CN108023640B - 一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，系统包括发射机和接收机，发射机包括嵌入式系统及其外围电路驱动的LED平板灯、接收机为带有CMOS摄像头的移动终端；LED平板灯可将LED点光源发出的光转换成面光源，有利于CMOS摄像头的接收与成像；编码方法采用开关键控调制的39码。本发明所采用的技术基于可见光通信技术，具有配对迅速、安全性好、不易被篡改、成本低廉等优点，是移动支付理想的短距离通信技术，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统。

背景技术

近年来，随着LED照明产业的飞速发展，LED在各行各业得到广泛的应用。与传统的照明光源如白炽灯和节能灯相比，LED不仅功耗小、亮度高，还拥有良好的调制性能。将人眼无法识别的高频信号加载到LED上，催生出了一项新的技术——可见光通信技术。

另一方面，随着智能手机的普及和二维码/条形码等技术的成熟，移动支付由于其便捷高效而越来越收到人们的青睐。虽然二维码/条形码等技术应用成本低、方便快捷，但其安全性不高，依靠公开的解码标准就能将其解码，因而在安全保密要求高的场合面临着信息泄露和被篡改的风险。而目前市面上的智能手机几乎都携带有CMOS摄像头，其曝光方式带来的卷帘效应可以被应用到可见光通信技术上，取代光电二极管作为可见光信号的接收器，从而大大提高了可见光通信技术的普及成本和使用价值。

目前的可见光通信技术常采用LED灯珠作为信号发射源，而LED灯珠发光过于集中，在CMOS摄像头上会产生局部过曝光的现象，从而给解码带来较大的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，本发明基于可见光通信技术，具有配对迅速、安全性好、不易被篡改、成本低廉等优点，具有广阔的市场应用前景。可以实现低误码率的可见光通信，是移动支付理想的短距离通信技术。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，包括：发射机和接收机；发射机包括稳压电源、升压电路、降压电路、嵌入式系统、LED驱动电路以及LED平板灯；接收机为带有CMOS摄像头的移动终端；发射机和接收机依次级联，构成完整的VLC系统。

优选的，稳压电源通过升压电路对LED驱动电路供电，同时通过降压电路向嵌入式系统供电；嵌入式系统对传输数据进行调制，通过GPIO接口向LED驱动电路输出模拟电压信号，模拟电压信号通过LED驱动电路上的DD311芯片可以转化为适合LED驱动的电流信号，电流信号驱动LED平板灯发送可见光信号。

优选的，所述的LED平板灯采用侧入式平板灯，光输出光强度分布均匀并且无亮点或暗点。

优选的，带有CMOS摄像头的移动终端通过其内部的CMOS图像传感器接收可见光信号并将其转化为电信号，从而可以在移动终端内部对信号进行解调得到原始的数据。

优选的，上述可见光通信系统的编码采用OOK调制+39码的编码方法，将需要发送的数据按39码的编码方式编码成为条纹，从而利用发射机将调制后的条纹发射。

具体的，发射过程包括以下步骤：

步骤1、嵌入式系统先进行初始化，打开计时器并将用到的GPIO口置1；

步骤2、检测第一个要输出的字符的条纹，若是宽条纹则将GPIO取反后延时3个时间单位，若是窄条纹则将GPIO取反后延时1个时间单位；

步骤3、检测完第一个条纹后，获取第二个条纹，重复步骤2，直到检测到字符间间隔时，将GPIO取反后延时2个时间单位；

步骤4、重复步骤2和步骤3，发送一个周期内的字符，直到整个字符串输出完毕，GPIO取反后延时4个时间单位。

优选的，若摄像头采集的是图片，则循环输出同一个字符串；若摄像头采集的是图片，则以1/30秒为一个周期强制更换一次字符串，周期内仍然输出同一个字符串。

优选的，上述可见光通信系统的解码方法具体包括以下步骤：

步骤1、带有CMOS图像传感器的移动终端获取CMOS图像传感器获得的一帧图像，截取竖向长条状的样品并将其灰度化，通过维纳滤波、一维均值滤波进行降噪处理，再将其转化为灰度制的一维矩阵，即可得到该图像携带的可见光通信信号的波形；

步骤2、对步骤1得到的可见光通信信号的波形进行波形矫正，使其最大值接近255，最小值接近0；进一步的，由于带有CMOS图像传感器的移动终端的摄像头的得到的图像亮度从中心向四周递减并且递减符合二次函数规律，拟合出该二次函数曲线作为条纹亮暗的判定标准；当波形大于曲线时，判定为亮，否则判定为暗，从而还原出条形码；

步骤3、还原出条形码之后，自左向右测量各条纹的宽度，按条纹的顺序记录各条纹的宽度，得到条纹宽度数据；可以看到条纹的宽度可以分为4种：宽度最大的是离群点，代表字符起始/末尾的空白区，其次是代表宽条纹的点，宽度最小的是代表窄条纹的点，宽度介于宽条纹和窄条纹之间的点代表的是字符之间的间隔；每两个离群点之间时一个周期；

步骤4、对于所述的条纹宽度数据，当检测到第一个离群点后，自左向右读取9个点的宽度数据；再将这9个数据按宽度值从大到小进行排列，其中最大的3个标记为1，其余6个标记为0，从而将条纹宽度数据转化为二进制数据，再根据39码的编码方式即可求得该9位二进制数据所代表的字符；

步骤5、编译完第一个字符后，跳过字符之间的间隔，再重复步骤4，直到检测到下一个离群点结束。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明创新性地将39码编码方法应用于利用平板灯与手机摄像头的光条形码生成与识别技术，大大提高了系统的稳定性。

(2)本发明利用智能手机摄像头CMOS自带的卷帘快门的果冻效应和行像素曝光时间重叠效应将可见光信号转化为一帧帧亮暗相间的条纹画面，从而对39码进行解调。而CMOS图像传感器早已被广泛应用于目前的市面上的手机摄像头，再辅以相应的移动端应用软件，这非常有利于本发明的实际应用。

(3)本发明采用侧入式平板灯作为可见光信号发射源，避免了局部过曝光给解码带来的难题，并且比起普通LED灯灯光分布更为均匀，而不会后者一样刺眼，实用性更强。

附图说明

图1为实施例发射机各部分的连接图。

图2为实施例基于STM32的编码和信号发送流程图。

图3为实施例解码流程图。

图4为实施例可见光通信系统整机概念图。

图5为实施例波形还原过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于手机摄像头和平板灯的可见光通信系统，包括发射机和接收机。所述的发射机包含稳压电源、升压电路、降压电路、嵌入式系统、LED驱动电路以及LED平板灯；所述的接收机为带有CMOS摄像头的移动终端，包含CMOS图像传感器。所述的发射机和接收机依次级联，构成完整的VLC(Visible Light Communication)系统。所述的嵌入式系统向LED平板灯发送经过39码(39码是一种利用条纹宽窄来记录二进制数据的条形码)和OOK调制的信号，所述LED平板灯向带有CMOS图像传感器的手机摄像头发送可见光信号，所述CMOS图像传感器利用其卷帘快门将可见光信号转化为条形码，通过解码可得到传输的数据。

稳压电源通过升压电路对LED驱动电路供电，同时通过降压电路向嵌入式系统供电。嵌入式系统对传输数据进行调制，通过GPIO接口向LED驱动电路输出模拟电压信号，模拟电压信号通过LED驱动电路上的DD311芯片可以转化为适合LED驱动的电流信号，电流信号驱动LED平板灯发送可见光信号。

LED平板灯采用侧入式平板灯，其特殊结构使得光输出光强度分布均匀并且无亮点或暗点。

带有CMOS摄像头的移动终端通过其内部的CMOS图像传感器接收可见光信号并将其转化为电信号，从而可以在移动终端内部对信号进行解调得到原始的数据。所述的CMOS图像传感器由于其数据读取方式为逐行读取，当可见光信号的变化较快时，就会在图像上产生亮暗相间的条纹，利用开关键控调制的39码的解码方式，就能还原出传输的数据。

如图1所示。首先，利用STM32对信号进行39码和OOK调制。由于DD311具有恒流驱动功能，而本实施例所采用的LED灯具在额定电流下需要的电压为13.5V，故输入DD311的电压可以取大于13.5V，小于DD311耐压值36V之间的任意值，在本实施例中选取为15V，该电压由升压电路来提供。STM32系统需要的工作电压为3.3V，该电压由降压电路提供。考虑到升压模块中采样电路的特殊要求，在此将降压模块级联在升压模块的输出端，避免相互干扰使电路功能异常。降压电路输出的3.3V电压通过一个2.2kΩ电阻后接入到DD311电路的参考电流输入端，提供大小为1.5mA的参考电流。STM32系统输出电压幅值为3.3V的电压调制信号，经过DD311芯片放大后成为电流最大值为150mA的电流驱动信号接入到LED平板灯。电流驱动信号驱动LED平板灯发送可见光信号，可见光信号传输到达接收端后，由手机摄像头的CMOS图像传感器接收并转化为图像输出。摄像头的曝光时间设定为1/20000s，ISO为800。

一种基于上述系统实现的编码与解码方法。

如图2所示为STM32中的发射程序流图。在本实施例中，以字‘S’(对应的二进制数据为{001000110})为例说明编码和解码流程。

1、首先，STM32先进行初始化，打开计时器并将用到的GPIO口置1。

2、程序检测第一个要输出的字符的条纹，字符‘S’第一个条纹为窄条纹，则将GPIO取反后延时1个时间单位。

3、检测完第一个条纹后，获取第二个条纹，字符‘S’39码第二位对应的是窄条纹，则将GPIO取反后延时1个时间单位。检测第三个条纹对应为宽条纹则将GPIO取反后延时3个时间单位，重复此步骤直到检测到字符间间隔时，将GPIO取反后延时2个时间单位，完成字符‘S’的编码和输出。

4、重复上述两步，发送一个周期内的字符，直到整个字符串输出完毕，GPIO取反后延时4个时间单位。

若摄像头采集的是图片，则循环输出同一个字符串；若摄像头采集的是视频，则以1/30秒为一个周期强制更换一次字符串，周期内仍然输出同一个字符串。

如图3所示为手机端的解码流程图。

1、首先，手机的处理器获取摄像头拍摄到的一帧图像，截取竖向长条状的样品并将其灰度化，通过维纳滤波、一维均值滤波进行降噪处理，再将其转化为灰度制的一维矩阵。

2、如图5所示，将得到的波形进行校正，使其最大值接近255，最小值接近0。由于所述的带有CMOS图像传感器的移动终端的摄像头的暗角效应，拍摄的得到的图像亮度从中心向四周递减并且递减符合二次函数规律，因而需要拟合出该二次函数曲线作为条纹亮暗的判定标准。当波形大于曲线时，判定为亮，否则判定为暗，从而还原出条形码。再将拟合得到的二次函数曲线用于判定条纹的亮暗，从而还原出字符‘S’对应的39码条纹(图5中对应的前面一小段条纹)。

3、进还原出条形码之后，自左向右测量各条纹的宽度，按条纹的顺序记录各条纹的宽度，得到条纹宽度数据。可以看到条纹的宽度可以分为4种。宽度最大的是离群点，代表字符起始/末尾的空白区，其次是代表宽条纹的点，宽度最小的是代表窄条纹的点，宽度介于宽条纹和窄条纹之间的点代表的是字符之间的间隔。每两个离群点之间时一个周期。

当检测到第一个离群点后，自左向右读取9个点的宽度数据，读取结果为{6,6,15,7,5,6,16,16,6}。再将这9个数据按宽度值从大到小进行排列，结果为{16,16,14,7,6,6,6,6,5}。其中最大的3个标记为1，其余6个标记为0，从而将条纹宽度数据转化为二进制数据：{001000110}，再根据39码的编码方式即可求得该9位二进制数据所代表的字符为‘S’。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，其特征在于，包括：发射机和接收机；发射机包括稳压电源、升压电路、降压电路、嵌入式系统、LED驱动电路以及LED平板灯；接收机为带有CMOS摄像头的移动终端；发射机和接收机依次级联，构成完整的VLC系统；

所述的LED平板灯采用侧入式平板灯，光输出光强度分布均匀并且无亮点或暗点；

可见光通信系统的编码采用OOK调制+39码的编码方法，将需要发送的数据按39码的编码方式编码成为条纹，从而利用发射机将调制后的条纹发射；

发射过程包括以下步骤：

步骤A1、嵌入式系统先进行初始化，打开计时器并将用到的GPIO口置1；

步骤A2、检测第一个要输出的字符的条纹，若是宽条纹则将GPIO取反后延时3个时间单位，若是窄条纹则将GPIO取反后延时1个时间单位；

步骤A3、检测完第一个条纹后，获取第二个条纹，重复步骤A2，直到检测到字符间间隔时，将GPIO取反后延时2个时间单位；

步骤A4、重复步骤A2和步骤A3，发送一个周期内的字符，直到整个字符串输出完毕，GPIO取反后延时4个时间单位；

可见光通信系统的解码方法具体包括以下步骤：

步骤B1、带有CMOS图像传感器的移动终端，获取CMOS图像传感器获得的一帧图像，截取竖向长条状的样品并将其灰度化，通过维纳滤波、一维均值滤波进行降噪处理，再将其转化为灰度制的一维矩阵，即可得到该图像携带的可见光通信信号的波形；

步骤B2、对步骤B1得到的可见光通信信号的波形进行波形矫正，使其最大值为255，最小值为0；带有CMOS图像传感器的移动终端的摄像头得到的图像亮度从中心向四周递减并且递减符合二次函数规律，拟合出二次函数曲线作为条纹亮暗的判定标准；当波形大于二次函数曲线时，判定为亮，否则判定为暗，从而还原出条形码；

步骤B3、还原出条形码之后，自左向右测量各条纹的宽度，按条纹的顺序记录各条纹的宽度，得到条纹宽度数据；条纹的宽度分为4种：宽度最大的是离群点，代表字符起始/末尾的空白区，其次是代表宽条纹的点，宽度最小的是代表窄条纹的点，宽度介于宽条纹和窄条纹之间的点代表的是字符之间的间隔；每两个离群点之间是一个周期；

步骤B4、对于所述的条纹宽度数据，当检测到第一个离群点后，自左向右读取9个点的宽度数据；再将这9个点的宽度数据按宽度值从大到小进行排列，其中最大的3个标记为1，其余6个标记为0，从而将条纹宽度数据转化为9位二进制数据，再根据39码的编码方式即可求得该9位二进制数据所代表的字符；

步骤B5、编译完第一个字符后，跳过字符之间的间隔，再重复步骤B4，直到检测到下一个离群点结束。

2.根据权利要求1所述的基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，其特征在于，稳压电源通过升压电路对LED驱动电路供电，同时通过降压电路向嵌入式系统供电；嵌入式系统对传输数据进行调制，通过GPIO接口向LED驱动电路输出模拟电压信号，模拟电压信号通过LED驱动电路上的DD311芯片可以转化为适合LED驱动的电流信号，电流信号驱动LED平板灯发送可见光信号。

3.根据权利要求1所述的基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，其特征在于，带有CMOS摄像头的移动终端通过其内部的CMOS 图像传感器接收可见光信号并将其转化为电信号，从而可以在移动终端内部对信号进行解调得到原始的数据。

4.根据权利要求1所述的基于平板灯和移动终端摄像头的可见光通信系统，其特征在于，若摄像头采集的是图片，则循环输出同一个字符串；若摄像头采集的是视频，则以1/30秒为一个周期强制更换一次字符串，周期内仍然输出同一个字符串。