基于ARM嵌入式的可見光室內(nèi)定位與通訊

梁天豪

摘要：本文提出了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的可見光室內(nèi)定位方法，利用LED與攝像頭實(shí)現(xiàn)可見光的室內(nèi)精確定位的方法，為了解決當(dāng)下定位成本高昂，不足以滿足群眾的問題。該方法通過首先設(shè)定LED的絕對(duì)位置信息，通過攝像頭拍攝記錄存檔，利用攝像頭拍攝新的照片對(duì)比，獲取攝像頭與LED的相對(duì)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見光定位。加入頻率不相同的信號(hào)調(diào)制，信號(hào)源在不同的調(diào)制后經(jīng)過LED放出，通過光電二極管接收，經(jīng)過選頻電路篩選后放大，實(shí)現(xiàn)音頻的可見光通訊。

關(guān)鍵詞：可見光通訊；室內(nèi)精準(zhǔn)定位；攝像頭成像通訊；ARM嵌入式；調(diào)制與解調(diào)；

一、引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，可見光逐漸的應(yīng)用到國(guó)防，科研，生產(chǎn)，通訊等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)可見光的要求也逐步生活化，室內(nèi)可見光定位對(duì)一個(gè)企業(yè)或是家庭，有著至關(guān)重要的作用。于是，對(duì)室內(nèi)可見光定位的精度要求的越來越高?；谶@些要求，本文章介紹了基于ARM嵌入式可見光圖像處理為核心的室內(nèi)可見光定位方法，該種定位方法具有抗干擾能力強(qiáng)準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。并且隨著社會(huì)的發(fā)展逐漸向著智能化便捷化發(fā)展，對(duì)可見光的利用也是越來越多，將信息通過可見光進(jìn)行傳播已經(jīng)成為了大家研究的重點(diǎn)，本文介紹了一種可見光通訊的方法，并且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、可見光定位原理

LED在攝像頭成像面上成像，以成像面的中心為原點(diǎn)設(shè)立坐標(biāo)系稱為攝像頭參照系，透鏡焦距很短，可認(rèn)為成像面位于透鏡下方焦點(diǎn)處，設(shè)透鏡的焦距為f。LED與其成像位置在攝像頭參照系中具有幾何比例關(guān)系。根據(jù)幾何比例關(guān)系，也即相似關(guān)系，可以得到LED與攝像頭的位置的關(guān)系.已知u，v，w表示攝像頭參照系的坐標(biāo)軸，以n，e，d代表世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸，點(diǎn)I為L(zhǎng)ED的位置，點(diǎn)i為L(zhǎng)ED在攝像頭中所成像的位置，O為透鏡的中心，C為圖像的中心位置，則（ui，vi，wi）為L(zhǎng)ED在攝像頭坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（nc，ec，dc）為攝像頭在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（O，vi，wi）為L(zhǎng)ED所成的像在攝像頭坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，其中vi，wi的值可以通過計(jì)算像素得到。攝像頭坐標(biāo)系中，LED及其像的坐標(biāo)滿足；開始時(shí)，傳感器和三個(gè)燈泡的位置已經(jīng)固定且底面與頂面保持平行，此時(shí)以傳感器十字中心的位置為坐標(biāo)的原點(diǎn)，傳感器的定位依靠其自身移動(dòng)時(shí)，三個(gè)燈泡的位置固定不動(dòng)，觀察三個(gè)燈泡位置的變化，便可以被動(dòng)的推算出傳感器的位置，但是觀察其位置時(shí)，燈泡在攝像頭上呈的象的位置的改變與實(shí)際傳感器位置的改變的成一定的比例，測(cè)算出比例，便可以得到傳感器的位置。

已知燈泡箱頂?shù)姆植?，兩個(gè)燈泡在箱頂分布是在a與e區(qū)交線的兩個(gè)頂點(diǎn)為，三角形的頂點(diǎn)是在A與B區(qū)交線的中點(diǎn)處，這樣各個(gè)點(diǎn)的物理距離便可以得出。此時(shí)傳感器擺在底面中心的位置正對(duì)上方中心，作為初始的坐標(biāo)原點(diǎn)。用到的攝像機(jī)中呈的象每個(gè)像素大小對(duì)應(yīng)于實(shí)際中的大小為5.6微米，攝像機(jī)的分辨率為640X480，則呈像的COMS面的大小為3.584毫米x2.688毫米，要想在箱中能夠得到傳感器的坐標(biāo)，就需要在箱中任何一個(gè)位置都能觀察到三個(gè)燈泡，而箱子的長(zhǎng)與寬都是8000毫米X8000毫米，也就是要CMOS面的寬至少能夠呈出8000毫米的邊長(zhǎng)，于是可得出1PX至少對(duì)應(yīng)于16.67毫米。接著，只要能夠得出燈泡所呈的象相對(duì)位移，乘以對(duì)應(yīng)的比例尺，便可以得出實(shí)際物理位移確定傳感器的坐標(biāo)。

由于燈泡在傳感器中呈的象是一堆像素點(diǎn)的集合，所以要對(duì)這些像的點(diǎn)中心化，得到象的坐標(biāo)具體坐標(biāo)位置.

三、LED信號(hào)的發(fā)送與接收方法

發(fā)射部分由12V穩(wěn)壓電源提供，音頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)制由三極管放大后通過LED發(fā)射信號(hào)，發(fā)射頻率不能過大.鑒頻后的伴音（音頻）信號(hào)經(jīng)三極管VT放大后推動(dòng)紅外發(fā)射管。由于發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度與通過其電流成正比，所以VD1、VD2所發(fā)出的紅外光，便受到音頻信號(hào)的調(diào)制。為了防止失真，VD1、VD2要設(shè)一定的偏置。其電路采用一塊音頻放大集成電路LM386。VD為紅外線接收管。當(dāng)被音頻信號(hào)調(diào)制的紅外光照射到VD時(shí)，在其兩端產(chǎn)生一個(gè)與音頻信號(hào)變化規(guī)律相同的電信號(hào)，經(jīng)C1耦合至IC，進(jìn)行放大。

在用攝像頭定位的時(shí)候，攝像頭角度的變化，周圍光源的變化，LED燈過于亮的因素，我們采取的是固定攝像頭的底座，細(xì)心的放著測(cè)量，在攝像頭的鏡片上貼一個(gè)濾光，減少干擾。LED的光信號(hào)發(fā)出，光敏二極管的接收，由于接收的導(dǎo)線很長(zhǎng)，因?yàn)楣饷舳O管接收的電流比較微弱，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓跟隨器可以達(dá)到抗干擾的目的。其次為了抗干擾并且區(qū)分出三個(gè)發(fā)出信號(hào)。在發(fā)射端加特定頻率的信號(hào)調(diào)制。本文中所用的特定頻率為1MHz 1.22MHz 600KHz的頻率進(jìn)行調(diào)制。設(shè)計(jì)一個(gè)LC選頻電路。利用CD1691CB芯片的集成電路，具有很好的選頻特性。

四、結(jié)論：

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)三個(gè)位置LED按照成像通訊原理進(jìn)行測(cè)驗(yàn)以及參數(shù)標(biāo)定，我們達(dá)到得到了如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在mm量級(jí)，誤差極小。

對(duì)三個(gè)不同位置的LED燈，加入頻率不相同的信號(hào)調(diào)制，信號(hào)源在不同的調(diào)制后經(jīng)過LED放出，通過光電二極管接收，然后利用CD1691CB芯片進(jìn)行LC諧振選頻電路選出不同的LED發(fā)出的信號(hào)，然后通過LM258P集成運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大輸出。效果良好。

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