بخشی از مقاله
چکیده
ارتباط نور مرئی یک روش ارتباط بیسیم با استفاده از LED است. در این مقاله، بر روی سیستم ارتباط نور مرئی با استفاده از LED به عنوان فرستنده و دوربین تصویر برداری به عنوان گیرنده برای کاربردهای خانگی تمرکز شده است. در سیتم ارائه شده فرکانس روشنایی LED ها با توجه به دادههای ارسالی، توسط میکروکنترلر atmega16 کنترل میشود. و در گیرنده دوربین تصویر برداری تصاویر LED ها را با نرخ فریم ثابتی دریافت می کند. و در نهایت بوسیله عملیات پردازشی توسط کامپیوتر بر روی تصاویر، دادهای ارسالی استخراج میشوند. در این مقاله برای تعقیب و پیدا کردن مکان جدید فرستندهها روشی بر پایه شبکههای عصبی و گشتاورهای ثابت ارائه شده است. که از سرعت و دقت بالایی برای پیدا کردن مکان جدید فرستندهها در تصاویر برخوردار است. آزمایشهای انجام شده بر روی سیستم ارائه شده موثر بودن روشهای ارائه شده را در عمل نشان داده است.
کلماتکلیدی: ارتباط نور مرئی، LED، دوربین تصویر برداری، شبکههای عصبی، گشتاورهای ثابت
-1مقدمه
در قرن 21 سرعت بالا انتقال اطلاعات نقش مهمی در زندگی روزمره دارد. از طرفی امکان انتقال اطلاعات چند رسانهایی در هر نقطه از مکان و در هرلحظه از زمان مورد انتظار میباشد. با توجه به مطالب گفته شده و و به دلیل رشد روز افزون تکنولوژی بیسیم و سهولت در استفاده از این شبکهها، تمایل به سمت شبکههای بیسیم بیشتر از سایر شبکههای متداول میباشد. VLC1، روش ارتباط بیسیمی است که با استفاده از نور مرئی داده ها را انتقال میدهد. چندین مزیت در این روش نسبت به سایر روشهای ارتباطی بیسیم مانند امواج رادیویی و نور مادون قرمز وجود دارد: نور مرئی برای انسان مضر نیست، این روش توانایی انتقال داده با توان بالا را دارد، محدودیت قانونی برای هر استفاده از منبع نور موجود مانند روشنایی اتاق و نمایشگرها وجود ندارد، قابلیت استفاده در مکانهایی مانند بیمارستان و مناطق اطراف آن که امواج رادیویی نمیتوانند استفاده شوند.[ 1]
فتو دیود گیرنده رایج سیستم بیسیم ارتباط نوری میباشد. اما با استفاده از دوربین به عنوان گیرنده تشخیص اشیاء، مکان یابی و دریافت اطلاعات در زمان واحد ممکن میشود. و همچنین استفاده از دوربین دریافت اطلاعات موازی را ممکن میسازد.[2] Komine & Nakagawa بر اساس آنالیزهای عددی نشان دادند که سیستم ارتباط نور مرئی، سیستم ارتباط خانگی مورد انتظار نسل آینده میباشد.[3] مطالعات اخیر انجام شده بر روی سیستم ارتباط نور مرئی بیشتر بر روی مسائل افرایش فاصله بین گیرنده و فرستنده و افزایش نرخ داده با استفاده از مدولاسیونهای مختلف، ارسال موازی داده و روشهای کدینگ مختلف تمرکز کرده-اند[7]،[6]، [5]،[4]و کمتر به مسئله تعقیب فرستنده در صورت متحرک بودن گیرنده پرداخته شده است. و روشهای ارائه شده دارای دقت بالایی نیستند. در این مقاله سیستم ارتباط نور مرئی - VLC - با استفاده از دوربین تصویر برداری به عنوان گیرنده و LED به عنوان فرستنده ارائه شده است. در سیستم ارئه شده روش جدیدی برای تعقیب و پیدا کردن مکان جدید فرستندهها بر پایه شبکههای عصبی و گشتاورهای ثابت ارائه شده است.
-2بررسی کلی سیستم ارائه شده
شکل :1 ساختار سیستم VLC ارائه شده
در سیستم گیرنده ارائه شده در این پژوهش مکان هر LED تشخیص داده میشود و اطلاعات ارسالی توسط LED ها بصورت موازی و همزمان دریافت میشود. شکلهای شماره 2 و 3 به ترتیب تصاویر دوربین گیرنده و فرستنده استفاده شده را نشان میدهد.
1-2سیستم فرستنده
در این پروژه برای سیستم فرستنده از 3 عدد LED-Oval-5mm قرمز رنگ و یک میکروکنترولر ATmega16 برای مدوله کردن اطلاعات بر روی LED ها استفاده کردهایم. LED ها در فاصله 7,5cm از هم و در یک راستا قرار گرفتهاند. برای ارسال اطلاعات از ترکیببندی به صورت نشان داده شده در شکل شماره 4 و با فرکانس 15Hz استفاده شده است. استفاده از فرکانس 15Hz به دلیل محدودیت فرکانسی LED نیست و از محدویت های گیرنده استفاده شده میباشد.
60 بیت داده. هر فریم با شش بیت شروع که در همه فریمها یک هستند آغاز و بعد از آن بیت های داده از با ارزشترین بیت ارسال میشوند. با توجه به اینکه فرکانس پالس اعمالی به LED ها 15 هرتز است و از آنجا که فرکانس تصویر برداری دوربین گیرنده برابر 30 هرتز میباشد بنابراین LED ها در بیتهای شروع در دو فریم متوالی بصورت روشن یا یک منطقی نمایش داده میشوند. همانطور که از از شکل 4 نیز پیداست و با توجه به اینکه LED 3 جهت ارسال داده در سیستم فرستنده قرار دارد. هر فریم سه بیت داده را بصورت موازی ارسال میکند.
-2-2سیستم گیرنده
گیرنده شامل یک دوربین sony cybershot مدل dsc-hx1 و کامپیوتر میباشد.اطلاعات ارسالی پس از عبور از کانال نوری به وسیله دوربین دریافت، و توسط واحد پردازش تصویر مورد پردازش قرار گرفته، و اطلاعات استخراج میشوند. جدول شماره 1 مشخصات دوربین dsc_hx1 را نشان میدهد. همانطور که ذکر شد اطلاعات توسط عملیات پردازشی برروی تصاویر دریافتی از دوربین به دست میآیند. شکل شماره 5 فلوچارت پیدا کردن منابع نور، ردیابی و دریافت را نشان میدهد. عملیات لازم برای اسخراج اطلاعات در سیستم VLC ارائه شده با توجه به شکل شماره 5 بصورت زیر میباشد:
-3-2تشخیص فریم شروع
فریمهای دریافتی در کامپیوتر و در داریکتوری نرمافزار متلب به صورت تصویر سطح خاکستری ذخیره شده است. نرخ تصویر برداری ثابت و برابر 30 فریم بر ثانیه میباشد. همانطور که در بخش فرستنده گفته شد هر بخش از داده دریافتی دارای 6 بیت شروع میباشد که چون در هر بار ارسال داده 3 بیت بصورت موازی ارسال می شود بنابراین در هر ارسال 2 فریم مربوط به بیتهای شروع میباشد. بیت-های شروع برای سنکرون سازی گیرنده و فرستنده میباشند. به این صورت که دوربین - گیرنده - قبل از شروع به کار فرستنده، تصویر برداری از فرستنده را آغاز میکند.در کامپیوتر توسط نرمافزار متلب تفاضل فریم فعلی و فریم قبلی مطابق معادله زیر به دست میآورد.
در اینجا D تفاضل فریمها، Fn فریم فعلی و Fn-1 فریم قبلی می-باشد. در صورتیکه فرستنده ارسال داده را شروع نکرده با شد D برابر صفر و اگر فرستنده شروع به ارسال داده کرده باشد D مخالف صفر میباشد. اما در بعضی از فریمها بعلتهای مختلف مانند حرکت دوربین یا فرستنده، تغیر اندک نور محیط و ... در حالتی که دوربین شروع به ارسال داده نکرده است D مخالف صفر میباشد. شکل زیر یک نمونه از چنین تصویری را نشان میدهد. در این پژوهش علاوه بر تعیین بیت شروع برای همزمانسازی نرخ نمونه برداری در گیرنده را دو برابر نرخ ارسال داده قرار دادهایم. همانطور که در شکل 6 دیده میشود تصویر کاملاٌ سیاه نیست یعنی برخی از پیکسلهای آن مخالف صفر است. با انجام آزمایشهایی در فواصل و روشناییهایی مختلف، مشاهده شد که شدت روشنایی اکثر پیکسلهای غیر صفر در این تصاویر کمتر از 40 است.
در نتیجه در تصویر تفاضل، پیکسلهای با شدت کمتر از 40 را برابر صفر قرار دادیم.در نتیجه داریم: در رایطه ID - 5 - شدت پیکسلهای تصویر D است. باقیمانده پیکسلهای غیر صفر تصویر D تعداد اندکی می باشند که در بیشترین حالت تعداد آنها کمتر از 30 پیکسل مشاهده شده است. که در این مرحله آنهارا صفر میکنیم. درنتیجه داریم: در رابطه Fn - 6 - فریم فعلی، Fs فریم شروع و Fns فریم غیر شروع میباشد. شکل 14 یک نمونه از تصویر D برای یافتن فریم شروع را نشان میدهد. پس از مشخص شدن فریم شروع، موقعیت فرستندهها LED - ها - در تصویر ونسبت به هم مشخص میشود.
-4-2تخمین موقعیت فرستندهها در تصویر
گام نخست برای تخمین موقعیت فرستندهها تفاضل اولین فریم شروع از فریم قبلی دریافتی میباشد. با اینکار موقعیت فرستندهها قابل مشاهده است - شکل -8 الف - . اما همانطور که از شکل نیز پیداست پیکسلهای زیادی در تصویر وجود دارند که مربوط به LED های فرستنده نیستند و مقداری غیر صفر دارند. برای حذف اکثر این
