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利用可见光通信提高室内定位精度

2022-09-06 18:46:59 Mark Patrick,贸泽电子 阅读:
在本文中,我们将探讨在建筑物内准确确定人员位置的好处,并讨论不同技术在室内定位系统(IPS)中的适用性。然后,我们会解释可见光通信(VLC)的概念,并展示如何用这种技术满足室内定位的精度要求。

纵观历史,人们总是担心迷路。早期的探险者使用恒星进行导航,后来开发了专门的仪器来帮助他们确定在地球表面的确切位置。如今,人们会使用全球定位系统(GPS)等电子定位技术来为他们的日常旅行导航。虽然这种技术非常适合户外应用,但它在室内使用时却有很大局限性。在本文中,我们将探讨在建筑物内准确确定人员位置的好处,并讨论不同技术在室内定位系统(IPS)中的适用性。然后,我们会解释可见光通信(VLC)的概念,并展示如何用这种技术满足室内定位的精度要求。zeLednc

室内位置追踪

购物中心、机场、大型商业园区和医疗机构经常接待大量人员,如果能够实时了解人们的活动地点、时间和方式,则为管理这些建筑物的公司提供了大量机会。IPS所具备的室内位置跟踪优势意味着这种技术正在迅速成为大型室内场所的必备解决方案,从而实现更智能、更优化的环境,增强访客的整体体验。例如,在繁忙的零售店中,在制定产品展示位置的策略时,如果能够了解到客户的停留位置可能会有很大益处。客户定位信息也可用于优化商店设计,使购物者的流量更加高效。在办公环境中,IPS可以通过引导访客顺利来到会议室以节省时间。在医院中,它可以通过提供有关紧急住院的实时信息来帮助挽救生命,从而为患者治疗提供更多空间,并使医院管理机构能够确保有足够的工作人员待命以应对即将出现的需求。室内位置跟踪还能够改善人员和资产的管理和安全性。例如,它可以提供有关建筑物中重要设备(笔记本电脑、平板电脑或其他连接设备)位置的即时信息,并用于高价值资产通过未经授权的运出时触发警报。类似,它可以用于访问控制,以限制个人进入到建筑物内的某些区域,具体取决于他们的授权级别。它还可用于在人们在建筑物周围活动时动态提醒最近的火灾逃生通道所在位置,并在发生火灾时使用最快的路线引导他们到达安全位置。虽然这些实时应用的好处显而易见,但从长远来看,室内位置跟踪系统收集到的数据同样有价值,甚至价值更大。通过收集有关大量人员随时间活动的信息,可以创建建筑物不同区域的使用方式和随时间的动态图,以更好地了解季节性客流模式。这些信息还可用于提供基于位置的服务和市场营销。zeLednc

可见光通信

GPS是世界上使用最广泛的定位技术,但在室内空间中效果不佳或不准确。这是因为从卫星发射的射频(RF)信号被建筑物的墙壁或天花板等室内障碍物阻挡。GPS的这一缺点导致业内采用其他技术来实现室内位置跟踪,并取得了不同程度的成功。IPS通常包含两个不同的元素——信标和标签,其中信标放置在建筑物的不同点,而标签由个人携带或放置在正在被位置跟踪的物体上。用于位置跟踪的一些技术包括:zeLednc

  • 惯性测量单元:这些单元使用加速度计、磁力计和陀螺仪等多个传感器来提供有关标签相对运动的信息。该技术的一个优点是它不需要使用信标,但总体精度很差(几米),因为位置误差会随着时间的推移迅速累积。
  • 超声波:它们使用声音作为通信媒介,根据飞行时间(声音从信标传输到标签所需的时间,反之亦然)原理运行,可以将位置解析到不足1米,但会受到来自固体物体的干扰。这意味着测量结果并不总是可信的。
  • 其他RF技术:蓝牙和Wi-Fi的广泛普及使得它们很适合与IPS一起使用,但主要困难是这些信号在有障碍物和人在走动情况下的表现有很大差异(由于反射和多路径传播))。超宽带(UWB)可以穿透混凝土、玻璃和木材等材料,这使其适合在建筑物内应用(在建筑物中,当标签四处移动时,信标的视线通常会受到阻碍),但这种技术尚未广泛使用,并且某些信号频率的功率水平受到无线电频谱使用法规的限制。

上述提到的方法在使用和准确性方面具有一定局限性,意味着它们对于IPS应用并不理想,而可见光通信(VLC)正在成为解决精度问题非常有希望的解决方案。可见光是人眼可感知的电磁光谱部分(375~780nm),VLC使用此带宽无线传输数据,同时照亮室内空间。在VLC系统中,微控制器将数据调制到LED(信标)上,该信号由标签中的光电二极管(例如,手机的前置摄像头)接收。使用光作为媒介传输数据几乎不需要超过LED照明所需的额外功率,并且安装成本很低,因为几乎所有室内空间都已经存在照明。虽然调制后的数据不可避免地会导致LED灯闪烁,使用的频率人眼无法察觉,但接收设备却很容易检测到。通过在每个LED中嵌入唯一标识符并将其调制到LED驱动器上,建筑物内的每个灯具(通常称为光源)都可以传输与其确切位置相关的唯一代码。通过使用从三个灯具接收到的标识符,利用三角测量算法可以确定标签的位置,精度为30厘米——比性能最佳的基于射频的定位系统要好一个数量级。zeLednc

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VLC实施

效率和紧凑的尺寸是设计VLC系统时需要面对的两个主要挑战,onsemi的NCL31000高级光引擎通过将此类系统需要的所有功能集成到紧凑型IC中而解决了这两个问题。它具有97%的高效率LED驱动器,支持脉宽调制调光,并具有符合EMI要求的DC-DC转换器,用于驱动传感器等其他系统组件。它还具有板载模数转换器(ADC),可通过选择集成的I2C或SPI总线为本地MCU提供准确和详细的诊断。NCL31000的配套器件NCL31001可支持多通道LED应用,而该系列中的另一款IC NCP31010还把以太网供电(PoE)驱动器(仍具有LED驱动器)集成到单个封装中,从而允许将数据直接调制到LED灯上,而无需单独的以太网驱动器IC,并且还允许将照明灯具作为智能照明解决方案的一部分进行连接。这对于寻求尽可能高效地管理照明的智能建筑设计师来说尤其具有吸引力。通过连续监控房间占用情况,可以根据日常使用模式动态调整照明水平。使用通过PoE驱动器提供的直流电源为灯具供电,不再需要灯具中的交流电缆和AC/DC变压器,可在这些变压器的位置部署温度、湿度、空气质量和其他智能传感器。这些IC满足灯具认证计划“黄点(yellow dot)”要求,该计划允许制造商测试和证明他们的LED灯具能够与飞利浦的室内定位技术互操作,并对所有灯具制造商开放。zeLednc

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结论

室内定位系统有潜力为智能建筑的管理人员带来许多好处,使他们能够极大地提高商场、活动场地、机场和医院访客的用户体验、安全性和安保性。GPS不适合于在室内环境中使用,因此,业内尝试了许多不同的技术来提供室内跟踪,这些技术在提供位置追踪的准确性方面取得了不同程度的成功。VLC克服了其他技术的限制和不足,可以在LED照明灯具的设计阶段通过使用NCL31000等LED驱动器IC来实现,这样设计完成后的IPS可用于跟踪室内物体和人员位置,精度可达30厘米。zeLednc

责编:Franklin
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