CN107991649A

CN107991649A - 可见光室内定位装置

Info

Publication number: CN107991649A
Application number: CN201711037707.XA
Authority: CN
Inventors: 陶金铭; 张宗达; 于�玲; 霍东升
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-05-04

Abstract

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种可见光室内定位装置，该装置包括LED控制系统和测量系统；LED控制系统包括高频信号采集模块、第一单片机ARM‑LPC1768、LED控制模块及第一电源模块；高频信号采集模块包括信号输入端口、第一放大器，LED控制模块包括LED光源及第二放大器；测量系统包括位置传感器模块、信号传感器模块、第二单片机ARM‑LPC1768及第二电源模块；位置传感器模块包括摄像头、树莓派，信号传感器模块包括硅光电池、第三放大器、第四放大器、比较器及信号输出端口所述LED控制系统和测量系统通过可见光进行通信。

Description

可见光室内定位装置

技术领域：

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种可见光室内定位装置。

背景技术：

随着对无线定位需求的增涨，基于红外线、射频识别、超声波、蓝牙、wifi等多种室内定位技术得到了广泛的应用。然而,这些定位技术一直存在着成本高的问题。可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是一种在可见光谱进行数据通信的技术。因此,可见光室内定位技术无需频谱认证，在抗电磁干扰和能量损耗方面具有明显的优势。

现有的可见光定位装置大多采用三边定位算法，需要测算传感器与LED之间的距离，需要使用超声波传感器，因此无法在有超声干扰或中间存在遮蔽物的情况下正常工作。且无信号传输的功能。

发明内容：

本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，可见光室内定位装置针对实际的室内照明情况，提供一种利用三个LED光源作为发射端，利用摄像头和硅光电池作为接收端，实现了室内定位和可见光通信，有效解决了超声干扰条件下无法进行定位的问题。

本发明采用的技术方案为：一种可见光室内定位装置，该装置包括LED控制系统和测量系统；LED控制系统包括高频信号采集模块、第一单片机ARM-LPC1768、LED控制模块及第一电源模块；高频信号采集模块包括信号输入端口、第一放大器，LED控制模块包括LED光源及第二放大器；所述测量系统包括位置传感器模块、信号传感器模块、第二单片机ARM-LPC1768及第二电源模块；位置传感器模块包括摄像头、树莓派，信号传感器模块包括硅光电池、第三放大器、第四放大器、比较器及信号输出端口；所述信号输入端口通过导线与第一放大器连接，第一放大器、第一单片机ARM-LPC1768、第二放大器及LED光源依次通过导线连接；所述摄像头、树莓派、第二单片机ARM-LPC1768依次通过数据线连接；所述硅光电池、第三放大器、第四放大器及比较器依次通过导线连接后与第二单片机ARM-LPC1768通过导线连接，第二单片机ARM-LPC1768通过导线与信号输出端口连接；所述LED控制系统和测量系统通过可见光进行通信。

所述第一放大器和第四放大器为LM6144，第二放大器为LT1210，第三放大器为OP37，所述比较器为Lm393。

所述第一电源模块和第二电源模块为LM7805或LM7812。

所述摄像头为OV4567，硅光电池为VBPW21R。

本发明的有益效果：可见光室内定位装置针对实际的室内照明情况，提供一种利用三个LED光源作为发射端，利用摄像头和硅光电池作为接收端，实现了室内定位和可见光通信，有效解决了超声干扰或有遮蔽物条件下无法进行定位的问题。传感器实现了在不同区域，测量电路能正确判断所在位置；测量电路能够接收并显示LED控制电路发送的数字信号；测量电路接收的LED发送的语音信号在规定条件下均无明显失真。

附图说明：

图1是本发明中LED控制系统框图。

图2是本发明中测量系统的位置传感器模块框图。

图3是本发明中测量系统的信号传感器模块框图。

图4是本发明中LED控制系统电路图。

图5是本发明中信号采集电路图。

图6是本发明中信号采集原理框图。

图7是本发明中数据传输程序流程图。

图8是本发明中定位程序流程图。

图9是本发明中实施例中电路系统总体框图。

图10是本发明中实施例中LED控制电路子系统框图。

具体实施方式：

参照各图，一种可见光室内定位装置，该装置包括LED控制系统和测量系统；LED控制系统包括高频信号采集模块、第一单片机ARM-LPC1768、LED控制模块及第一电源模块；高频信号采集模块包括信号输入端口、第一放大器，LED控制模块包括LED光源及第二放大器；所述测量系统包括位置传感器模块、信号传感器模块、第二单片机ARM-LPC1768及第二电源模块；位置传感器模块包括摄像头、树莓派，信号传感器模块包括硅光电池、第三放大器、第四放大器、比较器及信号输出端口；所述信号输入端口通过导线与第一放大器连接，第一放大器、第一单片机ARM-LPC1768、第二放大器及LED光源依次通过导线连接；所述摄像头、树莓派、第二单片机ARM-LPC1768依次通过数据线连接；所述硅光电池、第三放大器、第四放大器及比较器依次通过导线连接后与第二单片机ARM-LPC1768通过导线连接，第二单片机ARM-LPC1768通过导线与信号输出端口连接；所述LED控制系统和测量系统通过可见光进行通信；所述第一放大器和第四放大器为LM6144，第二放大器为LT1210，第三放大器为OP37，所述比较器为Lm393；所述第一电源模块和第二电源模块为LM7805或LM7812；所述摄像头为OV4567，硅光电池为VBPW21R。

信号发射部分原理：

将输入的信号取样采集后调制为数字信号，由ARM-LPC1768（单片机）对信号进行编码，加入头帧（4位）发送地址（8位）采集信号（32位）尾帧（4位），控制引脚发送信号，通过LT1210将单片机发出的信号进行放大，进而控制LED灯的亮灭（闪烁）来代表“0”和“1”传送信号。

可见光通信原理：

通过VBPW21R（硅光电池）将光的强弱转化为电压的大小，经过OP37进行一级放大，再经过LM6144进行四级放大，之后经LM393进行两级比较整形，转化为数字信号输出到单片机。经单片机计时器进行外部中断处理后，进行I/O记录，再进行解码和判断，数字信号传输到LCD显示屏进行显示，模拟信号（音频信号）解调制后经功率放大器传输到扬声器进行播放。

可见光定位原理：

通过OV5647（摄像头）采集光源位置，传输到树莓派，通过opencv算法（现有技术）进行图像处理，得到光源的相对位置，通过自制算法测算出传感器的绝对位置，经单片机处理后传输到LCD显示屏进行显示。

LED控制系统通过电源模块控制第一单片机ARM-LPC1768，用以满足可见光信号采集需求，并通过LED驱动控制模块驱动，高频信号采集模块采集外界音频信号，并驱动键盘输入数字进行输入端输入；测量系统通过硅光电池接收信号并放大信号，再通过比较整形将采集的信号变成方波后通过第二单片机ARM-LPC1768进行频率采集，然后输出显示与调频。

实施例：

一、元器件的功能及性能：

LPC1768芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC内核，内置高速存储器，丰富了I/O端口和链接到两条APB总线的外设。该板包含8通道12位的ADC和10位的DAC、4个通用16个定时器。此系统数据采集模块需要多个ADC，且32位芯片I/O口功能和处理速度更快，ROM和RAM远大于传统51单片机，满足信号采集需求。

大电流运算放大器LT1210进行LED驱动，大电流运算放大器是能对信号进行数学运算的放大电路，驱动速度较MOS快，且采用数字通信，精准输出信号值。

摄像头可以进行定位，与此同时，可以同时确定三个LED灯的位置关系，便于我们后期进行具体位置值的输出，缩短位置值的误差，但是传输速率慢，不能进行数字通信。

硅光电池主要用于接受光信号，数据传输效率快，传输速率可达到1MHZ，准确探测到3个LED的x与y的坐标值。

二、系统理论分析

1、传感器定位方法：

通过测量和计算坐标系内各点坐标值；由于LED灯的位置保持不变，根据测量值较重心点相对距离固定，因此测量重心点坐标与不同传感器位置的相对距离，即能计算传感器任意位置。

2、信号发送接收方法

将输入的信号转化为数字信号，由ARM-LPC1768对信号进行编码，通过驱动电路控制LED灯的光强来代表“0”和“1”传送信号。接收端通过硅光电池将光的强弱转化为电压大小，再经过比较器，转化为数字信号输出。

3、传感器位置计算

计算方法

重心坐标公式( (X1+X2+X3)/3,(Y1+Y2+Y3)/3 ) 单位：CM

传感器X坐标[（初位置-末位置）/初位置]*相对距离

传感器Y坐标[（初位置-末位置）/初位置]*相对距离

误差分析

由于测量值的精确度和选取比例不同可能造成误差，经过综合比较，选取小数点四位数较为精准，并在120cm×120cm×120cm的空间内测试，定位精度有效控制在3cm的误差范围内。

三、系统电路设计

1、电路的设计

如图9和图10所示，电路由两部分组成，首先是LED控制电路，采用+12V单电源供电，以ARM-LPC1768为核心，通过LT1210进行LED驱动，并使用片内A/D对模拟信号（音频信号）进行采集，同时也可接收键盘输入数字并进行信号传送；其次是信号采集电路，它利用OV5647进行LED光源位置采集，通过处理图像确定传感器位置。并利用硅光电池接收LED灯传输的数字信号，之后经过OP37，LM6144将信号放大，LM393比较整形，最后通过LPC1768采集并输出信号。

2、电源模块

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成，为整个系统提供5V或2V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现。

3、程序功能

通过程序实现传感器位置的计算，信号的传输和显示。

传感器位置的计算：通过对摄像头采集图像的处理获取传感器位置。

信号传输显示部分：传输信号，显示位置坐标值，键盘输入数字。

四、测试方案与测试结果

1、测试方案

硬件测试

光电传感器接收信号测试：通过硅光电池接收LED灯传输的数字信号，再利用OP37，LM6144将信号放大，LM393比较整形，最后通过LPC1768采集信号并输出，观察液晶屏显示数据，检测电路可行性。

硬件软件联调

将程序导入ARM-LPC1768和树莓派中，聚焦镜头，利用摄像头采集图像，通过树莓派进行图像处理测试，确定传感器位置，并将数据通过ARM-LPC1768在液晶屏上显示，检测采集数据是否正常，是否能得到传感器位置及输入信号信息。

2、测试条件与仪器

硬件条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的数字毫伏表、模拟示波器、数字示波器、信号发生器、数字万用表，指针式表。

3、测试结果及分析

测试结果（数据）

测试分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

1.传感器实现了在不同区域，测量电路能正确判断所在位置。

2.测量电路能够接收并显示LED控制电路发送的数字信号。

3.测量电路接收的LED发送的语音信号在规定条件下无明显失真。

4.整套装置功率可以控制在5W以内

五、可见光室内定位装置的操作步骤：

定位：接通电源，工作指示灯亮，按下复位键，将传感器模块放置在待测位置，按下定位功能按钮，显示屏显示坐标；

通信：接通电源，工作指示灯亮，按下复位键，将要传输的信号接入高频信号采集模块，将传感器放置在待测位置，按下通信功能按钮，可从扬声器进行播放或从信号输出端口进行输出。

Claims

1.一种可见光室内定位装置，其特征在于：该装置包括LED控制系统和测量系统；LED控制系统包括高频信号采集模块、第一单片机ARM-LPC1768、LED控制模块及第一电源模块；高频信号采集模块包括信号输入端口、第一放大器，LED控制模块包括LED光源及第二放大器；所述测量系统包括位置传感器模块、信号传感器模块、第二单片机ARM-LPC1768及第二电源模块；位置传感器模块包括摄像头、树莓派，信号传感器模块包括硅光电池、第三放大器、第四放大器、比较器及信号输出端口；所述信号输入端口通过导线与第一放大器连接，第一放大器、第一单片机ARM-LPC1768、第二放大器及LED光源依次通过导线连接；所述摄像头、树莓派、第二单片机ARM-LPC1768依次通过数据线连接；所述硅光电池、第三放大器、第四放大器及比较器依次通过导线连接后与第二单片机ARM-LPC1768通过导线连接，第二单片机ARM-LPC1768通过导线与信号输出端口连接；所述LED控制系统和测量系统通过可见光进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于：所述第一放大器和第四放大器为LM6144，第二放大器为LT1210，第三放大器为OP37，所述比较器为Lm393。

3.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于：所述第一电源模块和第二电源模块为LM7805或LM7812。

4.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位装置，其特征在于：所述摄像头为OV4567，硅光电池为VBPW21R。