可见光室内定位系统的设计开题报告

全文总字数：3020字

1. 研究目的与意义

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)作为一种成熟的定位导航应用技术在室外环境中已经得到了广泛的应用,由于无线信号的衰减和多径效应的影响,它无法在人类活动最为频繁的室内环境中提供可靠的位置服务。过去十几年,基于无线电波的室内定位技术得到了广泛的研究,但是这些技术由于存在设备依赖性、容易受到电磁波干扰和定位精度有限等缺点,一直无法得到广泛的使用。随着时代的发展人们对室内定位和导航服务的需求日益增加，在这个时候，基于可见光通信的室内定位导航技术凭借其安全性高、无电磁干扰、定位精度高、照明定位一体化、实现成本低等优点,正逐步发展成为室内定位技术研究的一个热门方向。随着LED绿色照明时代的到来，可见光通信技术得到了迅速发展，采用环保节能LED作为光源的可见光通信技术被认为是极具发展潜力和应用背景的技术。

2. 国内外研究现状分析

作为一种新兴的通信技术，led可见光通信提出的历史不算久远，早在2000年以前，就有研究人员提出利用led发出的光来进行通信的设想，并付诸实验，实现了一些简单的通信系统。在这些设想中，最具代表性的是香港大学的granthampang于1999年提出的实现方案，他们的实验小组搭建并演示了基于可见光led的音频信号传输系统。这些设想方案提出时，led照明技术还没有受到重视，对led可见光通信的关键技术也没有进行深入研究，其影响力有限。2000年，日本keio大学m.nakagawa教授领导的研究团队提出了一种利用白光led实现室内可见光接入的方案，并针对室内可见光通信信道进行建模仿真和分析计算，实现了10mbps的室内可见光通信接入方案，正是这一成果被视为可见光通信领域具有影响力的开创性研究，之后，可见光通信技术开始受到世界各地研究人员的重视。

2008年1月开始的omega（thehomegigabitaccess）计划，参与者包括来自欧洲的20多个厂商和学术机构，致力于开发出1gbit/s传输速率的室内互连技术，海因里希-赫兹研究所主要关注单个led采用ook或ofdm调制方式实现高速可见光通信。2008年，他们提出利用可见光通信和红外通信组成家庭局域网的设想，对一些相关问题进行了讨论，从理论上对系统的可行性进行相关研究与论证，通过分析认为采用pam或dmt（discretemulti-tonemodulation，离散多音调制）调制的系统有望达到300mbps的通信速率。在ook调制方式方面，他们早在2009年就完成了100mbps和125mbps的可见光通信实验，2010年更是达到了230mbps。在单个led采用dmt调制方式的可见光通信系统研究方面，他们的研究一直处于世界领先地位。2009年至2010年，通过在接收端加滤光片，利用dmt调制方式，采用离线分析处理数据，他们的系统通信速率先后突破200mbps、230mbps、513mbps。2012年，通过采用rgb三色led和dmt调制方式，他们的离线分析系统实现了单个led806mbps的通信速率。

国内在可见光通信方面的研究机构主要有复旦大学、清华大学、北京邮电大学、南京邮电大学、东南大学、中科院半导体研究所等。复旦大学主要专注高速可见光通信系统的研究与实验。其中重点研究了mimo-ofdm技术、rgb三色led应用以及多用户系统的实现。从2012年到2013年，他们搭建的可见光通信系统离线处理数据，速率先后突破875mbps、1.5gbps，并实现了一盏led灯同时供4台计算机上网。2014年，他们在单个rgb三色构成的白光led的基础上利用均衡技术，实现了最高3.25gbps的通信速率。他们搭建的可见光通信系统的速率在国内研究中一直处于领先地位。清华大学的研究团队对室内可见光通信的信道特性、信道容量以及led特性进行过研究。此外他们还研究过ofdm可见光通信的改进、室内可见光定位系统以及将电力线与可见光通信系统相结合进行通信的方案。 国内在可见光通信方面的研究还处在实验室研究阶段，与国际领先水平存在差距。在拓展新的应用形式、搭建实时高速系统以及高速led研制等方面还需要继续努力。

3. 研究的基本内容与计划

本论文将设计一个可见光室内定位系统，该系统由单片机控制。光敏传感器根据光照强度分别检测坐标，a/d转换器将传感器检测的光照转化为数字量，通过电路传递到lcd液晶显示屏。自行搭建不小于 80cm80cm80cm 的立方空间（包含顶部、底部和 3 个侧面）。顶部平面放置 3 个白光 led，其位置和角度自行设置，由 led 控制电路进 行控制和驱动；底部平面绘制纵横坐标线（间隔 5cm），并分为 a、b、c、d、e 五个区域。要求在 3 个 led 正常照明（无明显闪烁）的情况下，测量电路根据传感器检测的信号判定传感器的位置。

准备工作：阅读相关材料，了解研究课题的相关基本知识；（2018.2.8-2018.3.4） 分析研究阶段：进行仿真研究，结合自己所掌握的知识，对比国内国外相关研究，提出自己的方案和想法；（2018.3.5-2018.4.30）

撰写毕业论文阶段：根据笔记和手稿整理并撰写论文；（2018.5.1-2018.5.22）

4. 研究创新点

本实验采用了led作为光源，led 作为第四代电光源,具有体积小、寿命长、功耗低、环保、显示指数好等优点, 有望替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源。此外 ,led 响应时间短 ,容易实现高速调制 ,因而可以在照明的同时实现无线可见光通信。可见光通信的优点在于:1)无电磁干扰;2)独立空间内频带可以和新型材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发及应用,高亮度白光 led 的成本逐渐降低,发光效率大幅提升 ,市场前景广阔 。因而, 基于高亮度白光 led 的可见光通信备受关注。

与其他技术相比较有明显优势：

蓝牙技术：通过测量信号强度进行定位。