利用可見光通訊提高室內定位精度

作者 : Mark Patrick，Mouser Electronics

本文探討在建築物中準確確定人員位置的好處，並討論不同技術在室內定位系統(IPS)中的適用性。接著並將進一步解釋可見光通訊(VLC)的概念，以及展示如何用這種技術滿足室內定位的精度要求...

縱觀歷史，人們總是擔心迷路。早期的探險者使用恆星進行導航，後來開發了專門的儀器來幫助他們確定在地球表面的確切位置。如今，人們會使用全球定位系統(GPS)等電子定位技術來為日常旅行導航。雖然這種技術非常適合戶外應用，但在室內使用時卻有很大局限性。

在本文中，我們將探討在建築物中準確確定人員位置的好處，並討論不同技術在室內定位系統(IPS)中的適用性。然後，我們會解釋可見光通訊(VLC)的概念，並展示如何用這種技術滿足室內定位的精度要求。

室內位置追蹤

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購物中心、機場、大型商業園區和醫療機構經常接待大量人員，如果能夠即時瞭解人們的活動地點、時間和方式，則為管理這些建築物的公司提供了大量機會。IPS所具備的室內位置追蹤優勢意味著這種技術正迅速成為大型室內場所的必備解決方案，從而實現更智慧、更優化的環境，增強訪客的整體體驗。

例如，在繁忙的零售店中，在制定產品展示位置的策略時，如果能夠瞭解到客戶的停留位置可能會有很大益處。客戶定位信息也可用於最佳化商店設計，使購物者的流量更加高效。在辦公環境中，IPS可以透過引導訪客順利來到會議室以節省時間。在醫院中，它可以提供有關緊急住院的即時資訊，以幫協助挽救生命，從而為患者治療提供更多空間，並使醫院管理機構能夠確保有足夠的工作人員待命以應對即將出現的需求。

室內位置追蹤還能夠改善人員和資產的管理和安全性。例如，它可以提供有關建築物中重要裝置(筆記型電腦、平板電腦或其他連接裝置)位置的即時資訊，並用於高價值資產在未經授權的運出時觸發警報。類似地，它可以用於存取控制，以限制個人進入建築物內的某些區域，具體取決於其授權級別。它還可用於人們在建築物周圍活動時動態提醒最近的火災逃生通道所在位置，並在發生火災時使用最快的路線引導其到達安全位置。

雖然這些即時應用的好處顯而易見，但從長遠來看，室內位置追蹤系統採集到的資料同樣有價值，甚至價值更大。收集有關大量人員隨時間活動的資訊，可以創建建築物中不同區域的使用方式和隨時間的動態圖，以更好地瞭解季節性客流模式。這些資訊還可用於提供基於位置的服務和市場行銷。

可見光通訊

GPS是世界上使用最廣泛的定位技術，但在室內空間中效果不佳或不準確。這是因為從衛星發射的射頻(RF)訊號被建築物的牆壁或天花板等室內障礙物阻擋。GPS的這一缺點導致業界採用其他技術來實現室內位置追蹤，並取得了不同程度的成功。IPS通常包含兩個不同的元素——信標和標籤，其中信標放置在建築物的不同點，而標籤由個人攜帶或放置在正在被位置追蹤的物體上。用於位置追蹤的一些技術包括：

慣性測量單元：這些單元使用加速度計、磁力計和陀螺儀等多個感測器來提供有關標籤相對運動的資訊。該技術的一個優點是它不需要使用信標，但總體精度很差(幾公尺)，因為位置誤差會隨著時間的推移迅速累積。
超音波：它們使用聲音作為通信媒介，根據飛行時間(聲音從信標傳輸到標籤所需的時間，反之亦然)原理運行，可以將位置解析到不足1公尺，但會受到來自固體物體的干擾。這意味著測量結果並不總是可信的。
其他RF技術：藍牙和Wi-Fi的廣泛普及使得它們很適合與IPS一起使用，但主要困難是這些訊號在有障礙物和人在走動情況下的表現有很大差異(由於反射和多路徑傳播)。超寬頻(UWB)可以穿透混凝土、玻璃和木材等材料，這使其適合在建築物內應用(在建築物中，當標籤四處移動時，信標的視線通常會受到阻礙)，但這種技術尚未廣泛使用，並且某些訊號頻率的功率水平受到無線電頻譜使用法規的限制。

上述提到的方法在使用和準確性方面具有一定局限性，意味著它們對於IPS應用並不理想，而可見光通訊(VLC)正成為解決精度問題非常有希望的解決方案。可見光是人眼可感知的電磁光譜部份(375～780nm)，VLC使用此頻寬無線傳輸數據，同時照亮室內空間。

在VLC系統中，微控制器將數據解調到LED (信標)上，該信號由標籤中的光電二極體(例如手機的前置攝影機)接收。使用光作為媒介傳輸數據幾乎不需要超過LED照明所需的額外功率，並且安裝成本很低，因為幾乎所有室內空間都已經存在照明。雖然解調後的資料不可避免地會導致LED燈閃爍，使用的頻率人眼無法察覺，但接收裝置卻很容易檢測到。

只需在每個LED中嵌入唯一標識符並將其解調到LED驅動器上，建築物內的每個燈具(通常稱為光源)都可以傳輸與其確切位置相關的唯一程式碼。使用從三個燈具接收到的標識符，利用三角測量算法可以確定標籤的位置，精度為30公分——比性能最佳的基於RF的定位系統要好一個數量級。

實施VLC

效率和緊湊的尺寸是設計VLC系統時需要面對的兩個主要挑戰，onsemi的NCL31000先進光引擎將此類系統需要的所有功能整合到緊湊型IC中而解決了這兩個問題。它具有97%的高效率LED驅動器，支持脈寬調變調光，並具有符合EMI要求的DC-DC轉換器，用於驅動感測器等其他系統組件。它還具有板載類比數位轉換器(ADC)，可選擇整合的I²C或SPI匯流排為本地MCU提供準確和詳細的診斷。

該驅動器IC的配套元件NCL31001可支援多通道LED應用，而該系列中的另一款IC NCP31010還把乙太網供電(PoE)驅動器(仍具有LED驅動器)整合到單個封裝中，從而允許將資料直接調變到LED燈上，而無需單獨的乙太網路驅動器IC，並且還允許將照明燈具作為智慧照明解決方案的一部份進行連接。這對於尋求盡可能高效地管理照明的智慧建築設計師來說尤其具有吸引力。藉由連續監控房間佔用情況，可以根據日常使用模式動態調整照明水平。使用透過PoE驅動器提供的直流(DC)電源為燈具供電，不再需要燈具中的交流(AC)電纜和AC/DC變壓器，可在這些變壓器的位置部署溫度、濕度、空氣品質和其他智慧感測器。這些IC滿足燈具認證計劃「黃點」(yellow dot)要求，即允許製造商測試和證明其LED燈具能夠與飛利浦的室內定位技術互操作，並對所有燈具製造商開放。

結論

室內定位系統有潛力為智慧建築的管理人員帶來許多好處，使他們能夠極大地提高商場、活動場地、機場和醫院訪客的用戶體驗、安全和保護。GPS不適合於在室內環境中使用，因此，業界嘗試許多不同的技術來提供室內追蹤，這些技術在提供位置追蹤的準確性方面取得了不同程度的成功。VLC克服了其他技術的限制和不足，可以在LED照明燈具的設計階段使用NCL31000等LED驅動器IC來實現，這樣設計完成後的IPS可用於追蹤室內物體和人員位置，精度可達30公分。

本文原刊登於EDN China網站，Frankin編譯