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基于智能手机的光学相机通信系统设计与实现

张龙  
【摘要】:基于LED光源的可见光通信(VLC)技术作为一种快速发展的新兴无线通信方式,具有频带宽、绿色安全、保密性好以及抗干扰能力强等特点,由于能够有效解决无线射频频谱资源危机而受到了广泛关注。光学相机通信(Optical Camera Communication,OCC)技术作为可见光通信技术的分支,在继承其优点的同时,通过利用智能手机内置相机作为系统接收端能够显著降低系统的成本与复杂度,同时增强系统的操作便捷性,在室内定位、物联网与智能家庭领域具有良好的应用前景。本文首先针对光学相机通信系统信息传输速率提高的问题,提出了基于RGB型LED的光学相机通信系统设计方案,该方案采用RGB型LED作为系统发送端,通过波分复用的方式可有效提高系统信息传输速率,以Android智能手机内置相机作为系统接收端,利用手机相机的卷帘快门工作特性实现信息的接收。对于信息接收解码,设计了基于Java语言可独立运行的Android APP,通过引入直方图均衡化、最小二乘拟合等算法有效地提高了信息传输的可靠性,并且提出的光晕效应抑制方案与同步动态补偿方案有效地降低了系统的误码率。实验验证,提出的方案可以在Android智能手机上获得21.6 kbps的信息传输速率。其次,针对光学相机通信系统信息传输容量受限的问题,提出了基于JPEG和基于GIF的两种多帧图像处理方案,用于携带长文本信息的视频图像的信息提取。针对两种方案采用不同的视频预处理方法,经过逐帧分离视频图像与信息解码,两种方案均可实现长文本信息的接收。通过集成应用对比实验,验证了基于JPEG的多帧图像处理方案优于基于GIF的多帧图像处理方案,能有效提升系统的信息传输容量。最后,本文以所设计实现的光学相机通信系统为基础,针对商场超市室内定位与请求服务的生活场景,设计了一种基于OCC-WiFi双链路的室内用户服务系统。该系统由LED光源节点、智能手机终端以及中控服务器三个功能模块组成,采用OCC和WiFi双链路结构。LED光源节点与智能手机终端之间通过OCC链路进行通信,作为下行数据链路,传递室内定位信息及相关商品信息;智能手机终端与中控服务器之间通过WiFi链路通信,作为上行数据链路,传递用户的导购服务请求。最终通过构建系统模型对该系统进行了功能测试,实验表明该系统具备实用性和可靠性。


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