一種基於照明光源和Wi-Fi信號的混合模式室內定位系統的製作方法
2023-04-26 12:04:06 1
一種基於照明光源和Wi-Fi信號的混合模式室內定位系統的製作方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種基於照明光源和Wi-Fi信號的混合模式室內定位方法。該方法包括如下步驟：光信息發射步驟：房間號與LED燈的ID信息的廣播發射；基準數據採集步驟：將LED燈的ID信息、Wi-Fi信號強度分布預先存到手機終端；Wi-Fi初步定位步驟：接收到的Wi-Fi信號強度數據與已採集的數據匹配，可確定使用者所處房間區域；可見光再次定位步驟：用光信息接收模塊接收並處理光信息，預處理後的光信息再次處理後與初步定位得到的房間區域內所有ID信息比對，確定使用者所處的室內的具體位置並將該位置顯示在手機屏幕上。利用本發明實施例，能夠提高室內定位精準性，節約照明能耗，具有很大的實用價值。
【專利說明】—種基於照明光源和W1-Fi信號的混合模式室內定位系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於室內定位應用領域，著重描述了一種基於室內LED照明光源和室內W1-Fi信號的混合模式室內定位系統。
【背景技術】
[0002]隨著移動終端與移動網際網路技術的發展，再加上日趨複雜的城市布局結構，定位技術也在不斷地進步和發展。目前常用的定位技術主要有衛星定位、藍牙定位、Zig-bee定位和W1-Fi強度匹配定位。衛星定位主要用於室外定位，現在主流的應用是GPS定位和北鬥導航定位。藍牙定位、Zig-bee定位和W1-Fi強度匹配定位主要用於室內。
[0003]本發明利用W1-Fi強度匹配定位技術，結合通過接收經改造後能發出含有特定信息的室內LED照明光從而實現定位的方法進行雙重室內定位。相對於目前無線定位使用的主要頻段的電磁波，可見光的空間強度分布特性更穩定，傳播特性更簡單。因此，在定位的精確度上，可見光定位在理論上應該較其他無線定位方式更精準。同時，由於本發明使用W1-Fi強度匹配定位的方法預先確定使用者所處的區域，減少了可見光定位的搜索範圍，提高了本發明的運行效率。
[0004]基於W1-Fi強度匹配的室內定位方法須預先採集整個定位範圍的W1-Fi信號強度分布情況，按照一定的空間採樣密度在整個定位區域採集周圍所有W1-Fi熱點的強度，採集結束後存入資料庫。使用時，在整個定位區域內的某一點上，得到周圍所有的W1-Fi熱點在該點處的強度，得到的強度再與之前採集好的強度數據進行比對，找到差別最小的強度值。差別最小的強度值對應的位置就是定位結果。可以理解，由於無線信號在空間上的隨機性衰落分布，這種定位方式的精度不高。
[0005]本發明還涉及到基於LED的可見光通信技術。基於LED的可見光通信技術的發送端採用LED的亮滅閃爍來發送信息。亮代表「1」，滅代表「O」。為了不影響照明效果，同時提高抗幹擾性，LED燈通常需要以較高的頻率亮滅閃爍。在接受端，用光電二極體以及相匹配的放大解調濾波電路接收信息。本發明利用接收到的房間內每盞LED燈所發出的不同信息來確定距離定位點最近的LED燈，這盞LED燈所處的位置就代表了定位結果。由於可見光強度在空間上分布的穩定性，這種定位方式要比W1-Fi強度匹配定位的精度較高。
[0006]由於使用可見光通信，房間的照明也為LED所取代。這就比螢光燈照明更加節能，而且照明的成本更低。同時本發明還可以與未來的可見光路由器、電力線通信等新技術相結合，在節約能源的同時又減少室內無線電波的輻射。
【發明內容】
[0007]為了解決W1-Fi強度匹配定位的缺陷，優化定位系統的效率，本發明提供了一種基於室內LED照明光源和室內W1-Fi信號的混合模式室內定位系統。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]—種基於照明光源和W1-Fi信號的混合模式室內定位系統,包括照明光源模塊、W1-Fi熱點模塊、W1-Fi信號接收模塊、光信息接收模塊、手機終端和手機終端上的定位應用程式。所述照明光源模塊用於給房間提供照明並發射標識不同LED燈的ID信息。所述W1-Fi熱點模塊用於發射W1-Fi無線信號。所述的W1-Fi信號接收模塊用於接收周圍W1-Fi熱點發出的W1-Fi信號。所述光信息接收模塊用於接收周圍照明光源發出的ID信息。所述的手機終端利用所述的手機終端上的定位應用程式，處理光信息接收模塊接收到的光信息和W1-Fi信號接收模塊接收到的W1-Fi信號強度，並根據處理好的信息綜合判斷使用者所處的位置，最後將這個位置顯示在手機屏幕上。
[0010]所述混合模式定位系統，其中，所述照明光源模塊為LED燈。
[0011 ] 所述混合模式定位系統，其中，所述W1-Fi熱點模塊為無線熱點或者無線路由器。
[0012]所述混合模式定位系統，其中，所述W1-Fi信號接收模塊為手機內置的W1-Fi模塊。
[0013]所述混合模式定位系統，其中，所述光信息接收模塊為與手機音頻口相連接的擴展模塊。
[0014]所述混合模式定位系統，其中，所述的手機終端為智慧型手機。
[0015]所述混合模式定位系統，其中，所述手機終端定位應用程式為在智慧型手機上運行的一個應用程式。
[0016]所述照明光源，包括:ID信息發生模塊、調製模塊、負載驅動模塊、LED陣列和電源。
[0017]所述光信息接收模塊，包括:光電二極體、信號放大模塊、濾波器模塊、音頻接口和電源。
[0018]整個系統的執行方法包括以下步驟:
[0019]A.光信息發射步驟:房間號信息與房間內每盞LED燈的ID信息的廣播發射；
[0020]B.數據的採集與預先存入步驟:將房間號信息與LED燈的ID信息、採集到的W1-Fi信號強度分布數據預先存放到手機終端；
[0021]C.W1-Fi信號的接收與初步定位步驟:用W1-Fi信號接收模塊接收周圍所有無線熱點或無線路由器在使用者所處位置的信號強度，並與步驟B得到的數據進行匹配，根據匹配結果確定使用者所處的房間區域；
[0022]D.光信息的接收與預處理步驟:用光信息接收模塊接收光信息並做預處理；
[0023]E.利用可見光進行再次定位的步驟:根據步驟D得到的處理後的光信息，將處理後的信息在步驟C得到的區域所包含的所有房間內的所有LED燈所對應的ID信息進行匹配，根據匹配的結果確定使用者所處的房間以及房間內的具體位置；
[0024]F.結果顯示步驟:將步驟E得到的定位結果以地圖的形式顯示在手機終端的屏幕上。
[0025]所述的室內定位系統的執行方法，其中，步驟A所述的光信息發射與W1-Fi信號發射步驟為:
[0026]I)為房間內每盞LED燈的ID信息分配一個唯一的長度為L序列Seq，每個房間映射為該房間內所有LED燈的ID信息對應序列的集合S，其中Seq e S，S代表房間號；
[0027]2)將每盞LED燈對應的序列Seq調製後通過LED燈循環廣播發送出去。
[0028]所述的室內定位系統的執行方法，其中，步驟B所述的數據的採集與預先存入步驟為:
[0029]I)在要定位的建築物中，對每個房間按照房間的大小劃定η個採樣點，用手機上的W1-Fi模塊在每個採樣點上採集周圍無線路由器或無線熱點發出的信號在該採樣點上的平均信號強度，得到強度向量f =，其中ei是第i個無線路由器或無線熱點的信號強度；
[0030]2)按照步驟I)的辦法採集整個建築物中每個房間的W1-Fi信號強度分布情況，再將採集完的數據存到手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中；
[0031]3)將每盞LED燈對應的序列Seq存到手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中。
[0032]所述的室內定位系統的執行方法，其中，步驟C所述的W1-Fi信號的接收與初步定位步驟為:
[0033]I)用W1-Fi接收模塊接收周圍無線路由器或無線熱點在使用者所處位置的信號強度向量左』並將該強度向量傳遞給手機終端上的定位應用程式；
[0034]2)定位應用程式將強度向量f與步驟B得到的所有採樣點的信號強度向量匹配，找到與?最相似的強度向量€同時進一步得到了強度向量宏所對應的採樣點。由此可以得到一個含有r個房間的房間區域，該區域由該採樣點所在房間以及周圍相鄰的房間構成。這個區域就是使用者的初步定位結果。
[0035]所述的室內定位系統的執行方法，其中，步驟D所述的光信息的接收與預處理步驟為:
[0036]I)用光信息接收模塊上的光電二極體接收與使用者距離最近的LED燈發出的光信息；
[0037]2)將接收到的光信息通過光信息接收模塊上的放大電路放大，再將放大後的信號通過光信息接收模塊上的下截止頻率為fp的高通濾波電路進行濾波；
[0038]3)將處理好的信號通過音頻接口傳入到手機終端進行後續處理。
[0039]所述的室內定位系統的執行方法，其中，步驟E所述的利用可見光進行再次定位的步驟為:
[0040]I)利用手機終端上的定位應用程式對手機終端的錄音口按採樣頻率匕進行採樣，採樣得到的數據序列長度為SL。將採集到的數據通過應用程式裡中心頻率為Fm，通頻帶為Δf數字帶通濾波器進行濾波處理；
[0041]2)將處理好的數據通過定位應用程式進行解調，得到待識別的ID信息序列Seq'；
[0042]3)將解調得到的序列Seq'與步驟B中所述存好的Seq序列在步驟C得到的初步定位區域所對應的範圍內逐條匹配，根據匹配到的Seq找到其對應的集合S，S代表定位得到的房間。匹配到的Seq代表距使用者最近的LED燈，這盞LED燈的位置就代表使用者在房間裡的具體位置。定位的精度與房間內所有的LED燈的布局情況有關，在幹擾容許的前提下，布局越密集，定位精度越高。
[0043]本發明的有益效果在於，相對於現有技術而言，本發明應用W1-Fi強度匹配定位技術對使用者所在的房間區域性進行定位，用基於室內LED照明光源的可見光定位技術對使用者進行室內精確定位，又給出完整的實施系統用於應用，試驗結果驗證了本發明的準確性和高效性，具有很強的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1是本發明提供的實施方式的步驟流程圖。
[0045]圖2是光信息發射模塊的實施方式的結構圖。
[0046]圖3是基準數據的採集與預先錄入資料庫的步驟流程圖。
[0047]圖4是W1-Fi信號的接收與初步定位的實施方式的步驟流程圖。
[0048]圖5是光信息接收模塊的實施方式的結構圖。
[0049]圖6是可見光再次定位的實施方式的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0050]下面將結合附圖對本發明【具體實施方式】進行詳細說明。
[0051]圖1是本發明的步驟流程圖，虛線框代表概括性的步驟，整體包括以下步驟:
[0052]第一步:基準數據的錄入
[0053]步驟S1:將採集的W1-Fi強度分布數據、事先已經分配好的房間內LED燈的ID信息都存入定位應用程式裡地資料庫。
[0054]第二步:LED燈發射ID信息
[0055]步驟S2:房間號信息與房間內每盞LED燈的ID信息的廣播發射。
[0056]第三步:Wi_Fi信號的接收與初步定位
[0057]步驟S3:用W1-Fi信號接收模塊接收周圍所有無線熱點或無線路由器在使用者所處位置的信號強度，並與之前存好的強度數據進行匹配，根據匹配結果確定使用者所處的房間區域。
[0058]第四步:光信息的接收與預處理
[0059]步驟S4:用光信息接收模塊接收光信息並做預處理。
[0060]第五步:利用可見光進行再次定位
[0061]步驟S5:將預處理後的光信息在W1-Fi初步定位得到的區域所包含的所有房間內的所有LED燈所對應的ID信息進行匹配，根據匹配的結果確定使用者所處的房間以及房間內的具體位置。
[0062]第六步:顯示定位結果
[0063]步驟S6:用地圖化的方式將兩種定位方式綜合得到的定位結果顯示在手機屏幕上。
[0064]下面將對每個步驟進行具體的說明:
[0065]步驟SI實現了房間號信息與房間內每盞LED燈的ID信息的廣播發射的功能。圖2給出了該方法的具體實施過程:
[0066]步驟11房間內每盞LED燈上的的ID序列發生器循環產生一個長度為L序列Seq,該序列唯一，每個房間映射為該房間內所有LED燈的ID信息對應序列的集合S，其中Seq e S, S代表房間號信息；
[0067]步驟12將每盞LED燈對應的序列Seq通過FSK調製；
[0068]步驟13調製後經負載驅動後通過LED燈廣播發送出去。
[0069]步驟S2實現基準數據的採集與預先錄入的功能，將強度匹配所需的W1-Fi強度分布數據、LED燈識別所需的ID信息事先存儲到定位應用程式裡的輕量型資料庫中，為定位提供參照基準，圖3給出了具體實施方法實施方法。詳細步驟為:
[0070]步驟21在要定位的建築物中，對每個房間按照房間的大小劃定η個採樣點，用手機上的W1-Fi模塊在每個採樣點上採集周圍無線路由器或無線熱點發出的信號在該採樣點上的平均信號強度向量犮= (〃W,其中ei是第i個無線路由器或無線熱點的信號強度；
[0071]步驟22按照步驟I)的辦法採集整個建築物中每個房間的W1-Fi信號強度分布情況，再將採集完的數據存到手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中；
[0072]步驟23將每盞LED燈對應的序列Seq存到手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中。
[0073]步驟S3實現了 W1-Fi信號的接收與初步定位，圖4給出了具體實施方法，具體實施步驟如下:
[0074]步驟31用W1-Fi接收模塊接收周圍無線路由器或無線熱點在使用者所處位置的信號強度向量?並將該強度向量傳遞給手機終端上的定位應用程式；
[0075]步驟32定位應用程式將強度向量?與事先採集得到的所有採樣點的信號強度向量匹配，找到與?最相似的強度向量左，同時進一步得到了強度向量所對應的採樣點。
[0076]步驟33獲得到一個含有r個房間的房間區域，該區域由步驟32中得到的採樣點所在房間以及周圍相鄰的房間構成。這個區域就是使用者的初步定位結果。
[0077]步驟S4實現了房間內LED燈的ID信息的初級接收功能，該功能的實現是由一個與手機音頻接口相連的擴展模塊實現，圖5給出了實施方法，具體步驟如下:
[0078]步驟41用光信息接收模塊上的光電二極體接收與使用者距離最近的LED燈發出的光信息，並經過前端放大電路放大處理；
[0079]步驟42將放大後的信號通過下截止頻率為fp的高通濾波電路進行濾波；
[0080]步驟43將濾波後的信號通過音頻接口傳傳送出去。
[0081]步驟S5先處理通過音頻口採樣進來的數位訊號，再根據處理好的數位訊號識別使用者所處的在房間以及房間內距離使用者最近的LED燈，從而確定使用者在室內的具體位置。圖6給出了實施方法，具體實施步驟如下:
[0082]步驟51利用手機終端上的定位應用程式對手機終端的錄音口按採樣頻率Fs進行採樣，採樣得到的數據序列長度為SL。將採集到的數據通過應用程式裡中心頻率SFm，通頻帶為△ f數字帶通濾波器進行濾波處理；
[0083]步驟52將處理好的數據解調，得到待識別的ID信息序列Seq'；
[0084]步驟53將解調得到的序列Seq'與之前初步定位得到的房間區域內的所有ID序列Seq逐條匹配，根據匹配到的Seq找到其對應的集合S，S代表定位得到的房間。匹配到的Seq代表距使用者最近的LED燈，這盞LED燈的位置就代表使用者在房間裡的具體位置。定位的精度與房間內所有的LED燈的布局情況有關，在幹擾容許的前提下，布局越密集，定位精度越高。
[0085]步驟S6是將之前整個系統綜合得到的定位結果以地圖的方式顯示在手機終端的屏幕上。
[0086]以上結合附圖對所提出的一種基於室內LED照明光源和室內W1-Fi信號的混合模式室內定位方法及各模塊的【具體實施方式】進行了闡述。通過以上實施方式的描述，所屬領域的一般技術人員可以清楚的了解到本發明可藉助軟體加必需的硬體平臺相結合的方式來實現。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以手機終端應用程式加上部分硬體產品的形式體現。該產品的應用程式部分存儲在手機終端上的存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺或多臺手機終端執行本發明的軟體部分中的各個步驟所述的方法。同時，該產品的硬體部分可以通過對現有的照明體系進行改造，對現有的手機終端進行硬體擴展的方式實現。
[0087]依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
[0088]以上所述的本發明實施方式，並不構成對發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於照明光源和W1-Fi信號的混合模式室內定位系統,包括照明光源模塊、W1-Fi熱點模塊、W1-Fi信號接收模塊、光信息接收模塊、手機終端和手機終端上的定位應用程式。所述照明光源模塊用於給房間提供照明並發射標識性的ID信息。所述W1-Fi熱點模塊用於發射W1-Fi無線信號。所述的W1-Fi信號接收模塊用於接收周圍W1-Fi熱點發出的W1-Fi信號。所述光信息接收模塊用於接收周圍照明光源發出的ID信息。所述的手機終端利用所述的手機終端上的定位應用程式處理光信息接收模塊接收到的光信息和W1-Fi信號接收模塊接收到的W1-Fi信號強度，並根據處理好的信息綜合判斷使用者所處的位置，最後將這個位置顯示在手機屏幕上。
2.根據權利要求1所述的室內定位系統，其特徵在於:所述照明光源模塊為LED燈、所述W1-Fi熱點模塊為無線熱點或者無線路由器、所述W1-Fi信號接收模塊為手機內置的W1-Fi模塊、所述光信息接收模塊為與手機音頻口相連接的擴展模塊、所述的手機終端為智慧型手機、所述手機終端上的定位應用程式為在智慧型手機上運行的一個應用程式。
3.根據權利要求2所述的照明光源，其特徵在於，由以下部分組成:ID信息發生模塊，調製模塊，負載驅動模塊，LED陣列，電源。
4.根據權利要求2所述的光信息接收模塊，其特徵在於，由以下部分組成:光電二極體，信號放大模塊，濾波器模塊，音頻接口，電源。
5.如權利要求1所述的室內定位系統，其特徵在於，包括以下步驟: A.光信息發射步驟:房間號信息與房間內每盞LED燈的ID信息的廣播發射； B.數據的採集與預先存入步驟:將房間號信息與LED燈的ID信息、採集到的W1-Fi信號強度分布數據預先存放到手機終端； C.W1-Fi信號的接收與初步定位步驟:用W1-Fi信號接收模塊接收周圍所有無線熱點或無線路由器在使用者所處位置的信號強度，並與步驟B得到的數據進行匹配，根據匹配結果確定使用者所處的房間區域； D.光信息的接收與預處理步驟:用光信息接收模塊接收光信息並做預處理； E.利用可見光進行再次定位的步驟:根據步驟D得到的處理後的光信息，將處理後的信息在步驟C得到的區域所包含的所有房間內的所有LED燈所對應的ID信息進行匹配，根據匹配的結果確定使用者所處的房間以及房間內的具體位置； F.結果顯示步驟:將步驟E得到的定位結果以地圖的形式顯示在手機終端的屏幕上。
6.如權利要求5所述的室內定位系統，其特徵在於，步驟A所述的光信息發射與W1-Fi信號發射步驟為: 1)為房間內每盞LED燈的ID信息分配一個唯一的長度為L序列Seq，每個房間映射為該房間內所有LED燈的ID信息對應序列的集合S，其中Seq e S，S代表房間號信息； 2)將每盞LED燈對應的序列Seq調製後通過LED燈循環廣播發送出去。
7.如權利要求5所述的室內定位系統，其特徵在於，步驟B所述的數據的採集與預先存入步驟為: I)在要定位的建築物中，對每個房間按照房間的大小劃定η個採樣點，用手機上的W1-Fi模塊在每個採樣點上採集周圍無線路由器或無線熱點發出的信號在該採樣點上的平均信號強度向量$ =，其中ei是第i個無線路由器或無線熱點的信號強度； 2)按照步驟I)的辦法將整個建築物的每個房間都採集完，之後再將採集完的數據存到權利要求2所述的手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中； 3)將每盞LED燈對應的序列Seq存到手機終端上的定位應用程式裡的資料庫中。
8.如權利要求5所述的室內定位系統，其特徵在於，步驟C所述的W1-Fi信號的接收與初步定位步驟為: 1)用W1-Fi接收模塊接收周圍無線路由器或無線熱點在使用者所處位置的信號強度向量Z:牛將該強度向量傳遞給手機終端上的定位應用程式； 2)定位應用程式將強度向量?與步驟B存好的所有採樣點的信號強度向量?匹配，得到了一個含有r個房間的房間區域，這個區域內含有匹配到的採樣點，這個區域就是使用者的初步定位結果。
9.如權利要求5所述的室內定位系統，其特徵在於，步驟D所述的光信息的接收與預處理步驟為: 1)用光信息接收模塊上的光電二極體接收離使用者距離最近的LED燈發出的光信息； 2)將接收到的光信息通過權利要求2所述的光信息接收模塊上的放大電路放大，再將放大後的信號通過權利要求2所述的光信息接收模塊上的下截止頻率為fp的高通濾波電路進行濾波； 3)將處理好的信號通過音頻接口傳入到手機終端進行後續處理。
10.如權利要求5所述的室內定位系統，其特徵在於，步驟E所述的利用可見光進行再次定位的步驟為: 1)利用權利要求1所述的手機終端上的定位應用程式對手機終端的錄音口按採樣頻率Fs進行採樣，採樣得到的數據序列長度為SL。將採集到的數據通過應用程式裡中心頻率為Fm，通頻帶為Λ f數字帶通濾波器進行濾波處理； 2)將處理好的數據通過定位應用程式進行解調，得到待識別的ID信息序列Seq'； 3)將解調得到的序列Seq'與權利要求7所述步驟B中所述存好的Seq序列在權利要求5所述步驟C得到的初步定位區域所對應的範圍內逐條匹配，根據匹配到的Seq找到其對應的集合S，S代表定位得到的房間。匹配到的Seq代表離使用者最近的那盞LED燈，這盞LED燈的位置就代表使用者在房間裡的具體位置。定位的精度與房間內所有的LED燈的布局情況有關，在幹擾容許的前提下，定位精度與LED燈布局密度正相關。
【文檔編號】G01S5/02GK104198989SQ201410472019
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】趙嘯宇, 馬佔宇 申請人:北京郵電大學