基于可見光通信的溶洞景區(qū)照明控制方法研究

鄧健志，程小輝

(桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林 541004)

桂林有“桂林山水甲天下”的美譽(yù)，溶洞游覽是桂林旅游的一個(gè)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(tài)各異的奇石。

溶洞景區(qū)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(nèi)景觀照明的景觀燈。傳統(tǒng)的游覽方式是團(tuán)隊(duì)游覽，由導(dǎo)游帶領(lǐng)游客進(jìn)入溶洞，沿著游覽通道逐一觀賞景觀。在這種方式下，景區(qū)的照明管理控制主要由導(dǎo)游手動(dòng)完成，即導(dǎo)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(shí)，再關(guān)閉景觀燈和后方路燈。

由于自由行的興起，傳統(tǒng)溶洞游覽的不足就顯現(xiàn)出來:游客不可能自己開關(guān)景區(qū)內(nèi)的各種燈光照明，所以景區(qū)內(nèi)的各種照明設(shè)施就要保持開啟，當(dāng)游客少、分散的時(shí)候，造成電能的浪費(fèi)［1］。

為了實(shí)現(xiàn)溶洞景區(qū)燈光的智能化控制，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于可見光通信的溶洞景區(qū)照明控制系統(tǒng)，提出一個(gè)可見光通信照明控制方法。

1 可見光通信

由于溶洞內(nèi)濕度大，巖石成分和游覽路徑都很復(fù)雜，通信線路架設(shè)、維護(hù)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(zhì)量，溶洞內(nèi)通信系統(tǒng)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(shè)備發(fā)出人眼察覺不到的高速調(diào)制光作為信息載體，在自由空間傳輸光信號(hào)，然后利用光電感應(yīng)器件接收光載波信號(hào)。

VLC技術(shù)抗電磁干擾、功耗小，在溶洞內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)通信的同時(shí)，還能提供高效的環(huán)境照明。本設(shè)計(jì)的照明控制系統(tǒng)運(yùn)用可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)［2－3］。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

照明控制系統(tǒng)分為無線控制器和照明端。無線控制器端由光發(fā)射模塊、微控制模塊、調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、通信接口組成。光發(fā)射模塊采用大功率白光LED發(fā)送高頻閃爍光;調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊將要發(fā)送的電信號(hào)，調(diào)制成高速閃爍的光信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮;通信接口用于連接外部設(shè)備更新數(shù)據(jù)。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(guān)閉兩種狀態(tài)。

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(diào)模塊組成。光接收模塊采用光電二極管感應(yīng)接收光信號(hào);判決解調(diào)模塊對(duì)接收的光信號(hào)進(jìn)行放大、整形、濾波、解調(diào)。照明設(shè)備的開啟和關(guān)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(shè)施。

2.2 工作原理

用戶手持無線控制器進(jìn)入景區(qū)，將按鍵設(shè)置為照明模式，就可以開啟LED，實(shí)現(xiàn)普通的照明。當(dāng)用戶途經(jīng)景點(diǎn)時(shí)，將無線控制器切換至照明控制模式的開啟控制狀態(tài)，無線控制器就控制LED發(fā)送高頻調(diào)制的閃爍光信號(hào)。此時(shí)，將控制器的照明區(qū)域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊可以感應(yīng)到閃爍光，并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。經(jīng)過判決解調(diào)處理后，由微控制模塊處理驗(yàn)證開啟信號(hào)的有效性，并通過控制繼電器組，點(diǎn)亮景點(diǎn)的照明設(shè)施。系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

此景點(diǎn)游覽結(jié)束后，將無線控制器切換至照明控制模式的關(guān)閉控制狀態(tài)，控制LED發(fā)送關(guān)閉燈光的控制光信號(hào)，并將照明區(qū)域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊感應(yīng)到光信號(hào)，并經(jīng)過判決解調(diào)處理后，由微控制模塊處理驗(yàn)證關(guān)閉信號(hào)的有效性，并通過控制繼電器組，關(guān)閉景點(diǎn)的照明設(shè)施。

3 硬件設(shè)計(jì)

照明控制系統(tǒng)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(fā)射模塊、微控制模塊、調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(diào)模塊組成。

3.1 無線控制器

在無線控制器端為了簡(jiǎn)化手持設(shè)備的設(shè)計(jì)，直接由ST公司的Cortex－M3內(nèi)核32位微控制器STM32F107完成數(shù)據(jù)的編碼，并用數(shù)據(jù)編碼輸出電信號(hào)控制三極管驅(qū)動(dòng)模塊，以控制光發(fā)射模塊。光發(fā)射模塊采用單個(gè)或多個(gè)大功率白光LED，LED在三極管驅(qū)動(dòng)下高速閃爍，以可見白光發(fā)送高頻光信號(hào)。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(guān)閉兩種狀態(tài)。其中，各模塊的連接關(guān)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(wǎng)口;PD0～PD1用于連接兩個(gè)功能按鍵;PD2連接三極管驅(qū)動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)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(hào)的接收和光電信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片THS1206，可實(shí)現(xiàn)采樣速率6 MSample/s(兆采樣/s)的4通道同步采樣，并可由內(nèi)部控制實(shí)現(xiàn)差分模擬信號(hào)輸入。微控制器模塊用STM32F107完成接收信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)幀讀取以及照明控制等功能。各模塊的連接關(guān)系如圖2，STM32F107微控制器的PB12～PB15和PD8～PD15與TH1206的12位A/D轉(zhuǎn)換輸出連接，PA0～PA4連接TH1206的時(shí)鐘、中斷等控制信號(hào);管腳PB6～PB7連接串口;PB10～PB13連接以太網(wǎng)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(shè)計(jì)

4.1 調(diào)制與編碼

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收，控制數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀包括:引導(dǎo)碼、用戶ID、數(shù)據(jù)類型、操作碼。引導(dǎo)碼是一串固定的標(biāo)識(shí)碼，用以標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始。在本設(shè)計(jì)中，采用的標(biāo)識(shí)碼為“10101100”。每個(gè)無線控制器都有一個(gè)唯一的用戶ID，用于標(biāo)識(shí)使用者的身份類別:管理員、導(dǎo)游員、游客。數(shù)據(jù)類型用于表示幀數(shù)據(jù)的類型:開啟、關(guān)閉、測(cè)試、管理。操作碼在測(cè)試、管理幀時(shí)使用，用于給測(cè)試人員和管理人員提供照明端的功能測(cè)試與調(diào)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(hào)，每個(gè)碼元均用兩個(gè)不同相位的電平信號(hào)表示，用電平的跳變來表示1或0，即在一個(gè)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(shí)別，也作為時(shí)鐘同步信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中采用曼徹斯特碼實(shí)現(xiàn)［5－6］。

4.3 收發(fā)流程

無線控制器發(fā)送流程:首先，將根據(jù)預(yù)定的曼徹斯特編碼規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的1或0。然后再由此1或0輸出控制電平，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，將編碼數(shù)據(jù)由光信號(hào)循環(huán)發(fā)送。

照明端接收控制流程如圖3所示:照明控制啟動(dòng)后，首先根據(jù)發(fā)射信號(hào)的頻率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，并循環(huán)掃描檢測(cè)引導(dǎo)碼;當(dāng)檢測(cè)到引導(dǎo)碼后，開始記錄數(shù)據(jù)幀直到掃描到數(shù)據(jù)幀結(jié)束的指示電平;然后，根據(jù)預(yù)定的曼徹斯特解碼規(guī)則對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將其還原成原始數(shù)據(jù)幀;接著，根據(jù)數(shù)據(jù)幀格式依次讀取用戶識(shí)別ID、數(shù)據(jù)類型字段、操作碼;最后，再根據(jù)操作碼完成相應(yīng)的開、關(guān)、測(cè)試等功能操作。

圖3 接收控制流程

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 收發(fā)實(shí)驗(yàn)效果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，用圖2中系統(tǒng)模型對(duì)收發(fā)功能進(jìn)行測(cè)試。其中，用1 W白光LED做發(fā)送，BPX21管接收，收發(fā)電路距離為5 cm，LED驅(qū)動(dòng)電壓為3 V或5 V，用100 MHz的示波器觀察收發(fā)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(fā)射頻率分別為10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz時(shí)的波形。其中，CH2(下波形)為L(zhǎng)ED發(fā)射波形，CH1(上波形)為未做濾波時(shí)的接收波形。圖4e為L(zhǎng)ED發(fā)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(fā)送500 kHz頻率的曼徹斯特編碼信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)為引導(dǎo)碼“10101100”，光接收模塊濾波輸出的波形。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形(截圖)

由實(shí)驗(yàn)可知，隨著LED閃爍頻率越高，PD的響應(yīng)波形毛刺越多、失真越大。當(dāng)發(fā)射頻率達(dá)到500 kHz時(shí)，接收毛刺多，失真大，但接收波形的規(guī)則依然明顯。經(jīng)過濾波器后，仍可以得到500 kHz規(guī)則的方波。在本系統(tǒng)中采用信號(hào)頻率為500 kHz的曼徹斯特編解碼方式發(fā)送信號(hào)，可以得到較好的接收效果。

5.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在溶洞中對(duì)光信號(hào)的干擾，主要是50 Hz的燈光照明干擾。因此，測(cè)試選擇在晚上的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試環(huán)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(qū)動(dòng)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(shù)字示波器。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)功能測(cè)試情況如圖5，實(shí)驗(yàn)采用圖2中的系統(tǒng)完成，用1 W白光LED作為無線控制光發(fā)射模塊，用BPX21作為照明端光接收模塊。照明端設(shè)置一個(gè)16×64點(diǎn)陣和一臺(tái)示波器觀察接收的控制信號(hào)。由于測(cè)試場(chǎng)地限制，無線控制器和照明端的距離為3.6 m，如圖5a。點(diǎn)陣顯示的內(nèi)容“第一景”為接收的光信號(hào)解碼信息，示波器測(cè)量顯示的是經(jīng)整形濾波后的波形，如圖5b。如圖可知，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所需要的燈光控制。

圖5 實(shí)地測(cè)試情況

6 結(jié)論

溶洞照明是展現(xiàn)溶洞內(nèi)各種景觀最好也是唯一的方法。為了實(shí)現(xiàn)溶洞景區(qū)燈光的智能化控制，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)溶洞景區(qū)照明控制系統(tǒng)用于可見光通信燈光控制方法的驗(yàn)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(shù)實(shí)現(xiàn)。文中給出了硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)、軟件控制流程和采用的調(diào)制編碼方法，并給出了無線控制器在發(fā)送10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz等頻率信號(hào)時(shí)，照明端的接收效果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(nèi)照明設(shè)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(yīng)用研究意義和實(shí)際推廣價(jià)值。

:

［1］鄧健志，程小輝.基于超高頻RFID的音視頻溶洞電子導(dǎo)游系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，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(fù)用調(diào)制天線，中國(guó):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(nèi)無線光通信系統(tǒng)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2011(8):553－555.