 地图的缩放与移动 (1)监听触控数量(1个点为移动，2个点为缩放) (2)当有1个点时，计算在x轴，y轴上的移动距离，用勾股定理计算出斜边长度，控制图片移动。 (3)当有2个点时，首先确定两点的中心，触发一瞬间的两点距离与结束时的的距离，将两者相除，得到放大倍数，通过变换实现缩放。 7 稳定性分析 关于灵敏度，测得的实验结论如下: 如图4所示。 (试验方法:固定LED灯头位置，改变光探测器与LED灯头之间的距 5 离，测量手机音频口的输入电压，观察是否能够正确解码，得出表1:(此时系统LED处于工作电压3.3V，工作电流400mV的额定状态，灯珠完全裸露，无聚光装置))。 因此，本系统正确识别的距离约为115cm，若在灯头加上聚光装置，灵敏度应该可以得到再提高。 8 结果及分析 测试结果能够识别出接收器所发射的信息，并能进行正确的缩放，地图展现。如图5、6所示。 9 结论 本文只是探究了利用可见光技术进行定位的功能，下步还要做一些功能上的扩展，比如博物馆中的藏品识别，图书馆中的图书引导等等。由于可见光通信在实际上有可能造成多种光相互干扰的情形，会对检测结果产生影响，因此灯的布设方法需要特殊的安排，以此提升实际应用中的精准度，而这也是在今后要有所探究的。 可见光通信是一门崭新的学科，它方兴未艾，远远没有到达瓶颈期，本文仅仅是挖掘它所能利用的价值的冰山一角，在科学技术日新月异的今天，希望更多有识之士能利用这项技术，为人类做出贡献。 (指导教师:阳辉 任伟佳 赵腾任) 参考文献 [1]刘宏展，吕晓旭.白光LED照明的可见光通信的现状及发展[D].广州:华南师范大学.光子信息技术实验室，2009:1. [2]刘让龙.可见光通信中的室内定位技术研究[D].北京:北京邮电大 6 学，2013:10-11. [3]傅倩，陈长缨，洪岳，邓?|.改善室内可见光通信系统性能的关键技术[J].自动化与信息工程，2010(2). 7