CN211531098U

CN211531098U - 一种可见光通信系统及光传感设备

Info

Publication number: CN211531098U
Application number: CN202020373317.0U
Authority: CN
Inventors: 吴良顺
Original assignee: Zhuo Erzhi Lian Wuhan Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhuo Erzhi Lian Wuhan Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2030-03-23

Abstract

本实用新型涉及通信技术领域，提供一种可见光通信系统及光传感设备，其中，所述可见光通信系统包括：可见光发射装置；所述可见光发射装置包括固定在室内空间顶部的可见光光源；光传感设备；所述光传感设备包括光传感器和摄像头；所述光传感设备用于控制所述摄像头拍摄所述可见光光源，得到第一图像，并通过解析所述摄像头拍摄的所述第一图像，对所述光传感设备在所述室内空间中进行定位。

Description

一种可见光通信系统及光传感设备

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，尤其涉及一种可见光通信系统及光传感设备。

背景技术

可见光通信技术，是一种利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的技术。可见光通信技术常用于室内定位和数据传输，在进行室内定位时，相关技术通常将发光二极管的位置信息通过光信号发出，接收端接收光信号，解析出其中发光二极管的位置信息，并根据设定的算法进行室内定位。但是，由于光信号中不仅只携带发光二极管的位置信息，还携带有其他信息，这些信息会对定位精度造成一定影响。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种可见光通信系统及光传感设备，以解决相关技术中可见光通信系统通过光信号进行室内定位的定位精度不高的问题。

本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种可见光通信系统，可见光通信包括：

可见光发射装置；所述可见光发射装置包括固定在室内空间顶部的可见光光源；

光传感设备；所述光传感设备包括光传感器和摄像头；

所述光传感设备用于控制所述摄像头拍摄所述可见光光源，得到第一图像，并通过解析所述摄像头拍摄的所述第一图像，对所述光传感设备在所述室内空间中进行定位。

上述方案中，所述光传感器包括：硅光电池。

上述方案中，所述可见光发射装置还包括：

信号输入端；

与所述信号输入端和所述可见光光源连接的光信号调制模块；

所述光传感设备还包括：

与所述光传感器连接的光信号解调模块。

上述方案中，所述信号输入端的类型包括以下至少一项：

音频信号输入端；

键值信号输入端。

上述方案中，光传感设备还包括：

与所述光信号解调模块连接的显示器。

上述方案中，光传感设备还包括：

与所述光信号解调模块连接的音频播放器。

上述方案中，所述可见光光源包括至少三个发光二极管LED。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种光传感设备，应用于可见光通信系统中，光传感设备包括：

光传感器和摄像头；

上述方案中所述光传感器包括：硅光电池。

上述方案中所述光传感器还包括以下至少一项：

显示器；

音频播放器。

本实用新型实施例提供的方案，光传感设备通过摄像头拍摄的可见光光源的图像来进行定位，可以准确定位到光传感设备在室内空间的位置，定位精度高相比传统定位方法更高。相比相关技术通过获取光信号中的信息来定位，可以避免定位精度受到光信号中的各种信息的影响，提高了可见光通信系统进行室内定位时的定位精度。而且将定位和数据传输分开，提高了可见光通信系统中模块的独立性和稳定性。

附图说明

图1是相关技术提供的一种可见光通信系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种可见光通信系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种可见光通信系统的结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种放大电路的电路图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种可见光通信系统的结构示意图；

图6是本实用新型应用实施例提供的一种可见光通信系统的结构示意图；

图7是本实用新型应用实施例提供的另一种可见光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是相关技术提供的一种可见光通信系统的结构示意图，如图1所示，可见光通信系统包括：可见光发射装置和可见光接收装置，可见光发射装置包括用于发射可见光的光源，光源可以为荧光灯或者发光二极管(LED，Light Emitting Diode)。由于LED的闪烁频率快，每秒可以进行数百万次的闪烁，人眼不会注意到光的快速变化，因此可以通过LED的亮和灭来传输信息，例如 LED亮表示1，LED灭表示0。可见光发射装置通过LED驱动电路将要发送的信息调制到LED发出的光信号中，可见光接收装置通过光敏传感器来接收光信号中的信息，还原出光信号中的二进制编码信息0和1，可见光接收装置再对二进制编码信息进行解调，得到其中的原始信号。

在上述可见光通信系统中，可见光接收装置可以根据LED发射的光信号来进行室内定位。可见光发射装置将LED在室内空间的位置信息通过光信号发出，可见光接收装置接收光信号，还原出其中LED的室内位置信息，然后根据设定的算法进行可以计算出可见光接收装置在室内空间的位置。然而，由于可见光发射装置发射的光信号中不仅只携带LED的位置信息，还携带有其他信息，这些信息会对定位精度造成一定影响。

针对上述相关技术中可见光通信系统通过光信号进行室内定位时的定位精度不高的缺点，本实用新型实施例提供了一种可见光通信系统。

参考图2，图2是本实用新型实施例提供的一种可见光通信系统的结构示意图，所述可见光通信系统包括：

可见光发射装置；所述可见光发射装置包括固定在室内空间顶部的可见光光源。

光传感设备；所述光传感设备包括光传感器和摄像头。

在实际应用中，光传感设备可以是手机、平板电脑等终端，通过终端自带的摄像头拍摄固定在室内空间顶部的可见光光源，可见光光源可以是日常家庭生活中房间顶部用于照明的LED。在本实用新型实施例中，在对光传感设备进行定位时，第一图像中拍摄有至少一个LED。

在实际应用中，摄像头的型号可以为OV7620摄像头，光传感器可以为硅光电池。相对于其他光信号接收器件而言，硅光电池具有较大的光接收面积，较高的灵敏度，响应时间可达1μs，因此选择硅光电池作为光信号接收器件。

在实际应用中，当光传感设备为单片机时，需要将摄像头拍摄的图片的分辨率固定为320*240。因为单片机硬件条件较差，每行像素只能采集320个，为了保证图像完整性以及定位的准确，所以需要将分辨率固定为320*240。在实际应用中，可以采用隔行隔列采集法将分辨率降低为320*240。

具体的，光传感设备通过解析所述摄像头拍摄的所述第一图像，对所述光传感设备在所述室内空间中进行定位，包括：

步骤一：将第一图像二值化，得到第二图像。

图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。在第二图像中，发光的LED 显示为白色。在实际应用中，可以使用固定阈值法对第一图像进行二值化处理。

步骤二：从所述第二图像中获取所述可见光光源的第一坐标，所述第一坐标为所述可见光光源的中心点在设定的图像坐标系中的坐标。

在确定第一坐标之前，需要在第二图像中确定出可见光光源的中心点。图像的中心点即图像的中点，因为可见光光源在第二图像中显示为一团白色的像素点，为了获取到准确的可见光光源的坐标，需要从第二图像中确定出可见光光源的中心点，将可见光光源的中心点的坐标作为可见光光源的的坐标。由于二值化图像都是像素点，在二值化图像中便于找到可见光光源的中心点，因此将第一图像二值化处理。

第一坐标为所述可见光光源的中心点在设定的图像坐标系中的坐标，在设定的图像坐标系中，原点为摄像机光轴和图像平面的交点，该交点一般位于图像中心处，设定的图像坐标系的X轴和Y轴的单位为cm。

步骤三：根据所述第一坐标确定所述可见光光源的第二坐标，所述第二坐标为所述可见光光源在设定的相机坐标系中的坐标。

由于第一图像是由摄像机拍摄成像的，根据摄像机成像的原理，设定的图像坐标系与设定的相机坐标系是透视投影的关系，设定的图像坐标系中的坐标和设定的相机坐标系中的坐标可以相互转换。设定的相机坐标系的坐标原点为摄像头的透镜的中心，设定的相机坐标系的X轴和Y轴分别与图像坐标系的X 轴和Y轴平行，Z轴为摄像机的光轴，Z轴和第二图像平面垂直。

假设第一坐标为(x₁，y₁)，第二坐标为(x₂，y₂，z₂)，由于第一坐标是已知的，由于光源位于房间顶部，所以z₂等于房间的高度。在实际应用中，可以通过公式

和

计算出x₂，y₂，由此得到第二坐标的坐标值。其中，f_c是摄像机的焦距。

步骤四：根据所述第二坐标确定光传感设备在所述室内空间的位置。

所述根据所述第二坐标确定光传感设备在所述室内空间的位置，包括：根据第二坐标确定光传感设备在设定的平面坐标系中的坐标。

通常可见光通信系统在进行室内空间定位的场景下，可见光光源位于室内空间的顶部(上平面)，光传感设备位于室内空间底部(下平面)。室内空间的上平面和下平面是两个个相对的面，在得知可见光光源的第二坐标的情况下，可以确定光传感设备在室内空间下平面的位置。

因此，预先在室内空间的底部建立一个平面坐标系，在得到可见光光源在设定的相机坐标系中的第二坐标后，根据第二坐标可以确定光传感设备在所述平面坐标系中的坐标位置。

在实际应用中，室内空间(房间)都是矩形的，以矩形下平面(房间底部) 四个角的任意一个角为中心，以房间的长和宽为X轴和Y轴，建立平面坐标系。假设房间的长和宽分别为a和b，由于可见光光源在设定的相机坐标系中的横坐标和纵坐标分别为x₂和y₂，因此摄像头在平面坐标系的位置为(a-x₂，b-y₂)，由于摄像头与光传感设备设置在一起，因此光传感设备在平面坐标系的位置也为(a-x₂，b-y₂)，由此得到光传感设备在所述室内空间的位置。

传统的室内定位技术包括蓝牙定位或WiFi定位，蓝牙定位的精度是2至3 米，WiFi定位的精度是3-15米，通过蓝牙定位或WiFi定位是无法具体定位到用户在室内的具体位置的。而本实用新型实施例中光传感设备通过摄像头拍摄的可见光光源的图像来进行定位，定位的精度在一米以内，因此可以准确定位到光传感设备在室内空间的位置。而且通过摄像头可以直接采集数字信号，省去了模拟信号转换为数字信号的过程，节省了定位时间。并且将定位和数据传输分开，提高了可见光通信系统中模块的独立性和稳定性。

此外，所述光传感设备还用于：对所述第一图像进行畸变矫正。

第一图像的畸变就是摄像头镜头的畸变，摄像头镜头的畸变实际上就是光学透镜固有的透视失真，透视失真会影响照片的成像质量。在实际应用中，如果摄像头镜头存在桶形畸变，桶形畸变属于线性畸变，可以采用线性补偿算法进行对畸变进行矫正。在实际应用中，如果在运输过程中，出现硬件的挤压变形，造成定位零点的漂移，可以在现场采用线性补偿算法进行参数的校准。

在本实用新型实施例中，光传感设备通过摄像头拍摄的可见光光源的图像来进行定位，可以准确定位到光传感设备在室内空间的位置，定位精度高相比传统定位方法更高。相比相关技术通过光敏传感器获取光信号中的信息来定位，可以避免定位精度受到光信号中的各种信息的影响，提高了可见光通信系统进行室内定位时的定位精度。而且将定位和数据传输分开，提高了可见光通信系统中模块的独立性和稳定性。

参考图3，图3是本实用新型实施例提供的另一种可见光通信系统的结构示意图，所述可见光发射装置还包括：

信号输入端；

所述光传感设备还包括：

与所述光传感器连接的光信号解调模块。

在本实用新型实施例中，所述信号输入端的类型包括以下至少一项：

音频信号输入端；

键值信号输入端。

当有音频信号从音频信号输入端输入时，光信号调制模块接收音频信号，光信号调制模块将音频信号调制到可见光光源发出的光信号中。

在实际应用中，光信号调制模块首先将音频信号进行模数转换，转换为数字信号。再将数字信号调制到可见光光源发出的光信号中。将音频信号转换为数字信号是为了兼容键值发送和音频信号发送，如果采用模拟信号传输，则需要针对键值做数模转换，这样需要耗费更多时间。而采用数字信号传输可以很好地将二者结合，提高可见光通信系统的兼容性，便于快速传输数据。

当有键值信号从键值信号输入端输入时，由于键值本身就是数字信号，光信号调制模块可以直接将键值调制到可见光光源发出的光信号中。

在本实用新型一实施例中，所述可见光光源包括至少三个发光二极管 LED。

当输入信号为三路音频信号时，可见光光源包括至少三个LED，每个LED 对应传输三路音频信号中的一路音频信号。因为音频信号的频谱范围很宽，如果把20Hz-20KHz的音频信号用一种扬声器来播放，是无法满足整段音频信号频响的，因此，需要将音频信号分为三路音频信号。在进行可见光通信时，每一路音频信号分别通过一个LED的光信号发出。在实际应用中，为实现三路信号高效率传输，便于对数据的打包解包操作，三路音频信号可采用时分法传输。对应的，光传感设备以时分法对接收到的信号进行解读，实现接收频率和发射频率一致，以达到收发同步。收发同步可以使得波特率相同，波特率就是通讯的速率，只有波特率一致的情况下才能保证接收方和发送方获取同样的数据。例如，假设每次发送的数据包由3B音频数据和1B包头组成，音频采集速率为 8kHz，采样精度为8位。码率＝取样频率×量化精度×声道数＝8*8*4(3声道 +1个包头)＝256kbps，即每秒传输256k个比特数据，那么接收端响应频率为256kHz。

光传感器接收到光信号后，将光信号发送给光信号解调模块，光信号解调模块对光信号进行解调，还原出其中的原始信号，也就是输入信号。

光信号解调模块在进行信号还原时，需要使用到放大电路。参考图4，图4 是本实用新型实施例提供的一种放大电路的电路图。

所述放大电路主要包括运算放大器和一阶巴特沃斯低通滤波器。具体的，所述放大电路包括：

运算放大器A1，运算放大器A2，运算放大器A3，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电容C1和电容C2。

其中，运算放大器A1的正相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端连接光传感器D1第一端，光传感器D1的第二端接地；电阻R1的第一端连接运算放大器A1的反相输入端，电阻R1的第二端连接运算放大器的输出端；电容 C1与电阻R1并联。电容C2的第一端连接运算放大器A1的输出端，电容C2 的第二端连接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接运算放大器A2的正相输入端，运算放大器A2的反相输入端连接电阻R3的第一端，电阻R3的第二端接地；电阻R4的第一端连接运算放大器A2的反相输入端，电阻R4的第二端连接运算放大器A2的输出端；电阻R5的第一端连接运算放大器A2的输出端，电阻R5的第二端连接运算放大器A3的正相输入端，运算放大器A3的反相输入端连接电阻R6的第一端，电阻R6的第二端接地；电阻R7的第一端连接运算放大器A3的反相输入端，电阻R7的第二端连接运算放大器A3的输出端。

在放大电路中，电容C1的作用是滤波，运算放大器A1输出端的高频信号通过C1返回到运算放大器A1的正向输入端，和输入信号不同相抵消高频信号。电阻R1的作用是限制运算放大器A1的放大倍数，当输入信号小时运算放大器 A1的负反馈较小，可以尽可能保留放大倍数；当输入信号大时运算放大器A1 的负反馈也大，可以限制运算放大器的增益。运算放大器的负反馈是指运算放大器输出端的信号通过反馈电路连接到其反相输入端。电容C2、电阻R2、运算放大器A1组成一阶巴特沃斯低通滤波器，同相放大电路增益为1+R4/R3，R4为反馈电阻。

参考图5，图5是本实用新型实施例提供的另一种可见光通信系统的结构示意图，光传感设备还包括：

与所述光信号解调模块连接的显示器。

与所述光信号解调模块连接的音频播放器。

当光信号解调模块出的信号为音频信号时，将音频信号输入到音频播放器，进行音频播放。

当光信号解调模块出的信号为键值时，将键值输入到显示器进行显示。

图6是本实用新型应用实施例提供的一种可见光通信系统的示意图，如图 6所示，可见光通信系统包括可见光发射装置和光传感设备。

可见光发射装置包括3个固定在室内空间顶部的LED，可见光发射装置将要发送的信息调制到LED发出的的光信号中。

光传感设备包括摄像头和光传感器，光传感设备控制摄像头拍摄固定在室内空间顶部的LED，得到第一图像；并通过解析第一图像，对光传感设备在所述室内空间中进行定位。所述光传感器用于接收LED发出的的光信号，光传感设备对光信号进行解调，还原出输入信号。

图7是本实用新型应用实施例提供的一种可见光通信系统的示意图，如图 4所示，可见光通信系统包括可见光发射装置和光传感设备。

可见光发射装置包括三个音频输入接口和键值输入接口，三个音频输入接口分别用于输入三路音频信号，键值输入接口用于输入键值。可见光发射装置还包括3个LED，每个LED对应传输三路音频信号中的一路音频信号。此外，每个LED都能传输键值。可见光发射装置通过LED驱动电路将要发送的信息调制到LED发出的光信号中。

光传感设备包括摄像头和光传感器，光传感器具体为硅光电池。光传感设备控制摄像头拍摄固定在室内空间顶部的LED，得到第一图像；并通过解析第一图像，对光传感设备在所述室内空间中进行定位。光传感器用于接收LED发出的的光信号，光传感设备对光信号进行解调，还原出输入信号。

光传感设备还包括显示器和音频播放设备，显示器用于显示输入的键值，音频播放设备用于播放音频信号。

本实用新型实施例提供的一种光传感设备，所述光传感设备为图1中的光传感设备，所述光传感设备应用于可见光通信系统中，光传感设备包括：

光传感器和摄像头；

所述光传感器包括：硅光电池。

所述光传感器还包括以下至少一项：

显示器；

音频播放器。

显示器用于显示输入的键值，音频播放设备用于播放音频信号。

本实用新型应用实施例提供了一种室内定位方法的实现流程，所述室内定位方法的实现流程包括：

步骤一，采集中断信号。

中断的含义是处理器停下现有的工作而去处理中断任务。本质上，中断是一种电信号，当设备有某种事件发生时，设备就会产生中断信号，通过总线把中断信号发送给处理器。

步骤二，采集第一图像。

通过摄像头拍摄固定在室内空间顶部的可见光光源，得到第一图像。

步骤三，将第一图像二值化，得到第二图像。

步骤四，从所述第二图像中获取LED的第一坐标。

所述第一坐标为LED的中心点在设定的图像坐标系中的坐标。

步骤五，根据所述第一坐标确定LED的第二坐标。

所述第二坐标为LED在设定的相机坐标系中的坐标。

步骤六，根据所述第二坐标确定光传感设备在室内空间的位置。

本实用新型应用实施例提供的一种音频信号的传输流程，所述音频信号的传输流程包括：

步骤一，采集中断信号。

步骤二，接收音频信号。

通过音频输入接口，接收其他设备输入的音频信号。

步骤三，进行模数转换，将音频信号转换为数字信号。

步骤四，将数字信号进行数据排序。

因为数据是串行发送的，必须等待前面的数据发送完成，因此要进行数据排序。

步骤五，将数字信号调制到LED发射的光信号中。

步骤六，通过光传感器接收光信号。

步骤七，对光信号进行解调，还原出数字信号。

步骤八，将数字信号转换音频信号。

转换为音频信号后，可以通过音频播放器播放。

本实用新型应用实施例提供的一种键值的传输流程，键值信号的传输流程包括：

步骤一，采集中断信号。

步骤二，接收键值。

键值一般是通过键盘输入的，是数字信号，可以避免进行模数转换。

步骤三，将键值进行数据排序。

步骤四，将键值调制到LED发射的光信号中。

步骤五，通过光传感器接收光信号。

步骤六，对光信号进行解调，还原出键值。

还原出键值后，可以在显示设备上显示键值。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种可见光通信系统，其特征在于，包括：

光传感设备；所述光传感设备包括光传感器和摄像头；

2.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光传感器包括：硅光电池。

3.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光发射装置还包括：

信号输入端；

所述光传感设备还包括：

与所述光传感器连接的光信号解调模块。

4.如权利要求3所述的可见光通信系统，其特征在于，所述信号输入端的类型包括以下至少一项：

音频信号输入端；

键值信号输入端。

5.如权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，光传感设备还包括：

与所述光信号解调模块连接的显示器。

6.如权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，光传感设备还包括：

与所述光信号解调模块连接的音频播放器。

7.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光光源包括至少三个发光二极管LED。

8.一种光传感设备，应用于可见光通信系统中，其特征在于，包括：

光传感器和摄像头；

所述光传感设备用于控制所述摄像头拍摄所述可见光光源，得到第一图像，并通过解析所述摄像头拍摄的所述第一图像，对所述光传感设备在室内空间中进行定位。

9.根据权利要求8所述的光传感设备，其特征在于，所述光传感器包括：硅光电池。

10.根据权利要求8所述的光传感设备，其特征在于，所述光传感器还包括以下至少一项：

显示器；

音频播放器。