徐 勇

（中國計量學(xué)院,杭州 310018）

基于單片機(jī)設(shè)計的可見光室內(nèi)定位通信裝置

徐 勇

（中國計量學(xué)院,杭州 310018）

本裝置由定位和通信雙系統(tǒng)構(gòu)成，分別以MK60和STM32F407ZGT6單片機(jī)為核心。定位系統(tǒng)中以O(shè)V7725攝像頭為主要傳感器，通過圖像二值化算法等方法實現(xiàn)了精確的定位。通信系統(tǒng)中信息通過PWM波編碼，由LED光珠的光源作為信息載體。光敏三極管作為接收傳感器使光信號轉(zhuǎn)化為電信號，信號篩選、放大、比較、識別等處理最終較好的實現(xiàn)了單工數(shù)據(jù)通信。

MK60；STM32F407ZGT6；OV7725攝像頭；圖像二值化；PWM波編碼

1 設(shè)計要求

1.1 基本要求

在80*80*80五面封閉的箱體中完成以下要求：

（1） 當(dāng)傳感器位于區(qū)域A ，測量電路能完成坐標(biāo)值的測量并在LCD屏上顯示出數(shù)值(絕對誤差＜=10cm)且顯示所在區(qū)域字母 。

（2）將傳感器分別置于區(qū)域 B、C, D,E，測量電路能完成坐標(biāo)值的測量并在在LCD屏上顯示出數(shù)值(絕對誤差＜=10cm) 且顯示所在區(qū)域字母 。

（3）測量電路 LCD 顯示坐標(biāo)值，顯示分辨率為 0.1cm。

1.2 拓展要求

（4）將傳感器置于底部平面任意一個區(qū)域，能精確測量并顯示其位置坐標(biāo)值，絕對誤差＜= 3cm。

（5）LED 控制電路可由鍵盤輸入阿拉伯?dāng)?shù)字，在正常照明和定位 （誤差滿足基本要求（2）或（4）的情況下，測量電路能接收并顯示3 個 LED 發(fā)送的數(shù)字信息。

（6）LED 控制電路采用+12V 單電源供電，供電功率不大于 5w。

2 方案論證

2.1 系統(tǒng)框圖與組成

如圖3所示，該裝置由定位和通信系統(tǒng)構(gòu)成，由單一的電源進(jìn)行供電，通過穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)了裝置所需電源和功率的供給。

系統(tǒng)之間相互獨立互不干擾。其中定位系統(tǒng)中主要部件：LCD液晶顯示屏、OV7725攝像頭及主控MK60。通信系統(tǒng)主要部件:點光源控制電路，光敏三極管接收模塊，OLED顯示屏。

2.2 系統(tǒng)分析

2.2.1 定位系統(tǒng)

（1）定位原理。本系統(tǒng)中的OV7725攝像頭因FIFO存儲器的存儲量有限，故采取的圖像分辨率為240320。

同時在裝置的設(shè)計上，是將多個LED點光源集中到一處區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過成像處理后可在串口助手上顯示出一個略微帶毛刺的白色亮圓。因為OV7725攝像頭輸出時為一幀一幀的輸出，且圖像里的像素一般遵循從左到右從上到下的掃描順序，故可通過圖像二值化處理將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入一個二維數(shù)組，便于我們?nèi)ヌ幚怼?/p>

經(jīng)過多次將攝像頭擺放到箱底四個角落與中心點進(jìn)行圖像及數(shù)據(jù)采集測試后推得攝像頭正放在燈光下時的空間位置（二維數(shù)組序列號），記此序列號為(,)。并經(jīng)過大量實驗估算得到：每實際距離移動5cm與數(shù)組中序列號數(shù)值變化的比例，記該比例為“λ”。

假定白點為“1”，黑點為“0”，由MK60單片機(jī)對所得到的二維數(shù)組進(jìn)行（自左向右，從上到下）處理。當(dāng)單片機(jī)對二維數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行掃描時，將第一個碰到 “1”的坐標(biāo)號記為(X1,Y1)，記這行最后一個“1”的坐標(biāo)號為(X2,Y2)，跳轉(zhuǎn)到下一行掃描時第一個碰到的 “1”的坐標(biāo)號記為(X3,Y3)，且記這行最后一個“1”坐標(biāo)號為(X4,Y4)，分別比較Y1和Y3的大小，Y2與Y4的大小。若Y1＞Y3，則將(X3,Y3)數(shù)組坐標(biāo)號緩存下來，并繼續(xù)與下一個Yi值作比較，反之則保留(X1,Y1)。Y2和Y4則與之相反，若Y2＞Y4，則將(X2,Y2)數(shù)組坐標(biāo)號緩存下來，反之保留(X4,Y4)。當(dāng)掃描完所需處理的數(shù)組后，即可得到兩個不同的數(shù)組坐標(biāo)號記為(,)和(,)。則偏移后圓的圓心即為：。設(shè)實際X,Y偏移距離分別為和,則兩者之間存在如下等式：

并且由于圖像中圓點的移動方向與實際移動的方向剛好相反，因此最終還需要通過程序進(jìn)行判斷處理才能顯示在LCD屏幕上。

（2）測試結(jié)果及其誤差分析。根據(jù)圖4顯示：實際距離與理論距離的相對誤差Δ在2cm處徘徊，除極個別點超出要求外，其他點均滿足要求的相對誤差＜=3cm，從而實現(xiàn)了較高精度的空間定位。

誤差產(chǎn)生原因：

1）在由于太陽光的漫反射導(dǎo)致圖像出現(xiàn)光斑，因而導(dǎo)致光點坐標(biāo)判斷失誤。造成相對坐標(biāo)偏差嚴(yán)重。

2）擺放攝像頭時未擺正，導(dǎo)致鏡頭傾斜圖像生成錯位。

3）人手動扶持，易容易產(chǎn)生抖動，使得圓心生成偏差。

2.2.2 通信系統(tǒng)

（1）通信流程。本系統(tǒng)分別由發(fā)送和接收兩個模塊組建成。核心為STM32F407ZGT6單片機(jī)板，根據(jù)要求將所需要發(fā)送的10個阿拉伯?dāng)?shù)字分別對應(yīng)10個按鍵，由STM32F407通過檢測相應(yīng)端口高低電平的跳變產(chǎn)生的跳變沿判斷按鍵是否按下，如若按下則產(chǎn)生相對應(yīng)的PWM波，并由控制電路將LED光珠光源發(fā)出的可見光轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⑤d體。在接收部分通過光電傳感器來實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)變，經(jīng)過濾波放大后輸入到解調(diào)模塊中，通過解調(diào)即可還原初始信息，從而顯示到OLED屏幕上。

（2）發(fā)射端和接收端原理。發(fā)射端由3個LED燈珠組成，以3個L298N作為電路驅(qū)動。當(dāng)按鍵模塊中的某個按鍵按下，STM32F407單片機(jī)端口產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，并將其作為輸出與L298N的一個輸入端想接，另一端則與地相連。當(dāng)輸入為高電平時L298N內(nèi)正常工作電路被導(dǎo)通有電流產(chǎn)生，LED燈珠燈亮。當(dāng)輸入為低電平時電路為斷路，LED燈珠熄滅。燈珠的亮滅就是電信號轉(zhuǎn)化為光信號的途徑。由此可以通過改變PWM波的占空比來控制燈珠的亮滅時間的長短從而實現(xiàn)光信號的調(diào)制。

關(guān)于PWM波的占空比改變主要是使用STM32F4系列的官方庫函數(shù)。其中最主要的是stm32f4xx_tim.h頭文件和stm32f4xx_tim.c文件。通過更改自動重載寄存器和預(yù)分頻器寄存器內(nèi)的數(shù)值來控制周期。

并通過設(shè)置捕獲/比較寄存器來調(diào)控高電平在一個周期所占比例。在實驗中我們設(shè)定了周期都為1kHz，但占空比不同的10個PWM波。

光敏三極管是作為接收端的光電傳感器來使用。它的靈敏度相較于光敏二極管來說更高，對于入射光信號的響應(yīng)時間為，因此適合做信號的采集。

光敏三極管又稱光電三極管，它不僅具有電流放大作用，同時可以由光輻射來加以控制?；驹硎钱?dāng)有光照射到PN結(jié)上時，光敏三極管吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)光照射到發(fā)射結(jié)時基極處會產(chǎn)生光生電流并且由基極進(jìn)入發(fā)射極，因此集電極回路中就產(chǎn)生了倍的電流信號。由于這個電流信號存在著許多無用的雜波故設(shè)計了帶通濾波器(中心頻率為1kHz，Q=5，增益為1的巴特沃斯2級接續(xù)的BPF)進(jìn)行篩選。經(jīng)過該窄帶濾波器濾波后就可以得到所需頻段(1KHz左右)的信號，但由于信號的電壓非常微小，在進(jìn)行比較前還需將它通過電壓放大模塊放大一百倍。放大后連續(xù)不規(guī)則的電壓信號通過電壓比較器整流成占空比不同的方波信號，并進(jìn)一步輸入到管腳口上，在管腳口上STM32F407單片機(jī)捕獲信號的上下跳變沿來判斷方波的高電平時間，最后經(jīng)過校對在OLED屏幕上顯示出相應(yīng)的數(shù)值。實現(xiàn)了單工數(shù)據(jù)通信。

（3）測試結(jié)果及分析。誤差分析：

1）由于光敏三極管受到光的影響較大，室內(nèi)陽光直射的干擾導(dǎo)致電壓信號出現(xiàn)偏差使得信號丟失。

2）硬件基礎(chǔ)比較單薄，線路中存在問題。

3）光信號在空氣中傳輸?shù)倪^程中受到干擾導(dǎo)致頻率發(fā)生了變化，在經(jīng)過窄帶濾波時由于不滿足要求被濾除了導(dǎo)致信息空缺。

表1 通信系統(tǒng)驗證結(jié)果

2.3 改進(jìn)方案

為了提高精準(zhǔn)度，實驗中我們在鏡頭上加裝了濾光片有效的濾除了干擾光，軟件算法改換成為了二次掃描法。第一次掃描結(jié)束后，MK60將對掃描出來的數(shù)組坐標(biāo)號進(jìn)行第二次的掃描判斷。雖然犧牲了時間，但是定位的精準(zhǔn)度有了顯著的提高。通過跟換更精準(zhǔn)的光敏傳感器并將電路制作成pcb板子減少了外部導(dǎo)線的連接，使得光通信方面得到了較大的提升。

3 結(jié)論

本文可見光室內(nèi)定位通信裝置基于MK60和STM32F407ZGT6單片機(jī)，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點，巧妙的利用攝像頭像素的精確定位、并以LED光源為信息載體進(jìn)行單工數(shù)據(jù)通信，較好的完成了基本部分的要求并對擴(kuò)展部分進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)了定位與通信相結(jié)合。

[1]王旭東,胡晴晴,吳楠.高精度室內(nèi)可見光定位算法[A].1005-0086,2015(07):05-0862.

[2]沈芮,張劍.基于可見光通信的室內(nèi)定位方法[A].1671-0673,2014(05):01-0041.

[3]王濤.基于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2013,37(09).

[4]丁德強,柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電,2006(02):15-18.

[5]都文和,陳晨.基于 PWM 的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù),2016,40(11):50-53．

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.112

徐勇（1997-）,男,浙江麗水人,本科。