Ortung im Inneren von Gebäuden Positionen mit Visible Light Communication genauer bestimmen

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Für eine genaue und exakte Positionsbestimmung von Objekten und Personen in Gebäuden bis auf 30 cm bietet sich die Visible Light Communication an. Allerdings ist sie nicht die einzige Möglichkeit der Positionsbestimmung.

Seit jeher haben die Menschen Angst, sich zu verirren. Die ersten Entdecker orientierten sich an den Sternen, bevor man mit speziellen Instrumenten die genaue Position bestimmen konnte.

Die Schwierigkeit der Ortung im Inneren von Gebäuden

Heute helfen uns elektronische Ortungstechniken wie GPS bei der Orientierung. Obwohl GPS für den Einsatz im Freien optimal ist, bietet es für den Einsatz in Gebäuden nur begrenzte Möglichkeiten. Doch welche Möglichkeiten gibt es, die Position von Personen in Gebäuden genau zu bestimmen? Des Weiteren soll gezeigt werden, welche verschiedenen Techniken sich für den Einsatz in Indoor Positioning Systems (IPS) eignen. Abschließend wird das Konzept der Visible Light Communication (VLC) erläutert und wie es umgesetzt werden kann, um die Genauigkeitsanforderungen von IPS zu erfüllen.

Einkaufszentren, Flughäfen, große Firmengelände und Gesundheitszentren werden regelmäßig von einer großen Anzahl von Menschen besucht. Betreiber möchten in Echtzeit wissen, wo, wann und wie sich die Menschen bewegen. Aufgrund ihrer Vorteile wird die Lokalisierung in Innenräumen mit IPS schnell zu einer unverzichtbaren Lösung für große Veranstaltungsorte. In stark frequentierten Einzelhandelsgeschäften kann es beispielsweise lukrativ sein zu wissen, wo sich Kunden aufhalten, um eine Strategie für die Platzierung von Produkten zu entwickeln.

Lokalisierung in Innenräumen erhöht Sicherheit

In Büros lässt sich mit einem Indoor Positioning System Zeit sparen, indem das System Besucher zu Besprechungsräumen leitet. In Krankenhäusern können sie Leben zu retten, indem sie die Notaufnahme in Echtzeit überwachen, so dass mehr Platz für die Behandlung von Patienten zur Verfügung steht und die Krankenhausleitung sicherstellen kann, dass genügend Personal zur Verfügung steht, um die steigende Nachfrage zu bewältigen.

Die Lokalisierung in Innenräumen verbessert außerdem das Management und die Sicherheit von Personen und Gütern. Sie liefert beispielsweise Echtzeitinformationen über den Standort kritischer Geräte wie Laptops, Tablets oder anderer vernetzter Geräte in einem Gebäude. IPS kann auch für die Zugangskontrolle eingesetzt werden, um den Zugang von Personen zu bestimmten Bereichen eines Gebäudes entsprechend ihrer Zugangsberechtigung zu beschränken.

Die Vorteile von Echtzeit-Anwendungen liegen auf der Hand. Die Daten, die ein Positionierungssystem in Gebäuden über einen längeren Zeitraum sammelt, sind noch wertvoller. Aus den gesammelten Informationen über die Bewegungen großer Menschenmengen lassen sich Heatmaps erstellen. Sie zeigen, wie und wann die verschiedenen Bereiche eines Gebäudes genutzt werden, um saisonale Besucherströme besser zu verstehen. Diese Informationen können auch für standortbezogene Dienstleistungen und Marketing genutzt werden.

Visible Light Communication für die Positionsbestimmung

GPS ist weltweit verbreitet, funktioniert aber in Innenräumen nicht gut oder nur ungenau. Die von den Satelliten gesendeten Hochfrequenzsignale (HF-Signale) werden von Wänden oder Decken eines Gebäudes blockiert. Das führte dazu, andere Techniken anzupassen, um Positionen in Innenräumen zu ermöglichen. Ein Indoor Positioning System (IPS) besteht aus zwei verschiedenen Elementen: Beacons und Tags. Beacons werden an verschiedenen Stellen in einem Gebäude angebracht, während Tags von Personen getragen oder an einem Objekt angebracht werden, um den Standort zu verfolgen.

Für die Positionsbestimmung kommen folgende Techniken zum Einsatz:

• Beschleunigungssensoren: Sie liefern Informationen über die relative Bewegung eines Etiketts über mehrere Sensoren, beispielsweise einen Beschleunigungsmesser, ein Magnetometer oder ein Gyroskop. Es müssen keine Baken verwendet werden. Die Gesamtgenauigkeit ist jedoch gering (einige Meter), da sich Positionierungsfehler schnell akkumulieren.

• Ultraschall: Als Kommunikationsmedium wird Schall verwendet. Ultraschall beruht auf dem Prinzip der Laufzeitmessung. Die Laufzeit ist die Zeit, die der Schall benötigt, um von einem Sender zu einem Empfänger und wieder zurück zu gelangen. Die Position kann auf weniger als einen Meter genau bestimmt werden. Allerdings wird der Schall durch feste Gegenstände gestört. Die Messung ist nicht immer zuverlässig.

• Andere HF-Techniken: Die Signale verhalten sich in Anwesenheit von Hindernissen und sich bewegenden Personen sehr unterschiedlich. Grund sind Reflexionen und Mehrwegeempfang. Ultrabreitband (UWB) ist in der Lage, Materialien wie Beton, Glas und Holz zu durchdringen. Es eignet sich für den Einsatz in Gebäuden, wo die Sichtverbindung zu einem Funkfeuer oft durch die Bewegung von Personen blockiert wird. Die Technik ist jedoch noch nicht weit verbreitet, und die Leistungsniveaus bei bestimmten Signalfrequenzen sind durch Vorschriften für die Nutzung von Funkfrequenzen begrenzt.

Moduliertes Licht für die Kommunikation in Innenräumen

Aufgrund der Einschränkungen in Bezug auf Anwendung und Genauigkeit sind die Ansätze nicht ideal für IPS. Visible Light Communications (VLC) ist vielversprechend bei der Genauigkeit. Sichtbares Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, das vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Das sichtbare Spektrum liegt zwischen 375 bis 780 nm. VLC nutzt die Bandbreite, um Daten drahtlos zu übertragen und gleichzeitig einen Innenraum zu beleuchten.

In einem VLC-System moduliert ein Mikrocontroller Daten auf eine LED. Dieses Signal wird von einer Fotodiode in einem Tag empfangen. Das kann beispielsweise in der Frontkamera eines Smartphones sein. Die Übertragung von Daten mithilfe von Licht als Medium erfordert nur wenig oder gar keinen zusätzlichen Strom, der über den für die Beleuchtung durch die LEDs benötigten Strom hinausgeht. Außerdem sind die Installationskosten minimal, da die Beleuchtung in fast allen Innenräumen bereits vorhanden ist.

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Die modulierten Daten führen zwangsläufig zu einem Flackern des LED-Lichts. Die verwendeten Frequenzen sind für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar, können aber von Empfängern leicht erkannt werden. Durch die Einbettung einer eindeutigen Kennung in jede LED und die Modulation dieser Kennung auf den LED-Treiber kann jede Leuchte in einem Gebäude einen eindeutigen Code senden, der mit ihrem genauen Standort verknüpft ist. Anhand der von drei Leuchten empfangenen Kennungen kann ein Triangulationsalgorithmus die Position eines Tags mit einer Genauigkeit von 30 cm bestimmen – eine Größenordnung besser als die leistungsfähigsten HF-basierten Ortungssysteme.

Welche Bausteine sich für die Kommunikation mit Licht eignen

Ein VLC-System sollte effizient und kompakt sein. Der Lichtgenerator NCL31000 des Herstellers ON Semi erfüllt beide Anforderungen, indem er alle für ein solches System erforderlichen Funktionen in einem kompakten IC integriert. Er verfügt über einen LED-Treiber mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent, der Pulsweitenmodulation unterstützt, sowie über EMI-konforme DC/DC-Wandler zur Ansteuerung anderer Systemkomponenten wie beispielsweise Sensoren. Darüber hinaus verfügt er über einen integrierten Analog-Digital-Wandler, der über den integrierten I²C- oder SPI-Bus eine genaue und detaillierte Diagnose für eine lokale MCU ermöglicht.

Der begleitende Baustein NCL31001 unterstützt mehrkanalige LED-Anwendungen, während der IC NCP31010 dieser Familie neben dem LED-Treiber auch einen Power-over-Ethernet (PoE)-Treiber in einem einzigen Gehäuse integriert. Dadurch können Daten direkt auf die LED moduliert werden, ohne dass ein separater Ethernet-Treiber-IC erforderlich ist, und die Leuchten können als Teil einer intelligenten Beleuchtungslösung angeschlossen werden. Dies ist besonders für Planer von intelligenten Gebäuden interessant, die nach Möglichkeiten suchen, die Beleuchtung so effizient wie möglich zu steuern.

Durch die kontinuierliche Überwachung der Raumbelegung kann das Beleuchtungsniveau dynamisch an die täglichen Nutzungsmuster angepasst werden. Die Leuchten werden über den PoE-Treiber mit Gleichstrom versorgt, womit die Wechselstromverkabelung und die AC/DC-Transformatoren in den Leuchten entfallen. Zudem sind die Leuchten für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität und andere intelligente Sensoren geeignet. Diese ICs sind „Yellow DotReady“. Dabei handelt es sich um ein Leuchten-Zertifizierungsprogramm, bei dem Hersteller ihre LED-Leuchten testen und zertifizieren können und mit der Indoor-Positionierungstechnik von Philips interoperabel sind. Das Zertifizierungsprogramm steht allen Leuchtenherstellern offen.

Objekte und Personen mit einer Genauigkeit von 30 cm erkennen

Positionierungssysteme für Innenräume sind für Betreiber von Gebäuden interessant, da sie das Benutzererlebnis und die Sicherheit erheblich verbessern können. GPS ist für den Einsatz in Innenräumen nicht geeignet. Andere Techniken sind besser geeignet und wurden angepasst. Allerdings war der Erfolg war jedoch in Bezug auf die Genauigkeit unterschiedlich. VLC überwindet die Einschränkungen anderer Techniken und kann während der Entwicklungsphase einer LED-Beleuchtung mit einem LED-Treiber-IC wie dem NCL31000 implementiert werden. Das fertige IPS kann dann verwendet werden, um die Position von Objekten und Personen in Innenräumen mit einer Genauigkeit von 30 cm zu verfolgen.

Über den Autor

Mark Patrick ist für das Technisches Marketing bei Mouser Electronics verantwortlich.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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