基于可见光通信的室内定位系统研究
发布时间：2020-12-22 20:06
在室外定位广泛应用的今天,现代化工厂、商业综合体、城市图书馆等大型室内场所越来越多,对室内定位服务的需求日渐强烈,但室内定位技术还有待进一步发展。现有的基于蓝牙、WiFi、Zigbee等无线通信技术的室内定位系统都有各种的不足之处,要么定位精度低,要么成本太高,要么实现难度大。可见光通信技术作为新一代无线通信技术,集照明与通信于一体,不产生电磁干扰,为室内定位的实现指明了新的方向。本论文对可见光通信原理、无线测距技术、可见光定位方法进行研究分析,提出了一种基于智能移动终端的可见光成像室内定位系统方案,并在现有的室内照明系统基础上搭建系统,最终实现了定位精度高、覆盖范围广的室内定位效果。本文主要包含以下工作:(1)光源端的信号调制及电路设计:根据对COMS图像传感器通过卷帘快门方式拍摄LED光源产生黑白条纹的现象进行深入研究,发现LED光源的闪烁频率与黑白条纹的宽度之间存在特定的数量关系,利用这种特定的数量关系对LED光源的频率进行调制,使得不同的频率代表不同的位置信息,然后使用单片机进行光源端电路设计,将普通LED灯具改造为定位灯具;(2)接收端定位功能的软件实现:接收端采用带有前置摄...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可见光通信系统结构图
基于可见光通信的室内定位系统研究9图2-2LED发光原理示意图现在市面上的LED主要有两种：荧光粉型LED器件和RGB-LED器件。荧光粉型LED现在正在被广泛使用，其主要原理是利用LED发生的蓝光激发黄色荧光粉并混光产生白光，这种LED的优点是结构简单、成本较低、调制复杂度相对较低，缺点是黄色荧光粉的载流子寿命太长导致了调制带宽很低、对室内环境的频谱利用率不高。RGB-LED的原理是将红色、绿色、蓝色三种不同颜色的LED芯片封装在一起，利用一定的光学设计方法混光得到白光。RGB-LED具有很高的调制带宽，因此，用于高速可见光信号传输的潜力很大，但是它的调制需要对三种颜色的芯片同时进行因而具有相对较高的复杂度，并且还存在如何控制三种颜色的芯片以保持颜色稳定和避免闪烁等问题。2.1.2可见光接收器VLC系统可以采用的接收器类型有三种：基于PIN-PD的接收器、基于APD的接收器、基于图像传感器的接收器。这三种接收器都可以将光信号转换成电信号。基于PIN-PD的接收器灵敏度较高、响应快、成本低，基于APD的接收器具有更高的灵敏度、更快的响应、更高的信噪比，但是成本更高。基于PIN-PD或者APD的接收器广泛应用于目前的高速VLC系统。而基于图像传感器的接收机灵敏度较低、响应速度较慢，但是它传输距离更长，并且可以同时接收来自多个光源发送的信号，常被用于MIMO-VLC系统，同时非常适合在可见光定位系统中使用[44]。2.2LED的物理特性2.2.1LED的伏安特性LED是一种PN结二极管，其正向伏安特性可以表示为)(1nkTqVSPPIeI（2.1）
基于可见光通信的室内定位系统研究10其中，IP为LED的工作电流值，IS为反向饱和电流，q=1.602×10-19C（电子的电荷量），VP为LED工作电压值，n=1~2(常数)与材料相关，k=1.38×10-23J/K(玻尔兹曼常数)，T为热力学温度。与普通整流二极管一样，LED具有单向导电性和非线性特性。向LED两端施加正向电压，LED就会产生正向电流。当施加的电压较小时，外部电场产生的电场力较小，不足以克服内部电场对载流子扩散的阻力，通过LED的电流较小，因此LED表现出较大的电阻。当施加的电压超过开启电压时，外部电场力远超过内部电场的阻力，LED表现出较小的电阻，电流随电压的增大呈指数增长。图2-3为一LED的正向伏安特性曲线。LED一般通过恒流源驱动，主要原因是LED的发光亮度与通过的电流量接近线性正比关系，恒流源驱动可以保证LED亮度、色度稳定，并且避免电流超过最大额定值而影响其可靠性。图2-3LED正向伏安特性曲线2.2.2LED的光谱特性发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。描述光谱分布的主要参量是光谱的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。它直接决定着LED的发光颜色并影响它的照明效率。影响发光光谱的主要因素是制造材料的种类、性质以及LED发光区的结构。单色光LED的波长分布图如图3-4所示。可以看出，LED发出的光有多种波长，其中相对光强度最高对应的波长称为峰值波长。峰值波长由LED所用发光材料的禁带宽度决定的，可以表示为gP/1239E（2.2）其中，λP为峰值波长，单位为纳米，Eg为禁带宽度，单位为电子伏特。
【参考文献】：
期刊论文
[1]WiFi室内定位相关技术研究[J]. 张静,魏振钢. 中国科技信息. 2017(23)
[2]基于手机内置传感器的无外源信号室内定位方案[J]. 张砚炳,沈嘉琪,岳岱安,唐曦. 测绘通报. 2014(10)
[3]基于室内可见光照明的位置服务系统[J]. 娄鹏华,张洪明,郎凯,姚敏玉,徐正元. 光电子.激光. 2012(12)
[4]室内定位技术在公共安全领域的应用探讨和技术实践[J]. 周千里. 中国人民公安大学学报(自然科学版). 2010(02)
[5]白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J]. 胡国永,陈长缨,陈振强. 光通信技术. 2006(07)
博士论文
[1]基于手机摄像头的可见光通信关键技术研究[D]. 张振山.北京邮电大学 2019
[2]基于LED可见光通信的室内定位关键技术研究[D]. 栾新源.上海大学 2016
[3]基于WLAN技术的室内定位方法研究[D]. 张帆.中国地质大学 2014
[4]基于图论的图像分割技术研究[D]. 侯叶.西安电子科技大学 2011
[5]GPS抗干扰接收技术研究[D]. 狄旻珉.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于LED可见光的室内通信与定位系统研究[D]. 陈诗航.广西大学 2019
[2]基于ZigBee的室内定位算法设计与实现[D]. 刘博深.黑龙江大学 2019
[3]可见光室内定位技术研究[D]. 周通.长春理工大学 2018
[4]基于接收信号强度的可见光室内定位算法研究[D]. 王丽轩.北京邮电大学 2018
[5]基于相机通信的室内可见光定位技术研究[D]. 赵炜铖.北京邮电大学 2018
[6]基于Android手机的室内定位技术研究与实现[D]. 徐伟.华中师范大学 2014
[7]基于RSSI及图像传感器室内可见光定位系统研究[D]. 江运力.南京邮电大学 2014
[8]基于白光LED的室内可见光通信系统研究[D]. 陈永生.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：2932353
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可见光通信系统结构图
基于可见光通信的室内定位系统研究9图2-2LED发光原理示意图现在市面上的LED主要有两种：荧光粉型LED器件和RGB-LED器件。荧光粉型LED现在正在被广泛使用，其主要原理是利用LED发生的蓝光激发黄色荧光粉并混光产生白光，这种LED的优点是结构简单、成本较低、调制复杂度相对较低，缺点是黄色荧光粉的载流子寿命太长导致了调制带宽很低、对室内环境的频谱利用率不高。RGB-LED的原理是将红色、绿色、蓝色三种不同颜色的LED芯片封装在一起，利用一定的光学设计方法混光得到白光。RGB-LED具有很高的调制带宽，因此，用于高速可见光信号传输的潜力很大，但是它的调制需要对三种颜色的芯片同时进行因而具有相对较高的复杂度，并且还存在如何控制三种颜色的芯片以保持颜色稳定和避免闪烁等问题。2.1.2可见光接收器VLC系统可以采用的接收器类型有三种：基于PIN-PD的接收器、基于APD的接收器、基于图像传感器的接收器。这三种接收器都可以将光信号转换成电信号。基于PIN-PD的接收器灵敏度较高、响应快、成本低，基于APD的接收器具有更高的灵敏度、更快的响应、更高的信噪比，但是成本更高。基于PIN-PD或者APD的接收器广泛应用于目前的高速VLC系统。而基于图像传感器的接收机灵敏度较低、响应速度较慢，但是它传输距离更长，并且可以同时接收来自多个光源发送的信号，常被用于MIMO-VLC系统，同时非常适合在可见光定位系统中使用[44]。2.2LED的物理特性2.2.1LED的伏安特性LED是一种PN结二极管，其正向伏安特性可以表示为)(1nkTqVSPPIeI（2.1）
基于可见光通信的室内定位系统研究10其中，IP为LED的工作电流值，IS为反向饱和电流，q=1.602×10-19C（电子的电荷量），VP为LED工作电压值，n=1~2(常数)与材料相关，k=1.38×10-23J/K(玻尔兹曼常数)，T为热力学温度。与普通整流二极管一样，LED具有单向导电性和非线性特性。向LED两端施加正向电压，LED就会产生正向电流。当施加的电压较小时，外部电场产生的电场力较小，不足以克服内部电场对载流子扩散的阻力，通过LED的电流较小，因此LED表现出较大的电阻。当施加的电压超过开启电压时，外部电场力远超过内部电场的阻力，LED表现出较小的电阻，电流随电压的增大呈指数增长。图2-3为一LED的正向伏安特性曲线。LED一般通过恒流源驱动，主要原因是LED的发光亮度与通过的电流量接近线性正比关系，恒流源驱动可以保证LED亮度、色度稳定，并且避免电流超过最大额定值而影响其可靠性。图2-3LED正向伏安特性曲线2.2.2LED的光谱特性发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。描述光谱分布的主要参量是光谱的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。它直接决定着LED的发光颜色并影响它的照明效率。影响发光光谱的主要因素是制造材料的种类、性质以及LED发光区的结构。单色光LED的波长分布图如图3-4所示。可以看出，LED发出的光有多种波长，其中相对光强度最高对应的波长称为峰值波长。峰值波长由LED所用发光材料的禁带宽度决定的，可以表示为gP/1239E（2.2）其中，λP为峰值波长，单位为纳米，Eg为禁带宽度，单位为电子伏特。
【参考文献】：
期刊论文
[1]WiFi室内定位相关技术研究[J]. 张静,魏振钢. 中国科技信息. 2017(23)
[2]基于手机内置传感器的无外源信号室内定位方案[J]. 张砚炳,沈嘉琪,岳岱安,唐曦. 测绘通报. 2014(10)
[3]基于室内可见光照明的位置服务系统[J]. 娄鹏华,张洪明,郎凯,姚敏玉,徐正元. 光电子.激光. 2012(12)
[4]室内定位技术在公共安全领域的应用探讨和技术实践[J]. 周千里. 中国人民公安大学学报(自然科学版). 2010(02)
[5]白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J]. 胡国永,陈长缨,陈振强. 光通信技术. 2006(07)
博士论文
[1]基于手机摄像头的可见光通信关键技术研究[D]. 张振山.北京邮电大学 2019
[2]基于LED可见光通信的室内定位关键技术研究[D]. 栾新源.上海大学 2016
[3]基于WLAN技术的室内定位方法研究[D]. 张帆.中国地质大学 2014
[4]基于图论的图像分割技术研究[D]. 侯叶.西安电子科技大学 2011
[5]GPS抗干扰接收技术研究[D]. 狄旻珉.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于LED可见光的室内通信与定位系统研究[D]. 陈诗航.广西大学 2019
[2]基于ZigBee的室内定位算法设计与实现[D]. 刘博深.黑龙江大学 2019
[3]可见光室内定位技术研究[D]. 周通.长春理工大学 2018
[4]基于接收信号强度的可见光室内定位算法研究[D]. 王丽轩.北京邮电大学 2018
[5]基于相机通信的室内可见光定位技术研究[D]. 赵炜铖.北京邮电大学 2018
[6]基于Android手机的室内定位技术研究与实现[D]. 徐伟.华中师范大学 2014
[7]基于RSSI及图像传感器室内可见光定位系统研究[D]. 江运力.南京邮电大学 2014
[8]基于白光LED的室内可见光通信系统研究[D]. 陈永生.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：2932353
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