摘 要：本文從依托照明控制平臺(tái)的智能路燈概述信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，引出可見(jiàn)光通信定位技術(shù)的發(fā)展。比較了幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)，相比發(fā)現(xiàn)，單一技術(shù)無(wú)法完全解決室內(nèi)定位需求，若還是依托智能照明控制平臺(tái)，可見(jiàn)光通信定位將是最具有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的方式。可見(jiàn)光通信與智能照明技術(shù)的融合，不僅向人們提供了良好的照明，還可提供信息服務(wù)，如商業(yè)信息推送、應(yīng)急救援、公共設(shè)施精確查找等。

　　關(guān)鍵詞：智能照明;可見(jiàn)光通信;室內(nèi)定位

　　引言

　　在建設(shè)智慧城市的熱潮中，戶外LED智能路燈已然成為城市實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)志性品類(lèi)，集合了節(jié)能照明、無(wú)線WiFi、充電樁、環(huán)境檢測(cè)、燈桿屏、數(shù)據(jù)監(jiān)控、攝像頭，依托照明控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)。戶外LED智能路燈所具備的天然地理位置優(yōu)勢(shì)，不僅單是城市的基礎(chǔ)電力設(shè)施，因其具有的交叉覆蓋的特性，已然成為智慧城市建設(shè)的一大突破口。戶外LED智能路燈這一綜合性產(chǎn)品，或?qū)⑹侵腔鄢鞘薪ㄔO(shè)中需求量最大的產(chǎn)品品類(lèi)。同時(shí)也為照明產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了無(wú)限的想象空間。

　　智慧城市的建設(shè)離不開(kāi)信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，特別是以大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。為建設(shè)智慧城市提供了有機(jī)理的基礎(chǔ)，為更好的迎合以人為本的市場(chǎng)需求提供了創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用。

　　面對(duì)室內(nèi)照明走向智能化的趨勢(shì)，而目前的智能照明主要是利用無(wú)線或有線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，僅僅監(jiān)控著燈具的電參數(shù)，卻忽視了光參數(shù)的監(jiān)測(cè)。智能照明，應(yīng)是提供人們良好的可見(jiàn)度、舒適愉快的光環(huán)境、具備完整的監(jiān)控功能，同時(shí)應(yīng)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)向人們提供信息服務(wù)。近幾年出現(xiàn)的可見(jiàn)光通信技術(shù)，為L(zhǎng)ED照明在智能化方向上提供了新的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　1室內(nèi)定位現(xiàn)狀

　　說(shuō)起定位，大家自然都會(huì)想到GPS，在室內(nèi)因無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)，而不能進(jìn)行定位。隨著室外定位(GPS)和基于位置的服務(wù)(地圖+導(dǎo)航)為用戶帶來(lái)的良好體驗(yàn);特別是其所能帶來(lái)的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)提出了更高的要求和更多的需求。

　　室內(nèi)定位面臨很多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，比如說(shuō)室內(nèi)的環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)，不同室內(nèi)具有不同的布局;某些室內(nèi)環(huán)境位置區(qū)分精細(xì)，就需要更高精度來(lái)分辨不同的特征。雖然許多無(wú)線通信芯片來(lái)源于國(guó)外，但在應(yīng)用上也受到單一技術(shù)無(wú)法解決各種挑戰(zhàn)，并且不同解決方案存在不同的優(yōu)勢(shì)和不同的局限。國(guó)內(nèi)外在室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都處于技術(shù)嘗試階段。

　　其中可見(jiàn)光通信技術(shù)中的圖像傳感器成像法是最具有發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄐ哦ㄎ环椒ǎ涠ㄎ痪雀哂谄渌ㄎ凰惴ǖ亩ㄎ痪龋⑶夷芗婢叨ㄎ凰俣瓤臁⒁浦残院玫膬?yōu)點(diǎn)。隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展以及智能拍照手機(jī)的普及，是未來(lái)可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展方向。

　　2室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比

　　2.1超帶寬定位技術(shù)

　　UWB(Ultra-Wide-Band，超帶寬)是一種以極低功耗在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄帶脈沖傳輸數(shù)據(jù)，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率為UWB使用的頻率范圍。具有很強(qiáng)的穿透性，定位系統(tǒng)采用TDOA(到達(dá)時(shí)間差)算法，測(cè)距精度可到達(dá)2.5cm，測(cè)距距離可達(dá)到500m。該系統(tǒng)由定位標(biāo)簽、定位基站、位置計(jì)算引擎組成，可用于復(fù)雜環(huán)境下人員、物品的精準(zhǔn)定位。缺點(diǎn)很明顯就是，需要增設(shè)定位基站，對(duì)人員、物品加裝定位標(biāo)簽(表1)。

　　2.2WiFi定位技術(shù)

　　需要事先把各個(gè)位置上的信號(hào)特征(信號(hào)強(qiáng)度)測(cè)量一遍，存入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。定位時(shí)，將當(dāng)前的信號(hào)特征與指紋庫(kù)中的進(jìn)行匹配，從而確定位置。目前WiFi定位精度能達(dá)到米級(jí)，雖然沒(méi)有像UWB、藍(lán)牙等達(dá)到厘米級(jí)，但由于wifi網(wǎng)絡(luò)的普及、商業(yè)推廣更容易等優(yōu)點(diǎn)，被百度、高德、四維等公司看好。無(wú)需增設(shè)信號(hào)發(fā)生器，就可很快輔助傳統(tǒng)商業(yè)(購(gòu)物中心、百貨店、大賣(mài)場(chǎng))轉(zhuǎn)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的商業(yè)模式。從成本上看，wifi定位精度越高其構(gòu)造成本將大幅度提高。還需解決干擾信號(hào)對(duì)精度影響、海量用戶并行訪問(wèn)等問(wèn)題。

　　2.3藍(lán)牙定位技術(shù)

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種基于Buletooth-LowEnergy(BLE，低功耗藍(lán)牙)的信號(hào)廣播設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備有且只有唯一的ID。最近推出的iBeacon就是利用這種特性，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)廣播自己的信號(hào)，通過(guò)這種方式它就完成了對(duì)一個(gè)特定的區(qū)域的標(biāo)記。當(dāng)用戶拿著手機(jī)進(jìn)入iBeacon的范圍時(shí)，手機(jī)中的APP將會(huì)被喚醒，這樣手機(jī)就可以感知到用戶的地理位置發(fā)生了變化，判斷是否要觸發(fā)一些事件[2]。

　　2.4zigbee定位技術(shù)

　　Zigbee技術(shù)是一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)。定位原理與射頻識(shí)別基本類(lèi)似都是通過(guò)在待定區(qū)域布置參考點(diǎn)，zigbee參考節(jié)點(diǎn)間可相互連接自組成網(wǎng)路系統(tǒng)，當(dāng)待定位區(qū)域出現(xiàn)被感知對(duì)象的信息時(shí)，在通信距離內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)能快速的采集到這些信息，同時(shí)利用路由廣播的方式把信息傳遞給其他參考節(jié)點(diǎn)，最終形成一個(gè)信息傳遞鏈并經(jīng)過(guò)信息的多級(jí)跳躍回傳給終端電腦加以處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控和定位。

　　2.5可見(jiàn)光定位技術(shù)

　　可見(jiàn)光通信作為一種新興無(wú)線通信方式，因其能效高，綠色環(huán)保，不受電磁干擾影響，兼具照明和定位兩種功能等優(yōu)勢(shì)而成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱電，基于可見(jiàn)光通信的室內(nèi)定位技術(shù)也隨之被提出。

　　其原理是將需要傳輸?shù)男畔?燈具安裝ID)編譯成一段調(diào)制信號(hào)，用脈寬調(diào)制的方法附加到LED燈具的驅(qū)動(dòng)電流上，利用室內(nèi)無(wú)處不在的照明光源作為發(fā)射載體，當(dāng)用戶進(jìn)入燈具照明區(qū)域，利用智能手機(jī)的前置攝像頭(或是外設(shè)模塊)接收并識(shí)別光信號(hào)，解析出燈具發(fā)送的唯一識(shí)別信息。利用所獲取的識(shí)別信息在地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中確定對(duì)應(yīng)的位置信息，完成定位。相比較其他定位技術(shù)，免去了基于位置信號(hào)強(qiáng)度的定位算法以及信息處理過(guò)程[1]。

　　3室內(nèi)定位算法

　　目前室內(nèi)定位算法有很多(圖1)，一般都是基于幾何測(cè)量的定位算法，在室外環(huán)境中應(yīng)用非常可靠，但在室內(nèi)環(huán)境中，受環(huán)境變化較大，可視距離較短，對(duì)定位精度要求較高。

　　3.1幾何測(cè)量

　　這類(lèi)方法是利用測(cè)量待測(cè)點(diǎn)與已知位置(參考點(diǎn))之間的幾何關(guān)系，再通過(guò)運(yùn)算獲取待測(cè)點(diǎn)的位置信息。主要有三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法。

　　三邊定位法就是測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到三個(gè)不同直線上的參考點(diǎn)間的距離，以這三個(gè)參考點(diǎn)為圓心，通過(guò)測(cè)量三邊距離為半徑做出三個(gè)圓的交點(diǎn)就是待測(cè)點(diǎn)的位置。其他兩種方法都是基于各自的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。基于測(cè)量距離的測(cè)量方法有信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Timeof Arrival，TOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TimeDifference of Arrival，TDOA)、信號(hào)往返時(shí)間(ReturnTime of Flight，RTOF)、信號(hào)強(qiáng)度(ReceivedSingle Strength，RSS)。

　　無(wú)論哪種無(wú)線通信技術(shù)，都可采用基于幾何關(guān)系算法定位，需要將測(cè)試點(diǎn)與參考點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，誤差精度與信號(hào)覆蓋密度有直接關(guān)系。

　　3.2場(chǎng)景分析

　　通過(guò)觀察空間場(chǎng)景中的信號(hào)強(qiáng)度特征來(lái)推斷待測(cè)目標(biāo)的位置——指紋識(shí)別法。場(chǎng)景分析法主要包括兩個(gè)階段，離線勘測(cè)階段和在線定位階段。離線勘測(cè)首先要建立一個(gè)特定場(chǎng)景特征信息與移動(dòng)設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)特征比對(duì)進(jìn)行位置測(cè)定。而在線定位則是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量空間中各個(gè)用戶信號(hào)特征再與下一時(shí)段在數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征信息比對(duì)，從而實(shí)時(shí)確定目標(biāo)的位置。

　　基于Wifi信號(hào)的位置指紋定位是根據(jù)不同位置下接收到的信號(hào)強(qiáng)度向量，通過(guò)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)空間中儲(chǔ)存的信息向量，進(jìn)行匹配算法實(shí)現(xiàn)定位。

　　3.3臨近感知

　　通過(guò)將接收到附近信息發(fā)送基站與已建立的基站位置地圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定當(dāng)前位置。特別適用于可見(jiàn)光通信定位，在室內(nèi)天花板上布置多個(gè)攜帶信息的LED燈陣列。每個(gè)LED燈作為進(jìn)入地圖數(shù)據(jù)庫(kù)入口，實(shí)時(shí)傳送著自身位置的光信號(hào)。當(dāng)用戶終端在LED燈陣列中移動(dòng)時(shí)，就可獲取該燈的位置信息。只需將接收到的信息與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中燈具位置進(jìn)行比對(duì)即可，省去利用接入服務(wù)器計(jì)算的時(shí)間。

　　圖1定位算法分類(lèi)

　　4可見(jiàn)光通信與智能照明融合

　　當(dāng)節(jié)能降耗成為L(zhǎng)ED照明市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，在“綠色建筑”建設(shè)過(guò)程中，智能照明系統(tǒng)所帶來(lái)的效果非常顯著。使得照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定以及各種傳感節(jié)點(diǎn)的基本狀態(tài)進(jìn)行工作，這些狀態(tài)會(huì)按設(shè)定的時(shí)間、環(huán)境進(jìn)行相互自動(dòng)切換。例如隨著自然光照射到室內(nèi)某些區(qū)域時(shí)，該區(qū)域會(huì)跟著自然光線進(jìn)行緩慢變化，實(shí)現(xiàn)智能照明的光照補(bǔ)償。

　　如同前面所述，戶外LED智能路燈是利用路燈控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建設(shè)智慧城市，同樣可以采用智能照明控制平臺(tái)管理室內(nèi)環(huán)境下的信息處理技術(shù)。近幾年興起的可見(jiàn)光通信技術(shù)將LED照明的應(yīng)用從單一的智能照明推向了信息發(fā)展領(lǐng)域，特別是室內(nèi)定位領(lǐng)域。通過(guò)與其他室內(nèi)定位技術(shù)比較，可見(jiàn)光通信定位的缺點(diǎn)也是很明顯的。在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，任何技術(shù)融合都變得更有可能。若將可見(jiàn)光通信模塊與wifi模塊一起嵌入到照明燈具中，很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)線wifi全覆蓋、高精度定位、智能照明，突破可見(jiàn)光通信在數(shù)據(jù)上傳、穿透性方面的限制(圖2)。

　　圖2可見(jiàn)光通信定位特點(diǎn)

　　可見(jiàn)光通信是以照明為前提，將可見(jiàn)光通信做為附加的應(yīng)用方式，比如可以在商場(chǎng)、超市、地鐵、地下車(chē)庫(kù)等公共建筑內(nèi)，方便找到商品、公共設(shè)施、車(chē)位。基于可見(jiàn)光定位的室內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，其性能取決于所布置的LED燈疏密。基于LED可見(jiàn)光通信的室內(nèi)定位研究還處于技術(shù)研究起步階段，真正走向技術(shù)應(yīng)用還需解決：(1)設(shè)計(jì)便于攜帶使用的硬件;(2)解決軟件管理平臺(tái)誰(shuí)來(lái)建，誰(shuí)來(lái)用，如何運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題;(3)融合其他無(wú)線通信手段，尋求多技術(shù)互補(bǔ)。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹了目前城市物聯(lián)網(wǎng)的典型案例，圍繞智能照明管理平臺(tái)的發(fā)展，對(duì)可見(jiàn)光定位技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位做了重點(diǎn)介紹。

　　目前大多數(shù)室內(nèi)定位技術(shù)基本都能夠完成簡(jiǎn)單的定位任務(wù)，但是與真正的“智能定位”的目標(biāo)還有一定的差距。可見(jiàn)光通信定位與wifi或其他技術(shù)融合互補(bǔ)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化、更高精度、更穩(wěn)定、成本更低的解決方案，同樣需要解決協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、定位算法改進(jìn)、管理平臺(tái)搭建、運(yùn)營(yíng)推廣等種種阻擾和挑戰(zhàn)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]趙嘉琦,遲楠.室內(nèi)LED可見(jiàn)光定位若干關(guān)鍵技術(shù)的比較研究[J].燈與照明,2015, 34:41.