可见光室内定位的通信方法、装置和系统与流程

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种可见光室内定位的通信方法、装置和系统。

背景技术：

随着可见光通信技术的发展，利用可见光进行室内定位的方案已经开始在实际应用中出现。可见光室内定位技术主要通过手机等移动终端识别可见光光源并确定移动终端与可见光光源之间的相对位置而实现定位，相对于蓝牙、WIFI等室内定位技术，可见光室内定位技术具有LED灯覆盖广泛并且布局简单的特性，具有广阔的发展前景。

目前，在基于手机音频接口的可见光通信技术中，在识别可见光光源标识时，无论是基于串口传输的方案，或者是基于FSK(Frequency-shift keying，频移键控)的方案，亦或是简单的单频率区分LED标识的方案，在手机的音频接口端接收均有较大限制。其中，针对基于串口传输和FSK以0、1比特位来构成LED标识的方案，为了达到足够的扩展度，需要使用的比特位会相当长，而这会极大增加接收时间以及系统出错概率；而针对单频率区分LED标识的方案，由于手机音频接口采样频率过低，根据香农采样定律，可识别的频率至多不能超过采样频率的一半，从而导致可识别的频率范围过小；而单频率加外部GPS坐标混合处理的方案也会带来手机耗电量增大以及单一空间内LED灯数量过多而无法完全识别的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种可见光室内定位的通信方法、装置和系统，旨在提升基于室内定位的可见光通信系统的可扩展性。

为实现上述目的，本发明提供一种可见光室内定位的通信方法，所述方法包括如下步骤：

构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；

分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；

根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。

可选地，所述构建用于标识可见光光源的频率帧的步骤之前，还包括：

建立包含有若干不同频率值的频率表，所述频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小；

将所述频率表中的最小频率值设置为所述频率帧的帧头位频率，根据所述频率表中除所述最小频率值以外的其他频率值设置所述频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。

可选地，所述光源标识位为8位，所述频率表中的最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz，所述每个频率对应的信号发射持续时间为17.4ms。

可选地，所述电流信号为占空比为90％的方波信号。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种可见光室内定位的通信装置，所述装置包括：

构建模块，用于构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；

分配模块，用于分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；

驱动模块，用于根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。

可选地，所述装置还包括：

建立模块，用于建立包含有若干不同频率值的频率表，所述频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小；

设置模块，用于将所述频率表中的最小频率值设置为所述频率帧的帧头位频率，根据所述频率表中除所述最小频率值以外的其他频率值设置所述频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。

可选地，所述光源标识位为8位，所述频率表中的最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz，所述每个频率对应的信号发射持续时间为17.4ms。

可选地，所述电流信号为占空比为90％的方波信号。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种可见光室内定位的通信系统，所述系统包括可见光发射端和可见光接收端，其中，

所述可见光发射端包括如上所述的装置；

所述可见光接收端包括：

接收模块，用于通过所述可见光接收端的音频接口接收所述可见光发射端发出的光信号并将所述光信号转换为数字声音信号；

还原模块，用于根据快速傅氏变换将所述数字声音信号还原为频率信号，对所述频率信号依次进行去噪和去重处理，得到对应的频率序列；

识别模块，用于查找所述频率序列中是否存在预设的帧头位频率，若是，则根据查找到的所述帧头位频率的后续光源标识位频率识别可见光光源。

可选地，所述可见光接收端的音频接口的采样频率为44.1Khz，所述快速傅氏变换为256点的快速傅氏变换。

本发明可见光发射端构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。通过上述方式，本发明将由不同大小的频率所组成的频率帧作为可见光的光源标识，相对于现有的以0、1比特位构成光源标识的方案，无需使用相当长的比特位就能标识几乎所有的可见光光源，具有极大的可扩展性，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间，能够保证可见光接收端正常接收并识别可见光信号。本发明能够提升基于室内定位的可见光通信系统的可扩展性。

附图说明

图1为本发明可见光室内定位的通信方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明可见光室内定位的通信方法第二实施例的流程示意图；

图3为本发明可见光室内定位的通信装置第一实施例的功能模块示意图；

图4为本发明可见光室内定位的通信装置第二实施例的功能模块示意图；

图5为本发明可见光室内定位的通信系统一实施例的功能模块示意图；

图6为本发明可见光室内定位的通信系统实施例中可见光接收端处理频率帧的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种可见光室内定位的通信方法。

参照图1，图1为本发明可见光室内定位的通信方法第一实施例的流程示意图。所述方法包括如下步骤：

步骤S10，构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；

本发明应用于可见光室内定位通信系统，该系统由可见光发射端和可见光接收端组成，其中，可见光发射端控制各种不同类型的光源发光，如发光二极管LED、激光二极管LD等，可见光接收端为移动终端，包括智能手机、平板电脑等。可见光接收端通过接收可见光并识别可见光光源的ID(身份)，从而确定与可见光光源之间的相对位置而实现自身定位。

本实施例可见光室内定位的通信方法应用于可见光发射端。首先，可见光发射端构建用于标识可见光光源的频率帧，该频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成，且频率帧的每一位都由一个频率组成，从而帧头位频率和若干光源标识位频率构成了一个频率组合，不同的频率组合用于标识不同的可见光光源。一般地，对于不同的可见光光源，帧头位频率为一固定频率，而光源标识位的位数及对应的频率可根据需要标识的不同可见光光源的个数进行灵活设置。

步骤S20，分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；

可见光发射端分别为构建的频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，具体地，可见光发射端可以接收输入指令，根据输入指令为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，也可以根据预先设置的频率表为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，如此，分配的频率值组合即为该可见光光源的标识。

需要说明的是，为保证接收端能够正常接收和识别可见光光源，分配的频率值必须在接收端能够识别频率范围之内，比如，一般手机音频接口的采样频率为44.1KHz，根据香农采样定律，其可还原的频率信号极限为44.1KHz的一半即22050Hz，则分配的频率值大小不得超过22050Hz。

步骤S30，根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。

在分别为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值之后，再根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至可见光光源的电流驱动上，以驱动可见光光源发出光信号。其中，每个频率对应的信号发射持续时间需要预先进行设置，且其必须大于接收端对每个频率信号的采样时间，以保证接收端无论何时对可见光信号进行采样，都能得到至少一个完整的频率帧，从而根据该频率帧识别可见光光源。

在本实施例中，可见光发射端构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。通过上述方式，本实施例将由不同大小的频率所组成的频率帧作为可见光的光源标识，相对于现有的以0、1比特位构成光源标识的方案，无需使用相当长的比特位就能标识几乎所有的可见光光源，具有极大的可扩展性，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间，能够保证可见光接收端正常接收并识别可见光信号。本实施例能够提升基于室内定位的可见光通信系统的可扩展性。

进一步地，参照图2，图2为本发明可见光室内定位的通信方法第二实施例的流程示意图。基于上述图1所示的实施例，在步骤S10之前，还包括：

步骤S40，建立包含有若干不同频率值的频率表，所述频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小；

步骤S50，将所述频率表中的最小频率值设置为所述频率帧的帧头位频率，根据所述频率表中除所述最小频率值以外的其他频率值设置所述频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。

在本实施例中，首先，可见光发射端建立一个包含有若干不同频率值的频率表，该频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小，然后，将频率表中的最小频率值设置为频率帧的帧头位频率，并根据频率表中除最小频率值以外的其他频率值设置频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。下面将结合具体参数进行说明。

具体地，作为一种实施方式，上述方案中的光源标识位为8位，频率表中的最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz，每个频率对应的信号发射持续时间为17.4ms。

在建立的频率表中，共有32个频率值，其中最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz((22049.28Hz-11369.16Hz)/31＝344.52Hz)，将11369.16Hz作为频率帧的帧头位频率，则在剩余的31个频率值中，为8位光源标识位选择不同的频率并排列总共可以产生即318073392000中不同的频率组合，而这个千亿级别的数据已经足够覆盖世界上所有灯具数量。任意选择一种频率组合作为频率帧的标识位频率，即可唯一标识可见光发射端的可见光光源。

同时，目前市面上手机音频接口的采样频率一般为44.1KHz，根据44.1KHz的采样频率以及256点的FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)运算，每次采样时间需要5.8ms(256/44.1KHz＝5.8ms)，将每个频率对应的信号发射持续时间设置为17.4ms，为3倍的采样时间，这样，接收端无论从何时开始采样，都至少可以获得两个完整的频率帧。此外，将每个频率对应的信号发射持续时间设置为17.4ms，则上述9位频率帧总共的发射时间为17.4ms*9＝156.6ms，发射时间较短，保证了可见光发送和识别的效率。

进一步地，由频率帧转换而来的电流信号可以为占空比为90％的方波信号。占空比为90％的方波信号能够在保证信号的正常接收的前提下最大限度减少发射过程中的功率损失，保证信号发射强度，从而提升可见光通信系统的通信质量。当然，发射信号也可以不为占空比为90％的方波信号，比如为占空比为50％的方波信号或其他波形信号，具体实施中可进行灵活设置。

需要说明的是，信号发射频率范围选择从11369.16Hz到22049.28Hz的原因在于，占空比为90％方波在接收端做FFT运算时产生的谐波振幅大小非常强，在实际情况中可能超过原始频率对应振幅的大小，而从11369.16Hz开始，谐波必须为原始频率的整数倍，而11369.16Hz的最小整数倍数2倍22738.32Hz已经超出手机音频系统44.1Khz采样频率可以还原的信号极限22050Hz，因此保证了经过FFT运算获得的最大振幅频率即为原始频率。

在本实施例中，通过可见光接收端音频接口的采样频率建立频率表并设置每个频率对应的信号发射持续时间，然后根据频率表设置频率帧每位的频率值，再将设置的频率值转换为方波进行发送，能够保证在信号的发送频率被接收端正常识别的前提下提升可见光光源发送和识别的效率。

本发明还提供一种可见光室内定位的通信装置。

参照图3，图3为本发明可见光室内定位的通信装置第一实施例的功能模块示意图。所述装置包括：

构建模块10，用于构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；

本发明应用于可见光室内定位通信系统，该系统由可见光发射端和可见光接收端组成，其中，可见光发射端控制各种不同类型的光源发光，如发光二极管LED、激光二极管LD等，可见光接收端为移动终端，包括智能手机、平板电脑等。可见光接收端通过接收可见光并识别可见光光源的ID(身份)，从而确定与可见光光源之间的相对位置而实现自身定位。

本实施例可见光室内定位通信装置应用于可见光发射端。首先，构建模块10构建用于标识可见光光源的频率帧，该频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成，且频率帧的每一位都由一个频率组成，从而帧头位频率和若干光源标识位频率构成了一个频率组合，不同的频率组合用于标识不同的可见光光源。一般地，对于不同的可见光光源，帧头位频率为一固定频率，而光源标识位的位数及对应的频率可根据需要标识的不同可见光光源的个数进行灵活设置。

分配模块20，用于分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；

分配模块20分别为构建的频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，具体地，分配模块20可以接收输入指令，根据输入指令为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，也可以根据预先设置的频率表为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值，如此，分配的频率值组合即为该可见光光源的标识。

需要说明的是，为保证接收端能够正常接收和识别可见光光源，分配的频率值必须在接收端能够识别频率范围之内，比如，一般手机音频接口的采样频率为44.1KHz，根据香农采样定律，其可还原的频率信号极限为44.1KHz的一半即22050Hz，则分配的频率值大小不得超过22050Hz。

驱动模块30，用于根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。

在分配模块20分别为频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值之后，驱动模块30再根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至可见光光源的电流驱动上，以驱动可见光光源发出光信号。其中，每个频率对应的信号发射持续时间需要预先进行设置，且其必须大于接收端对每个频率信号的采样时间，以保证接收端无论何时对可见光信号进行采样，都能得到至少一个完整的频率帧，从而根据该频率帧识别可见光光源。

在本实施例中，构建模块10构建用于标识可见光光源的频率帧，所述频率帧由一个帧头位和若干光源标识位组成；分配模块20分别为所述频率帧的帧头位和每个光源标识位分配不同大小的频率值；驱动模块30根据分配的频率值和预设的每个频率对应的信号发射持续时间，将所述频率帧转换为电流信号并加载至所述可见光光源的电流驱动上，以驱动所述可见光光源发出光信号。通过上述方式，本实施例将由不同大小的频率所组成的频率帧作为可见光的光源标识，相对于现有的以0、1比特位构成光源标识的方案，无需使用相当长的比特位就能标识几乎所有的可见光光源，具有极大的可扩展性，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间，能够保证可见光接收端正常接收并识别可见光信号。本实施例能够提升基于室内定位的可见光通信系统的可扩展性。

进一步地，参照图4，图4为本发明可见光室内定位的通信装置第二实施例的功能模块示意图。基于上述图3所示的实施例，所述装置还可以包括：

建立模块40，用于建立包含有若干不同频率值的频率表，所述频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小；

设置模块50，用于将所述频率表中的最小频率值设置为所述频率帧的帧头位频率，根据所述频率表中除所述最小频率值以外的其他频率值设置所述频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。

在本实施例中，首先，建立模块40建立一个包含有若干不同频率值的频率表，该频率表的频率值之间均匀间隔预定频率大小，然后，设置模块50将频率表中的最小频率值设置为频率帧的帧头位频率，并根据频率表中除最小频率值以外的其他频率值设置频率帧的标识位频率，同时设置每个频率对应的信号发射持续时间。下面将结合具体参数进行说明。

具体地，作为一种实施方式，上述方案中的光源标识位为8位，频率表中的最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz，每个频率对应的信号发射持续时间为17.4ms。

在建立的频率表中，共有32个频率值，其中最小频率值为11369.16Hz，最大频率值为22049.28Hz，频率值之间均匀间隔344.52Hz((22049.28Hz-11369.16Hz)/31＝344.52Hz)，将11369.16Hz作为频率帧的帧头位频率，则在剩余的31个频率值中，为8位光源标识位选择不同的频率并排列总共可以产生即318073392000中不同的频率组合，而这个千亿级别的数据已经足够覆盖世界上所有灯具数量。任意选择一种频率组合作为频率帧的标识位频率，即可唯一标识可见光发射端的可见光光源。

同时，目前市面上手机音频接口的采样频率一般为44.1KHz，根据44.1KHz的采样频率以及256点的FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)运算，每次采样时间需要5.8ms(256/44.1KHz＝5.8ms)，将每个频率对应的信号发射持续时间设置为17.4ms，为3倍的采样时间，这样，接收端无论从何时开始采样，都至少可以获得两个完整的频率帧。此外，将每个频率对应的信号发射持续时间设置为17.4ms，则上述9位频率帧总共的发射时间为17.4ms*9＝156.6ms，发射时间较短，保证了可见光发送和识别的效率。

进一步地，由频率帧转换而来的电流信号可以为占空比为90％的方波信号。占空比为90％的方波信号能够在保证信号的正常接收的前提下最大限度减少发射过程中的功率损失，保证信号发射强度，从而提升可见光通信系统的通信质量。当然，发射信号也可以不为占空比为90％的方波信号，比如为占空比为50％的方波信号或其他波形信号，具体实施中可进行灵活设置。

需要说明的是，信号发射频率范围选择从11369.16Hz到22049.28Hz的原因在于，占空比为90％方波在接收端做FFT运算时产生的谐波振幅大小非常强，在实际情况中可能超过原始频率对应振幅的大小，而从11369.16Hz开始，谐波必须为原始频率的整数倍，而11369.16Hz的最小整数倍数2倍22738.32Hz已经超出手机音频系统44.1Khz采样频率可以还原的信号极限22050Hz，因此保证了经过FFT运算获得的最大振幅频率即为原始频率。

在本实施例中，通过可见光接收端音频接口的采样频率建立频率表并设置每个频率对应的信号发射持续时间，然后根据频率表设置频率帧每位的频率值，再将设置的频率值转换为方波进行发送，能够保证在信号的发送频率被接收端正常识别的前提下提升可见光光源发送和识别的效率。

本发明还提供一种可见光室内定位的通信系统。

参照图5，图5为本发明可见光室内定位的通信系统一实施例的功能模块示意图。所述系统包括可见光发射端101和可见光接收端102，其中，可见光发射端101包括上述可见光室内定位的通信装置第一实施例和第二实施例所述的装置。

本实施例可见光发射端101各功能模块可参照上述可见光室内定位的通信装置实施例，此处不再赘述。下面将结合图5说明本实施例可见光接收端102所实现的功能。

可见光接收端102包括：

接收模块60，用于通过所述可见光接收端的音频接口接收所述可见光发射端发出的光信号并将所述光信号转换为数字声音信号；

在本实施例中，可见光接收端为移动终端，包括智能手机、平板电脑等，下面以智能手机为例进行说明。目前手机接收可见光有两种方式：一是通过音频接口接收，一是通过摄像头接收，本实施例采用的是基于手机音频接收的可见光接收方案。

首先，接收模块60通过手机音频接口接收可见光发射端发出的光信号并通过相应的光电传感器将其转换为数字声音信号。

还原模块70，用于根据快速傅氏变换将所述数字声音信号还原为频率信号，对所述频率信号依次进行去噪和去重处理，得到对应的频率序列；

然后，还原模块70将根据FFT运算将数字声音信号还原为频率信号，再对频率信号依次进行去噪和去重处理，得到对应的频率序列。下面将结合本发明可见光室内定位的通信装置第二实施例中的参数进行说明。

作为一种实施方式，可见光接收端的音频接口的采样频率可以为44.1Khz，快速傅氏变换可以为256点的快速傅氏变换。根据44.1Khz的采样频率和256点的FFT运算，手机音频接口的采样精度为172.26Hz(44.1Khz/256＝172.26Hz)，而可见光发射端发射频率间隔为344.52Hz，为两倍的采样精度。在两个频率位转换并且采样点未同步的情况下，最终运算结果可能是一个未见于频率表中的频率或者一个至多出现一次在频率表中的频率，此种数据应视为噪声去除。

参照图6，图6为本发明可见光室内定位的通信系统实施例中可见光接收端处理频率帧的示意图。由上述可见光室内定位的通信装置第二实施例可知，接收端无论从何时开始采样，都至少可以获得两个完整的频率帧。图6中可见光发射端发送的频率帧由一位帧头频率f0和8位光源标识频率f1-f8组成，若每个频率对应的信号发射持续时间为17.4ms，则通过手机音频接口还原的频率序列为f0，f0，f0-1，f1，f1，f1-2，f2，f2，f2-3，f3，f3，f3-4，f4，f4，f4-5，f5，f5，f6，f6，f6-7，f7，f7，f7-8，f8，f8，其中，f0-1可能是f0或f1或者位于f0和f1之间的频率，若此频率单独出现，则视为噪声去除。

在进行去噪处理后，获得一个每个频率至少重复两次的序列，对该序列进行去重处理，则得到频率序列f0，f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8。

识别模块80，用于查找所述频率序列中是否存在预设的帧头位频率，若是，则根据查找到的所述帧头位频率的后续光源标识位频率识别可见光光源。

识别模块80查找上述序列中是否存在预设的帧头位频率，比如，可以查找上述序列中是否存在预先约定好的帧头位频率11369.16Hz，若f0为11369.16Hz，则根据f0的后续频率f1-f8识别出对应的光源ID，否则判定接收数据出错，并丢弃接收到的数据。由此实现了对可见光光源的识别。

在本实施例中，通过设置快速傅氏变换的点数为256点，其对应采样频率为44.1Khz的手机音频接口的采样精度为172.26Hz，而发射频率间隔为344.52Hz，两倍于该采样精度，从而可以实现更大的系统容错率，提升了可见光光源识别的准确性。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。