基于ARM嵌入式的可见光室内定位与通讯

梁天豪

摘要：本文提出了一种基于ARM嵌入式系统的可见光室内定位方法，利用LED与摄像头实现可见光的室内精确定位的方法，为了解决当下定位成本高昂，不足以满足群众的问题。该方法通过首先设定LED的绝对位置信息，通过摄像头拍摄记录存档，利用摄像头拍摄新的照片对比，获取摄像头与LED的相对位置信息，从而实现室内可见光定位。加入频率不相同的信号调制，信号源在不同的调制后经过LED放出，通过光电二极管接收，经过选频电路筛选后放大，实现音频的可见光通讯。

关键词：可见光通讯；室内精准定位；摄像头成像通讯；ARM嵌入式；调制与解调；

一、引言

随着社会的发展和进步，可见光逐渐的应用到国防，科研，生产，通讯等各个领域，对可见光的要求也逐步生活化，室内可见光定位对一个企业或是家庭，有着至关重要的作用。于是，对室内可见光定位的精度要求的越来越高。基于这些要求，本文章介绍了基于ARM嵌入式可见光图像处理为核心的室内可见光定位方法，该种定位方法具有抗干扰能力强准确度高的优点。并且随着社会的发展逐渐向着智能化便捷化发展，对可见光的利用也是越来越多，将信息通过可见光进行传播已经成为了大家研究的重点，本文介绍了一种可见光通讯的方法，并且通过实验测试验证实验结果。

二、可见光定位原理

LED在摄像头成像面上成像，以成像面的中心为原点设立坐标系称为摄像头参照系，透镜焦距很短，可认为成像面位于透镜下方焦点处，设透镜的焦距为f。LED与其成像位置在摄像头参照系中具有几何比例关系。根据几何比例关系，也即相似关系，可以得到LED与摄像头的位置的关系.已知u，v，w表示摄像头参照系的坐标轴，以n，e，d代表世界坐标系的坐标轴，点I为LED的位置，点i为LED在摄像头中所成像的位置，O为透镜的中心，C为图像的中心位置，则（ui，vi，wi）为LED在摄像头坐标系中的坐标，（nc，ec，dc）为摄像头在世界坐标系中的坐标，（O，vi，wi）为LED所成的像在摄像头坐标系中的坐标，其中vi，wi的值可以通过计算像素得到。摄像头坐标系中，LED及其像的坐标满足；开始时，传感器和三个灯泡的位置已經固定且底面与顶面保持平行，此时以传感器十字中心的位置为坐标的原点，传感器的定位依靠其自身移动时，三个灯泡的位置固定不动，观察三个灯泡位置的变化，便可以被动的推算出传感器的位置，但是观察其位置时，灯泡在摄像头上呈的象的位置的改变与实际传感器位置的改变的成一定的比例，测算出比例，便可以得到传感器的位置。

已知灯泡箱顶的分布，两个灯泡在箱顶分布是在a与e区交线的两个顶点为，三角形的顶点是在A与B区交线的中点处，这样各个点的物理距离便可以得出。此时传感器摆在底面中心的位置正对上方中心，作为初始的坐标原点。用到的摄像机中呈的象每个像素大小对应于实际中的大小为5.6微米，摄像机的分辨率为640X480，则呈像的COMS面的大小为3.584毫米x2.688毫米，要想在箱中能够得到传感器的坐标，就需要在箱中任何一个位置都能观察到三个灯泡，而箱子的长与宽都是8000毫米X8000毫米，也就是要CMOS面的宽至少能够呈出8000毫米的边长，于是可得出1PX至少对应于16.67毫米。接着，只要能够得出灯泡所呈的象相对位移，乘以对应的比例尺，便可以得出实际物理位移确定传感器的坐标。

由于灯泡在传感器中呈的象是一堆像素点的集合，所以要对这些像的点中心化，得到象的坐标具体坐标位置.

三、LED信号的发送与接收方法

发射部分由12V稳压电源提供，音频信号经过调制由三极管放大后通过LED发射信号，发射频率不能过大.鉴频后的伴音（音频）信号经三极管VT放大后推动红外发射管。由于发射管的发射强度与通过其电流成正比，所以VD1、VD2所发出的红外光，便受到音频信号的调制。为了防止失真，VD1、VD2要设一定的偏置。其电路采用一块音频放大集成电路LM386。VD为红外线接收管。当被音频信号调制的红外光照射到VD时，在其两端产生一个与音频信号变化规律相同的电信号，经C1耦合至IC，进行放大。

在用摄像头定位的时候，摄像头角度的变化，周围光源的变化，LED灯过于亮的因素，我们采取的是固定摄像头的底座，细心的放着测量，在摄像头的镜片上贴一个滤光，减少干扰。LED的光信号发出，光敏二极管的接收，由于接收的导线很长，因为光敏二极管接收的电流比较微弱，所以设计了一个电压跟随器可以达到抗干扰的目的。其次为了抗干扰并且区分出三个发出信号。在发射端加特定频率的信号调制。本文中所用的特定频率为1MHz 1.22MHz 600KHz的频率进行调制。设计一个LC选频电路。利用CD1691CB芯片的集成电路，具有很好的选频特性。

四、结论：

通过实验，对三个位置LED按照成像通讯原理进行测验以及参数标定，我们达到得到了如下实验数据：

实验数据误差在mm量级，误差极小。

对三个不同位置的LED灯，加入频率不相同的信号调制，信号源在不同的调制后经过LED放出，通过光电二极管接收，然后利用CD1691CB芯片进行LC谐振选频电路选出不同的LED发出的信号，然后通过LM258P集成运算放大电路进行放大输出。效果良好。

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