基于ARM嵌入式的可見光室內定位與通訊

梁天豪

摘要：本文提出了一種基于ARM嵌入式系統的可見光室內定位方法，利用LED與攝像頭實現可見光的室內精確定位的方法，為了解決當下定位成本高昂，不足以滿足群眾的問題。該方法通過首先設定LED的絕對位置信息，通過攝像頭拍攝記錄存檔，利用攝像頭拍攝新的照片對比，獲取攝像頭與LED的相對位置信息，從而實現室內可見光定位。加入頻率不相同的信號調制，信號源在不同的調制后經過LED放出，通過光電二極管接收，經過選頻電路篩選后放大，實現音頻的可見光通訊。

關鍵詞：可見光通訊；室內精準定位；攝像頭成像通訊；ARM嵌入式；調制與解調；

一、引言

隨著社會的發展和進步，可見光逐漸的應用到國防，科研，生產，通訊等各個領域，對可見光的要求也逐步生活化，室內可見光定位對一個企業或是家庭，有著至關重要的作用。于是，對室內可見光定位的精度要求的越來越高。基于這些要求，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可見光定位方法，該種定位方法具有抗干擾能力強準確度高的優點。并且隨著社會的發展逐漸向著智能化便捷化發展，對可見光的利用也是越來越多，將信息通過可見光進行傳播已經成為了大家研究的重點，本文介紹了一種可見光通訊的方法，并且通過實驗測試驗證實驗結果。

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設立坐標系稱為攝像頭參照系，透鏡焦距很短，可認為成像面位于透鏡下方焦點處，設透鏡的焦距為f。LED與其成像位置在攝像頭參照系中具有幾何比例關系。根據幾何比例關系，也即相似關系，可以得到LED與攝像頭的位置的關系.已知u，v，w表示攝像頭參照系的坐標軸，以n，e，d代表世界坐標系的坐標軸，點I為LED的位置，點i為LED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LED在攝像頭坐標系中的坐標，（nc，ec，dc）為攝像頭在世界坐標系中的坐標，（O，vi，wi）為LED所成的像在攝像頭坐標系中的坐標，其中vi，wi的值可以通過計算像素得到。攝像頭坐標系中，LED及其像的坐標滿足；開始時，傳感器和三個燈泡的位置已經固定且底面與頂面保持平行，此時以傳感器十字中心的位置為坐標的原點，傳感器的定位依靠其自身移動時，三個燈泡的位置固定不動，觀察三個燈泡位置的變化，便可以被動的推算出傳感器的位置，但是觀察其位置時，燈泡在攝像頭上呈的象的位置的改變與實際傳感器位置的改變的成一定的比例，測算出比例，便可以得到傳感器的位置。

已知燈泡箱頂的分布，兩個燈泡在箱頂分布是在a與e區交線的兩個頂點為，三角形的頂點是在A與B區交線的中點處，這樣各個點的物理距離便可以得出。此時傳感器擺在底面中心的位置正對上方中心，作為初始的坐標原點。用到的攝像機中呈的象每個像素大小對應于實際中的大小為5.6微米，攝像機的分辨率為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，就需要在箱中任何一個位置都能觀察到三個燈泡，而箱子的長與寬都是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，于是可得出1PX至少對應于16.67毫米。接著，只要能夠得出燈泡所呈的象相對位移，乘以對應的比例尺，便可以得出實際物理位移確定傳感器的坐標。

由于燈泡在傳感器中呈的象是一堆像素點的集合，所以要對這些像的點中心化，得到象的坐標具體坐標位置.

三、LED信號的發送與接收方法

發射部分由12V穩壓電源提供，音頻信號經過調制由三極管放大后通過LED發射信號，發射頻率不能過大.鑒頻后的伴音（音頻）信號經三極管VT放大后推動紅外發射管。由于發射管的發射強度與通過其電流成正比，所以VD1、VD2所發出的紅外光，便受到音頻信號的調制。為了防止失真，VD1、VD2要設一定的偏置。其電路采用一塊音頻放大集成電路LM386。VD為紅外線接收管。當被音頻信號調制的紅外光照射到VD時，在其兩端產生一個與音頻信號變化規律相同的電信號，經C1耦合至IC，進行放大。

在用攝像頭定位的時候，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，細心的放著測量，在攝像頭的鏡片上貼一個濾光，減少干擾。LED的光信號發出，光敏二極管的接收，由于接收的導線很長，因為光敏二極管接收的電流比較微弱，所以設計了一個電壓跟隨器可以達到抗干擾的目的。其次為了抗干擾并且區分出三個發出信號。在發射端加特定頻率的信號調制。本文中所用的特定頻率為1MHz 1.22MHz 600KHz的頻率進行調制。設計一個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、結論：

通過實驗，對三個位置LED按照成像通訊原理進行測驗以及參數標定，我們達到得到了如下實驗數據：

實驗數據誤差在mm量級，誤差極小。

對三個不同位置的LED燈，加入頻率不相同的信號調制，信號源在不同的調制后經過LED放出，通過光電二極管接收，然后利用CD1691CB芯片進行LC諧振選頻電路選出不同的LED發出的信號，然后通過LM258P集成運算放大電路進行放大輸出。效果良好。

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