LED除了照明還能做些什么

LED除了照明還能做些什么

最開始出現(xiàn)時，熒光燈是以可360°旋轉(zhuǎn)的白光細(xì)長管呈現(xiàn)給客戶的，并且能源效率高、價格低廉。80年代，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于商業(yè)用途中，影響著標(biāo)識行業(yè)的發(fā)展，特別是對大型廣告燈箱、超薄海報框、宣傳板、遮篷照明以及采用最新經(jīng)濟(jì)型解決方案中照明產(chǎn)品的選用。而隨著LED的發(fā)展，客戶對其的應(yīng)用越來越多，市場上LED照明產(chǎn)品大行其道。位于美國加利福尼亞州文圖拉的風(fēng)尚標(biāo)識設(shè)計制作公司老板羅伯特·曼格羅表示，和傳統(tǒng)的熒光照明系統(tǒng)相比，LED照明解決方案的優(yōu)勢更加明顯。

其實除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應(yīng)時間短和高速調(diào)制等特性。和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展，無線電頻譜很多頻段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制；2)可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，安全性高，保密性好；3)可見光收發(fā)器件設(shè)備簡單，價格低廉；4)可見光波長屬于亞微米級，在準(zhǔn)確方向定位上具有明顯優(yōu)勢；5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機(jī)、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應(yīng)用。

1、室內(nèi)定位

室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的RF、藍(lán)牙以及超聲等方式存在系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、響應(yīng)時間長、電磁干擾大、精度和準(zhǔn)確度較低等問題。VLC不受電磁干擾，可以通過室內(nèi)固定光源實現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航。未來的大商場、地下購物中心等地方可以通過基于VLC的智能行人自動支持系統(tǒng)的目標(biāo)定位和引導(dǎo)，減少由于顧客找不到商品具體位置而帶來的損失。類似的應(yīng)用可拓展到機(jī)場、博物館以及其他數(shù)字定位廣播場合。VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)需求不同，其定位精度也不同。對于室內(nèi)行人或者智障者導(dǎo)航類的定位，中等精度即可。但對于機(jī)器人等定位精度要求會更高。

（1）室內(nèi)行人導(dǎo)航

幫助視覺障礙者識別位置的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，如下圖所示，LED安裝在天花板上，帶有地磁傳感器的智能手機(jī)掛在使用者脖子上，智能手機(jī)和耳機(jī)相連。手機(jī)通過可見光通信接收LED傳來的ID信息，獲取光源方向及定位信息；路徑優(yōu)化后并將結(jié)果傳送到耳機(jī)引導(dǎo)行人。測試結(jié)果表明在1～2m范圍內(nèi)測試者能夠準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航，并能在-59°～66°的范圍內(nèi)實現(xiàn)方向矯正。

結(jié)合墻上標(biāo)牌面板LED光源開發(fā)的VLC定位導(dǎo)航系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)計了濾波器以減少背景光的干擾。通過VLC，使用者手機(jī)接收標(biāo)牌面板LED傳來的導(dǎo)航信息。導(dǎo)航信息包括標(biāo)牌面板位置信息以及視覺障礙者達(dá)到可下載的數(shù)據(jù)信息的最佳光強(qiáng)點。在該系統(tǒng)中導(dǎo)航信號的數(shù)據(jù)傳輸速率為62.5kb/s，而數(shù)據(jù)信息傳輸速率為1Mb/s。測試中，視覺障礙者可通過耳機(jī)接收約5m遠(yuǎn)處標(biāo)牌面板上LED光傳來的導(dǎo)航信號，當(dāng)走到距離標(biāo)牌面板約1m遠(yuǎn)時，由于光強(qiáng)度足夠，所以視覺障礙者接收器能自動進(jìn)行文本信息下載和存儲。

（2）室內(nèi)準(zhǔn)確定位

在機(jī)器人及無人機(jī)(UVA)控制系統(tǒng)等很多應(yīng)用中都需要精確定位。如何在保證系統(tǒng)復(fù)雜度不高的前提下獲得高的定位精度是人們研究的熱點。獲取目標(biāo)位置方法有很多，如測量信號到達(dá)角度(AOA)、到達(dá)時間(TOA)、到達(dá)時差(TDoA)以及接收到信號強(qiáng)度(RSS)等。有一種無需同步的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng)。測試結(jié)果表明在5.9cm內(nèi)以95%的準(zhǔn)確率實現(xiàn)精確定位。還有一種基于接收到信號強(qiáng)度/時分復(fù)用模式(RSS/TDM)的比特填充法的室內(nèi)定位系統(tǒng)。比特填充法可不受各種光信號干擾實現(xiàn)瞬時信號強(qiáng)度的測量。在該系統(tǒng)中16個相互間距為40cm的LED燈組成正方形陣列固定在天花板上，VLC接收器安裝在距離天花板170cm的機(jī)器人上。測試結(jié)果表明機(jī)器人在低于3cm的誤差內(nèi)，成功實現(xiàn)了5個目標(biāo)點規(guī)劃路徑的自主導(dǎo)航。

圖像傳感器除了可同時實現(xiàn)圖像捕獲和數(shù)據(jù)接收之外，由于外界干擾光源聚焦像素和VLC理想信號聚焦像素有所區(qū)別，所以比光電二極管作為接收器具有更好的抗干擾能力。圖像傳感器在VLC中進(jìn)行準(zhǔn)確定位的應(yīng)用越來越受到人們重視。無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織P802.15工作組已經(jīng)在考慮如何將定位融入到相機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)中。

關(guān)于圖像傳感器幾種應(yīng)用研究。下圖(a)顯示屏上顯示了接收端對圖像及位置信息的同時獲取。(b)是圖像傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用。兩個固定在機(jī)器人上的圖像傳感器通過LED發(fā)送的信息檢測機(jī)器人位置。其中一個圖像傳感器捕獲入射光方向，另外一個圖像傳感器連續(xù)捕獲高速幀圖像并解析可見光傳來的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果顯示機(jī)器人能夠在厘米范圍內(nèi)實現(xiàn)精確定位。(c)是利用圖像捕獲和可見光通信來實現(xiàn)50m遠(yuǎn)外水箱準(zhǔn)確定位，定位精度達(dá)到毫米級。

2、智能交通系統(tǒng)(ITS)的信息傳輸

智能交通系統(tǒng)(ITS)通過及時獲取并傳輸有關(guān)交通狀況等方面的信息來減少交通事故、交通堵塞以及燃油消耗。圖像處理可用來幫助駕駛員進(jìn)行交通燈識別、障礙物檢測、車輛和車輛以及車輛和道路設(shè)施之間信息的捕獲，是ITS的一個關(guān)鍵技術(shù)。高速數(shù)據(jù)圖像傳感器結(jié)合VLC在ITS上具有廣闊應(yīng)用前景。文獻(xiàn)記錄了運用LED光以及安裝在汽車上的具有1000frame/s幀速和1024pixel×1024pixel分辨力的攝像機(jī)進(jìn)行路邊裝置與車輛之間的通信。實車測試驗證了該系統(tǒng)能在車輛以30km/h的速度下，在35m范圍內(nèi)實現(xiàn)來自256個LEDs陣列組成光源傳輸來的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收。

目前，在VLC中運用高速圖像傳感器存在一些技術(shù)問題需要解決：如安裝設(shè)施價格昂貴，需要復(fù)雜的實時圖像處理技術(shù)，攝像機(jī)幀速率低于發(fā)光二極管的反應(yīng)速度從而限制了通信速度等。文獻(xiàn)報道了最新研發(fā)的光通信圖像傳感器(OCI)在無線光通信(OWC)系統(tǒng)中的應(yīng)用。運用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感技術(shù)最新開發(fā)的OCI具有兩個特點：用于高速信號接收的通信像素(CPx)以及用于快速和精確LED檢測的1bit標(biāo)志圖像輸出功能。該OWC系統(tǒng)被譽(yù)為當(dāng)前世界上第一個僅有16.6ms延遲、20Mb/s傳輸速率的像素傳輸通信系統(tǒng)。

3、VLC高速數(shù)據(jù)傳輸

大數(shù)據(jù)量如高清(HD)視頻流傳輸、高速信息流下載及高速數(shù)據(jù)備份等信息獲取成為當(dāng)代生活中不可或缺的部分?？梢姽饪梢赃\用發(fā)散角度很小的光柱進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而其路徑傳輸損耗較低的特點使高速帶寬

的安全數(shù)據(jù)流下載和傳輸成為可能。如下圖所示，歐洲OMEGA工程開發(fā)了一種具有100Mb/s的4個高清數(shù)據(jù)流的VLC數(shù)據(jù)傳輸。運用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)技術(shù)，通過16個LED光源向10m2面積范圍內(nèi)的光電二極管探測器上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過在VLC接收器和發(fā)送器之間增添聚焦透鏡來實現(xiàn)5m×5m×3m室內(nèi)視頻和音頻高質(zhì)量廣播傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)：和視距(LOS)鏈路相比，Nd-LOS鏈路具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可移動性好、跟蹤性強(qiáng)等特點，但其鏈路損耗導(dǎo)致傳輸速率不高。針對這一問題開展研究，實現(xiàn)了在2m范圍、400Mb/s傳輸速率以及誤碼率RBE＜10-8的典型室內(nèi)雙向光無線通信系統(tǒng)研究(可見光LED作為下行鏈發(fā)送光源，IR是上行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送光源)。RGBLEDs采用波分多路復(fù)用技術(shù)(WDM)可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)記錄了第一個基于波分復(fù)用/離散多音調(diào)(WDM/DMT)調(diào)制技術(shù)的VLC系統(tǒng)，實現(xiàn)了對單個白光RGB-LED進(jìn)行調(diào)制并獲得803Mb/s速率的數(shù)據(jù)通信。

4、VLC在航空中應(yīng)用

VLC在航空中優(yōu)勢明顯。可見光LED已經(jīng)在新一代商用飛機(jī)上得到推廣應(yīng)用，通過可見光替代光纜或電纜進(jìn)行通信能夠減少體積和重量、減少電磁干擾(EMI)及降低成本等，波音商用飛機(jī)平臺也在開展未來無線光網(wǎng)絡(luò)方案研究?；赩LC通信的乘客閱讀燈服務(wù)單元(PSUs)、娛樂系統(tǒng)以及機(jī)艙對講機(jī)的應(yīng)用：下圖(a)中閱讀燈照亮乘客座位區(qū)，同時閱讀燈作為光通信源向乘客筆記本電腦或其他終端接收機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。乘客娛樂系統(tǒng)是通過座位整列之間的可見光相互通信而構(gòu)成了高速網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機(jī)內(nèi)娛樂(iFE)信息的傳輸。來自LED燈的光信號也可以用來作為低帶寬的語音通信，實現(xiàn)機(jī)內(nèi)對講，如(b)所示。

5、水下VLC

水下通信在軍事、工業(yè)以及科學(xué)領(lǐng)域都具有重要地位。水下通信速率需求在幾兆到幾十兆甚至更高范圍內(nèi)。無線電波中海水會受到高度衰減。聲波在海洋中傳輸速度為1500m/s，延遲時間長，帶寬受限，誤碼率高，聲波也會對海豚和鯨魚等海洋動物產(chǎn)生干擾等。VLC在水下可以很好地克服衰減和電磁干擾等問題。關(guān)于操控者與水下遠(yuǎn)程運輸車之間的VLC通信系統(tǒng)開發(fā)：該系統(tǒng)中發(fā)送器由70個LED光源組成，支持120°視角范圍的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達(dá)20Mb/s。文獻(xiàn)記錄了水下可見光通信系統(tǒng)在核發(fā)電站機(jī)器檢測中的具體應(yīng)用。水下的遠(yuǎn)程運輸車裝備攝像機(jī)與20m遠(yuǎn)處站點之間進(jìn)行視頻和控制信號的傳輸。目前水下光無線通信系統(tǒng)面臨主要挑戰(zhàn)是由于受到水下性質(zhì)尤其是渾濁度的影響而難以實現(xiàn)長距離通信。針對這一問題，新加坡國立大學(xué)和麻省理工學(xué)院開展了在30m的距離內(nèi)實現(xiàn)1.2Mb/s的水下光通信系統(tǒng)研究和論證。