一种ccd远程控制的家居导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种CCD远程控制的家居导航系统，包括LED灯、用户设备、导航服务器、中央处理器、现场可编程门阵列电路、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路，所述基于可见光通信的室内导航系统将室内定位导航和服务相结合，将网络通讯新技术运用到实际工作当中，极大地提高工作效率，将可见光通信技术、电力线载波通信技术融合现有的移动互联网络。
【专利说明】
一种CCD远程控制的家居导航系统
技术领域
[0001]本发明涉及室内导航领域，尤其是一种CCD远程控制的家居导航系统。
【背景技术】
[0002]太阳能(solarenergy)，是指太阳的热福射能(参见热能传播的三种方式)，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。
[0003]太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的福射能量。
[0004]人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。
[0005]随着智能手机和移动互联网的发展，人们对导航和定位服务的需求日益增大。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，GPS和北斗导航定位系统在室内都难定位，原因是定位系统星座发射的微波信号过于微弱，并且频率很高，即要沿着直线传播，且难以穿过墙壁，近些年来，可见光通信技术飞速发展，相对于传统的通信技术(如蓝牙和W1-Fi)，其具有低能耗、高速率、无电磁干扰等显著优点。
【发明内容】
[0006]本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种低能耗、高速率、无电磁干扰，并将用户设备与移动互联网相结合的基于可见光通信的节能室内导航系统。
[0007]为实现上述发明目的，提出了如下技术方案:
一种CCD远程控制的家居导航系统，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、用户设备、导航服务器、光钥匙模块；
所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED灯、接收天线、光探测器、信号处理电路;所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号;所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头;所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输； 所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块1B和内部连线三个部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块;FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程;为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电
在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0008]进一步地，LED灯为安装在室内已知位置的照明设备，每一个LED灯使用一个小的集成电路，可通过通断电控制，让其发出唯一的闪烁光，对应唯一的编码信息。LED灯发出的闪烁光大于120Hz，所以人眼无法看到这种闪烁，但是手机摄像头使用卷帘快门可扑捉到这种闪烁。LED灯发射出的光，对应唯一的编码信息，并且对应唯一的位置信息。编码信息和位置信息的对应关系表存储在的导航服务器中。待发送密钥为TTL电平信号，S卩+5V表示高电平“1”，0V表示低电平“O”；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换；
所述光钥匙模块一个一对多的装置;光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端。
[0009]进一步地，导航服务器存储LED灯编码和位置的对应信息、地图信息等。服务器强大的计算能力可辅助用户手持设备进行相关计算。例如，室内定位的计算涉及比较大的计算量，这部分的计算可以放到服务器中，用户手持设备只需要接收最后的结果。
[0010]进一步地，首先由用户设备(如手机)中输入目标资源后，使用手持设备摄像头拍摄LED灯;然后，手持设备上的应用程序对LED进行解码，得到对应的编码信息;接下来，手持设备通过无线网络与导航服务器进行连接，查询导航服务器中的关系表，获取LED灯位置;最后，服务器上的应用程序使用室内定位算法得到手持设备的位置信息，并返回给手持设备，结合手持设备上的地图，将需要的导航信息显示到用户设备屏幕上。
[0011]该发明的有益效果:
应用人工智能专家系统、知识工程、模式识别、人工神经网络等方法和技术，进行智能化、集成化、协调化、设计和实现的新一代的计算机管理系统。WIFI容易被电磁干扰，传输的方向不可控，密码容易被截获。然而可见光通信是一种点对点的传输模式，具有保密性好的优点。
[0012]光钥匙和智能移动终端相结合，可以很好的运用Android系统开发手机AAP光密钥软件，Android系统是基于Linux的一个开源的操作系统，主要是使用在移动终端(手机和平板)中。Android系统和其他的系统平台相比，有很大的优势。它的优势最主要的体现在它的开放性。Android系统是完全开源的系统，所有的爱好者和厂商都可以参与到Android系统的开发中来，这就为Android系统的发展打下了很好基础。Android系统已经成为了全球装机量第一大的系统。Android系统的另一大优势就是基于谷歌公司的平台，谷歌公司的地图、搜索、邮箱等服务产品，能够无缝的应用到Andr1d系统中去。
[0013]所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块1B和内部连线三个部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块;FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了 FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程;为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电
在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0014]本发明的基于可见光通信的室内导航系统，将室内定位导航和服务相结合，将网络通讯新技术很好地运用到实际工作当中，同时具有低能耗、高速率、无电磁干扰等显著优点。可见光通信嵌入到室内导航服务中，推动了可见光通信的发展和应用，具有巨大的市场前景。远距离可见光通信系统，在发射端采用了OOK调制方式，OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时O或者I;使得发射端成本合理;在接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(10fps以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。选择CCD作为光探测器，其灵敏度和响应度比传统的PIN光电二极管高很多。对比于传统光电二极管，采用CCD相机可以使光源的位置可以在图像中清晰的显示出来，这样，只要能够判断出信号的位置，将来可以使用多个光源，在接收端的接受能力之内，成倍的提高传输速率。并且CCD作为光探测器还可以同时用于APT通信系统当中。
[0015]可见光通信的室内定位技术将可见光通信与无线定位技术有机结合，发挥各自的优长，则既可以提供较好的精度和响应速度，可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。基于可见光的室内定位无电磁污染，部署容易，既满足照明要求，又降低了功耗和成本。功耗低，调制解调算法简单，成本低，体积小，不需要重新部署灯源，只需把一个低成本的LED灯安装到原有的灯座上即可实现定位，满足了可扩展性和强壮性的要求。因此，基于可见光通信的室内导航系统具有巨大的市场经济效益。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的基于可见光通信的室内导航系统的工作流程图；
图2是基于可见光通信的室内导航系统的结构图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的一种CCD远程控制的家居导航系统作进一步详尽描述:
1、如图1所示，一种CCD远程控制的家居导航系统，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、用户设备、导航服务器、光钥匙模块；
所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED灯、接收天线、光探测器、信号处理电路;所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号;所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头;所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；
所述LED灯为安装在室内已知位置的照明设备，每一个LED灯使用一个小的集成电路，可通过通断电控制，让其发出唯一的闪烁光，对应唯一的编码信息。LED灯发出的闪烁光大于120Hz，所以人眼无法看到这种闪烁，但是手机摄像头使用卷帘快门可扑捉到这种闪烁。LED灯发射出的光，对应唯一的编码信息，并且对应唯一的位置信息。编码信息和位置信息的对应关系表存储在的导航服务器中。待发送密钥为TTL电平信号，S卩+5V表示高电平“1”，0V表示低电平“O”；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换；
所述光钥匙模块一个一对多的装置;光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端。
[0018]所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块1B和内部连线三个部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块;FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了 FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程;为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电。
[0019]在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0020]
所述导航服务器存储LED灯编码和位置的对应信息、地图信息等。服务器强大的计算能力可辅助用户手持设备进行相关计算。例如，室内定位的计算涉及比较大的计算量，这部分的计算可以放到服务器中，用户手持设备只需要接收最后的结果。
[0021]所述用户设备(如手机)中输入目标资源后，使用手持设备摄像头拍摄LED灯;然后，手持设备上的应用程序对LED进行解码，得到对应的编码信息;接下来，手持设备通过无线网络与导航服务器进行连接，查询导航服务器中的关系表，获取LED灯位置;最后，月艮务器上的应用程序使用室内定位算法得到手持设备的位置信息，并返回给手持设备，结合手持设备上的地图，将需要的导航信息显示到用户设备屏幕上。
[0022]所述远距离可见光通信系统具体包括:
调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如OOK调制、PPM调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的51单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择FPGA等。
[0023]LED驱动，用于将电信号转化为光信号。LED驱动模块用于完成对LED光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到LED光源上。如51单片机，其触发方式是TTL触发，完成对LED光源驱动。
[0024]LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光LED光源。此外，选择阵列形式LED光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。
[0025]LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。
[0026]大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。
[0027]相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。
[0028](XD相机，CXD是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。
[0029](XD相机需能够匹配光源的速率，CXD相机能够完成高帧频采集。CXD相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。
[0030]成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。
[0031]
如图2所示，基于可见光通信的室内导航系统工作流程为用户在手机屏幕上输入需要的目标资料，通过查询服务器中的地图，得到目标资源的具体位置信息，作为导航目的地。进一步地，用户使用手持设备拍摄最近的若干个LED灯，摄像头使用卷帘快门获得这些LED灯的闪烁信息，并采用图像处理技术，手持设备或服务器可以对拍摄到的闪烁信息进行解码，得到对应的编码信息。进一步地，服务器端的应用程序在服务器上的编码位置对应表中进行查找，得到这些LED灯的位置信息。进一步地，导航服务器基于被拍摄的若干个LED灯的位置信息，以及它们在手持设备摄像头中的成像信息，采用基于多个LED灯的定位方法，得到手持设备的位置和拍摄角度信息，作为导航的起点和方向。进一步地，导航服务器使用路径寻找算法，得到从起点到目的地的导航信息，这些信息将会被发送到用户的手持设备上，结合手持设备中的加速度传感器，为用户提供导航服务。
[0032]上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种CCD远程控制的家居导航系统，其特征在于，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、用户设备、导航服务器、光钥匙模块； 所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED灯、接收天线、光探测器、信号处理电路;所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号;所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头;所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输； 所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送;所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路;所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路;其中，所述LED灯通过灯光信号与的导航服务器连接，所述LED灯发出的光，对应唯一的编码信息，并且对应唯一的位置信息。2.所述导航服务器存储LED灯编码和位置的对应信息、地图信息。3.据权利要求1所述的一种CCD远程控制的家居导航系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端;发射端可使用00Κ、ΡΡΜ等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送;接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频10fps以上、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收;所述充电插口设置于闭合门的侧端； 所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块1B和内部连线三个部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块;FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了 FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。4.据权利要求1所述的一种CCD远程控制的家居导航系统，其特征在于，所述用户设备能够使用摄像头拍摄LED灯，并且具有应用程序对LED进行解码，得到对应的编码信息，通过无线网络与导航服务器进行连接，获取导航信息;待发送密钥为TTL电平信号，S卩+5V表示高电平“1”，0V表示低电平“O”；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换;所述光钥匙模块一个一对多的装置;光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端。5.据权利要求1所述的一种CCD远程控制的家居导航系统，其特征在于，导航服务器存储LED灯编码和位置的对应信息、地图信息，所述导航服务器用于室内定位的计算；用户设备中输入目标资源后，使用手持设备摄像头拍摄LED灯;然后，手持设备上的应用程序对LED进行解码，得到对应的编码信息;手持设备通过无线网络与导航服务器进行连接，查询导航服务器中的关系表，获取LED灯位置;服务器上的应用程序使用室内定位算法得到手持设备的位置信息，并返回给手持设备，结合手持设备上的地图，将需要的导航信息显示到用户设备屏幕上。
【文档编号】H04B10/116GK105955130SQ201610385726
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】王烨
【申请人】苏州杰姆斯特机械有限公司