CN107483114B - 多路指示灯数据并行传输系统及方法 - Google Patents

多路指示灯数据并行传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种多路指示灯数据并行传输系统及方法，所述系统包括发送端及接收端，发送端包括编码模块及LED模块，LED模块包括多个并/串联的LED指示灯；所述接收端包括解码模块及接收可见光信号的CMOS摄像头；编码模块将原始数据以数据包的形式组织，每个数据包连续发送预设次数；再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；解码模块通过CMOS摄像头接收可见光信号，生成对应的灰度图；根据灰度图的明暗条纹恢复数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。本发明实施例通过采用多个LED指示灯进行多路数据并行传输及采用编码模块连续多次发送数据，解决了通信效率低及不能进行实时数据传输，进而提高了可见光成像通信的实用性。

Description

多路指示灯数据并行传输系统及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种多路指示灯数据并行传输系统及方法。
背景技术
可见光通信由于具有宽频谱、高能效、绿色环保、泛在性强、保密性好等突出优点，可见光通信发展前景可观，在未来，可见光通信必将在短距离无线传输领域发挥重要作用。
目前，针对室内可见光，人们主要采用CMOS摄像设备进行接收。台湾的Chow,C.W.团队已做过大量研究，该团队利用CMOS摄像设备的卷帘门特性，实现了可见光调制信号的接收。“卷帘效应”是CMOS传感器的一个特点，即在接收一帧图片时，有别于全局快门中一次捕捉一整张图片，CMOS传感器的卷帘快门将像素点一行一行水平扫描激活，再整合成为一帧图片。这两种快门方式的原理对比如图1的(a)和(b)所示。
若设置LED的发送开关频率大于CMOS摄像头的帧速率，则可以在同一帧图片中捕捉到明暗光条纹。当发送端LED处于“开”状态时，扫描行呈现亮条纹；反之当LED处于“关”状态时，扫描行呈现暗条纹。通过在同一帧内捕捉明暗条纹，CMOS摄像头可获得高于帧速率的通信速率。完成一帧图片的扫描后，存在一段“读取时间周期”用于对一帧图片进行合成，在这段时间周期内，CMOS传感器为“盲的”，无法探测光信号。
Chow,C.W.团队据此实现了可见光的CMOS摄像头接收，并采用多种图像处理算法对接收图片进行优化后解调恢复原信号，最后达到速率为0.8Kb/s的数据传输，能基本满足室内定位、室内光标签信息接收等简单需求。
上述技术存在的缺点可归纳如下：
1)、通信效率低。可见光成像通信由于受到接收摄像设备帧速率的限制，难以获得较高的通信速率，而卷帘门效应的使用虽能使接收速率突破帧速率限制，但在目前已有的技术当中，其通信性能并未得到充分挖掘，仍不能适应更大数据量文件的传输。
2)、无法进行实时数据传输。已有的可见光CMOS成像通信方案中，摄像头接收光信号后将明暗条纹图片录制成视频，再通过计算机进行处理恢复原始数据。现有方案未实现通信数据的实时接收，不利于商业使用。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种多路指示灯数据并行传输系统及方法，以使能够进行实时数据传输及提高通信效率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种多路指示灯数据并行传输系统，包括发送端及接收端，所述发送端包括编码模块及LED模块，所述LED模块包括发送可见光信号的多路并联的LED指示灯；所述接收端包括解码模块及接收可见光信号的CMOS摄像头；
所述编码模块将待传输的原始数据以数据包的形式组织，并按先后顺序依次为每个数据包添加一位对应的判断位，每个数据包连续发送预设次数；当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后随机添加一个包含对应判断位的数据包；将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；
所述解码模块通过CMOS摄像头的像素点接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图；根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
相应地，本发明实施例还提供了一种多路指示灯数据并行传输方法，应用于上述的多路指示灯数据并行传输系统，包括：
步骤1：将待传输的原始数据以数据包的形式组织，并按先后顺序依次为每个数据包添加一位对应的判断位，每个数据包连续发送预设次数；
步骤2：当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后随机添加一个包含对应判断位的数据包；
步骤3：将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；
步骤4：通过大量的像素点接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图；
步骤5：根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
本发明实施例通过提出一种多路指示灯数据并行传输系统及方法，所述系统包括编码模块、LED模块、解码模块及CMOS摄像头，通过采用多个LED指示灯同时进行多路数据的并行传输以及采用编码模块连续多次发送数据，解决了通信效率低以及不能进行实时数据传输，进而提高了可见光成像通信的实用性。
附图说明
图1是现有技术的成像方式原理对比图。
图2是本发明实施例的多路指示灯数据并行传输系统的结构示意图。
图3是本发明实施例的原始数据数据包的示意图。
图4是本发明实施例的实时通信数据包的示意图。
图5是本发明实施例的数据包连续4次重复发送示意图。
图6是本发明实施例的CMOS摄像头的像素示意图。
图7是本发明实施例的一帧的灰度图示意图。
图8是本发明实施例的发送端的发送原理示意图。
图9是本发明实施例的多路指示灯数据并行传输方法流程示意图。
图10是本发明一种实施例的发送端与接收端的部分结构示意图。
图11是本发明一种实施例的CMOS摄像头的一帧图像示意图。
附图标号说明
发送端10
接收端20。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图2，本发明实施例的多路指示灯数据并行传输系统主要包括发送端10及接收端20。
发送端10包括编码模块及LED模块。LED模块包括多路并联的LED指示灯，LED模块用于发送可见光信号，例如LED指示灯亮代表数据“1”，LED指示灯灭代表数据“0”。本发明实施例基于可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术，利用多个LED指示灯同时进行多路数据的并行传输，通过建立一条安全可靠的无线光通信信道，有效解决传统可见光成像通信中传输速率不高的问题。
编码模块将待传输的原始数据(例如，原始数据为初始的二进制比特数据)以数据包(如图3所示)的形式组织，按先后顺序依次为每个数据包添加一位判断位(如图4所示)；优选地，按先后顺序，前后不同的数据包的判断位依次为1、0、1、0、1、0……；每个数据包连续发送预设次数(如图5所示)；当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后随机添加一个包含对应判断位(优选地，判断位为“0”)的数据包；将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光。作为一种实施方式，预设次数为4次。由于CMOS摄像头的CMOS传感器曝光时间中存在一个读取时间段，在这个时间段内CMOS传感器是“盲的”，为了防止丢失数据包，本发明实施例将每个数据包连续发送预设次数；以4次为例，在一系列需要传输的数据包中，连续发4次的同一数据包判断位一样，按先后顺序前后不同数据包的判断位依次为1、0、1、0、1、0……，即每个时刻发送的第一个有用数据包的判断位均为1，第二个有用数据包(非重复数据包)的判断位为0，第三个有用数据包的判断位为1……；在同一帧图像中如果判断位连续为1或0的情况，后面的数据包属于连续传输的，即为无用数据；为了区分各个时刻的数据，当一个时刻(即每监测到有数据开始传输的时刻)发送的数据包(有用的数据包)的个数为奇数时，需要在这个时刻的最后随机添加一个数据包，以保证当前时刻最后一个数据包与下一时刻的第一个数据包的判断位不同，确保不会丢失有用数据。本发明实施例采用重复发送数据的方式，使LED指示灯的可见光信号发送速率能够大于CMOS摄像头的帧速率，进一步提高了数据实时传输的速率。
接收端20包括解码模块及接收可见光信号的CMOS摄像头，优选地，CMOS摄像头采用工业高速CMOS摄像头进行数据接收，以利用更高的帧率获取更快的数据实时传输速率。
解码模块通过CMOS摄像头的像素点(如图6所示)接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图(如图7所示)；根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
请参照图8，编码模块将传输的单路数据流u分为n路子序列{u1,u2,…,un}，将第i路子序列ui通过第i路的曼彻斯特编码器进行编码，生成码元序列ci；
将编码序列ci通过随机交织器充分交织为vi；将交织后的数据经非归零OOK(On-Off Keying，二进制启闭键控)调制生成码元序列xi，再形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；其中，加载在第i路LED的驱动信号表示为：
xi＝βiSi；
β＝[β1,β2,…,βn]表示n路LED指示灯的驱动电压分布，各路的速率相同，x＝[x1,x2,…,xn]T为功率分配后各路LED指示灯的驱动信号，T为转置，S为矢量。
请参照图9，本发明实施例的多路指示灯数据并行传输方法主要包括：
步骤1：将待传输的原始数据以数据包的形式组织，并按先后顺序依次为每个数据包添加一位对应的判断位，每个数据包连续发送预设次数；
步骤2：当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后随机添加一个包含对应判断位的数据包，所述数据包为任意一个数据包；
步骤3：将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；
步骤4：通过大量的像素点接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图；
步骤5：根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
作为一种实施方式，步骤3包括编码子步骤：
将传输的单路数据流u分为n路子序列{u1,u2,…,un}，将第i路子序列ui通过第i路的曼彻斯特编码器进行编码，生成码元序列ci；
将编码序列ci通过随机交织器充分交织为vi；将交织后的数据经非归零OOK调制生成码元序列xi，再形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；其中，加载在第i路LED的驱动信号表示为：
xi＝βiSi；
β＝[β1,β2,…,βn]表示n路LED指示灯的驱动电压分布，各路的速率相同，x＝[x1,x2,…,xn]T为功率分配后各路LED指示灯的驱动信号，T为转置，S为矢量。
作为一种实施方式，步骤1中预设次数为4次。
本发明实施例垂直于CMOS摄像头扫描行方向的LED指示灯之间(即同一路LED指示灯之间)采用了分集技术；本发明实施例平行于CMOS摄像头扫描行方向的LED指示灯之间(即多路LED指示灯之间)采用了复用技术；本发明实施例的多路数据并行传输方法通过综合运用分集技术和复用技术，提高了通信效率以及实现了实时传输。
本发明以四路信号发送为例：如图10所示，本发明实施例的发送端10采用4×8的LED指示灯阵列作为信源，接收端20采用基于CMOS成像的工业摄像头作为信宿，摄像头的帧速率为60fps、分辨率为640×480；本发明实施例的发送端1～4路之间发送不同的信号，即复用增益为4，成倍提高系统的通信速率；每路的8个LED发送同样的信号，即采用分集技术，增强单路通信信号的强度。本发明实施例的接收端20采用的高速CMOS摄像头，运用卷帘门效应，检测多路信号(如图11为一帧信号)，通过对每帧图像进行多路数据分解和解码，然后通过并串转换恢复得到原始信号，实现CMOS摄像头对多路可见光信号的接收。经过测试计算，本发明实施例的实时速率达到K比特/秒量级。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种多路指示灯数据并行传输系统，包括发送端及接收端，其特征在于，所述发送端包括编码模块及LED模块，所述LED模块包括发送可见光信号的多路并联的LED指示灯；所述接收端包括解码模块及接收可见光信号的CMOS摄像头；
所述编码模块将待传输的原始数据以数据包的形式组织，并按先后顺序依次为每个数据包添加一位对应的判断位，每个数据包连续发送预设次数；当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后添加一个包含对应判断位的随机数据包；
将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；
所述解码模块通过CMOS摄像头的像素点接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图；
根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
2.如权利要求1所述的多路指示灯数据并行传输系统，其特征在于，所述编码模块将传输的单路数据流u分为n路子序列{u1,u2,…,un}，将第i路子序列ui通过第i路的曼彻斯特编码器进行编码，生成码元序列ci；
将编码序列ci通过随机交织器充分交织为vi；将交织后的数据经非归零OOK调制生成码元序列xi，再形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；其中，加载在第i路LED的驱动信号表示为：
xi＝βiSi；
β＝[β1,β2,…,βn]表示n路LED指示灯的驱动电压分布，各路的速率相同，x＝[x1,x2,…,xn]T为功率分配后各路LED指示灯的驱动信号，T为转置，S为矢量。
3.如权利要求1所述的多路指示灯数据并行传输系统，其特征在于，所述预设次数为4次。
4.一种多路指示灯数据并行传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3中任一项所述的多路指示灯数据并行传输系统，包括：
步骤1：将待传输的原始数据以数据包的形式组织，并按先后顺序依次为每个数据包添加一位对应的判断位，每个数据包连续发送预设次数；
步骤2：当一个数据传输的时刻内发送的数据包个数为奇数时，则在该时刻的原始数据后添加一个包含对应判断位的随机数据包；
步骤3：将组织后的原始数据进行串并转换，再进行编码、调制形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；
步骤4：通过大量的像素点接收多路LED指示灯的可见光信号，根据可见光信号生成对应的灰度图；
步骤5：根据灰度图的明暗条纹恢复出对应的“0”、“1”数据，最后通过译码、并串转换恢复得到原始数据。
5.如权利要求4所述的多路指示灯数据并行传输方法，其特征在于，所述步骤3包括编码子步骤：
将传输的单路数据流u分为n路子序列{u1,u2,…,un}，将第i路子序列ui通过第i路的曼彻斯特编码器进行编码，生成码元序列ci；
将编码序列ci通过随机交织器充分交织为vi；将交织后的数据经非归零OOK调制生成码元序列xi，再形成基带的电信号驱动各路LED指示灯发光；其中，加载在第i路LED的驱动信号表示为：
xi＝βiSi；
β＝[β1,β2,…,βn]表示n路LED指示灯的驱动电压分布，各路的速率相同，x＝[x1,x2,…,xn]T为功率分配后各路LED指示灯的驱动信号，T为转置，S为矢量。
6.如权利要求4所述的多路指示灯数据并行传输方法，其特征在于，所述步骤1中预设次数为4次。
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