论文基于Arduino的室内可见光定位系统设计，该文是系统设计相关论文范文资料与可见光和Arduino和系统设计类毕业论文提纲范文.
摘 要：文章研究了基于Arduino处理器的室内可见光定位系统,该设计光源发射机部分人利用Arduino处理器产生的PWM信号控制三盏LED灯依次以不同亮度快速循环闪烁,光源接收机部分利用放大滤波电路测得定位点光强,Arduino处理器处理光强数据,从而快速获得较为准确的定位点坐标.经实验验证,该系统可实现室内较精准的定位.
关键词：可见光定位；光强对比；Arduino处理器
随着物联网技术的快速发展,智能机器人等智能电子设备也得到了空前的创造与推广.随之而来对室内定位技术( IPS)有着迫切的需求.近年来,涌现出如GPS、WiFi、蓝牙、红外、超声波、射频等一大批室内定位系统.部分系统使用现有的基础设施,如基于Wi-Fi的系统,从而节省成本,但是它们的定位精度不够好（1—5米）.一些系统具有良好的定位精度,如超宽带( UWB)系统,目前较为具有发展前景的即为射频定位,但由于其传输介质为电磁波的原因,在机场、医院等对电磁干扰要求较高的环境下无法应用.此外,像基于蜂窝的系统一样的其他定位系统在基站上实现导航,这会引起用户的隐私问题.目前较为先进的还有EAI公司推出的利用光磁无线技术的激光雷达的同步定位和建图( SLAM)及配套的智能路径规划功能的定位导航模块,但其也有动力问题和定位算法复杂的缺点.因此基于白色LED灯的室内可见光定位系统脱颖而出,它具有成本低廉、定位算法简便、无辐射无电磁干扰的优势,并可实现照明、定位、通信等众多功能,得到了极大的关注和发展.近期,专家们提出了基于图像传感器的可见光定位系统,利用4盏LED灯快速亮灭发送信号的定位系统以及使用距离加权的可见光定位等方案,带领人们走进了可见光定位的全新世界,但由于室内空间较小,光速传播太快,室内自然光影响较大,致使精度的问题难以解决.
因此本设计提出基于白色LED灯的室内可见光定位系统,具有成本低廉,定位算法简便,无辐射无电磁干扰,可实现照明、定位、通信等功能.
一、本系统总体设计
可见光定位总体有两大部分组成,即光源发射机和接收机.使用LED灯发射不同强度,不同频率的可见光,接收机通过光敏元件接收可见光,将光强( Im)、频率(Hz)转换成模拟量的电压值和正弦波.由于定位点距离光源远近不同,接收到的光强不同,接收到光的时间不同,根据这些数据如信号强度( RSS),到达时间(TOA),到达时间差( TDOA),以及到达角度(AOA)等判断定位,系统总体框架如图1所示.
二、系统硬件设计模型
(一)光源发射机
本方案采用一个长为80 cm,宽为80 cm,高为80 cm的正方形盒子,该盒子三面封闭,一面敞开,将该盒子放置与露天自然环境下,模拟自然室内环境.在盒子顶部安装了三盏白光LED灯,在开始定位时首先用光接受机接收自然光强并记录,然后打开LED灯,光接收机再次测量光强,将该数据减去自然光强得到的数据与系统内部储存的数据进行比较,得出该光接收机位置坐标,完成室内可见光定位,具体如图2所示.
1光源放置
由于本系统使用的是光强比较法,所以要最大限度的让定位区各点接收到的LED灯的光强不一样,以达到更好的定位精度,同时为了满足LED灯的正常照明需求,需要三盏LED灯以不同亮度快速循环闪烁,保证三盏灯循环依次点亮的周期频率小于70 Hz,人眼感受到的为三盏灯同时持续照明.所以在灯源放置上,要求顶部放置的三盏LED灯光源要到达底部定位点的时间差( TDOA)最大,故要求三盏灯到底部一点处距离差最大.前期尝试使用了两种方案：方案一要求三盏LED灯分别放置在项部平面的三个角落,使三盏灯呈等腰三角形分布（图3）；方案二要求三盏LED灯放置在以项部中心点20厘米的圆上,且呈等边三角形分布（图4）.
实验测量比较,发现由于短的距离和较强的光强,LED灯的个数和位置对其影响不是特别明显.但使用方案二,定位区各点得到的三盏灯光强的叠加和差异较大.同时,由于定位需求精度高,必须考虑定位区各角落的定位精度,需要到达各角落的光强和差异最大,光源放置就要相对集中在中心位置,方案二符合要求.
2 LED灯驱动电路
三盏LED灯使用12 V单电源供电,Arduino处理器使用9V供电,故整个发射端电路使用自制电源板供电,电源板由电源适配器获得12 V单电源,电源板中7809稳压管可输出9V电源给Arduino处理器供电,电源板12 V输出引脚接三盏并联LED两端,由于整个电路电流较大,7809稳压管工作在较大压差环境下,会大量发热,为不影响电源稳定性,应加上散热片在7809上.发射端电源电路如图5所示.
(二)光源接收机
1电源电路
光源接收机部分供电电路通过电源适配器获得1 2V单向直流电,自制电源板中7805和UTC1117稳压管可分别输出5V单向直流电源和3.3 V单向直流电源,同接收机供电电路相同,7805和UTC117正常工作时会大量发热,应加上铝制散热板.为防止电路中电流在端元关闭瞬间发生电流倒灌,击穿稳压管,应在稳压管输出引脚两端加上1 K电阻.具体电路如图6所示.
2信号放大电路
本设计验证阶段使用光敏电阻做为感光元件（光电管效果更佳）,将光强转换为幅值为0—3 V的模拟电信号.该电信号为具有三个不同峰值的周期频率为90 Hz的电信号.为提高定位精度即增强光的敏感性,不能使用已有的GY-30等数字光强度检测模块,需要自制具有放大功能的光强接收机,由于此设计光源还需满足正常照明需求,光强度不能太高,所以光接受机必须十分灵敏.
信号放大电路中L358N的3脚接光接收机采集到的电信号,通过L358N两级反馈放大电路得到幅值较大的模拟电信号,通过L358N7脚输出送给Arduino处理器的AO引脚,进行模数转换.在测量过程中可通过调节电路图中R2、R5、R6电位器改变放大倍数,具体滤波放大电路如图7所示.
3信号滤波电路
可见光传输路径是一个极其复杂的信道,信道容量小,信噪比高,必须根据可见光接收机的性能要求,如阻带衰减和过渡带宽,确定适当的窗口滤波器类型和滤波器顺序N.日常数字信号处理( DSP)中经常使用滤波器有FIR滤波器和IIR滤波器.由于FIR滤波器中的汉明窗函数的阻带衰减为-53 dB,转移带宽fTr为5kHz,所以汉明滤波器满足设计要求.FIR滤波器的脉冲响应可以表示为：
由于接收功率略微上下波动,因此为了匹配建模关系,应仔细选择POz,并对每个灯进行微调.然而,理论功率与距离的关系与实验结果不能很好地匹配,特别是当发射机和接收机之间的距离变大时.
三、系统软件设计模型
(一)光源发射机控制
通过Arduino处理器电机速度控制函数Motospd产生频率为30HZ,占空比分别为80%、40%、10%的三路PWM波.
(二)光源接收机的信号处理
由于自然真实室内环境多变,光强差异较大,人为走动对数据测量影响巨大,必须对数据进行大量的复杂的误差处理,这是定位系统精度能否达到要求的关键.由于室内光环境复杂,加上光的反射和衍射,检测数据会具有较大的误差,必须保证各定位点处光强具有较大差异,所以在测量过程中时间的限制就尤为重要,快速测量和数据处理可以减少环境的变化和人为因素的干扰,获得较为准确的定位结果.具体数据处理流程如图8所示.
四、结论
光接收机接收到的部分数据如图9及附表所示.通过数据可以明显看出在定位模型的定位区横轴（x轴）左侧所测数据（1所示）为219(Im),横轴（x轴）右侧所测数据（2所示）为80( Im),在定位模型的定位区纵轴(y)轴上方所测数据（3所示）为111(Im),纵轴(y)轴下方所测数据（4所示）为40( Im),具有较大差异,符合差异化原则.
五、结束语
该设计提出了一种全新的对比方案,简化定位时繁杂的运算和数据处理,降低对处理器芯片及室内定位时室内光照环境的要求,具有普及型和广泛性,在不影响照明的情况下达到高精度的定位功能,并且该方案的优化也具有较大的上升空间.
本文获得201 7年海南省高等学校发展专项发展资金项目“电子科学与技术应用型试点转型专业建设项目”支持
作者简介：赵帅（1997-）,男,本科,研究方向：无线通信
通信作者：王立辉（1983-）,女,讲师,研究方向：智能控制,机电一体化控制技术
概括总结，此文是关于经典系统设计专业范文可作为可见光和Arduino和系统设计方面的大学硕士与本科毕业论文系统设计论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献.
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