一種具有通信與定位功能的智能LED燈具及其機(jī)器人定位系統(tǒng)——2020神燈獎(jiǎng)申報(bào)技術(shù)

項(xiàng)目名稱：  一種具有通信與定位功能的智能LED燈具及其機(jī)器人定位系統(tǒng)

A high precision positioning intelligent LED light system based on visible light communication

申報(bào)單位：  來飛光通信有限公司

綜合介紹或申報(bào)理由：

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和移動(dòng)終端的普及，基于位置服務(wù)的室內(nèi)定位技術(shù)在5G時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用前景。本申報(bào)作品為一種具有通信與定位功能的智能LED燈具及其機(jī)器人定位系統(tǒng)，并配套相應(yīng)的控制APP、用戶端APP及云平臺(tái)存儲(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的高精度動(dòng)態(tài)定位的同時(shí)，提供可靠、高速、低成本的實(shí)時(shí)通信。所提出的系統(tǒng)結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)建可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了照明、定位、通信三者的一體化，推動(dòng)智能化生活、生產(chǎn)。

主要技術(shù)參數(shù)：

1.LED照明燈板參數(shù)
LED燈板功率：18 W
LED驅(qū)動(dòng)器規(guī)格：300 mA恒流驅(qū)動(dòng)器
LED燈板尺寸：17 cm
亮度：1500 lm
信號(hào)探測(cè)距離：> 4 m
iBeacon工作范圍：10-20 m
調(diào)光范圍：25-100%

2.定位系統(tǒng)位置參數(shù)
LED燈板高度：2.5 m
LED燈板間隔距離 ：1.5 m

3.接收端（機(jī)器人）參數(shù)
機(jī)器人處理器型號(hào)：Raspberry Pi 3 B, Quad Core 1.2 GHz Broadcom BCM2837
RAM：1 GB
操作系統(tǒng)：Ubuntu mate 16.04
CMOS工業(yè)相機(jī)：MindVision UB-300
圖像分辨率：2048 × 1536

與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品或同類技術(shù)的比較情況：

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析：

隨著5G的到來，智能城市、智能家居正在逐步成為人們生活的一部分?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)以其眾多的優(yōu)勢(shì)，在智能家居的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。此系統(tǒng)將可見光通信技術(shù)應(yīng)用于LED智能照明領(lǐng)域，在降低成本的同時(shí)，簡(jiǎn)化操作，提升使用便捷度，減少能耗。同時(shí)，此系統(tǒng)具備高精度室內(nèi)定位的功能，能達(dá)到4 cm的定位精度，在家用機(jī)器人等的實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)整體安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)易，具有優(yōu)秀的用戶使用體驗(yàn)感，其市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)及工藝創(chuàng)新要點(diǎn)：

1、智能LED燈板。此燈板包括照明LED面板與恒流驅(qū)動(dòng)器兩部分。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)采用藍(lán)牙片上系統(tǒng)存儲(chǔ)并產(chǎn)生智能燈的通信信息，同時(shí)控制燈板的亮度。利用開關(guān)鍵合調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)可見光通信信號(hào)的傳輸，拓展照明燈具的功能，豐富可見光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、基于可見光通信的雙燈定位算法。僅僅通過兩盞LED燈具即可實(shí)現(xiàn)三維定位。定位精度可達(dá)3~5cm。并利用可見光通信高帶寬、保密性、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在照明的同時(shí)提供實(shí)時(shí)的通信及高精度、快速的室內(nèi)定位，促進(jìn)基于位置服務(wù)的室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。

3、首創(chuàng)性將移動(dòng)機(jī)器人與可見光通信、定位技術(shù)相結(jié)合?；赗OS (robot operating system)操作系統(tǒng)來開發(fā)可見光定位與通信功能。利用分布式框架來與移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的融合。促進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

4、配套智能控制與用戶端軟件，云平臺(tái)存儲(chǔ)信息并遠(yuǎn)程管理。安裝在手機(jī)上的配套控制APP可直接與智能燈板的驅(qū)動(dòng)器通過藍(lán)牙相連，便捷地控制燈板產(chǎn)生的信號(hào)以及燈板的亮度。用戶端APP將接收與解碼一體化至智能手機(jī)內(nèi)，方便用戶使用。云平臺(tái)存儲(chǔ)信息，簡(jiǎn)化通信數(shù)據(jù)，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求，遠(yuǎn)程修改智能燈板的傳輸信息，實(shí)時(shí)查看信息傳輸接收情況，讓管理工作更智能方便。完善的軟件配套提升了系統(tǒng)使用便捷度。

實(shí)際運(yùn)用案例和用戶評(píng)價(jià)意見：

展示視頻：

https://kwanwaipang.github.io/Image/ROS.mp4

https://www.bilibili.com/video/av78858240

獲獎(jiǎng)、專利情況：

是否有“智能設(shè)計(jì)”？

基于可見光通信技術(shù)的LED智能照明燈板通過采用可見光作為傳輸信號(hào)的載體，將燈具的功能進(jìn)行了擴(kuò)展，使照明光源產(chǎn)生通信信號(hào)，作為信號(hào)源工作。此智能LED燈板連接一個(gè)LED專用恒流驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生并控制燈板的通信信息，燈板通過LED燈珠的連續(xù)“開啟-關(guān)閉”工作產(chǎn)生開關(guān)鍵控調(diào)制的信號(hào)，此信號(hào)由相機(jī)接收后表現(xiàn)為明暗相間的條紋。

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核心藍(lán)牙片上系統(tǒng)不受CPU中斷信號(hào)的影響。此智能燈系統(tǒng)使用LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)可見光通信的編碼功能，產(chǎn)生一串特定的開關(guān)信號(hào)。該信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于藍(lán)牙片上系統(tǒng)內(nèi)，通電后，存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)全部從Flash加載到專用RAM區(qū)域，該區(qū)域的起始地址被配置為直接存儲(chǔ)器存取控制器的源地址。一旦觸發(fā)，串行外圍接口模塊將開始連續(xù)的信號(hào)傳輸，不受CPU的中斷信號(hào)干擾，保障了通信信號(hào)的完整性。

云平臺(tái)存儲(chǔ)信息，簡(jiǎn)化通信數(shù)據(jù)。智能LED燈板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為一串特定的標(biāo)識(shí)符，它與云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。用戶端APP接收并解碼獲得當(dāng)前特定標(biāo)識(shí)符后，通過Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)從云平臺(tái)獲取此標(biāo)識(shí)符相對(duì)應(yīng)的信息，從而避免了直接傳輸較大的數(shù)據(jù)包，減小了通信傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，提高通信效率的同時(shí)也降低通信成本。云平臺(tái)的使用，還提高了控制的便捷度。管理人員可以通過修改云平臺(tái)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程改變智能LED燈板傳輸信息的目的，避免了需要實(shí)地控制燈板的不便。同時(shí)，通過云平臺(tái)可以實(shí)時(shí)查看燈板所傳輸?shù)男畔⒈唤邮盏那闆r，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控管理智能LED燈板的使用。
配套控制端、用戶端軟件（APP）提升智能LED燈系統(tǒng)使用便捷度。此系統(tǒng)中所使用的驅(qū)動(dòng)器控制核心為藍(lán)牙片上系統(tǒng)，此藍(lán)牙模塊可通過手機(jī)端控制APP直接連接，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)器的功能，從而方便快速地改變燈板所產(chǎn)生的可見光信號(hào)。下載用戶端APP后，解碼可見光信號(hào)變得更為簡(jiǎn)單，無需專業(yè)的光電信號(hào)探測(cè)器，直接使用手機(jī)自帶攝像頭進(jìn)行信號(hào)的接收，解碼過程于手機(jī)內(nèi)完成，用戶能直觀看到可見光所傳輸?shù)南鄳?yīng)信息。通過藍(lán)牙控制或遠(yuǎn)程云端控制，改變燈板產(chǎn)生的可見光信號(hào)，使用手機(jī)用戶端APP，可以接收到不同信息。諸如商品圖片、廣告信息、路線、下載鏈接等，極大地豐富了此智能LED燈板的使用場(chǎng)景。

申報(bào)單位介紹：

來飛光通信有限公司由香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系俞捷教授創(chuàng)始，率領(lǐng)先進(jìn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，立足實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)研究成果，將研究成果轉(zhuǎn)化為可商業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。本公司利用其專有的可見光通信（VLC）技術(shù)和云平臺(tái)集成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）照明，以提供照明控制、內(nèi)容管理和大數(shù)據(jù)收集與分析。

產(chǎn)品圖片：