CN104363564B - 基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统 - Google Patents

基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，包括可见光通信标签、用户移动终端和管理移动终端，其中可见光通信标签用于将预先存储的推送信息通过可见光通信信道发送至用户移动终端，用户移动终端用于通过可见光通信信道接收可见光通信标签的推送信息，并将接收的信息解码后输出，管理移动终端用于采用无线通信方式对可见光通信标签中存储的推送信息进行更新。与现有技术相比，本发明利用可见光通信技术，实现一种便于管理、绿色低功耗的数字标签，它比普通印刷标签更容易实现数据更新，能够实现文字信息和音频信息的推送，且接收设备实现简单、操作方便，在超市，博物馆等有广大的应用前景。

Description

基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统
技术领域
本发明涉及一种信息推送系统，具体是一种基于可见光的标签技术，具有可重复利用、便于管理和信息更新优点的移动终端信息推送系统，属于可见光无线通信技术和物联网技术领域。
背景技术
可见光通信技术的兴起，因为它拥有其他通信方式所不具有的特点，具体有以下突出优点：
与射频通信相比，可见光的本质是光波，可以应用在对电磁信号敏感的场合，如医院，加油站，矿坑，机场等。与红外光和紫外光等光的无线通信相比，可见光更加接近自然光，不会像红外光和紫外光等光在微小功率下就会伤害到人眼。
同时随着无线通信技术的高速发展，目前可用的无线电频谱己经越来越有限，频谱资源越来越紧张，而可见光通信无需频谱申请，为解决频谱资源短缺提供了一种新的方案。
可见光通信是以可见光为传播介质，可见光照不到的地方通信就会中断。由于可见光无法穿越墙壁、窗帘等障碍物，室内的信息不会泄露到室外，入侵者也无法从室外截获室内信息。因而，可见光通信具有较好的保密性。而只要可见光照得到的地方即可进行通信，方便快捷。
总的来说可见光无线通信具有频谱资源丰富、保密性好、绿色安全、无需许可证等优点，该技术应用在标签领域有它独特的优势。
目前，纸质印刷标签和RFID标签应用十分广泛，但是这些无源标签，不利于信息的批量更新，传递的数据形式单一而数据量有限，尤其是纸质标签只能一次性使用十分不利于环保。
发明内容
发明目的：本发明所提供的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，旨在解决当前纸质标签等无源标签技术存在的障碍，为移动终端提供一种简单便捷的信息推送方案，其信息推送源的推送信息便于更新和管理。
技术方案：为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，包括：可见光通信标签、用户移动终端和管理移动终端；所述可见光通信标签，用于将预先存储的推送信息通过可见光通信信道发送至用户移动终端；所述用户移动终端，用于通过可见光通信信道接收可见光通信标签的推送信息，并将接收的信息解码后输出；所述管理移动终端，用于采用无线通信方式对可见光通信标签中存储的推送信息进行更新。
进一步地，所述可见光通信标签包括MCU主控、LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块，所述MCU主控分别与LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块连接，用于读取存储模块中的推送信息并通过LED驱动发送至可见光通信信道中；所述无线模块用于接收管理移动终端发送的更新信息，通过MCU主控将信息存储至存储模块；
所述用户移动终端包括：信息接收模块，用于通过可见光接收推送信息；信息处理模块，与信息接收模块连接，用于将接收的推送信息解码为所需的格式；以及信息输出模块，与信息处理模块连接输出所述格式的推送信息。
进一步地，所述格式为文本格式，所述信息接收模块为摄像头，所述信息输出模块为显示屏。
所述摄像头用于拍摄快速明暗变化的LED灯光，输出具有明暗变化线条的图像至信息处理模块，所述信息处理模块对图像进行解码，输出解码后的文本信息至显示屏。
进一步地，所述格式为音频格式，所述信息接收模块为PIN接收模块，所述信息输出模块为扬声器；所述PIN接收模块与用户移动终端的标准耳麦接口连接。
所述PIN接收模块包括PIN光敏二极管、光电二极管、跨阻抗放大器、电阻电容均衡电路、自动增益调节电路和接口电路；PIN光敏二极管与跨阻抗放大器的反相端连接，光电二极管与跨阻抗放大器的同相端连接，跨阻抗放大器的输出端与电阻电容均衡电路的输入端连接，电阻电容均衡电路的输出端与自动增益调节电路的输入端连接，自动增益调节电路的输出端与接口电路连接。
进一步地，所述存储模块中存储的推送信息包括文本信息和/或音频信息，通过格式标志位区分信息类型；所述LED驱动包括两个不同的输入端口，采用bias-tee结构，直流电流和交流电流分开馈电；所述MCU主控通过判断格式标志位将文本信息的数据和音频信息的数据输出至不同的LED驱动输入端口。
进一步地，所述MCU主控每隔设定的时间重复发送推送信息，在睡眠状态时，控制电源模块关闭电源。
进一步地，所述无线通信方式采用蓝牙、ZigBee、Wi-Fi或红外通信方式。
有益效果：与现有技术相比，本发明将可见光无线通信与物联网技术结合起来，配合移动终端，实现的基于可见光无线通信标签的移动终端信息推送系统，其优点是通过光信道来实现文本信息和语音信息的推送，接收设备实现简单、操作方便，推送源的信息易于更新和维护。
附图说明
图1 为本发明实施例的系统结构示意图；
图2 为本发明实施例中PIN接收模块中的信号流向图；
图3 为本发明实施例中LED驱动电路的示意图；
图4 为本发明实施例实现推送文本信息的结构示意图；
图5 为本发明实施例实现推送音频信息的结构示意图；
图6 为本发明实施例的可见光通信标签中信息流向图；
图7 为本发明实施例接收文本信息产生的数字光信号时拍摄的图像示例图；
图8 为本发明实施例发送文本信息采用的数据帧格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统的具体实施方式进行详细说明。本文使用的术语“模块”的意思是，但不限于，软件和/或硬件。硬件例如但不限于为现场可编程阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）或芯片等。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统包括可见光通信标签、用户移动终端和管理移动终端。可见光通信标签，用于将预先存储的推送信息通过可见光通信信道发送至用户移动终端；用户移动终端，用于通过可见光通信信道接收可见光通信标签的推送信息，并将接收的信息解码后输出；管理移动终端，用于采用无线通信方式对可见光通信标签中存储的推送信息进行更新。具体来说，可见光通信标签包括MCU主控、LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块，MCU主控分别与LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块连接，用于读取存储模块中的推送信息并通过LED驱动发送至可见光通信信道中。用户移动终端包括信息接收模块、信息处理模块和信息输出模块；管理移动终端包括无线模块和信息更新模块。推送信息的格式可以为文本信息格式和/或音频信息格式。用户移动终端和管理移动终端可以是两个独立的设备，也可以共设于同一设备，移动终端设备可以是带有摄像头或光感应器的手机、笔记本电脑、平板电脑或其他便携装置。可见光通信标签和管理移动终端的无线模块可以是蓝牙、ZigBee、Wi-Fi或红外通信模块，下文的描述以蓝牙为例。
当推送信息为文本格式信息时，信息接收模块为摄像头，信息输出模块为显示屏。摄像头用于拍摄快速明暗变化的LED灯光，输出具有明暗变化线条的图像至信息处理模块，信息处理模块对图像进行解码，输出解码后的文本信息至显示屏。
当推送信息为音频格式信息时，信息接收模块为PIN接收模块，信息输出模块为扬声器；PIN接收模块通过标准耳麦接口外接在移动终端上。PIN接收模块包括PIN光敏二极管、光电二极管、跨阻抗放大器（TIA）、电阻电容均衡电路、自动增益调节电路（AGC）和接口电路；PIN光敏二极管与跨阻抗放大器的反相端连接，光电二极管与跨阻抗放大器的同相端连接，跨阻抗放大器的输出端与电阻电容均衡电路的输入端连接，电阻电容均衡电路的输出端与自动增益调节电路的输入端连接，自动增益调节电路的输出端与接口电路连接。如图2是信号在PIN接收模块中的流向图，PIN光敏二极管接收到调制有音频的模拟光信号，依次通过跨阻抗放大器、电阻电容均衡电路和自动增益调节电路，输出电信号至接口电路。其中光电二极管是为了降低PIN接收管自身暗电流引入的噪声，光电二极管本身并不接受光信号，它接在跨阻抗运放的同相端，抵消暗电流噪声。选择的光电二极管暗电流参数需要与PIN接收管接近，以达到最佳抵消效果。
存储模块中存储的推送信息包括文本信息和/或音频信息，通过格式标志位区分信息类型；LED驱动包括两个不同的输入端口如图3，采用bias-tee结构，直流电流和交流电流分开馈电，bias-tee主要结构包括隔直电容和高频扼流电感，提供LED灯所需要的静态直流电，同时提供信号馈电端口；MCU主控通过判断格式标志位将文本信息的数据和音频信息的数据输出至不同的LED驱动输入端口。MCU主控从存储模块读回数字文本数据可直接通过I/O口发送到数字信号接口，读回模拟音频数据进行DAC转换后通过模拟信号接口，最后通过LED驱动输出到光信道中。
下面分别以文本信息推送和音频信息推送为例，说明本发明的工作原理：
如图4所示，文本信息的推送流程中，可见光通信标签的存储模块中存放的文本信息在通过MCU主控读取后，在I/O口上以数字信号的方式驱动LED灯，产生数字光信号，LED灯以肉眼无法辨知的速率闪烁。用户移动终端通过应用程序控制通用摄像头拍摄到LED灯照片呈现出明暗相间的线条如图5，通过图像解码模块提取图像中明暗变化的线条，假定明线为“1”，暗线为“0”，明暗线的宽度就代表连续“1”和“0”的个数。恢复出的信息会通过移动终端通用显示屏展现给用户。
如图5所示，在模拟音频信息的推送流程中，可见光通信标签的存储模块中存放的音频信息在通过MCU主控读取后，首先经过MCU主控内部DA转换模块将数字信息转化为模拟信号来驱动LED灯发送到光信道中。用户移动终端的PIN接收模块将模拟光信号转化为电信号，PIN接收模块输出接入移动终端的标准麦克风接口，经过移动终端的通用麦克风接口处理进入移动终端的应用程序，移动终端的应用程序直接将处理好的模拟音频信号转到移动终端通用扬声器上进行播放。
系统也能实现方便的信息更新，其工作原理如下：首先由管理员通过管理移动终端的信息更新模块发起信息的更新流程，通过蓝牙模块与散布的可见光通信标签组建网络，并在网络中广播需要更新的信息数据帧。在可见光通信标签端，当接收到管理移动终端更新命令帧的时候，会关闭目前正在进行的信息推送过程，进行更新流程。接收到后续数据帧后，将信息数据存到存储设备中。完成更新过程的可见光通信标签会向管理移动终端发回确认帧，若在更新过程中出现错误则会发回错误提示帧，重新进行更新过程。
图6是可见光通信标签中信息流向图，管理员通过管理移动终端将信息通过蓝牙网络广播到可见光通信标签，标签在完成信息的更新过程后，可见光通信标签会定时从存储模块中读出信息数据，通过LED驱动发送到光信道中。信息以一定的帧格式存储在标签的存储模块中，标签会从存储模块中识别信息的类型，对于文本和音频数据会通过不同的通道输出。
图6所示定时过程中，系统处于工作状态时间很短，大多情况下处于低功耗的状态。在低功耗的工作状态下，主控模块，电源模块，LED驱动都会被关闭，只有内置定时器会在低速晶振的驱动下工作。可见光通信标签中用纽扣电池供电，系统最大功耗在几百毫瓦量级，采用低功耗电源方案，在睡眠状态可以关闭电源模块。其中LED直流电流用恒流电源实现，对抗纽扣电池电压的变化对LED静态工作点的影响。
数字信息解码时，在不同型号移动终端上，形成单张照片时曝光次数和每次曝光时间会有所不同，这样明暗线的宽度会出现误差，每张照片所包含的信息量会有所差异。为了保证解码正确，不能以明暗线的绝对宽度来实现解码。方案中，每一帧数字信息帧结构如图8，包括前导码，帧界定符和用户数据。前导码由56bit即0XAAAAAAA组成，这56bit数据通过二进制发送时，“0”和“1”交替出现，通过这段前导码可以得到移动终端通用摄像头的曝光参数，这段前导码的“0”和“1”线宽可以作为基准宽度，在进行数据解码的时候，根据数据线宽相对于基准宽度的倍数来判断“0”和“1”的个数。前导码同时用于数据帧的检测，每次将采样到相邻26bit数据比较，相似度到达一定程度时，就可以判断数据帧到达。此时按字节寻找帧界定符，用于帧的同步。
在实现模拟音频信号推送时，LED灯作为信息载体，其调制带宽十分有限，需要在PIN接收模块端进行均衡，提高系统带宽来支持高质量模拟音频信息的传输。如图2中，电路中以电阻电容均衡网络来均衡系统的频率响应，提升整体的通信带宽。此外，用户在使用过程中的操作时空间不稳定的特点会使接收到的光信号发生强度变化，通过PIN接收模块上的自动增益调节电路(AGC)实现信号强度的稳定，保证用户听感。
本发明实施例利用可见光通信技术，实现了一种便于管理、绿色低功耗的数字标签，它比普通印刷标签更容易实现数据更新，能够推送文字信息的同时，还能进行高音质音频信息的推送，在超市，博物馆等有广大的应用前景。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，包括：可见光通信标签、用户移动终端和管理移动终端；
所述可见光通信标签，用于将预先存储的推送信息通过可见光通信信道发送至用户移动终端；
所述用户移动终端，用于通过可见光通信信道接收可见光通信标签的推送信息，并将接收的信息解码后输出；
所述管理移动终端，用于采用无线通信方式对可见光通信标签中存储的推送信息进行更新；
所述可见光通信标签包括MCU主控、LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块，所述MCU主控分别与LED驱动、存储模块、无线模块和电源模块连接，用于读取存储模块中的推送信息并通过LED驱动发送至可见光通信信道中；所述无线模块用于接收管理移动终端发送的更新信息，通过MCU主控将信息存储至存储模块；所述存储模块中存储的推送信息包括文本信息和/或音频信息，通过格式标志位区分信息类型；所述LED驱动包括两个不同的输入端口，采用bias-tee结构，直流电流和交流电流分开馈电；所述MCU主控通过判断格式标志位将文本信息的数据和音频信息的数据输出至不同的LED驱动输入端口。
2.根据权利要求1所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述用户移动终端包括：信息接收模块，用于通过可见光接收推送信息；信息处理模块，与信息接收模块连接，用于将接收的推送信息解码为所需的格式；以及信息输出模块，与信息处理模块连接输出所述格式的推送信息。
3.根据权利要求2所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述格式为文本格式，所述信息接收模块为摄像头，所述信息输出模块为显示屏。
4.根据权利要求3所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述摄像头用于拍摄快速明暗变化的LED灯光，输出具有明暗变化线条的图像至信息处理模块，所述信息处理模块对图像进行解码，输出解码后的文本信息至显示屏。
5.根据权利要求2所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述格式为音频格式，所述信息接收模块为PIN接收模块，所述信息输出模块为扬声器；所述PIN接收模块与用户移动终端的标准耳麦接口连接。
6.根据权利要求5所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述PIN接收模块包括PIN光敏二极管、光电二极管、跨阻抗放大器、电阻电容均衡电路、自动增益调节电路和接口电路；PIN光敏二极管与跨阻抗放大器的反相端连接，光电二极管与跨阻抗放大器的同相端连接，跨阻抗放大器的输出端与电阻电容均衡电路的输入端连接，电阻电容均衡电路的输出端与自动增益调节电路的输入端连接，自动增益调节电路的输出端与接口电路连接。
7.根据权利要求1所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述MCU主控每隔设定的时间重复发送推送信息，在睡眠状态时，控制电源模块关闭电源。
8.根据权利要求1所述的基于可见光通信标签的移动终端信息推送系统，其特征在于，所述无线通信方式采用蓝牙、ZigBee、Wi-Fi或红外通信方式。
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