基于可見光通信的溶洞景區照明控制方法研究

鄧健志，程小輝

(桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林 541004)

桂林有“桂林山水甲天下”的美譽，溶洞游覽是桂林旅游的一個重要組成，其主要是“游洞、觀石”。溶洞游覽，燈光照明非常重要，只有通過各式彩燈、射燈的照明，才能襯托出形態各異的奇石。

溶洞景區的燈光照明由兩部分組成:一是用于游覽通道的道路照明的路燈;二是用于洞內景觀照明的景觀燈。傳統的游覽方式是團隊游覽，由導游帶領游客進入溶洞，沿著游覽通道逐一觀賞景觀。在這種方式下，景區的照明管理控制主要由導游手動完成，即導游走在游客前面，首先開啟前方路燈，每到一處景觀，再開啟景觀燈為游客講解。待此處景觀觀賞完畢時，再關閉景觀燈和后方路燈。

由于自由行的興起，傳統溶洞游覽的不足就顯現出來:游客不可能自己開關景區內的各種燈光照明，所以景區內的各種照明設施就要保持開啟，當游客少、分散的時候，造成電能的浪費［1］。

為了實現溶洞景區燈光的智能化控制，本文設計了一個基于可見光通信的溶洞景區照明控制系統，提出一個可見光通信照明控制方法。

1 可見光通信

由于溶洞內濕度大，巖石成分和游覽路徑都很復雜，通信線路架設、維護困難;無線電波通信易受巖壁吸收和反射，衰減快，傳輸距離短。為了保證照明和通信質量，溶洞內通信系統可采用無線可見光通信。

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)有別于無線電磁波通信，是用照明設備發出人眼察覺不到的高速調制光作為信息載體，在自由空間傳輸光信號，然后利用光電感應器件接收光載波信號。

VLC技術抗電磁干擾、功耗小，在溶洞內可以實現通信的同時，還能提供高效的環境照明。本設計的照明控制系統運用可見光通信技術實現［2－3］。

2 系統結構和工作原理

2.1 系統結構

照明控制系統分為無線控制器和照明端。無線控制器端由光發射模塊、微控制模塊、調制驅動模塊、通信接口組成。光發射模塊采用大功率白光LED發送高頻閃爍光;調制驅動模塊將要發送的電信號，調制成高速閃爍的光信號，并驅動LED點亮;通信接口用于連接外部設備更新數據。按鍵用于選擇切換照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明開啟和關閉兩種狀態。

照明端由光接收模塊、微控制模塊、繼電器組、通信接口、判決解調模塊組成。光接收模塊采用光電二極管感應接收光信號;判決解調模塊對接收的光信號進行放大、整形、濾波、解調。照明設備的開啟和關閉通過繼電器組控制。通信接口用于通過有線、無線等方式連接其他外部設施。

2.2 工作原理

用戶手持無線控制器進入景區，將按鍵設置為照明模式，就可以開啟LED，實現普通的照明。當用戶途經景點時，將無線控制器切換至照明控制模式的開啟控制狀態，無線控制器就控制LED發送高頻調制的閃爍光信號。此時，將控制器的照明區域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊可以感應到閃爍光，并將其轉換成對應的電信號。經過判決解調處理后，由微控制模塊處理驗證開啟信號的有效性，并通過控制繼電器組，點亮景點的照明設施。系統基本工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理

此景點游覽結束后，將無線控制器切換至照明控制模式的關閉控制狀態，控制LED發送關閉燈光的控制光信號，并將照明區域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊感應到光信號，并經過判決解調處理后，由微控制模塊處理驗證關閉信號的有效性，并通過控制繼電器組，關閉景點的照明設施。

3 硬件設計

照明控制系統電路原理框圖如圖2所示，分為無線控制器、照明端兩部分［4］。無線控制器由光發射模塊、微控制模塊、調制驅動模塊、通信接口組成。照明端由光接收模塊、微控制模塊、繼電器組、通信接口、判決解調模塊組成。

3.1 無線控制器

在無線控制器端為了簡化手持設備的設計，直接由ST公司的Cortex－M3內核32位微控制器STM32F107完成數據的編碼，并用數據編碼輸出電信號控制三極管驅動模塊，以控制光發射模塊。光發射模塊采用單個或多個大功率白光LED，LED在三極管驅動下高速閃爍，以可見白光發送高頻光信號。按鍵用于在切換照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明燈的開啟、關閉兩種狀態。其中，各模塊的連接關系如圖2，STM32F107微控制器的通用管腳PB6～PB7用于連接串口;PB10～PB13用于連接以太網口;PD0～PD1用于連接兩個功能按鍵;PD2連接三極管驅動。

圖2 系統電路原理框圖

3.2 照明端

在照明端，光接收模塊用BPX21光電二極管完成光信號的接收和光電信號轉換。接收判決電路采用TI公司的可編程12位并行高速A/D轉換芯片THS1206，可實現采樣速率6 MSample/s(兆采樣/s)的4通道同步采樣，并可由內部控制實現差分模擬信號輸入。微控制器模塊用STM32F107完成接收信號解調、數據幀讀取以及照明控制等功能。各模塊的連接關系如圖2，STM32F107微控制器的PB12～PB15和PD8～PD15與TH1206的12位A/D轉換輸出連接，PA0～PA4連接TH1206的時鐘、中斷等控制信號;管腳PB6～PB7連接串口;PB10～PB13連接以太網口;PD0～PD7和PE7～PE15連接繼電器組。TH1206的模擬輸入管腳連接BPX21管。

4 軟件設計

4.1 調制與編碼

為了實現數據的有效發送和接收，控制數據采用數據幀格式。數據幀包括:引導碼、用戶ID、數據類型、操作碼。引導碼是一串固定的標識碼，用以標志一個數據幀的開始。在本設計中，采用的標識碼為“10101100”。每個無線控制器都有一個唯一的用戶ID，用于標識使用者的身份類別:管理員、導游員、游客。數據類型用于表示幀數據的類型:開啟、關閉、測試、管理。操作碼在測試、管理幀時使用，用于給測試人員和管理人員提供照明端的功能測試與調整等功能。

4.2 差分曼徹斯特碼

曼徹斯特碼是一種相位編碼，屬于2PSK信號，每個碼元均用兩個不同相位的電平信號表示，用電平的跳變來表示1或0，即在一個周期里，0碼和1碼為相位正好相反的方波。曼徹斯特碼是一種帶同步的編解碼方法，碼元中的跳變既作為0和1的識別，也作為時鐘同步信號。在本設計中采用曼徹斯特碼實現［5－6］。

4.3 收發流程

無線控制器發送流程:首先，將根據預定的曼徹斯特編碼規則對數據幀進行編碼，轉換成相應的1或0。然后再由此1或0輸出控制電平，調制驅動電路，將編碼數據由光信號循環發送。

照明端接收控制流程如圖3所示:照明控制啟動后，首先根據發射信號的頻率對接收信號進行采樣，并循環掃描檢測引導碼;當檢測到引導碼后，開始記錄數據幀直到掃描到數據幀結束的指示電平;然后，根據預定的曼徹斯特解碼規則對記錄的數據進行解碼，將其還原成原始數據幀;接著，根據數據幀格式依次讀取用戶識別ID、數據類型字段、操作碼;最后，再根據操作碼完成相應的開、關、測試等功能操作。

圖3 接收控制流程

5 實驗與分析

5.1 收發實驗效果與分析

為驗證系統有效性，用圖2中系統模型對收發功能進行測試。其中，用1 W白光LED做發送，BPX21管接收，收發電路距離為5 cm，LED驅動電壓為3 V或5 V，用100 MHz的示波器觀察收發波形。

用無線控制器電路給LED兩端加載不同頻率的方波，如圖4a～圖4d所示，光發射頻率分別為10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz時的波形。其中，CH2(下波形)為LED發射波形，CH1(上波形)為未做濾波時的接收波形。圖4e為LED發射500 kHz方波(下波形)和光接收模塊濾波輸出后的波形(上波形)，圖4f為發送500 kHz頻率的曼徹斯特編碼信號，發送的信號為引導碼“10101100”，光接收模塊濾波輸出的波形。

圖4 實驗測試波形(截圖)

由實驗可知，隨著LED閃爍頻率越高，PD的響應波形毛刺越多、失真越大。當發射頻率達到500 kHz時，接收毛刺多，失真大，但接收波形的規則依然明顯。經過濾波器后，仍可以得到500 kHz規則的方波。在本系統中采用信號頻率為500 kHz的曼徹斯特編解碼方式發送信號，可以得到較好的接收效果。

5.2 實驗室測試

在溶洞中對光信號的干擾，主要是50 Hz的燈光照明干擾。因此，測試選擇在晚上的實驗室進行，測試環境干擾照明為4盞40 W白熾燈。無線控制器、照明控制電路的工作電壓及LED驅動電壓為3.3 V，采用的傳輸速率為500 kHz，示波器采用100 MHz的數字示波器。

實驗室內功能測試情況如圖5，實驗采用圖2中的系統完成，用1 W白光LED作為無線控制光發射模塊，用BPX21作為照明端光接收模塊。照明端設置一個16×64點陣和一臺示波器觀察接收的控制信號。由于測試場地限制，無線控制器和照明端的距離為3.6 m，如圖5a。點陣顯示的內容“第一景”為接收的光信號解碼信息，示波器測量顯示的是經整形濾波后的波形，如圖5b。如圖可知，系統可以實現所需要的燈光控制。

圖5 實地測試情況

6 結論

溶洞照明是展現溶洞內各種景觀最好也是唯一的方法。為了實現溶洞景區燈光的智能化控制，本文設計了一個溶洞景區照明控制系統用于可見光通信燈光控制方法的驗證，照明端燈光的控制，由無線控制器采用無線可見光通信技術實現。文中給出了硬件設計架構、軟件控制流程和采用的調制編碼方法，并給出了無線控制器在發送10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz等頻率信號時，照明端的接收效果。經過實驗測試證明，照明端的接收效果較好。

作為一種用“燈光控制燈光”的方法，本文的方法能有效地用于溶洞內照明設施的控制，很好地克服了有線控制和無線電波控制的不足，具有很好的應用研究意義和實際推廣價值。

:

［1］鄧健志，程小輝.基于超高頻RFID的音視頻溶洞電子導游系統設計［J］.電視技術，2012，36(10):89－91.

［2］KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible－light communication system using LED lights［J］.IEEE Trans.Consumer E－lectronics，2004，50(2):100－107.

［3］DENG Jianzhi，CHENG Xiaohui.Cave lighting control system based on IOT location［C］//Proc.International Conference on Computer Networks and Communication Engineering. ［S.l.］:ATLANTIS Press，2013:17－20.

［4］鄧健志.可見光通信復用調制天線，中國:201310129552.8［P］.2013－07－10.

［5］SON Y H，KIM H S，WON Y Y.Bidirectional visible light wireless transmission supported by reflective semiconductor optical amplifier based optical access network［J］.Microwave and Optical Technology Letter，2011，53(5):1032－1036.

［6］崔煒，陳磊.吉比特室內無線光通信系統研究［J］.半導體光電，2011(8):553－555.