可見光通信在室外LED路燈上的實(shí)現(xiàn)

吳貴才 陳逸銘 楊 彤

(1.深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東深圳 518000;2.深圳市致燁科技有限公司，廣東深圳 518000)

1 引言

近年來(lái)，被譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED不僅功耗低，使用壽命長(zhǎng)，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。利用LED的這種特性，它能用作照明的同時(shí)，還可以把信號(hào)調(diào)制到LED可見光束上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)一種新興的光無(wú)線通信技術(shù)，即可見光通信(Visible light communication，VLC)技術(shù)。與傳統(tǒng)射頻無(wú)線技術(shù)相比，VLC可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無(wú)需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高帶寬高速率的無(wú)線通信接入。具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對(duì)現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好的補(bǔ)充［1］。這些吸引人的特性，使得VLC在世界范圍內(nèi)受到極大關(guān)注［2～4］。

VLC可以提供很多應(yīng)用，如LED照明，信息廣播和M2M(機(jī)器到機(jī)器)。LED照明可應(yīng)用于辦公室 家庭照明，路燈和汽車燈。信息廣播可應(yīng)用于標(biāo)牌 (例如:廣告牌)，辦公室 家庭照明和路燈。M2M可應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)到移動(dòng)手機(jī)，汽車到汽車，汽車到交通信號(hào)燈和汽車到路燈等等。［5］在實(shí)際研究方向上，LED可見光通信分為室外通信和室內(nèi)通信兩類，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究小組率先提出了基于LED的可見光通信 (VLC)系統(tǒng)［6］，目前國(guó)內(nèi)國(guó)際的主要研究方向也大部分集中在此，主要包括室內(nèi)定位與導(dǎo)航及高速網(wǎng)絡(luò)連接。而室外可見光通信由香港大學(xué)G.Pang等人在1998年提出來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在智能交通 (ITS)和室外廣告(Outdoor Advertising)。ITS應(yīng)用主要包括:車到車雙向通信，車到交通設(shè)施雙向通信。

近幾年，國(guó)內(nèi)LED路燈市場(chǎng)加速發(fā)展，為順應(yīng)這一形勢(shì)，本研究主要針對(duì)城市LED路燈可見光通信的實(shí)現(xiàn)和基礎(chǔ)應(yīng)用探索，通過(guò)選擇合適的光調(diào)制解調(diào)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)VLC讀取，驗(yàn)證其可行性，并為城市LED路燈開創(chuàng)新的智能化管理思路及發(fā)展方向奠定基礎(chǔ)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 組成及工作原理

圖1描述了一個(gè)基本的光通信系統(tǒng)組成，其主要包括信號(hào)發(fā)送部分和信號(hào)接收部分。在發(fā)送端，由編碼器編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路轉(zhuǎn)換成發(fā)送電信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)LED路燈光源發(fā)送光信號(hào)經(jīng)自由空間光通路到信號(hào)接收端。在接收端，通過(guò)光傳感器和放大器檢出光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。最終經(jīng)解調(diào)電路、解碼器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System components

2.2 信號(hào)調(diào)制

光通信就是以光波為載波的通信，即用基帶信號(hào)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。常用的調(diào)制方式包括:OOK、CCM(Color Code Modulation)、HHW (High Hamming Weight)、VPM、R-RZ等。本研究采用相對(duì)簡(jiǎn)單的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)，即IM DD，屬于非相干通信系統(tǒng)。通常IM DD系統(tǒng)分為二進(jìn)制系統(tǒng)和多進(jìn)制系統(tǒng)，此處選擇二進(jìn)制系統(tǒng)，并采用OOK編碼。

由于LED路燈本身肩負(fù)的照明職能，如果單純采用OOK編碼，勢(shì)必導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)LED路燈出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，這樣對(duì)正常照明是不利的，所以進(jìn)一步優(yōu)化為二次調(diào)制模式。所謂二次調(diào)制，就是先將基帶信號(hào)調(diào)制到一個(gè)較低頻率的載波，模式為2FSK，載波本身為方波信號(hào)，然后再用調(diào)制后的方波信號(hào)再一次調(diào)制光波，模式為OOK。

例如，如果想傳輸數(shù)據(jù)1，則輸出方波信號(hào)f1，然后用f1控制LED燈開關(guān)，即LED燈以f1的頻率閃爍，如果傳輸數(shù)據(jù)0，則輸出方波信號(hào)f2，然后用f2控制LED燈開關(guān)，即LED燈以f2的頻率閃爍。一般情況下，當(dāng)閃爍頻率低于50Hz以下時(shí)，人眼能夠識(shí)別光源的閃爍，當(dāng)光強(qiáng)以大于50Hz的頻率工作時(shí)，人眼的反應(yīng)已經(jīng)跟不上光源的變化，大多數(shù)人將無(wú)法分辨出光源閃爍，此時(shí)的光源將發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光。例如:人眼就察覺不到每秒100次的閃爍 (100Hz)的熒光燈的閃爍現(xiàn)象。因此當(dāng)f1和f2選擇較高頻率時(shí)，人眼是無(wú)法觀察到LED燈閃爍的。但是此時(shí)LED燈的亮度會(huì)變化，變化程度根據(jù)f1，f2方波的占空比而定。

信號(hào)調(diào)制電路如圖2所示，基帶信號(hào)的1選擇輸出f1方波，信號(hào)0選擇輸出f2方波，然后將f1和f2相加即得到調(diào)制后的2FSK信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED燈的調(diào)光信號(hào)輸出，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，LED燈工作于開關(guān)模式下。

圖2 信號(hào)調(diào)制Fig.2 Signal modulation

2.3 信號(hào)解調(diào)

信號(hào)解調(diào)電路如圖3所示，變化的光信號(hào)由光傳感器檢測(cè)出來(lái)后，通過(guò)“高通濾波器”濾掉直流和低頻 (主要是工頻)成分后進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)輸出到解調(diào)電路，通過(guò)相干解調(diào)和低通濾波、抽樣判決得到所需數(shù)據(jù)。

根據(jù)通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方面入手:一是加大其輸入光功率;一是提高信噪比。對(duì)于LED路燈，由于LED光源發(fā)出的是可見光，且發(fā)散角較大，對(duì)人眼睛基本無(wú)害、無(wú)電磁波傷害等優(yōu)點(diǎn)，其本身的大功率就已經(jīng)在一定程度上保證了系統(tǒng)的可靠性，最終結(jié)果將是接收端的信噪比決定全系統(tǒng)的通信性能。

圖3 信號(hào)解調(diào)Fig.3 Signal Demodulation

2.4 Matlab仿真 (圖4、圖5、圖6)

圖4 基帶信號(hào)，反碼信號(hào)，載波信號(hào)f1 f2Fig.4 The base band signal，the anti-code signal，the carrier signal f1 f2

將以上研究設(shè)計(jì)思路采用Matlab進(jìn)行仿真，基帶信號(hào)速率采用100bps，考慮到可選擇元器件的限制，f1選擇800Hz，f2為1000Hz，仿真結(jié)果證明該方案可行。

3 測(cè)試系統(tǒng)及驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的組成包括內(nèi)置光通信控制器的LED路燈，光接收機(jī)，智能手機(jī)設(shè)備(內(nèi)置讀取數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用程序)。光接收機(jī)與智能手機(jī)間通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在路燈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方便性。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，LED路燈選擇某品牌大功率LED路燈，該路燈支持PWM調(diào)光輸入的配套驅(qū)動(dòng)電源。光通信控制器直接采用深圳市致燁科技有限公司的單燈控制器，其支持PWM調(diào)光輸出，可實(shí)時(shí)采集LED路燈的電壓、電流、有功功率、功率因素、溫度等實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證中LED路燈工作于開關(guān)模式，且所選擇的信號(hào)調(diào)制工作速率較低，信號(hào)調(diào)制部分將由單燈控制器內(nèi)部軟件完成，直接輸出2FSK信號(hào)控制LED燈開關(guān)。由于所選器件所限，本文測(cè)試用的基帶信號(hào)速率為100bps，f1為800Hz，f2為1000Hz，如果采用PIN二極管，應(yīng)可工作于更高的頻率，當(dāng)然相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)也將更為復(fù)雜。

圖5 基帶信號(hào)相乘，2FSK，疊加傳輸中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)Fig.5 Multiplying the baseband signal，2FSK，the noise superimposed on the transmission

圖6 相干解調(diào)與抽樣判決結(jié)果Fig.6 Coherent demodulation and sampling verdict

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Field test system

3.2 光接收機(jī)

光接收機(jī)設(shè)計(jì)為手持式，大小相當(dāng)手機(jī)，以便于現(xiàn)場(chǎng)操作及可移動(dòng)性。光傳感器選擇有兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，一是響應(yīng)的光波強(qiáng)度范圍，二是響應(yīng)速度。由于LED路燈工作于室外，而室外充滿了各種各樣的其他可見光，同時(shí)白天及夜晚環(huán)境光亮度相差極大，因此在這種環(huán)境下工作的光傳感器需要具有極寬的響應(yīng)范圍以及較高的靈敏度。而由于LED路燈以f1和f2高頻率閃爍，因此光傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)高于該頻率。本測(cè)試系統(tǒng)采用歐恩光電的ON9658，其測(cè)量范圍:0～1000lx，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到Tr+Tf=4μS(圖8)。

圖8 ON9658Fig.8 ON9658

考慮到路燈僅在夜間工作，光接收機(jī)僅設(shè)計(jì)為夜間工作，同時(shí)為避免其他可見光和相鄰路燈對(duì)于通信的影響，光接收機(jī)增加遮光罩設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中僅需指向相應(yīng)路燈。

光接收機(jī)信號(hào)解調(diào)部分直接采用通用的FSK解調(diào)芯片XR2211完成相干解調(diào)，XR2211為音頻鎖相環(huán)電路。

藍(lán)牙通信采用通用的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信模塊，方便將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)設(shè)備中進(jìn)行展示。配套的智能手機(jī)內(nèi)置程序基于安卓系統(tǒng)，采用JAVA技術(shù)開發(fā)。

3.3 測(cè)試與驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選擇在某人車較少的路段，共安裝已加裝光通信控制器的LED路燈 (160W)10盞，路燈燈高11米，路燈間距35米。通過(guò)光通信要求實(shí)時(shí)讀取路燈數(shù)據(jù)包括:該控制器UID、該路燈品牌、標(biāo)稱功率、配套電器品牌及類型、路燈工作電壓、電流、有功功率、功率因素、溫度 (圖9、表1)。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖Fig.9 Field test schematic

表1 光通信對(duì)路面照度的影響Table 1 The impact of VLC to the illumination on the road

開啟光通信時(shí)，LED光源無(wú)人眼可識(shí)別閃爍，但路面照度下降到與調(diào)光50%時(shí)一致，這是測(cè)試系統(tǒng)所采用調(diào)制方式功率利用率不高的原因造成的。當(dāng)采用更為先進(jìn)的PPM，甚至是DPPM DPIM，將能夠獲得更好的功率利用率和頻帶利用率 (表2)。

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)位于所測(cè)LED路燈燈頭下方，所有路燈的數(shù)據(jù)讀取成功率均為100%，成功讀取時(shí)間小于1S。由于采用了遮光罩設(shè)計(jì)，在不斷增大R值的同時(shí)始終指向光源位置，光接收機(jī)受環(huán)境光照或其他路燈的干擾情況可以忽略，其接收可靠性與光源的輻射功率密度以及光傳感器的接收靈敏度有直接關(guān)系。

表2 讀取成功率與R值的關(guān)系Table 2 The relationship between the rate of the successful read and the value of R

由此可見，雖然在該實(shí)現(xiàn)方案中存在通信速率過(guò)低、影響路燈照度等方面的問(wèn)題，但LED路燈實(shí)現(xiàn)可見光通信完全可行。且針對(duì)日常路燈巡檢與管理，可見光通信方式無(wú)疑提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、快速了解路燈實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的新思路和新途徑。

4 總結(jié)

可見光通信在國(guó)內(nèi)外還處于起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非?？春?。本研究通過(guò)采用相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，借由現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備條件，快速驗(yàn)證了LED路燈實(shí)現(xiàn)可見光通信的可行性，并且通過(guò)光通信方式完成了對(duì)LED路燈工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送，為路燈智能化管理提供了一個(gè)新的思路和參考。同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步與方案的優(yōu)化，LED路燈實(shí)現(xiàn)光通信的意義將不僅限于此，其將徹底顛覆對(duì)于城市路燈的原有價(jià)值定義，路燈將不在局限于提供道路照明功能，而將作為一個(gè)遍布城市的通信接入點(diǎn)而存在，為智能交通、智慧城市的實(shí)現(xiàn)提供新的發(fā)展方向和動(dòng)力。

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