CN111953417A - 室内可见光通信自动对准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的室内可见光通信自动对准系统，包括有发射端、接收端和白光LED的跟踪单元；发射端是生成原始数据信号，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能。本发明一种室内可见光通信自动对准系统，解决了现有技术中可见光不能自动调整接受方向的问题。本发明还公开了室内可见光通信自动对准方法。

Description

室内可见光通信自动对准系统及方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术技术领域，具体涉及一种室内可见光通信自动对准系统，还涉及一种室内可见光通信自动对准方法。
背景技术
由于当今信息科技水平的限制，人类开发和使用的频谱资源只有总资源的68％，并且10GHz的频谱由于其使用广泛，已接近枯萎，发展空间受限，用频矛盾十分突出，竞争日益激烈。我国《物权法》的第46条至52条，规定电磁频谱具有国防资产的国有属性，列为稀缺的自然资源。英国政府在其颁布的《21世纪的频谱资源管理》白皮书中，明确提出引入频谱定价、频谱拍卖、频谱贸易等手段，据相关资料统计，在1995年至2011年间，美、英、德、法、韩等国为第三代和第四代移动通信网络，所拍卖的频谱价值高达1300亿美元。为了缓解射频频谱资源严重紧缺的问题，使用无需授权认证且比无线频谱带宽高一万倍的可见光频谱，利用环保、低功耗的白光LED来传输信号的可见光通信技术越来越受到科研人员的青睐和重视。但是目前，室内可见光通信系统多采用固定接收方向的方式，移动性和灵活性较差，当接收方向改变时，接收机不能自动校准，从而使系统的通信质量受到影响。这种固定接收方向的通信方式有以下不足：
(1)该接收方式只能获取特定角度范围内的光信号，使用场景受到限制，无法对光源进行识别，不具备通信链路的主动选择能力，无法使系统的通信链路保持稳定。
(2)由于系统的通信性能与接收机和光源的有效接收面积呈正相关，当接收机与光源的相对角度发生变化时，会导致接收机接收到的光强信号变弱，这种固定的接收方式也不能主动的调整接收方向，实现对准光源的跟踪和对准，导致系统的通信质量受到很大的影响。
但对于室内VLC的实用性而言，不应单独注重通信速率，还应该考虑接收移动性和灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种室内可见光通信自动对准系统，解决了现有技术中可见光不能自动调整接受方向的问题。
本发明的第二个目的是提供一种室内可见光通信自动对准方法。
本发明所采用的技术方案是，室内可见光通信自动对准系统，包括有发射端、接收端和白光LED的跟踪单元；
发射端是生成原始数据信号，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；
接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能。
本发明的特征还在于，
发射端包括有依次连接的模拟摄像头、视频编码器、第一以太网卡、第一FPGA、DAC电路、LED驱动电路和白光LED；
模拟摄像头获取原始的视频图像，然后传送到视频编码器将原始的视频图像数据转换成H.264格式的数字信号，转换好的H.264格式的数字信号接着通过网线传输到第一以太网卡，通过第一以太网卡将H.264格式的数字打包成数据帧格式，然后将打包后的数据帧传送给第一FPGA；第一FPGA从第一以太网卡中接收打包后的数据帧，并对其进行四进制差分相移键控调制；DAC电路接收到第一FPGA调制后的数字调制信号后将其转换成模拟调制信号，传送到LED驱动电路；LED驱动电路是将DAC电路输出的模拟调制信号转换为电流信号并用于驱动白光LED发光，生成调制光波信号；白光LED发出的光调制信号传送给接收端，白光LED以灯亮灯灭的形式发送高速明暗闪烁的数据信息，由于闪烁频率高于人眼的分辨力，故肉眼无法察觉到闪烁现象，传输数据时灯亮表示二进制数据“1”，灯灭表示二进制数据“0”；其中，第一FPGA实现下行信号调制以及第一以太网卡和DAC电路驱动。
视频编码器为亿维锐创网络视频编码器，型号为YW6001D；第一以太网卡的型号为DM9000。
接收端包括有依次连接的PIN光电探测器、光电接收电路，ADC电路，第二FPGA，第二以太网卡以及信宿；
光电接收电路驱动PIN光电探测器接收白光LED发出的光调制信号，并将其转换成电流信号，经过光电接收电路的滤波和放大处理后转换成可识别的电压信号，ADC电路接收光电接收电路生成的电压信号，通过设置采样周期将其转换成数字信号，并发送到第二FPGA；第二FPGA对接收到的数字信号进行极性Costas环解调，恢复出原始的数据信号，由第二以太网卡通过网线发送给信宿，最终实现电信号-光信号-电信号的无线数据传输；其中，第二FPGA实现下行信号解调以及第二以太网卡和ADC电路驱动；第二以太网卡的型号为DM9000。
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能；白光LED跟踪单元包括有依次连接的USB摄像头、计算机系统、USB转串口线、STM32单片机及舵机驱动单元，STM32单片机还连接有TFTLCD显示屏；
计算机系统通过USB端口，通过MATLAB软件驱动USB摄像头，并接收USB摄像头采集到白光LED的彩色视频图像，经过MATLAB程序进行灰度处理得到灰度图像，再将得到的灰度图经过图像阈值分割得到仅有黑白两色的二值化图像；MATLAB接着对图像分割后的二值图像去噪处理使图像变得圆滑，满足LED光斑定位的首要条件；采用形心定位算法计算出LED光斑在USB摄像头像素中的形心坐标，并经过MATLAB中的GUI工具和USB转串口线将坐标信息传输到STM32单片机，并在TFTLCD显示屏上实时显示白光LED在USB摄像头视场中的形心坐标信息，最后经过PID控制算法控制舵机驱动单元对目标光源进行跟踪。
本发明所采用第二个的技术方案是，室内可见光通信自动对准方法，采用上述的室内可见光通信自动对准系统，具体按照以下步骤实施：
第一步，读取PIN光电探测器接收到光信号最佳时，此时获取的LED光斑形心在USB摄像头像素中的坐标值作为系统跟踪的标准值，这里设置为(X0,Y0)；
第二步，当接收端的接收方向改变时，读取USB摄像头采集到LED光源的原始图像经过MATLAB的图像处理后得到LED光斑图像形心的二维图像坐标，设定为(X,Y)；
第三步，得到USB摄像头视场中，LED光斑形心坐标(X，Y)和设置的标准坐标(X0，Y0)；得知两者之间的横、纵坐标差值如公式所示：
ΔX＝X-X0 (1)
ΔY＝Y-Y0 (2)
通过公式(1)和公式(2)计算标准二维坐标值与LED光斑在摄像头视场中的坐标差ΔX、ΔY；
第四步，根据第三步计算出的坐标差ΔX、ΔY反馈给系统，并进行判断，其中E作为误差上限，当|X0-X|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标；当|Y0-Y|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元(17)转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标。
本发明的有益效果是：室内可见光通信自动对准系统可以灵活的调整接收方向，主动获取光源信息，不受接收的方向限定，当信号光源与接收机的相对角度发生变化时，可以通过调整接收方向对准光源，以确保能够及时建立新的通信链路，实现移动定向的接收。
附图说明
图1是本发明室内可见光通信自动对准系统的结构示意图；
图2是本发明室内可见光通信自动对准系统跟踪前的接收位置示意图；
图3是本发明室内可见光通信自动对准系统跟踪后的接收位置示意图；
图4是本发明室内可见光通信自动对准系统中USB摄像头视场的二维坐标图；
图5是本发明图像处理的LED光斑跟踪方法的原理图；
图6是PIN光电探测器处于对白光LED信号最佳接收方向时，白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值示意图；
图7是PIN光电探测器处于对白光LED信号最佳接收方向时，白光LED在摄像头视场中光电接收电路输出的信号波形图；
图8是白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值示意图；
图9是白光LED在摄像头视场中的光电接收电路输出的信号波形图；
图10是白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值示意图；
图11是白光LED在摄像头视场中的光电接收电路输出的信号波形图。
图中，1.模拟摄像头，2.视频编码器，3.第一以太网卡，4.第一FPGA，5.DAC电路，6.LED驱动电路，7.白光LED，8.光电接收电路，9.ADC电路，10.第二FPGA，11.第二以太网卡，12.信宿，13.USB摄像头，14.计算机系统，15.USB转串口线，16.STM32单片机，17.舵机驱动单元，18.TFTLCD显示屏，19.PIN光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种室内可见光通信自动对准系统，如图1所示，包括有发射端、接收端和白光LED的跟踪单元；
发射端是生成原始数据信号，并对其进行调制，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；
接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能。
发射端和接收端实现下行链路可见光通信，其中发射端不仅传输下行链路信息，同时白光LED也作为白光LED跟踪单元的信标光源，接收端与白光LED跟踪单元固定在一起，使接收端与白光LED跟踪单元一起运动，可以使接收端一直保持处于接收光源信号最佳的位置，实现对光源信号的主动接收。
发射端包括有依次连接的模拟摄像头1、视频编码器2、第一以太网卡3、第一FPGA4、DAC电路5、LED驱动电路6和白光LED7；
模拟摄像头1获取原始的视频图像，然后传送到视频编码器2将原始的视频图像数据转换成H.264格式的数字信号，转换好的H.264格式的数字信号接着通过网线传输到第一以太网卡3，通过第一以太网卡3将H.264格式的数字打包成数据帧格式，然后将打包后的数据帧传送给第一FPGA4；第一FPGA4从第一以太网卡3中接收打包后的数据帧，并对其进行四进制差分相移键控(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，DQPSK)调制；DAC电路5接收到第一FPGA4调制后的数字调制信号后将其转换成模拟调制信号，传送到LED驱动电路6；LED驱动电路6是将DAC电路5输出的模拟调制信号转换为电流信号并用于驱动白光LED7发光，生成调制光波信号；白光LED7发出的光调制信号传送给接收端，白光LED7以灯亮灯灭的形式发送高速明暗闪烁的数据信息，由于闪烁频率高于人眼的分辨力，故肉眼无法察觉到闪烁现象，传输数据时灯亮表示二进制数据“1”，灯灭表示二进制数据“0”；其中，第一FPGA4实现下行信号调制以及第一以太网卡3和DAC电路5驱动。
视频编码器2为亿维锐创网络视频编码器，型号为YW6001D；第一以太网卡3的型号为DM9000。
接收端包括有依次连接的PIN光电探测器19、光电接收电路8，ADC电路9，第二FPGA10，第二以太网卡11以及信宿12；
光电接收电路8驱动PIN光电探测器19接收白光LED7发出的光调制信号，并将其转换成电流信号，经过光电接收电路8的滤波和放大处理后转换成可识别的电压信号，ADC电路9接收光电接收电路8生成的电压信号，通过设置采样周期将其转换成数字信号，并发送到第二FPGA10；第二FPGA10对接收到的数字信号进行极性Costas环解调，恢复出原始的数据信号，由第二以太网卡11通过网线发送给信宿，最终实现电信号-光信号-电信号的无线数据传输；其中，第二FPGA10实现下行信号解调以及第二以太网卡11和ADC电路9驱动；第二以太网卡11的型号为DM9000。
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能；白光LED跟踪单元包括有依次连接的USB摄像头13、计算机系统14、USB转串口线15、STM32单片机16及舵机驱动单元17，STM32单片机还连接有TFTLCD显示屏18；
计算机系统14通过USB端口，通过MATLAB软件驱动USB摄像头13，并接收USB摄像头13采集到白光LED7的彩色视频图像，经过MATLAB程序进行灰度处理得到灰度图像，再将得到的灰度图经过图像阈值分割得到仅有黑白两色的二值化图像；MATLAB接着对图像分割后的二值图像去噪处理使图像变得圆滑，满足LED光斑定位的首要条件；采用形心定位算法计算出LED光斑在USB摄像头像素中的形心坐标，并经过MATLAB中的GUI工具和USB转串口线15将坐标信息传输到STM32单片机16，并在TFTLCD显示屏18上实时显示白光LED7在USB摄像头13视场中的形心坐标信息，最后经过PID控制算法控制舵机驱动单元17对目标光源进行跟踪。其中TFTLCD显示屏程序和PID控制算法程序的编写使用C语言，在STM32单片16机上实现。
本发明还提供一种室内可见光通信自动对准方法，采用上述的室内可见光通信自动对准系统，如图2-5所示，具体按照以下步骤实施：
在室内可见光通信自动对准系统中，发射端的白光LED可以放置于天花板上，在为室内提供照明的同时进行数据传输。接收端和白光LED的跟踪部分位于各类信息终端上，可以捕获光源主动对通信链路进行选择，灵活调整接收端的接收方向对下行链路信息进行接收，实现更好的通信。如图2所示，对于光源识别与定位采用USB摄像头，通信使用PIN光电探测器，采用通信接收与方向判别相分离的方式。将接收端的PIN光电探测器与USB摄像头平行固定在同一平面上，让PIN光电探测器19与USB摄像头13一起同步运动，这样光电探测器19就与USB摄像头13是相对静止的，使接收端可以同时实现对光信号的接收和目标光源的识别跟踪。实现了照明，下行链路的通信和光源的识别、定位、跟踪的功能。
第一步，读取PIN光电探测器19接收到光信号最佳时，此时获取的LED光斑形心在USB摄像头13像素中的坐标值作为系统跟踪的标准值，这里设置为(X0,Y0)；
第二步，当接收端的接收方向改变时，读取USB摄像头13采集到LED光源的原始图像经过MATLAB的图像处理后得到LED光斑图像形心的二维图像坐标，设定为(X,Y)；如图4所示的位置。
第三步，得到USB摄像头13视场中，LED光斑形心坐标(X，Y)和设置的标准坐标(X0，Y0)；得知两者之间的横、纵坐标差值如公式所示：
ΔX＝X-X0 (1)
ΔY＝Y-Y0 (2)
通过公式1和公式2计算标准二维坐标值与LED光斑在摄像头视场中的坐标差ΔX、ΔY，如图4所示。
第四步，根据第三步计算出的坐标差ΔX、ΔY反馈给系统，并进行判断，其中E作为误差上限，当|X0-X|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元17转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标；当|Y0-Y|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元(17)转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标。由于x轴舵机驱动单元和y轴舵机驱动单元的驱动方式一样并且相互独立，所以以x轴舵机驱动单元为例进行分析，如图5所示。系统跟踪后的效果图如图3所示。
实验效果验证
图6-7为光电探测器处于对白光LED信号最佳接收方向时，白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值和光电接收电路输出的信号波形图，图6中光斑的形心坐标为(347,220)作为标准坐标值，图7中为接收电路接收发射端白光LED发出的光波信号输出的信号波形，电压峰峰值为3.36V。
接收方向改变后，接收端与白光LED的相对角度也发生变化，图8-9为白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值和光电接收电路输出的信号波形图，图8中光斑的形心坐标为(278,313)，图9中为接收电路接收发射端白光LED发出的光波信号输出的信号波形，电压峰峰值为63.2mV。此时，光电接收电路输出的电压信号幅度远小于最佳接收方向的幅度，由此可知接收方向对系统的通信质量有很大的影响。
根据图6中，在跟踪部分设置标准的LED光斑坐标值，计算出图6中与标准坐标差值，PID控制跟踪装置调整接收方向，图10-11为白光LED在摄像头视场中的光斑坐标值和光电接收电路输出的信号波形图，图10中光斑的形心坐标为(337,212)，图11中为接收电路接收发射端白光LED发出的光波信号输出的信号波形，电压峰峰值为1.60V。对比图11与图9可知，跟踪后的电压峰峰值远大于跟踪前信号电压的峰峰值，调整接收方向可以有效的减少接收角度的偏差对系统的通信质量的影响，虽然接收机可以自动跟踪对准光源构建新的通信链路，实现下行信号的接收，但是信号的峰峰值比最佳位置时的峰峰值小的多。由于本文对白光LED的跟踪是基于图像处理技术的LED光斑跟踪方法，不仅与舵机驱动单元的误差有关，还与白光LED的光斑分割精度有关系，使系统的跟踪出现误差，波形幅度没有最佳接收方向时的波形幅度好。

Claims (6)

1.室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，包括有发射端、接收端和白光LED的跟踪单元；
发射端是生成原始数据信号，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；
接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能。
2.根据权利要求1所述的室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，所述发射端包括有依次连接的模拟摄像头(1)、视频编码器(2)、第一以太网卡(3)、第一FPGA(4)、DAC电路(5)、LED驱动电路(6)和白光LED(7)；
模拟摄像头(1)获取原始的视频图像，然后传送到视频编码器(2)将原始的视频图像数据转换成H.264格式的数字信号，转换好的H.264格式的数字信号接着通过网线传输到第一以太网卡(3)，通过第一以太网卡(3)将H.264格式的数字打包成数据帧格式，然后将打包后的数据帧传送给第一FPGA(4)；第一FPGA(4)从第一以太网卡(3)中接收打包后的数据帧，并对其进行四进制差分相移键控调制；DAC电路(5)接收到第一FPGA(4)调制后的数字调制信号后将其转换成模拟调制信号，传送到LED驱动电路(6)；LED驱动电路(6)是将DAC电路(5)输出的模拟调制信号转换为电流信号并用于驱动白光LED(7)发光，生成调制光波信号；白光LED(7)发出的光调制信号传送给接收端，白光LED(7)以灯亮灯灭的形式发送高速明暗闪烁的数据信息，由于闪烁频率高于人眼的分辨力，故肉眼无法察觉到闪烁现象，传输数据时灯亮表示二进制数据“1”，灯灭表示二进制数据“0”；其中，第一FPGA(4)实现下行信号调制以及第一以太网卡(3)和DAC电路(5)驱动。
3.根据权利要求2所述的室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，所述视频编码器(2)为亿维锐创网络视频编码器，型号为YW6001D；所述第一以太网卡(3)的型号为DM9000。
4.根据权利要求3所述的室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，所述接收端包括有依次连接的PIN光电探测器(19)、光电接收电路(8)，ADC电路(9)，第二FPGA(10)，第二以太网卡(11)以及信宿(12)；
光电接收电路(8)驱动PIN光电探测器(19)接收白光LED(7)发出的光调制信号，并将其转换成电流信号，经过光电接收电路(8)的滤波和放大处理后转换成可识别的电压信号，ADC电路(9)接收光电接收电路(8)生成的电压信号，通过设置采样周期将其转换成数字信号，并发送到第二FPGA(10)；第二FPGA(10)对接收到的数字信号进行极性Costas环解调，恢复出原始的数据信号，由第二以太网卡(11)通过网线发送给信宿，最终实现电信号-光信号-电信号的无线数据传输；其中，第二FPGA(10)实现下行信号解调以及第二以太网卡(11)和ADC电路(9)驱动；第二以太网卡(11)的型号为DM9000。
5.根据权利要求4所述的室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的识别和定位以及跟踪功能；白光LED跟踪单元包括有依次连接的USB摄像头(13)、计算机系统(14)、USB转串口线(15)、STM32单片机(16)及舵机驱动单元(17)，STM32单片机还连接有TFTLCD显示屏(18)；
计算机系统(14)通过USB端口，通过MATLAB软件驱动USB摄像头(13)，并接收USB摄像头(13)采集到白光LED(7)的彩色视频图像，经过MATLAB程序进行灰度处理得到灰度图像，再将得到的灰度图经过图像阈值分割得到仅有黑白两色的二值化图像；MATLAB接着对图像分割后的二值图像去噪处理使图像变得圆滑，满足LED光斑定位的首要条件；采用形心定位算法计算出LED光斑在USB摄像头像素中的形心坐标，并经过MATLAB中的GUI工具和USB转串口线(15)将坐标信息传输到STM32单片机(16)，并在TFTLCD显示屏(18)上实时显示白光LED(7)在USB摄像头(13)视场中的形心坐标信息，最后经过PID控制算法控制舵机驱动单元(17)对目标光源进行跟踪。
6.室内可见光通信自动对准方法，采用上述权利要求1-5任意一项所述的室内可见光通信自动对准系统，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
第一步，读取PIN光电探测器(19)接收到光信号最佳时，此时获取的LED光斑形心在USB摄像头(13)像素中的坐标值作为系统跟踪的标准值，这里设置为(X0,Y0)；
第二步，当接收端的接收方向改变时，读取USB摄像头(13)采集到LED光源的原始图像经过MATLAB的图像处理后得到LED光斑图像形心的二维图像坐标，设定为(X,Y)；
第三步，得到USB摄像头(13)视场中，LED光斑形心坐标(X，Y)和设置的标准坐标(X0，Y0)；得知两者之间的横、纵坐标差值如公式所示：
ΔX＝X-X0 (1)
ΔY＝Y-Y0 (2)
通过公式(1)和公式(2)计算标准二维坐标值与LED光斑在摄像头视场中的坐标差ΔX、ΔY；
第四步，根据第三步计算出的坐标差ΔX、ΔY反馈给系统，并进行判断，其中E作为误差上限，当|X0-X|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元(17)转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标；当|Y0-Y|>E时，通过PID控制算法得到相应控制量控制舵机驱动单元(17)转动调整接收方向，以不断修正位置偏差，当差值小于设定值E时，系统认为已经到达目标。
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