CN211718515U

CN211718515U - 一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统

Info

Publication number: CN211718515U
Application number: CN202020085783.9U
Authority: CN
Inventors: 罗崔月; 黄兆武; 杨虎宁; 刘栩滔; 岳凡; 张赞
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2030-01-15

Abstract

一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统，包括发送端子系统以及接收端子系统，发送端子系统包括依次相连的微控制器、串口模块、缓存电路、LED驱动电路和LED光源，接收端子系统包括带有摄像头以及室内定位模块的手机。首先通过微控制器将所要传送的位置坐标信息进行编码，编码后的数据流经过缓存后再输入到LED驱动电路的输入端口中，从而控制LED光源的高速闪烁，然后再通过手机对LED光源发出的光进行拍照，得到明暗变化的条纹图像，图片聚类之后采用曲线拟合产生一条动态的门限来判断当前亮度所代表的信息为“0”还是“1”，解码获得坐标信息。本实用新型的可靠性高，并且抗干扰能力较强。

Description

一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统

技术领域

本实用新型属于光通信领域，具体涉及一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统。

背景技术

目前，全球定位系统(GPS)是最为广泛应用的定位系统。但是，由于GPS信号会被建筑物的屋顶和墙壁挡住，加之室内多径现象严重，因而在室内会非常微弱甚至消失，这就导致GPS的定位精度大幅下降，通常误差达到数十米，已经难以满足用户的室内定位需求。而在现代社会中，人们大部分时间是在室内活动的，例如在大型商场、地下停车场、图书馆、博物馆等大型室内空间，所以更加迫切需求一种更有效、精度更高的室内定位系统。

近年来，以发光二极管(LED)为代表的享有“绿色照明”称号的新型半导体照明技术发展极为迅猛。白光LED的优点在于功耗低、使用寿命长、尺寸小而且绿色环保，与传统照明光源相比，LED调制性能更好，响应灵敏性更高。而可见光通信技术利用LED的特性，在既满足照明要求的同时又将信号调制在LED上进行数据传输。可见光通信技术也被开发来传输用于定位的标识信息，其利用可见光(颜色、强度或位置)的变化传输标识信息。这种用于传输标识信息的通信技术是基于高频闪烁的光信号。具体地，待传输标识信息首先被编码为数字信号；然后该数字信号被用于调制光源的驱动电流或驱动电压的持续时间或频率，使得光源高频闪烁。该高频闪烁信号可以由光敏装置检测到，例如，图像传感器。图像传感器可基于“卷帘快门”机制在不同时间曝光，即传感器的不同部分，每行或每列在不同时间曝光。基于该特征，当拍摄亮度快速变化的光源的图像时，带有卷帘快门的图像传感器可获取包含明条纹或暗条纹的图像。通过测量条纹的宽度，可计算光源驱动电流和驱动电压的频率，因此，可恢复所传输的标识信息。传统意义的可见光通信的接收是利用接收端的光电检测(PD) 进行接收光信号，转换成电信号后进行信息处理。因此，可见光通信接收设备必须具有光信号接收及光电转换功能。研究表明，目前市场上带有摄像头的手机正好能够替代包含PD的接收端。而如今智能手机已经稳稳的占据了手机主流市场，4G已经完全普及，5G时代也即将来临，智能手机即将完全统一手机市场。并且基于智能手机具有开放性的操作系统、运行速度快、功能完善、设计人性化等特点，为摄像头的正常工作提供了便利。

如今电子产品市场上的智能手机都普遍为CMOS摄像头，CMOS摄像头采用卷帘快门模式进行曝光，它不同于全局快门模式(一次对整个帧进行曝光)，而是对每一行像素依次进行曝光。因此，在接收LED灯发出的高频白光信号(频率远高于CMOS图像传感器帧率)时，CMOS摄像头会拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应图案。在卷帘效应图案中，选取中间列像素灰度值进行数据读取，将明条纹的行像素记录为逻辑字节“1”，暗条纹的行像素记录为逻辑字节“0”，在一帧内可以进行多个逻辑字节的传输，实现短距离可见光通信。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中可见光通信实施不便的问题，提供一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统，利用手机摄像头的卷帘快门的工作方式接收LED发送的可见光信息，进而实现室内定位，具有很高的可靠性，并且抗干扰能力较强。

为了实现上述目的，本实用新型有如下的技术方案：

一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统，包括发送端子系统以及接收端子系统，发送端子系统包括依次相连的微控制器、串口模块、缓存电路、LED驱动电路和LED光源，接收端子系统包括带有摄像头以及室内定位模块的手机；所述的发送端子系统将LED光源所处的位置信息编码，并调制在光源的光强上，向室内空间发送定位信号；所述的接收端子系统通过手机的摄像头获得光照下物体的图像，再从图像中解码得到坐标值，并结合地图数据获得准确位置信息；所述的LED光源发出包含光定位信号的光定位图像，摄像头为CMOS摄像头，利用CMOS摄像头的卷帘快门曝光特性，对闪烁的光信号成像，产生明暗变化的条纹图像，再通过对条纹图像进行处理，检测光源的闪烁频率，实现信息的获取。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，LED光源采用白光LED，白光LED将信号调制成光的照射能量，LED驱动电路为电流驱动电路。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，手机内的室内定位模块包括地图数据库导入模块、室内物件拍照处理模块以及定位结果输出模块；所述的室内物件拍照处理模块采集LED光源发出的包含光定位信号的光定位图像信息，处理采集到的图像信息，通过在预先定义的地图数据库中查找标识信息来确定距离信息和位置信息；通过定位结果输出模块得出具体的位置信息并将其ID号标定在预先已导入的地图上。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，所述的地图数据库导入模块在查找标识信息之前，通过图像处理算法确定位置的区域，使用区域的数据在预先定义的地图数据库中查找标识信息来确定距离信息和位置信息。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，所述的LED 驱动电路采用NPN三极管进行搭建，LED驱动电路能够使LED光源正向压降高于输入直流压降、LED驱动电路能够进行控制，并且使LED光源的电流与光通量保持线性关系。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，所述CMOS 摄像头的拍摄图像格式为YUV格式，拍摄模式为预览模式；

某一位置处，在一个或多个时间点从LED光源发射的可见光信号中获取一个或多个图像，所述可见光信号的电平在不同时间点以变化的频率在高、低电平之间变化。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，由微控制器将所要传送的位置坐标信息转换成二进制信息，然后通过曼彻斯特编码将其转换成一段编码，微控制器通过串口模块输出的编码信息为TTL电平，0V电压代表二进制的“0”，3.3V电压代表二进制的“1”，LED光源作为载体将这段位置坐标信息编码传送给接收端的手机。

作为优选，本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统一种实施例中，通过手机的摄像头拍摄得到LED闪烁图片，LED闪烁图片中的明条纹代表二进制的“1”，暗条纹代表二进制的“0”，通过图像处理识别编码信息，解码后获得LED闪烁图片所携带的坐标信息；将解码得到的坐标信息发送到数据库中，通过对比查询获得此时LED光源的位置地图。

相较于现有技术，本实用新型具有如下的有益效果：利用电路驱动LED光源使其携带一定的位置信息，利用手机的CMOS摄像头作为接收信息的终端来接收LED光源所携带的位置信息。将LED光源所处的位置信息转换成二进制信息，然后通过曼彻斯特编码将其转换成一段编码，控制LED光源的高速闪烁，使LED闪烁图片作为载体将这段位置信息编码传送给接收端子系统。接收端子系统主要依靠带有摄像头和室内定位模块的手机对LED光源进行拍照得出明暗条纹图片，接收端子系统通过图像处理技术解析出LED闪烁图片所携带的位置信息，通常人眼对于60Hz以上的闪烁不敏感，所以为了保证LED光源的照明质量，闪烁频率取1000Hz，保证LED的闪烁不会对人眼造成不适。当携带接收端子系统接近LED照明区域时，就可以使用随身携带的手机解析出LED的编码信息，利用所获得的编码信息在地图数据库中确定对应的位置信息，达到定位目的。通过LED驱动电路能够增强LED光源明暗条纹图片清晰度，图像处理的结果也更加准确。本实用新型可以通过识别LED光源照射在物体上反射的光来获取坐标信息，无需将摄像头对准LED光源，便利性以及抗干扰性较强。

附图说明

图1本实用新型定位系统的整体结构示意图；

图2本实用新型发送端子系统的结构框图；

图3本实用新型LED驱动电路的电路结构示意图；

图4本实用新型接收端子系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型基于手机摄像头的可见光室内定位系统，包括发送端子系统以及接收端子系统，发送端子系统包括依次相连的微控制器、串口模块、缓存电路、LED驱动电路和LED光源，接收端子系统包括带有摄像头以及室内定位APP的手机。发送端子系统将LED光源所处的位置信息编码，并调制在光源的光强上，向室内空间发送定位信号；接收端子系统通过手机的摄像头获得光照下物体的图像，再从图像中解码得到坐标值，并结合地图数据获得准确位置信息。上述的LED光源发出包含光定位信号的光定位图像，摄像头为手机的CMOS摄像头，利用CMOS摄像头的卷帘快门曝光特性，对闪烁的光信号成像，产生明暗变化的条纹图像，再通过对条纹图像进行处理，检测光源的闪烁频率，实现信息的获取。

如图1所示，微控制器将所要传送的位置坐标信息进行编码，通过串口模块输出到缓存电路的输入端，编码后的数据流经过缓存后再输入到LED驱动电路的输入端口中，从而控制 LED光源的高速闪烁，然后再通过带有摄像头和室内定位APP的手机对LED光源发出的光进行拍照，得到明暗条纹图片，经过k-means算法对明暗条纹图片进行聚类，然后采用曲线拟合，可以得到LED光源所携带的信息，解码后就可以得出定位结果并显示出来。

本实用新型的关键是利用电路驱动LED光源使其携带一定的位置信息，利用手机摄像头作为接收信息的终端来接收LED光源所携带的位置信息。主要原理是将位置信息转换成二进制信息，然后通过曼彻斯特编码将其转换成一段编码，控制LED光源的高速闪烁，使LED光源作为载体将这段位置信息编码传送给接收端。参见图4，接收端子系统主要依靠带有摄像头和室内定位APP的手机对LED光源发出的光进行拍照得出明暗条纹图片，接收端通过一定的图像处理技术解析出LED光源所携带的位置信息，通常人眼对于60Hz以上的闪烁不敏感，所以为了保证LED的照明质量，闪烁频率取1000Hz，保证LED光源的闪烁不会对人眼造成不适。当携带接收端子系统的人接近LED照明区域时，就可以使用手机解析出LED光源的编码信息，利用所获得的编码信息在地图数据库中确定对应的位置信息，达到定位目的。

使用本实用新型进行可见光室内定位的具体方法步骤如下：

系统工作场景为室内空间，如超市、博物馆等；

室内空间的LED光源携带特定的位置坐标信息；

带有摄像头的手机能正常拍摄室内物件，并且能解码获得LED光源所携带的位置信息；

打开本申请手机的室内定位App，查看App内地图数据库导入模块中已有的地图数据中是否有本次拍摄所在场景的地图数据，若无，需导入地图信息；完成地图数据的建立之后，利用App室内物件拍照处理模块的拍照功能，将手机摄像头对准将要拍摄的物件或者LED光源，等待若干秒之后，手机定位结果输出模块便可显示其具体位置坐标信息，并在相应的地图上标记显示出来，同时还可以将定位结果导出并保存。

首先，要先驱动LED光源照明，并记录其在地图中的坐标，使LED光源以1000Hz的频率发送坐标信息。为了保证信息发送的完整性，在发送前要先对坐标信息进行曼彻斯特编码，然后通过串口将编码信息传送到LED驱动端口的输入段，如图2所示。

本实用新型的微控制器通过串口输出的编码信息的方式为TTL电平(电压0V代表二进制的“0”，电压3.3V代表二进制的“1”)，为了确保LED能够有效地承载编码信息，本申请使用NMOS管将微控制器的电压信号转换成电流信号控制LED的高速闪烁，同时也能放大LED的驱动电流，使LED亮度达到要求，由于LED的闪烁频率要到达1000Hz，所以为了保证信息传输的有效性，要在LED驱动和微控制器串口输出之间加一个缓冲电路，其为共集级放大电路，特性为放大倍数为1，输入阻抗很大，输出阻抗很小，起到一个隔离的作用。

具体电路如图3所示，经微控制器编码后的电压信号通过串口输入到缓冲电路的输入端 Ui，经过隔离后缓冲电路的输出Uo再接到LED驱动电路的输入端，控制LED的高速闪烁，由于共集级放大电路输入阻抗极大，所以微控制器串口输入到Ui1时，电压信号几乎全部加到Ui1，而共集级放大电路输出阻抗又极小，而当Uo输入到LED的驱动电路输入端Ui2时，电压信号几乎全部加到驱动电路的输入端Ui2了，这样就很好地起到了一个缓冲隔离的作用。这样，微控制器输出的编码信号经过缓冲后就加到了LED驱动电路，LED驱动电路中的NMOS将电压信号转换成电流信号，从而驱动LED，由于微控制器输出频率较高，为了加快NMOS管的开关速度同时提高LED的亮度，通过电路中的电阻R4、R6给NMOS的栅极增加了一个0.9V左右的固定偏执。电容C1起到过滤微控制器直流信号的作用，电容C2起到过滤缓冲电路直流偏置的作用，能够使LED光源以明暗闪烁，而不是以很亮的情况闪烁，这样图像处理得出的结果更加精确。其次，通过手机的摄像头对LED光源携带的坐标信息进行识别。调整手机摄像头的快门时间，就可以得到LED闪烁图片，如图3所示，LED闪烁图片中的明条纹代表二进制的“1”，暗条纹代表二进制的“0”，对图3进行图像处理，识别图中所携带的编码信息，解码之后就能获得LED所携带的坐标信息。接收端子系统将解码得到的坐标信息发送到数据库中，通过对比查询即可以得到此时LED光源的位置地图。

本实用新型的技术方案中具有突出特点之处体现在以下几方面：

1)LED坐标信息的编码方式。

2)通过LED驱动电路将坐标的编码信息插入LED技术，人眼无法感知到LED的闪烁，本实用新型利用NMOS管将微处理器串口输出的电压信号转换成电流信息驱动LED闪烁，并使用共集级电路充当缓冲作用，让LED光源发出的光线能够有效地携带编码后的坐标信息，具有很高的可靠性。而且采用NMOS管驱动LED光源最后接收端获得的明暗条纹图片比采用三极管驱动LED接收端获得的明暗条纹图片更加明显，图像处理的结果也更加准确。

3)利用手机摄像头对LED携带的坐标信息进行识别的技术，本实用新型利用CMOS图像传感器接收LED光信号，通过调整卷帘快门时间可获得明暗条纹图片，采用k-means算法对图片进行聚类，然后采用曲线拟合产生一条动态的门限来判断当前亮度所代表的信息为“0”还是“1”，最终解码获得坐标信息。本实用新型可以通过识别LED光源照射在物体上反射的光来获取坐标信息，无需将摄像头对准LED光源，具有较好的便利性以及抗干扰性。

以上所述仅仅是本实用新型的较佳实施例，并不用以对本实用新型的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：包括发送端子系统以及接收端子系统，发送端子系统包括依次相连的微控制器、串口模块、缓存电路、LED驱动电路和LED光源，接收端子系统包括带有摄像头以及室内定位模块的手机；所述的发送端子系统将LED光源所处的位置信息编码，并调制在光源的光强上，向室内空间发送定位信号；所述的接收端子系统通过手机的摄像头获得光照下物体的图像，再从图像中解码得到坐标值并结合地图数据获得准确位置信息；所述的LED光源发出包含光定位信号的光定位图像，摄像头为CMOS摄像头，利用CMOS摄像头的卷帘快门曝光特性，对闪烁的光信号成像，产生明暗变化的条纹图像，再通过对条纹图像进行处理，检测光源的闪烁频率，实现信息的获取。

2.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：LED光源采用白光LED，白光LED将信号调制成光的照射能量，LED驱动电路为电流驱动电路。

3.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：手机内的室内定位模块包括地图数据库导入模块、室内物件拍照处理模块以及定位结果输出模块；所述的室内物件拍照处理模块采集LED光源发出的包含光定位信号的光定位图像信息，处理采集到的图像信息，通过在预先定义的地图数据库中查找标识信息来确定距离信息和位置信息；通过定位结果输出模块得出具体的位置信息并将其ID号标定在预先已导入的地图上。

4.根据权利要求3所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：所述的地图数据库导入模块在查找标识信息之前，通过图像处理确定位置的所在区域，使用区域的数据在预先定义的地图数据库中查找标识信息来确定距离信息和位置信息。

5.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：所述的LED驱动电路采用NPN三极管进行搭建，LED驱动电路能够使LED光源正向压降高于输入直流压降、LED驱动电路能够进行控制，并且使LED光源的电流与光通量保持线性关系。

6.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：

所述CMOS摄像头的拍摄图像格式为YUV格式，拍摄模式为预览模式；

7.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：由微控制器将所要传送的位置坐标信息转换成二进制信息，然后通过曼彻斯特编码将其转换成一段编码，微控制器通过串口模块输出的编码信息为TTL电平，0V电压代表二进制的“0”，3.3V电压代表二进制的“1”，LED光源作为载体将这段位置坐标信息编码传送给接收端的手机。

8.根据权利要求1所述基于手机摄像头的可见光室内定位系统，其特征在于：通过手机的摄像头拍摄得到LED闪烁图片，LED闪烁图片中的明条纹代表二进制的“1”，暗条纹代表二进制的“0”，通过图像处理识别编码信息，解码后获得LED闪烁图片所携带的坐标信息；将解码得到的坐标信息发送到数据库中，通过对比查询获得此时LED光源的位置地图。