摘 要

近年来，随着LED在通信、照明等各个领域的应用越来越广泛，VLC凭借其可以同时完成照明和通信两个任务，被视为是具有很大发展潜能和应用前景的技术。在以VLC为基础的各种应用里面，室内定位技术逐渐成为了国内外研究工作者的研究热点。

目前的定位系统主要以全球定位系统为基础。GPS在室外能够很好的发挥作用，但是它需要依靠无线电波的传递来实现定位功能，而室内的卫星信号十分微弱，因此在室内环境中应用会产生较大的定位误差，不适合用于室内的定位。

与无线通信系统相比之下，基于LED可见光通信的室内定位技术拥有高精度、高安全性等多项优点，满足了用户多方面的需求，成为了未来室内定位技术的发展方向。本文研究的是基于LED可见光通信的室内定位技术，并分为了以下三个部分：

第一部分首先介绍了LED的基本原理与结构，并对LED的几个重要的光学参数进行了解。然后在理想环境的基础上建立信道模型，研究了多个LED所组成系统的光照强度分布。考虑到LED应同时具有照明和通信两种功能，经过进一步分析计算得出4个LED灯的室内最佳布局。

第二部分为本文研究重点，在讨论了测量距离的定位技术中常用的几种测距方法后，本文着重研究照度加权平均法、几何测量法、场景分析法、图像传感器成像法这四类定位算法的优缺点。通过误差的比较分析，得出加权平均算法定位的准确度更高，于是选取加权平均定位算法当作本次研究的可见光室内定位系统的算法。

第三部分是可见光室内定位平台的设计，对可见光室内定位系统中的物理层有了一定理解后，完成了发射端和接收信息端的各个模块理论上的设计。

关键词：室内定位技术 可见光通信 加权平均算法

Abstract

In recent years, with the LED in communications, lighting and other fields are used more and more widely, VLC is regarded as a technology with great development potential and application prospect, because it can complete lighting and communication at the same time. Among a variety of applications regarding VLC as the foundation, indoor constant bit technology has gradually become the research hot spot in the domestic and foreign researchers.

Current positioning system mainly base in global positioning system. GPS can play a role in outdoor, but it needs to rely on the transmission of radio waves to realize the function of positioning, and indoor satellite signal is very weak, therefore in indoor environment application will have a greater positioning error, not suitable for indoor positioning.

By contrast, visible light communication indoor positioning technology based on the LED with high precision, high security becomes the future indoor positioning technology development direction. In this paper, we research visible light communication technology for indoor localization based on LED and for the following three parts:

The first part introduces the basic principle and structure of the LED, and led to several important optical parameters to understand. Then in the ideal environment, we established channel models, study the system composed of a plurality of LED with their light intensity distribution. Considering LED should also have two functions of lighting and communication, we further analyses the calculated four LED lights and the layout of the best indoor.

The second part is the focus of this paper, in the discussion of the distance measurement positioning technology of several location methods, this paper focuses on the research of weighted average method, trilateration method and triangulation method.. Through comparative analysis of the errors, we select weighted average location algorithm as the research of visible light system for indoor localization algorithm.

The third part is designing visible light indoor position platform. In having the certain understanding on the visible light indoor positioning system physical layer, we complete each module theory design of the transmitting end and the receiving end.

Keywords: indoor positioning technology; visible light communication; weighted average algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1可见光通信技术 1

1.2.2 室内定位技术 2

1.3 研究内容 2

第2章 系统信道的特性 4

2.1 LED的基本原理简介 4

2.1.1发光二极管的基本原理 4

2.1.2发光二极管的基本结构 5

2.2 LED照度的分布 5

2.2.1 LED的光学参数 5

2.2.2 LED的光照度模型 6

2.2.3多个LED的光照强度分布 7

2.3 室内LED灯的布局 7

第3章 可见光室内定位的算法 10

3.1测量光照强度的算法 10

3.2测量距离的技术 10

3.3室内定位算法 11

3.3.1 照度加权平均算法 11

3.3.2 几何测量法 12

3.3.3 场景分析法 15

3.3.4 图像传感器成像法 16

3.4 误差对比分析 17

第4章 可见光通信的平台设计 18

4.1 发射端的设计 18

4.1.1数据源的设计 18

4.1.2 LED大电流驱动电路设计 19

4.2 接收端的设计 19

4.2.1 光电模块设计 20

4.2.2 电压检测电路设计 20

4.2.3 整形比较电路设计 20

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着互联网科技的逐渐进步，导航和定位的提供被越来越多的人所需要，尤其是在机场，大型超市，医院，博物馆，仓库等较为复杂的室内情况下，找出移动终端及其所有者、一些设施与物体在室内的位置往往变得十分重要。根据研究表明，大部分人每天平均有大约85%的时间在室内度过，大约75%的时间在室内使用移动设备。因此室内定位技术便拥有了很大的发展潜力。

目前我们我们比较熟悉的定位系统包括GPS以及无线通信系统。在户外GPS能很好的起到定位作用，但它在室内应用却得不到与室外同等的精度，这是因为它是借助于无线电波的传播来实现其定位功能的，而无线电波在室内的覆盖范围较小，因此GPS并不擅长室内定位。在无线电技术的基础上还存在很多室内定位方法，诸如：WLAN、RFID、蓝牙、WIFI等，但这些系统很大程度上也会被电磁干扰所限制，还会在多个人一起使用的时候出现通信水平降低的问题，这些都对室内定位的质量提出了挑战。