基于STM32的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

封蔚鴻 葛 冬 吳遠(yuǎn)兮 張而弛

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基于STM32的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

封蔚鴻 葛 冬 吳遠(yuǎn)兮 張而弛

東南大學(xué)，江蘇 南京 211189

提出了一種室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用STM32通過(guò)編程從端口產(chǎn)生編碼調(diào)制后的電信號(hào)，該電信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)送高速變化的光信號(hào)。在接收端，光信號(hào)被PIN二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)在經(jīng)過(guò)解碼之后還原出信源信息。

可見(jiàn)光通信；LED；STM32

引言

新世紀(jì)以來(lái)隨著人們對(duì)無(wú)線通信的需求呈激增之勢(shì)，無(wú)線頻譜資源短缺的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)出來(lái)，而可見(jiàn)光作為尚未被利用的電磁波頻段正是解決此問(wèn)題的理想途徑。同時(shí)，在照明領(lǐng)域，白光LED具有功耗小，壽命長(zhǎng)，高光效，易于高速調(diào)制與響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，從而使得其可以實(shí)現(xiàn)通信與照明的融合[1]。

LED可見(jiàn)光通信技術(shù)（VLC）利用了可見(jiàn)光LED作為照明光源，在其發(fā)射端將信源進(jìn)行電信號(hào)調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)加載到LED上，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射高于人眼分辨頻率的光載波信號(hào)。經(jīng)過(guò)自由空間的傳輸后，接收端通過(guò)光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)均衡，判斷，解碼等過(guò)程還原出原信息，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸。本文重點(diǎn)考察VLC技術(shù)在室內(nèi)定位中的應(yīng)用。

1 編碼調(diào)制

在發(fā)射端，本文首先考慮的是編碼問(wèn)題，本次實(shí)驗(yàn)采取將編碼數(shù)據(jù)通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控編碼調(diào)制從而控制發(fā)射信號(hào)。首先考慮用ASCII的二進(jìn)制形式作為信源，給每盞燈一個(gè)不同的字母數(shù)字組合編號(hào)，然后通過(guò)對(duì)應(yīng)ASCII碼表將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制01序列進(jìn)行信息調(diào)制，然后通過(guò)LED燈發(fā)射出來(lái)?？紤]到這是一個(gè)循環(huán)發(fā)送的過(guò)程，接收端還需要判斷這串ASCII碼序列的起始位和終止位，對(duì)解碼要求較高，在外界干擾較大的情況下，容易產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，還可能遇到循環(huán)移位后相等的編碼情況；而且按位發(fā)送等間隔的光脈沖信號(hào)，光的強(qiáng)度與方波的占空比相關(guān)，不同的燈會(huì)因?yàn)榫幋a中0所占的比例不同而光強(qiáng)不同，不符合現(xiàn)實(shí)情況，于是改進(jìn)了編碼方案?，F(xiàn)在采取的方式是根據(jù)燈的數(shù)量和所需的光強(qiáng)，通過(guò)軟件編程求得循環(huán)不相同的等長(zhǎng)01序列，其中0所占的比例固定，然后通過(guò)脈沖幅度調(diào)制將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)從而控制LED發(fā)送信號(hào)。這樣，每盞燈按照相同的頻率循環(huán)發(fā)送各自的編碼，接收端截取任意等長(zhǎng)序列可以通過(guò)循環(huán)移位的方式判斷是哪盞燈的序列，從而既統(tǒng)一了光強(qiáng)又簡(jiǎn)化了接收端的解碼過(guò)程。

比如該系統(tǒng)模型有四盞燈，當(dāng)發(fā)射方波平均占空比為77.8%時(shí)（此時(shí)光強(qiáng)較強(qiáng)），可以采取如下編碼方式見(jiàn)表1。

顯然當(dāng)燈的數(shù)量增加，光強(qiáng)增加時(shí)，編碼長(zhǎng)度不斷增加，由于發(fā)射每位編碼的頻率遠(yuǎn)高于肉眼可分辨的頻率，所以這種編碼并不影響照明?？紤]到日光或者其他照明燈光的影響，本文采用光強(qiáng)較強(qiáng)的九位編碼方式進(jìn)行編碼。本系統(tǒng)采取二進(jìn)制啟閉鍵控的調(diào)制方式（OOK），沒(méi)有在編碼信號(hào)頭尾加起始位和結(jié)束符也沒(méi)有加校驗(yàn)位，如果傳輸中發(fā)生誤碼，即采取最大似然估計(jì)的方式進(jìn)行譯碼。二進(jìn)制啟閉鍵控是脈沖幅度調(diào)制的一種，本文將一個(gè)幅度設(shè)為0，另一個(gè)幅度設(shè)為5V，以單極性不歸零方式對(duì)編碼進(jìn)行調(diào)制，這種調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)技術(shù)較為簡(jiǎn)單，在光通信中振幅鍵控調(diào)制方式獲得廣泛應(yīng)用。

表1 77.8%發(fā)射占空比的編碼 燈編號(hào)1234 主編碼111111100111111010111110110111101110 循環(huán)移位011111110011111101011111011011110111 循環(huán)移位001111111101111110101111101101111011 循環(huán)移位100111111010111111110111110110111101 循環(huán)移位110011111101011111011011111111011110 循環(huán)移位111001111110101111101101111011101111 循環(huán)移位111100111111010111110110111101110111 循環(huán)移位111110011111101011111011011110111011 循環(huán)移位111111001111110101111101101111011101

2 功率放大模塊

LED是一個(gè)將電流變化轉(zhuǎn)化為光功率變化的電流驅(qū)動(dòng)元件。由于本文所使用的STM32ARM開(kāi)發(fā)板管腳輸出功率最大值僅為5W，若輸出功率不足，則無(wú)法完全反應(yīng)LED的電流變化。因而若要完全驅(qū)動(dòng)LED燈珠，則需要將STM32開(kāi)發(fā)板管腳輸入信號(hào)功率通過(guò)功率放大電路進(jìn)行放大，將通過(guò)功率放大電路后的電信號(hào)連接LED燈珠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3 驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)LED燈珠的發(fā)光伏安特性曲線可以得到，當(dāng)且僅當(dāng)LED燈珠正向電壓導(dǎo)通并且處于線性工作區(qū)時(shí)才能發(fā)光。所以當(dāng)調(diào)制信號(hào)功率較小時(shí)，LED燈珠正向電壓并不處于線性工作區(qū)，使得LED無(wú)法發(fā)光。但若通過(guò)功率放大器將信號(hào)放大的足夠大時(shí)，LED將超出線性工作區(qū)，在這個(gè)情況下，對(duì)整個(gè)電路添加一個(gè)偏置電流或者偏置電壓便能較好的解決這一情況，再將該偏置電壓或電流疊加到適當(dāng)放大后的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED[2]。

4 聚光模塊

LED光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端的主要作用是通過(guò)驅(qū)動(dòng)和調(diào)制裝置將所要傳輸?shù)男盘?hào)加載到LED信號(hào)上，接收端利用利用光電轉(zhuǎn)換器件將光載波上的信號(hào)進(jìn)行處理。由于收發(fā)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)要求較高，因此需要聚光模塊。本文采用的LED是CREE公司的XPGWHT-L1-1D0-R5-0-05，工作功率為5W，工作電壓2.9～3.25V，工作電流1500mA，由于發(fā)光角度為125度，所以傳輸距離較短，只能有10cm左右的有效傳輸距離，并且兩個(gè)距離比較近的LED容易互相干擾。因此需要在LED之后安裝聚光器，安裝聚光器之后，可以把傳輸距離增加到60～80cm。

5 光電轉(zhuǎn)化模塊

光電轉(zhuǎn)化模塊主要利用光電轉(zhuǎn)換器件通過(guò)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。常用的光電轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻和PIN光電二極管等。相比于其他光電二極管，PIN光電二極管有反向電壓小，渡越時(shí)間短，靈敏度高，溫度敏感性低，廉價(jià)，尺寸小等優(yōu)勢(shì)，因此本文使用的是PIN光電二極管。

圖1 光電轉(zhuǎn)換模塊的電路連接圖

圖1是本文使用的光電轉(zhuǎn)換模塊的電路連接圖，該模塊使用LM393芯片，并用6V的直流電壓源對(duì)其供電。在該電路中，利用電位器和一個(gè)保護(hù)電路的電阻分壓作為L(zhǎng)M393的反向輸入，即為圖中的比較電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)可以使得比較電壓大于在自然光條件下的PIN光電二極管輸出，且小于PIN光電二極管接收到發(fā)射部分光信號(hào)之后的輸出電壓。電源接通之后，當(dāng)PIN光電二極管輸出電壓大于比較電壓時(shí)，LM393輸出高電平；反之，LM393輸出低電平。并且輸出可以保持發(fā)射端發(fā)送信號(hào)的波形。

6 接收機(jī)解調(diào)

在接收端，通過(guò)引腳將光電轉(zhuǎn)換模塊的電信號(hào)輸入STM32單片機(jī)，按照信號(hào)編碼調(diào)制模塊所規(guī)范的傳輸協(xié)議來(lái)進(jìn)行解調(diào)該電信號(hào)[3]。當(dāng)引腳接收到電信號(hào)，本文以三倍于信號(hào)發(fā)射頻率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)每27位為一個(gè)數(shù)組，通過(guò)每三位的平均值判斷發(fā)送信號(hào)是“0”還是“1”，以降低采樣中的誤碼率并防止發(fā)射信號(hào)與接收采樣因時(shí)鐘不同步或者多徑延遲導(dǎo)致的相位不一致而造成的邊緣無(wú)法準(zhǔn)確采集的問(wèn)題。然后將每組采樣信號(hào)解調(diào)成9位編碼，與存儲(chǔ)在單片機(jī)中的LED編號(hào)編碼數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行移位循環(huán)匹配，因?yàn)榫幋a碼本都是循環(huán)不相同的，所以無(wú)需判斷起始位置便可以唯一譯碼。通過(guò)移位比對(duì)出原碼，從而判斷出該信號(hào)來(lái)源LED編號(hào)，進(jìn)而知曉接收裝置所處于的位置，這樣本文就能根據(jù)客戶所在位置更為準(zhǔn)確地發(fā)送相應(yīng)的推送信息。

7 結(jié)論

本文建立了用基于STM32單片機(jī)的室內(nèi)光通信系統(tǒng)，在發(fā)射部分根據(jù)燈的數(shù)量和所需的光強(qiáng)，通過(guò)軟件求得循環(huán)不相同的等長(zhǎng)01序列，單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)生帶有編碼信息的光信號(hào)。接收部分使用BPX61光電管作為光電轉(zhuǎn)換的核心裝置，通過(guò)光電管將LED所發(fā)射的光信號(hào)（此信號(hào)已通過(guò)濾光鏡使其滿足BPX61的感光特性）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終將此電信號(hào)輸回單片機(jī)經(jīng)過(guò)抽樣，判斷，解碼等過(guò)程還原出原信息。至此本文以超市通信定位為例具體闡述了可見(jiàn)光VLC通信技術(shù)的應(yīng)用。由于LED燈擁有高效，節(jié)能，環(huán)保等不可替代的優(yōu)勢(shì)，在能源緊缺的當(dāng)下，LED燈將更多地應(yīng)用于室內(nèi)照明中，同時(shí)以此為基礎(chǔ)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)也會(huì)在室內(nèi)智能化領(lǐng)域占有一席之地。

[1]王一妹，李歡.LED照明通信系統(tǒng)[J].電子制作，2014（16）：44-45.

[2]王宇，馮進(jìn)良，段靖遠(yuǎn).VLC信號(hào)的時(shí)頻域分析算法及實(shí)現(xiàn)研究[J].中國(guó)新通信，2016，18（1）：54-55.

[3]楊林.基于STM32的電梯并聯(lián)群控CAN通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電子商情：科技創(chuàng)新，2014（5）：8.

STM32 Indoor Visible Light Communication System Based on

Feng Weihong Ge Dong Wu Yuanxi Zhang Erchi

Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189

This paper presents a indoor LED visible light communication system. The system uses an electrical signal generated code modulation from STM32 ports programmed after the electrical signal driving the light signal transmitting LED rapidly changing. At the receiving end, the optical signal is converted into an electrical signal PIN diode, the electrical signal after an information source decode the information.

visible light communication; LED; STM32

TN929.1

A

1009-6434(2016)07-0077-03

封蔚鴻（1995—），男，漢族，南京，本科在讀，研究方向?yàn)橥ㄐ牛瑔挝粸闁|南大學(xué)。