CN108631868A - 一种用于动态可见光通信的动态检测方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于动态可见光通信的动态检测方法及其系统，该方法基于脉冲编码调制技术，在传输中实现传输由光电检测器接收的高速脉冲编码调制通讯信号和由图像传感器接收的低速脉冲编码调制跟踪信号这两种信号，实现对可见光信号源的自动识别追踪和稳定通讯。该系统包含发射子系统，传输子系统和接收子系统，其中，发射子系统基于脉冲编码调制技术，在传输中实现传输上述两种信号，接收子系统基于图像传感器和光电检测器以及电机控制器，使用图像传感器搜寻和检测低速脉冲编码调制跟踪信号以识别可见光信号源，将安装于电机云台上的光电检测器对准可见光信号源，实现通讯信号的接收。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通讯以及可见光灯具追踪技术领域，具体涉及一种用于动态可见光通信的动态检测方法及其系统。
背景技术
近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明技术迅速发展。与传统的白炽灯等照明光源相比，LED具有低功耗、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。与此同时，LED更具有调制性能好、响应灵敏度高等优势。将信号以人眼无法识别的高频加载到LED上进行传输，进而催生出一门能够实现照明与通信一体化的技术——可见光通信。
与传统的红外和无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和信息的保密性等优点。然而，可见光通信中仍然面临着不少的问题，其中一个挑战便是可见光通讯的实现，很大程度上依赖于对发送信号的灯具的准确的追踪和对信号的持续接受。这也是目前可见光通讯领域着重解决的一个问题。
可见光通讯上有两种类型的接收器。第一种类型是光电二极管(光电检测器)，另一种类型是图像传感器，其中包含许多光电二极管。光电检测器的好处是，与图像传感器相比，它可以接收更高的速度数据，几百MHz到几个GHz。而图像传感器的帧率只有几百到上千fps(帧率)最大值。因此，图像传感器只能接收百bps(比特每秒)到千bps数据。另一方面，在相同的视场下，光电检测器更受背景噪声的影响。因为所有的背景噪音，如道路灯、阳光、照明都收到了期望的信号，并同时处理。而另一方面，图像传感器将它们细分为像素以减轻其影响。因此，光电传感器的视场必须缩小，以减少背景噪音。当我们使用窄视场的光电检测器时，通信范围变得更短。因此，光电检测器和图像传感器也有各自的问题。
因此，极有必要发明一种自动化的可见光通讯系统，将图像传感器和光电检测器相结合，既可以快速搜寻可见光信号源，又可以在运动中实现对可见光信号源的可靠追踪，以实现高速稳定的可见光通讯。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种用于动态可见光通信的动态检测方法及其系统。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种用于动态可见光通信的动态检测方法，所述的动态检测方法包括以下步骤：
S1、LED灯具传输一种由高速脉冲编码调制通讯信号和低速脉冲编码调制跟踪信号调制而成的综合可见光波形信号；
S2、图像传感器的一个或多个像素接收并识别来自LED灯具的低速脉冲编码调制跟踪信号；
S3、在跟踪信号接收像素之间选择中心像素，并将其坐标传递给电机控制器；
S4、电机控制器控制水平和垂直的电机，使得安装在云台上的光电检测器准确稳定地跟踪可见光信号源，使得可见光信号源处在信号接收视场内；
S5、光电检测器接收来自LED灯具的高速脉冲编码调制通讯信号。
进一步地，所述的综合可见光波形信号的生成方法是改变信号调制深度，在平均传输光功率恒定的条件下，根据以下公式来调制：
进一步地，所述的步骤S3中通过增大图像传感器的分辨率来减小入射图像传感器光线在成像平面上的投影到像素然后再计算坐标过程中产生的内部角度误差。
进一步地，所述的步骤S4包括：
S401、电机控制器根据像素传递的X和Y坐标计算移动角度；
S402、使用电机控制器控制水平和垂直的电机，使得安装在云台上的光电检测器准确稳定地跟踪可见光信号源，使得可见光信号源处在信号接收视场内。
进一步地，所述的步骤S5中光电检测器接收的通讯信号由如下公式表示：
其中，可接收信号的单位为bit，长度的表示公共服务范围的服务半径，单位为m，数据速率表示光电检测器接收的通信信号的数据速率，单位为bit/s,相对速度代表信号源和接收设备的相对速度，单位为m/s。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种用于动态可见光通信的动态检测系统，所述的动态检测系统包括发射子系统和接收子系统，其中，所述的发射子系统包括LED驱动电路和COB封装LED灯具，数据通过LED驱动电路输入LED灯具进行可见光波形发送；
其中，所述的可见光波形包括由高速脉冲编码调制通讯信号的波形和由低速脉冲编码调制跟踪信号的波形；
所述的接收子系统包括光电检测器、图像传感器、电机控制器、电机以及云台，其中，所述的光电检测器固定在由电机控制的云台上，所述的图像传感器用于在大视场内搜寻和检测低速跟踪信号以识别可见光信号源，所述的电机控制器的两端分别与图像传感器和电机相连，根据可见光信号源的识别结果对相连的电机进行控制，将安装于云台上的光电检测器对准可见光信号源，从而实现通讯信号的接收。
进一步地，所述的图像传感器用于搜寻和检测低速脉冲编码调制跟踪信号以识别可见光信号源。
进一步地，所述的光电检测器用于接收高速脉冲编码调制通讯信号的波形，实现通讯信号的接收。
进一步地，所述的LED灯具为COB封装。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明基于一种简单的发射子系统和一种灵巧的接收子系统，实现了用于动态可见光通信的动态检测方法，巧妙解决了可见光通讯的信号源自动搜寻、识别、追踪以及对通讯内容的稳定接收方面的技术难点。由于拥有高度自动化的接收子系统、发射子系统可以设计得较为简单，使得该用于动态可见光通信的动态检测系统十分合适在空间中实施广播式的单向的可见光通讯。
2)将该动态检测系统安装于各个不同的平台上，可实现更为自动化的双向的可见光通讯。
附图说明
图1是本发明中高速脉冲编码调制通讯信号的波形和低速脉冲编码调制跟踪信号的波形的调制方法示意图。
图2是本发明中信号源动态检测追踪实现方式和动态检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图2所示，一种用于动态可见光通信的动态检测系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，其中，发射子系统通过LED驱动电路将数据输入COB封装LED灯具中，发出由光电检测器接收的高速脉冲编码调制通讯信号的波形和由图像传感器接收的低速脉冲编码调制跟踪信号的波形调制而成的可见光波形，通过传输子系统将光信号进行有效地传输，最后由接收子系统使用图像传感器在大视场内搜寻和检测低速跟踪信号以识别可见光信号源，并通过有关电子电路控制电机控制器，将安装于电机云台上的光电检测器对准可见光信号源，从而实现通讯信号的接收。
LED灯具传输一种由高速脉冲编码调制通讯信号和低速脉冲编码调制跟踪信号调制而成的综合信号。
传输信号的可见光波形由两种波形组成：由光电检测器接收的高速脉冲编码调制通讯信号的波形和由图像传感器接收的低速脉冲编码调制跟踪信号的波形。如图1，展示了LED的信号传输波形，其由上述两种波形组成。这两种波形决定了其最终波形的高电平和低电平。波形1决定了高电平，而波形2决定了低电平。
传输信号的生成方法是改变信号调制深度，在平均传输光功率恒定的条件下，根据以下公式来调制：
如图1，调制深度不同，其波峰振幅也不同，100％调制下的波峰振幅明显高于10％调制下的波峰振幅。
如图2，图像传感器的一个或多个像素接收并识别来自LED灯具的如图1所示的低速跟踪信号，识别出可见光信号源灯具。
如图2在可见光信号源的跟踪信号接收像素之间选择中心像素，并将其坐标传递给电机控制器。这个过程中会产生一种内部角度误差，是入射图像传感器光线在成像平面上的投影到像素然后再计算坐标过程中产生的误差，即像素化后的像素中心点偏离了本来的信号源中心点。这种误差可以通过增大图像传感器的分辨率来减小，因为很显然，分辨率的增加，会让更多的像素参与到对信号源的定位，这样就有利于减小这种误差。
如图2，电机控制器根据像素的传递的X和Y坐标计算移动角度，并使用电机控制器控制水平和垂直的电机，使得安装在电机云台上的光电检测器可以准确稳定地跟踪可见光信号源，使得可见光信号源处在信号接收视场内。这个过程中会产生一种位置角度误差，是由于图像传感器和光电检测器的安装位置的不同而造成的，图像传感器传递的中心坐标在光电检测器上不一定是最中心的点，甚至有可能没有检测到光源。这种误差可以通过尽可能使得二者的安装位置相接近来减小，距离越小，这种误差就越小。同时，这种误差还可以通过测定各个方向上的这种误差，在软件层面对这个移动角度进行补偿。另外，还有一种方法是可以让光电检测器围绕所传递过来的中心坐标周边的一小块区域进行进一步的探测，当信号强度最大时，即为对准成功。
光电检测器检测出来自LED灯具的高速脉冲编码调制通讯信号。然后，将接收到的高速脉冲编码调制通讯信号还原为所需要的数字化的通讯内容。
实际应用中，将接收信号的信噪比可以达到一定阈值的范围称为公共服务范围。如果调制深度变得更高，跟踪服务范围将变得更长。这是因为较低的调制深度导致跟踪信号减少。然而，如果调制深度变得更低，通信服务范围变得更大。这是因为，如图1，调制深度越低波形2的光功率就越高，光功率总是比相位低。
所接收的信息可以用如下公式表示：
长度表示公共服务范围的长度(或者说是服务半径)，数据表示光电检测器接收的通信信号的数据速率，速度代表信号源和接收设备的相对速度。
实施例二
一种基于双重调制技术的可见光通信系统，包括：发射子系统、传输子系统和接收子系统。
其中，发射子系统通过LED驱动电路将数据输入COB封装LED灯具中，发出可见光，通过传输子系统将光信号进行有效地传输，最后由接收子系统使用图像传感器在大视场内搜寻和检测低速跟踪信号以识别可见光信号源，并通过有关电子电路控制电机控制器，将安装于云台上的光电检测器对准可见光信号源，从而实现通讯信号的接收。
其中，发射子系统由LED驱动电路、LED灯具组成，LED驱动电路由电容与电感等电学元件组成，LED灯具的LED芯片通过COB封装技术封装在PCB板上。其中，传输子系统为自由空间。其中，接收子系统由光电检测器、前置放大电路、后置放大电路、ADC模数转换器、图像传感器，电机、电机控制器、云台等组成。前置放大电路、后置放大电路、ADC模数转换器、电机控制器由电容与电感等电学元件组成，光电检测器和图像传感器由光电二极管以及电容与电感等电学元件组成，光电检测器安装于云台上，云台安装于电机上，电机由电机控制器实现控制。
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 (9)
1.一种用于动态可见光通信的动态检测方法，其特征在于，所述的动态检测方法包括以下步骤：
S1、LED灯具传输一种由高速脉冲编码调制通讯信号和低速脉冲编码调制跟踪信号调制而成的综合可见光波形信号；
S2、图像传感器的一个或多个像素接收并识别来自LED灯具的低速脉冲编码调制跟踪信号；
S3、在跟踪信号接收像素之间选择中心像素，并将其坐标传递给电机控制器；
S4、电机控制器控制水平和垂直的电机，使得安装在云台上的光电检测器准确稳定地跟踪可见光信号源，使得可见光信号源处在信号接收视场内；
S5、光电检测器接收来自LED灯具的高速脉冲编码调制通讯信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于动态可见光通信的动态检测方法，其特征在于，所述的综合可见光波形信号的生成方法是改变信号调制深度，在平均传输光功率恒定的条件下，根据以下公式来调制：
3.根据权利要求1所述的一种用于动态可见光通信的动态检测方法，其特征在于，所述的步骤S3中通过增大图像传感器的分辨率来减小入射图像传感器光线在成像平面上的投影到像素然后再计算坐标过程中产生的内部角度误差。
4.根据权利要求1所述的一种用于动态可见光通信的动态检测方法，其特征在于，所述的步骤S4包括：
S401、电机控制器根据像素传递的X和Y坐标计算移动角度；
S402、使用电机控制器控制水平和垂直的电机，使得安装在云台上的光电检测器准确稳定地跟踪可见光信号源，使得可见光信号源处在信号接收视场内。
5.根据权利要求1所述的一种用于动态可见光通信的动态检测方法，其特征在于，所述的步骤S5中光电检测器接收的通讯信号由如下公式表示：
其中，可接收信号的单位为bit，长度的表示公共服务范围的服务半径，单位为m，数据速率表示光电检测器接收的通信信号的数据速率，单位为bit/s,相对速度代表信号源和接收设备的相对速度，单位为m/s。
6.一种用于动态可见光通信的动态检测系统，其特征在于，所述的动态检测系统包括发射子系统和接收子系统，其中，所述的发射子系统包括LED驱动电路和COB封装LED灯具，数据通过LED驱动电路输入LED灯具进行可见光波形发送；
其中，所述的可见光波形包括由高速脉冲编码调制通讯信号的波形和由低速脉冲编码调制跟踪信号的波形；
所述的接收子系统包括光电检测器、图像传感器、电机控制器、电机以及云台，其中，所述的光电检测器固定在由电机控制的云台上，所述的图像传感器用于在大视场内搜寻和检测低速跟踪信号以识别可见光信号源，所述的电机控制器的两端分别与图像传感器和电机相连，根据可见光信号源的识别结果对相连的电机进行控制，将安装于云台上的光电检测器对准可见光信号源，从而实现通讯信号的接收。
7.根据权利要求6所述的一种用于动态可见光通信的动态检测系统，其特征在于，所述的图像传感器用于搜寻和检测低速脉冲编码调制跟踪信号以识别可见光信号源。
8.根据权利要求6所述的一种用于动态可见光通信的动态检测系统，其特征在于，所述的光电检测器用于接收高速脉冲编码调制通讯信号的波形，实现通讯信号的接收。
9.根据权利要求6所述的一种用于动态可见光通信的动态检测系统，其特征在于，所述的LED灯具为COB封装。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181009 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |