CN115065409B - 基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统 - Google Patents

基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统，系统包括发射端和接收端，发射端内集成有光源组件，接收端内集成有通信接收组件、图像信息采集组件、图像控制和处理组件、总控处理组件；光源模块，将光源ID信息调制在红光部分，将通信数据调制在蓝绿光部分；通信接收组件，转换、解调和识别蓝绿光；图像信息采集组件，拍摄光源组件的红光成分的光斑图像；图像控制和处理组件，从光斑图像中分离出明暗条纹；总控处理组件，通过识别明暗条纹得到光源ID及其实时位置；同时，总控处理模块也处理和转发通信数据。本发明采用上述系统，基于LED灯能够同时实现室内定位和通信，实现了室内光信息的多重利用。

Description

基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统
技术领域
本发明专利涉及光通信领域，具体而言，涉及基于波分复用的可见光室内定位系统，以及在其基础上的可见光通信系统和特制光源。
背景技术
随着社会的发展，实时定位技术在日常生活、工业生产和科学研究中发挥着重要意义。基于全球导航系统的实现机理，一个目标如果要确定自己的位置，就要与不同卫星实现直接通讯，这在空旷的室外是可以做到的。而室内环境中，由于障碍物的阻挡和信号间干扰，卫星信号的强度和质量会有所下降，不能满足定位的需求。而基于超宽带技术(UWB)的室内定位方法需要在室内环境中架设额外的基站，部署投入大，维护成本高，对部署环境要求高。
针对现有室内定位技术精度低、部署成本高的问题，目前的解决方案很少。在可以与射频(RF)无线网络协作的异构无线网络中，使用发光二极管(LED)之类的光设备的可见光通信(VLC)技术在室内通信与定位领域是可行的。利用单一可见光室内通信系统存在系统带宽受限的问题，影响通信系统的传输速率；利用单一可见光室内定位系统存在系统定位标识区分度低的问题，降低定位的稳定性，增加了系统的部署成本，且利用单一可见光不能同时进行可见光室内定位和通信。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于波分复用的可见光地室内通信与定位一体化系统，以解决现有技术中室内可见光通信系统的通信速率低、室内可见光定位系统定位稳定性差、成本较高以及基于可见光的通信和定位系统不能同时部署的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统，包括发射端和接收端，发射端内集成有光源组件，接收端内集成有通信接收组件、图像信息采集组件、图像控制和处理组件、总控处理组件；
光源组件，具备红、蓝、绿三色发光能力，光源ID将调制在红光部分，光源传递的通信数据将调制在蓝绿光部分；
通信接收组件，转换、解调和识别光源组件的蓝绿光成分携带的通信数据；
图像信息采集组件，拍摄含有光源组件的红光成分的光斑图像；
图像控制和处理组件，从光斑图像中分离出明暗条纹；
总控处理组件，通过识别明暗条纹得到光源ID，并通过查找对比数据库得出光源组件对应的实时位置；同时，总控处理模块也处理和转发通信接收组件的通信数据。
优选地，光源组件包括电源模块、控制模块、调制模块、LED驱动电路和RGB LED；电源模块为光源组件内的所有用电单元供电，控制模块与调制模块电连接，调制模块与LED驱动电路电连接，LED驱动电路与RGB LED电连接；
控制模块通过以太网接口将输入的通信数据以及光源ID进行存储、编码，并传递至调制模块；调制模块将通信编码信息和ID编码信息转换成双路电压调制信号，并发送至LED驱动电路；LED驱动电路包括红光LED驱动电路和蓝绿光LED驱动电路，红光LED驱动电路将ID电压调制信号转换为ID电流脉冲信号，蓝绿光LED驱动电路将通信电压调制信号转换为通信电流脉冲信号，两个电流脉冲信号发送给RGB LED；RGB LED发出光脉冲信号，其中红光LED接收ID电流脉冲信号并发光，蓝光LED、绿光LED接收通信电流脉冲信号并发光。
优选地，通信接收组件包括蓝绿波段滤光片、PIN光电二极管、跨阻放大器、均衡器和时钟恢复电路，蓝绿波段滤光片安装于通信接收模块的最前端，PIN光电二极管与跨阻放大器电连接，跨阻放大器与均衡器电连接，均衡器与时钟恢复电路电连接；
蓝绿波段滤光片将环境内的蓝绿光谱信号收集进通信接收组件，并滤除其他波段的杂光；PIN光电二极管将蓝绿光谱信号转换为通信电流脉冲信号；跨阻放大器将通信电流脉冲信号转换为通信电压信号；均衡器接收并降低通信电压信号的抖动；时钟恢复电路从处理后的通信电压信号中提取出时钟，完成数字信号的生成。
优选地，图像信息采集组件包括红光滤光片、CMOS图像传感器及其驱动电路，红光滤波片安装于图像信息采集组件的最前端，CMOS图像传感器的曝光方式为卷帘快门，且卷帘快门的开关速率大于传感器帧率。
优选地，图像控制和处理组件包含带有GPU的FPGA控制核心、存储单元；FPGA控制核心将光斑图像存储在存储单元中，并通过图像识别算法计算出光斑在光斑图像中的质心位置、每个光斑的明暗条纹的数量和相对位置。
优选地，总控处理组件包含ARM控制核心、陀螺仪和加速度计、解析和查询单元，陀螺仪和加速度计、解析和查询单元均与ARM控制核心电连接；
ARM控制核心通过以太网口转发通信数据，以及为解析和查询单元提供数据支持；陀螺仪和加速度计获取接收端目前的姿态信息和运动信息；解析和查询单元通过ARM控制核心获取明暗条纹的分布、数量，并通过查找数据库得到明暗条纹对应的光源ID；解析和查询单元还通过ARM控制核心获取姿态和运动信息，并通过坐标解算得到接收端的相对位置，实现定位。
综上，本发明的可见光室内通信与定位一体化系统，具备如下优势：1)相比于利用单一可见光的室内定位系统，基于可见光的波分复用技术，红光传输光源ID，蓝绿光传输通信数据，从而同时实现了可见光的室内定位和通信，实现了室内光信息的多重利用，拓宽了室内可见光的利用价值；2)目标定位精度高，通信抗干扰能力强，解决了可见光定位和通信互相影响的问题；3)目标定位无需架设单独基站，投入小，对部署环境要求低；4)可见光通信与定位技术具有价格低廉、布置容易、传输迅速、绿色环保、安全性高、寿命长等诸多突出优势，在未来室内环境部署中潜力巨大。
附图说明
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明中CMOS相机的卷帘快门的扫描原理图；
图3为本发明中CMOS相机的曝光成像原理图；
图4为本发明中成像定位原理图；
图5为本发明中LED-ID编码示意图；
图6为本发明中光源内部实物图；
图7为本发明中接收端的定位原理图；
图8为本发明的光斑图像中LED灯提取过程图；
图9为本发明的光斑图像中明暗条纹提取过程图；
图10为本发明中LED灯和明暗条纹提取过程的算法原理图；
图11为本发明中以手机为载体的定位接收端的实物演示图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本系统包含发射端(也称灯具侧)和接收端(也称用户侧，即实际使用中的基于可见光的室内定位设备)，发射端内集成有光源组件，接收端内集成有通信接收组件、图像信息采集组件、图像控制和处理组件、总控处理组件。发送端基于三色LED灯珠使用波分复用的方式进行信息发送；接收端使用PIN光电二极管进行通信接收，使用CMOS图像传感器实现定位。
明暗相间的条纹来源于CMOS相机的卷帘快门效应，其原理如图2所示。由于逐行扫描的时间间隔t_row非常小(us量级)，平时拍照使用的曝光时间t_expo则长达几十ms，远大于t_row。因此，平时拍照无法察觉卷帘快门效应。只有当t_expo与t_row足够接近，并且拍摄的图像高速变化时，才出现卷帘快门效应。
如果在LED灯上调制特定的频率的方波信号，且CMOS图像传感器的曝光时间调得足够短，就会出现当扫描前几行的时候，灯变亮，扫下面几行的时候，灯又灭，紧接后灯又亮，这一过程不断持续，直到图像传感器每一行中的每一个光电单元都曝光完成。图像中LED灯的影像就会呈现出不同于人眼所见的明亮光斑，而是明暗相间的条纹，详细过程如图3所示。利用这些明暗条纹反推出调制在LED上的波形序列。每一盏LED灯调制不同的信号，即每一盏LED灯具有唯一的光源ID。这样即可通过CMOS成像检测确定这是哪一盏灯。而LED灯的信息(主要是位置坐标信息)事先存储在数据库中，利用检测到的光源ID，查询比对数据库中LED灯的信息进行定位解算。
三角定位方法的目标是根据接收设备的姿态(包括航向角、俯仰角和横滚角)估算接收设备的位置。计算位置的原理如下，定位成像的几何关系如图4所示。
定位算法采用AOA(Angle of Arrival)定位原理。不同的灯入射角不同，成像的位置也不同，满足以下关系：
式中，u,v为图像平面坐标上的位置坐标，xc,yc,zc为LED灯在接收设备坐标系下的位置，Zf为透镜到成像平面的距离。
多盏灯的情况下，假设有这样一个变换矩阵R，该矩阵可以将接收设备坐标系变换到当地地理坐标系，则可得到以下关系：
式中，x,y,z为我们要估算的接收设备的位置；xLi，yLi，zLi为第i盏灯的位置(事先可以测量确定，存储在数据库中，通过查询可以获取到，这里假设为已知)。
LED-ID编码结构如图5所示。将完整的光源ID进行分段，每一段(Block)要足够短，保证在距离较远的情况下，图像中的条纹也包含至少一个Block。ID由N个Block组成，每个Block包含头、Block序号、数据和尾组成。尾信息采用Manchester编码，即用01来表示1，10来表示0，这样可以保证ID中0和1的数量相同。
LED光源的内部架构实物图如图6所示。LED灯呈圆筒形，在其中的LED基板上焊接了4颗RGB型LED灯珠，这些灯珠的额定电流在300-400mA之间，额定电压为5V，调制频率可以达到10kHz以上。此外，可以通过改变RGB三路输入的电压大小来实现灯的调色程度。
接收端的定位原理如图7所示。接收端首先获取带有光源的灰度图像(即光斑图像)，然后获取图像中的明暗相间条纹，通过识别明暗相间的条纹，得到光源的身份信息(即光源ID)，并与定位区域的立体信息数据库中的灯具位置进行比对，结合接收端的惯性信息，得到接收端的当前位置。以下具体说明：
接收端使用CMOS图像传感器，每隔一段时间即可完成一张图片的拍摄，目的是检测出LED的光源ID以及LED在图像中的位置和大小。在采集图像之前，首先要调节CMOS图像传感器的参数，如曝光时间和ISO等，需要调节到合适的数值。获取LED灯的位置和大小的方式如图8所示，包括模糊化、自适应阈值、提取边界和拟合边界。获取LED灯的光源ID的方式如图9所示，包括模糊化、自适应阈值、提取边界和拟合边界。两过程图像信息提取的算法原理如图10所示。
通过系统使用的方位数据库，移动设备在接收到LED灯具传输的光源身份信息后，通过将此信息与数据库信息进行比对，获得移动设备的位置信息；然后，在移动设备的显示屏上将移动设备位置显示在地图上，如图11所示。
上述实施例为本发明方案较佳的实施方式，但本发明方案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.基于波分复用的可见光室内通信与定位一体化系统，其特征在于，包括发射端和接收端，发射端内集成有光源组件，接收端内集成有通信接收组件、图像信息采集组件、图像控制和处理组件、总控处理组件；
光源组件，具备红、蓝、绿三色发光能力，光源ID将调制在红光部分，光源传递的通信数据将调制在蓝绿光部分；
光源组件包括电源模块、控制模块、调制模块、LED驱动电路和RGB LED；电源模块为光源组件内的所有用电单元供电，控制模块与调制模块电连接，调制模块与LED驱动电路电连接，LED驱动电路与RGBLED电连接；
控制模块通过以太网接口将输入的通信数据以及光源ID进行存储、编码，并传递至调制模块；调制模块将通信编码信息和ID编码信息转换成双路电压调制信号，并发送至LED驱动电路；LED驱动电路包括红光LED驱动电路和蓝绿光LED驱动电路，红光LED驱动电路将ID电压调制信号转换为ID电流脉冲信号，蓝绿光LED驱动电路将通信电压调制信号转换为通信电流脉冲信号，两个电流脉冲信号发送给RGB LED；RGB LED发出光脉冲信号，其中红光LED接收ID电流脉冲信号并发光，蓝光LED、绿光LED接收通信电流脉冲信号并发光；
通信接收组件，转换、解调和识别光源组件的蓝绿光成分携带的通信数据；
图像信息采集组件，拍摄含有光源组件的红光成分的光斑图像；
图像控制和处理组件，从光斑图像中分离出明暗条纹；
总控处理组件，通过识别明暗条纹得到光源ID，并通过查找对比数据库得出光源组件对应的实时位置；同时，总控处理模块也处理和转发通信接收组件的通信数据；
总控处理组件包含ARM控制核心、陀螺仪和加速度计、解析和查询单元，陀螺仪和加速度计、解析和查询单元均与ARM控制核心电连接；
ARM控制核心通过以太网口转发通信数据，以及为解析和查询单元提供数据支持；陀螺仪和加速度计获取接收端目前的姿态信息和运动信息；解析和查询单元通过ARM控制核心获取明暗条纹的分布、数量，并通过查找数据库得到明暗条纹对应的光源ID；解析和查询单元还通过ARM控制核心获取姿态和运动信息，并通过坐标解算得到接收端的相对位置，实现定位。
2.根据权利要求1所述的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，通信接收组件包括蓝绿波段滤光片、PIN光电二极管、跨阻放大器、均衡器和时钟恢复电路，蓝绿波段滤光片安装于通信接收模块的最前端，PIN光电二极管与跨阻放大器电连接，跨阻放大器与均衡器电连接，均衡器与时钟恢复电路电连接；
蓝绿波段滤光片将环境内的蓝绿光谱信号收集进通信接收组件，并滤除其他波段的杂光；PIN光电二极管将蓝绿光谱信号转换为通信电流脉冲信号；跨阻放大器将通信电流脉冲信号转换为通信电压信号；均衡器接收并降低通信电压信号的抖动；时钟恢复电路从处理后的通信电压信号中提取出时钟，完成数字信号的生成。
3.根据权利要求1所述的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，图像信息采集组件包括红光滤光片、CMOS图像传感器及其驱动电路，红光滤波片安装于图像信息采集组件的最前端，CMOS图像传感器的曝光方式为卷帘快门，且卷帘快门的开关速率大于传感器帧率。
4.根据权利要求1所述的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，图像控制和处理组件包含带有GPU的FPGA控制核心、存储单元；FPGA控制核心将光斑图像存储在存储单元中，并通过图像识别算法计算出光斑在光斑图像中的质心位置、每个光斑的明暗条纹的数量和相对位置。
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