可见光与室内定位技术

作者: 李志天

来源: 中国科学院北京分院

发布日期: 2020-01-09 12:00:00

本文介绍了基于可见光的室内定位技术LiFi,这是一种利用LED灯进行数据通信的高精度定位解决方案。文章详细解释了LiFi的工作原理、优势、应用场景以及面临的挑战和未来发展前景。

请回想一下,你有过这样的经历吗?在停车场找不到车位?在超市找不到货品?在博物馆不知道所看为何物?你可曾希望有这样一款产品,像用电子地图导航一样,在室内也一样可以动动手指,轻松带着你找到想去的地方?现如今,导航软件是我们每个人手机中必不可少的“必备软件”,我们早已习惯在出行之前打开“XX地图”,输入目的地,听着导航指示顺利到达目的地。

但是,由于GPS无法穿过墙壁等障碍物,进入室内环境的我们瞬间失去了自己的位置信息,迷失在“最后一公里”成为了我们每个人前往陌生地方的终极难题。如果位置信息就像是阳光一样,遍布我们身处环境的每个角落,那该多好?

今天我们要介绍的就是基于可见光的室内定位技术——基于可见光通信技术的高精度室内定位解决方案。它创新性地将先进的可见光通信技术融入室内高精度定位系统中,让您在室内环境中也可以享受高精度、低成本的定位导航以及其他附加服务。有疑问?下面为您一一解答:

LiFi是英文LightFidelity的简称,意为可见光无线通信技术。

它利用日常生活中随处可见的照明光源——LED作为通信设备,只要在灯泡上简单地安装一个小小的附加芯片,就能让小灯泡摇身一变,成为一个“灯泡路由器”,通过它我们就可以进行数据通信了。你可能要问,小小的灯泡是如何传递信息的?

其实,LED有着不为人知的特性,那就是它所发出的光可以高速闪烁,其闪烁速度远远超过人眼的识别能力,我们将信息通过不同的闪烁来进行传递,在我们眨眼之间,大量信息已经在闪烁之间传递完毕了。收到信息之后,我们又是如何根据可见光传递到的信息推算出我们在哪里呢?

我们一般会用到“基于信号强度估计的定位方法”——打个比方,假设我们是是在一只困在吸管中的小蚂蚁,吸管两端各有一个小伙伴为了帮助你尽快走出吸管,将你与小伙伴之间的实时距离不停地大声告诉你,那么你就可以知道此时此刻你在吸管中的实际位置——是不是很简单?

我们将上文所述的一维场景定位扩展到三维场景,把小伙伴换成上文所述经过改造的LED灯,把小伙伴的大声呼喊扩展成光电转换、数字信号处理、滤波与优化技术,就成为了可为我们所用的室内定位系统,目前,该技术定位精度可达厘米级以上,相较于GPS来说可是准确了很多,可谓“见微知著”级别。Lifi技术与普通的Wifi技术相比,最大的不同就是利用可见光来传输信息。

它与光纤通信拥有同样的高带宽和高速率,但与我们更为亲近。拿起你的手机,有光的地方,就有LiFi的讯息。

一提到“定位”这个词,相信你会想到GPS、北斗或者某某地图等等产品。那有了他们,为什么我们还需要Lifi定位呢?GPS、北斗导航等定位系统的基本原理是通过太空中多颗卫星的位置信息来确定待测点的位置。想要知道我们在哪里,最少需要4颗以上的卫星才可以。

天价成本的背后,提供的却是不能分辨我们的车是开在主路上还是在辅道上的精度,而且在室内环境中常常没有一点信号的服务。在目前的多种定位方法中,基于LIFI的室内定位技术由于其精度高、成本低、非常适合于室内的高精度定位。该技术把LED灯源作为“室内的卫星”,在固定位置发送信号,完成高精度定位的任务,从而进一步实现导航、信息提示等其他服务。

室内定位?高精度?低成本?这些关键词的组合又可以为我们带来什么?

机场眼看到了登机时间,却找不到自己的登机口在哪里?刚下飞机口渴难忍,附近的饮水点在哪里?假期飞赴日韩扫货,机场最大的免税店在哪里?有了LiFi技术,从此告别这些问题。博物馆参观美术展览馆,想为孩子讲解却不知从何讲起?参观历史博物院,想了解更多关于这类文物的信息?参观高新科技展,想要投资项目却一时找不到详细资料?有了LiFi技术,从此告别这些问题。超市&商店准备大餐,在超市找不到晚餐所用的食材?

新品上市,想了解新产品的热量信息?商家竞争,想对目标消费者定点推送广告?有了LiFi技术,从此告别这些问题。物流&工厂做电商,仓库太大找不到货?开工厂,工人师傅不知道材料搬运要求?搞物流,货物流转一片混乱?有了LiFi技术,从此告别这些问题。医院孩子发烧,挂了号找不到儿科在哪里?要做化验,挂号划价交费化验取报告是怎样的路线?探望亲友,一排排的病房哪一个才是牵挂的人所在的房间?

有了LiFi技术,从此告别这些问题。

据调查,人们日常平均有80%的时间在室内活动,使用智能手机的时间70%也是在室内。人们对于室内定位的需求显而易见。国际上的一些大型厂商已经开始在可见光通信以及定位领域展开角逐。美国Bytelight公司,从最初的研发阶段到融资125万美元,并且即将和照明厂家合作,进入实际的生产阶段。

日韩两国也于2013、2014年推出了基于室内定位技术的应用方案,并于超市等应用场景中使用。我们目前可以实现的可见光定位系统包括但不限于以下特点:(1)定位精度高(厘米级以上)、实施方便、安装简单、成本低、适应性广;(2)接收器可以手机等移动终端通信,完成室内导航;(3)系统支持位置信息的数据上传,支持从云端获取位置数据。

前面我们提到了这么多LiFi的独有优势,那您也许会问,为什么我身边还是没有大规模应用LiFi呢?有没有像“XX地图”一样,即装即用的LiFi App供我们使用呢?

我们必须承认,LiFi目前的应用普及度远远没有像卫星导航等成熟的、经过市场长期检验的定位技术广泛,这其中既有LiFi技术自身的短板问题,也有市场这只“看不见的手”推波助力:一方面,LiFi应用中,可见光一旦被遮挡,定位信号即时丢失,这极大地限制了纯LiFi定位的应用场景——毕竟我们不希望定位时必须将手机举过头顶来避免把摄像头挡住,牺牲用户体验来单纯地提高定位精度无法被普通用户所接受;另一方面,商用卫星导航早在上世纪60年代就已开始起步,到如今已有半个世纪的发展历史,其周边生态环境与用户粘度是新兴的LiFi技术不可相比的。

如今我们可以轻松地在互联网上找到一个地方的电子地图,却很难找到我们附近商场的高精度电子平面图——没有地图,我们即使知道了自己的位置,也很难完成导航任务。

“是金子总会发光”,学界与业界也在从不同的思路来解决LiFi产业化之路上的各类难题:为解决LiFi技术的固有缺陷,我们尝试利用像惯性导航等其他定位技术去辅助进行LiFi定位,或者是通过摄像头捕捉预设路标等方式,解决LiFi信号遮挡时不间断定位的问题;为了推动LiFi产业化的快速发展,业界目前逐步将LiFi的应用重点转向了工业场景定位(如仓储小车的定位,毕竟它们不在乎摄像头是不是必须要放在它们的头顶~),借助“万物互联”“智慧城市”的物联网时代东风,在工业领域找到LiFi的用武之地,从而反哺消费级LiFi应用的发展。

可以预期的是,在不久的将来,基于LiFi的室内定位技术一定会成为通信以及定位领域的一颗新星,带领我们走向新的未来。

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