CN111614399B

CN111614399B - 智能终端之间的可见光高速通信方法

Info

Publication number: CN111614399B
Application number: CN202010320921.1A
Authority: CN
Inventors: 梁晓祯; 高佳锐; 白永林; 王博
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN111614399A

Abstract

本发明涉及一种可见光通信方法，具体涉及智能终端之间的可见光高速通信方法，用于智能手机之间的可见光通信。解决智能终端可见光通信存在的数据传输速率低的问题，发送时，将发送数据按特定编码进行调制成闪光灯驱动控制信号，通过LED驱动芯片控制闪光灯发送可见光信号；接收时，摄像头或者其他光感器件接收可见光信号，并将信号进行解调和分析。该方法中，采用多个红绿蓝三色LED闪光灯的多值发送模式和/或多个摄像头接收数据，可以极大地提升智能终端之间的可见光通信速率，很好的解决数据的安全性问题，同时可减少部分硬件成本。

Description

智能终端之间的可见光高速通信方法

技术领域

本发明涉及一种可见光通信方法，具体涉及智能终端之间的可见光高速通信方法。

背景技术

可见光通信是近年来发展起来的新型通信方式，通过灯光的明暗传输信息。可见光通信可以代替无线网络来发送或者接收信号，速率可达到每秒几十兆到几百兆，还可以借助已有的照明系统或者照明设备建立网络，并且具有信号覆盖局域性的特点，在局域网内具有非常好的保密性。

现在智能终端的普及率已经非常高，智能终端之间的数据传输也越来越频繁。传统的智能手机之间的无线数据传输主要依靠蓝牙、WIFI等技术，这些传输方式的保密性差，很容易被窃听或者盗取，并且还需要专门的蓝牙、WIFI芯片和相关的天线。利用智能手机现有的闪光灯和摄像头进行数据或者命令传输，可以很好的解决数据的安全性，同时可减少部分硬件成本。但是目前此类数据或者命令传输方式没有得到普遍应用，且支持该模式的可见光通信的智能手机非常少，其中很大的一个原因就是数据传输速率低。

发明内容

本发明的目的是解决智能终端可见光通信方法存在数据传输速率低的技术问题，基于目前常用的配置和模块，提供了一种智能终端之间的可见光高速通信方法。

本发明所采用的技术方案是：一种智能终端之间的可见光高速通信方法，包括利用发送终端实现的数据发送过程和利用接收终端实现的数据接收过程，其特殊之处在于：所述发送终端包括n个红绿蓝三色闪光灯，其中n为大于等于1的正整数；所述接收终端包括至少1个光感器件；

所述数据发送过程包括：

1a)发送终端接收到发送命令后，与接收终端之间进行位置调整和数据校准，并使发送终端n个红绿蓝三色闪光灯发送数据的频率与接收终端光感器件成像的帧率保持一致；

还包括亮度校准：先将n个闪光灯的RGB都分别输出最大亮度和最小亮度，并持续设定时间；

2a)将待发送数据划分为3n路数据进行传输，并将每路数据分别转换成每个闪光灯每种颜色对应的驱动信号，对各驱动信号分别进行编码；

按每个闪光灯每种颜色的亮度等级进行编码：将每个闪光灯每种颜色的亮度分为2^m个等级，对每个亮度等级分别进行编码，每一个等级的亮度代表一个m bit的数值，其中m为大于等于2的正整数；

3a)将编码数据调制成驱动各闪光灯对应的PWM控制信号；

4a)将调制后的PWM控制信号发送给闪光灯驱动芯片，转换成闪光灯控制信号；

5a)闪光灯控制信号控制闪光灯发送可见光信号，完成数据发送；每个闪光灯一次完成3bit数据的发送；

所述数据接收过程包括：

1b)接收终端接收数据之前，与发送终端之间进行位置调整和数据校准，并使接收终端光感器件成像的帧率与发送终端n个红绿蓝三色闪光灯发送数据的频率保持一致；

还包括亮度校准：在发送终端输出最大亮度时，接受终端将该最大亮度定义为标准亮度值，并将最大亮度与最小亮度之间分成2^m个等级，每一个等级的亮度对应一个m bit的数值，得到亮度等级标准；

2b)光感器件接收可见光信号；

3b)从接收的可见光信号解析出闪光灯的每个颜色所传输的数据值；将接收的可见光信号亮度与亮度等级标准进行比较，解析出该亮度代表的数值；

4b)若n等于1，将解析得到的3路数据直接读出，并保存到相应的存储设备中，完成数据的传输；

或者若n大于1，将解析得到的各路数据重新融合，并保存到相应的存储设备中，完成数据的传输。

进一步地，为了提高数据的接收速率，所述光感器件为2个以上，步骤2b)中，各光感器件分时接收可见光信号。

进一步地，为了充分利用现有智能终端的硬件设备，所述接收终端的光感器件为2个摄像头。

进一步地，为了充分利用现有智能终端的硬件设备，所述n等于2。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用智能终端现有的闪光灯和摄像头进行数据或者命令传输，利用红绿蓝三色闪光灯可以拓宽发送端发送数据的带宽，而利用多个亮度等级来传输数据能进一步提升发送数据的带宽和数据传输速率，可以很好的解决数据的安全性，同时可减少部分硬件成本；

(2)本发明可以利用多个摄像头分时完成数据采样，提高数据的接收速率；

(3)本发明可以极大地提升智能手机的可见光传输速率，进一步推进手机之间可见光通信技术的进一步发展，有利于支持可见光通信手机的快速量产。

附图说明

图1是本发明中n个闪光灯数据发送过程的原理框图；

图2是本发明实施例一中采用红绿蓝三色闪光灯的通信方法原理框图；

图3是本发明实施例二中采用闪光灯不同亮度等级的多值发送模式的通信方法原理框图；

图4是本发明实施例三中采用3个摄像头接收数据的通信方法原理框图；

图5是本发明实施例四中的通信方法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为了能促进智能终端可见光通信的发展，本发明提出一系列能够提升可见光通信传输速率的方法。这些提升方法都是基于智能终端现有的模块，实现数据发送和接收：直接用CPU来完成信号调制，利用常用的闪光灯作为信号的发送端，用LED驱动芯片驱动闪光灯。摄像头或者其他光感器件接收到可见光信号后，将数据发送给CPU完成信号的解调和分析。如果终端上已有的LED驱动芯片和CPU无法满足高速的发送和调制、解调的要求，可以采用专用的芯片来替代。

目前的智能手机为了提高闪光灯的效果，经常采用两颗LED作为闪光灯。基于这种架构的手机，用两颗闪光灯作为两路传输通道，这样就极大地拓宽了数据带宽和传输速率。有些型号的智能手机采用4颗甚至更多的LED闪光灯，这样可以更大地拓宽传输通道。这种方案对数据接收端的要求也并不高，在一定的距离内，保持发送和接收设备相对位置不变，接收端的摄像头或其他感光器件就可以采集LED闪光灯的开关状态来解析出数据。用普通的智能手机做接收端，都可具备相应的识别和解析数据的能力。图1中，可以根据手机的闪光灯数量，设置与之相对应的发送方式，高速开关的n颗闪光灯，一次可以完成n位数据发送，其中n为大于等于1的正整数。

以下实施例以智能手机为例进行说明，在其他实施例中可以是包括闪光灯与摄像头的任何智能终端。

实施例一

采用红绿蓝三色LED闪光灯，既可以丰富手机的拍照效果，又给可见光通信提供了更多的通道。本实施例通过红绿蓝三色LED闪光灯发送数据，每一种颜色对应一个bit(一位数据)，一次完成了3位数据的传输，这样数据的传输速率可以提高到8倍。目前手机上常用的摄像头，都是基于RGB采样的传感器(sensor)，本身就支持红绿蓝三种颜色光信号的一起采集，并且这样还节省了很多摄像头数据处理的工作，同时可以提高数据接收和处理的速率。图2中，采用红绿蓝三色LED闪光灯，同时发出红绿蓝三种颜色的可见光。红色、绿色、蓝色分别代表一个bit，这样一次就可以完成3bit数据的发送。作为接收端，摄像头只需要一颗即可实现，摄像头一次可以采集三种颜色的光强信息，一次读出3bit数据。对于数据来说，传统的成像是将RGB三色的数据进行融合，而作为光通信的接收端，CPU只需要把三种颜色的数据直接读出即可，还可以减少一部分数据处理的工作。

在其它实施例中，可以采用n个红绿蓝三色LED闪光灯，一次可以完成3n位数据发送。

实施例二

采用目前的可见光通信技术中只通过强弱来传输数据，如强光为1，弱光为0(或强光为0，弱光为1)，使得手机的闪光灯传输速率会受到很大限制。因此，本实施例采用不同的光强度来代表不同的数据，可以实现数据带宽的扩展，极大地提高传输速率。如将光强度分为16个等级，这样一次可以完成4位数据的发送，相当于将传输速率提高到16倍。如果闪光灯驱动芯片和接收端的光感芯片的精度足够高，可以将光强度划分为更多的等级，进而采用这种多值传输方式，将传输速率提到更高的与之相对应的倍数。

图3给出了采用闪光灯不同亮度等级的多值发送模式，首先进行光源亮度的校准，闪光灯先发送一个标准的最大亮度和最小亮度的光信号，摄像头进行精确采样，将其作为基准光源亮度值，完成校准，然后闪光灯开始发送数据。图中所示光源分为16个等级，实际可以根据闪光灯和摄像头的具体参数进行等级的调整。闪光灯发送可见光信号后，摄像头先收集可见光信号，然后与基准光源亮度值进行比较，解析出该亮度代表的数据值，完成数据的解调操作。如图中所示，16等级的光源可以一次完成4bit数据的传输，将传输速率提升到传统传输速率的16倍。如果系统可以支持2^m个等级的光发送和接收，那么一次就可以完成m位数据的传输。

实施例三

本实施例可以利用三个摄像头同时接收数据，提高数据的接收速率。采用摄像头作为接收端时，摄像头的帧率是限制传输速率的一个重要因素。目前常用的手机的帧率基本为每秒60帧，高端一些的手机能支持到240帧。针对这个问题，第一，可以降低摄像头的像素，释放出更多的GPU资源，进一步提升帧率和数据处理速率；第二，采用多颗摄像头来一起采样，可以将接收速率提高对应倍数。图4中给出了三颗摄像头并联采样的数据接收模式，闪光灯以3倍采样频率发送数据，三个摄像头分时完成数据采样。摄像头1采集第一个周期的数据，摄像头2延迟一个周期再进行采样，采集第二个周期的数据；摄像头3延迟二个周期再进行采样，采集第三个周期的数据。因为摄像头采样的速率本来就有限，所以充分利用各个摄像头，可以极大地提升数据采集的速率。采用3颗摄像头分时采样的模式，可以把数据接收速率提高到2³倍。

在其它实施例中，可以采用x个摄像头分时采样的模式，可以把数据接收速率提高到2^x倍。

实施例四

目前很多智能手机有两颗及两颗以上的闪光灯，和两颗甚至两颗以上的摄像头，这样可以充分利用现有的硬件提升速率。基于已经有的硬件配置，完全可以融合上述实施例提到的提高速率的方法，从而极大地提升数据的传输速率。数据发送时，CPU将需要传输的数据，进行编码，通过闪光灯驱动信号控制闪光灯发送数据。采用多颗闪光灯同时发送，优先采用红绿蓝三色LED闪光灯，且闪光灯的亮度等级越多越好，可利用这些方式将数据快速发出。数据接收时，接收端可以采用尽可能多的摄像头分时采样，对于红绿蓝三色LED闪光灯，基于RGB采样的摄像头分别采样红绿蓝三种颜色的光强，识别不同亮度等级光源的对应数值，最后统一将数值发送给CPU进行解析，完成数据的传输。

如图5，本实施例采用两颗红绿蓝三色LED闪光灯作为发送端，光强等级分16个等级，采用两颗摄像头作为接收端，分别采样RGB三种颜色的数据。

数据发送的过程如下：

首先，发送端接收到发送命令后，先将两个闪光灯的RGB六组可见光都调到最大亮度，并持续一段时间，用于接收端与发送端之间的亮度和数据校准。并使得闪光灯发送数据的频率与接收端摄像头成像的帧率保持一致。

其次，将准备发送的数据，分成六个部分，转换成闪光灯的驱动信号，分别通过两个闪光灯中的RGB驱动进行编码。并将每个闪光灯每种颜色的亮度分为16个等级，对每个亮度等级分别进行编码，每一个等级的亮度代表一个4bit的数值，一颗闪光灯的一个颜色的光一次传输4bit数据；CPU将这六部分数据调制成为闪光灯驱动的PWM控制信号，发送给闪光灯驱动芯片，而闪光灯亮度可以通过PWM信号的占空比来调节。

数据接收的过程如下：

首先，调整好两个智能手机的相对位置，摄像头与所采集的闪光灯的位置相对应。

其次，完成采样前的数据校准，在所采集的图片中，选取正对闪光灯的一定大小的区域为数据有效区域。在发送端输出最大亮度时，接收端将该最大亮度作为标准亮度值，并将最大亮度与最小亮度之间分成16等级，构建亮度等级标准，每一个亮度代表一个4bit的数据，最大亮度代表二进制的1111，第二亮度代表1110，依次类推，最小亮度代表二进制的0000。

然后，开始采集数据，CPU收到摄像头采集的图像后，用校准得到的亮度等级标准，与选定区域的实际亮度值相比较，解析出每个闪光灯每种颜色所传输的数据值。

最后，接收端的CPU将采集到六组数据重新融合，再保存到相应的存储设备中，完成数据的传输。

该方法基于市面常见的智能手机配置，只采用两颗闪光灯、两颗摄像头，一次就可以完成24位数据的传输。

Claims

1.智能终端之间的可见光高速通信方法，包括利用发送终端实现的数据发送过程和利用接收终端实现的数据接收过程，其特征在于：所述发送终端包括n个红绿蓝三色闪光灯，其中n为大于等于1的正整数；所述接收终端包括至少1个光感器件；

所述数据发送过程包括：

3a)将编码数据调制成驱动各闪光灯对应的PWM控制信号；

所述数据接收过程包括：

2b)光感器件接收可见光信号；

2.根据权利要求1所述的智能终端之间的可见光高速通信方法，其特征在于：所述光感器件为2个以上，步骤2b)中，各光感器件分时接收可见光信号。

3.根据权利要求2所述的智能终端之间的可见光高速通信方法，其特征在于：所述接收终端的光感器件为2个摄像头。

4.根据权利要求1或2或3所述的智能终端之间的可见光高速通信方法，其特征在于：所述n等于2。