基于白光LED通信的可視化電子導(dǎo)覽系統(tǒng)研究

喻 歡，何 寧，顧劍飛

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

基于白光LED通信的可視化電子導(dǎo)覽系統(tǒng)研究

喻 歡，何 寧，顧劍飛

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于室外光通信環(huán)境下的基于大功率照明LED的移動(dòng)電子導(dǎo)覽系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)功能模型組成原理，詳細(xì)分析了白光LED發(fā)射模塊的技術(shù)組成特點(diǎn)，描述了照明LED通信調(diào)制、移動(dòng)導(dǎo)覽器位置跟蹤和無線光雙向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。采用A RM系統(tǒng)構(gòu)建用戶終端的電子地圖,并進(jìn)行了導(dǎo)覽系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

移動(dòng)光通信；脈沖調(diào)制；可視化；電子導(dǎo)覽

0 引言

隨著旅游業(yè)的迅速發(fā)展，人們出游的熱情與日遞增，相關(guān)的電子產(chǎn)品也變得多樣化，景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)覽技術(shù)的研究有很多，目前較常見的導(dǎo)覽系統(tǒng)主要有基于射頻、WiFi、藍(lán)牙和衛(wèi)星定位技術(shù)的景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)。景區(qū)內(nèi)常用的導(dǎo)覽裝置是按照景點(diǎn)位置設(shè)定編號(hào)進(jìn)行手動(dòng)操作的，一般以語音導(dǎo)覽為主，這種方式存在導(dǎo)覽信息量少、電磁干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性差和景點(diǎn)信息提供不準(zhǔn)確等問題[1,2]。為解決以上問題，本文提出一種基于白光LED通信的可視化電子導(dǎo)覽系統(tǒng)。

1 景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

本文設(shè)計(jì)的景區(qū)自主式移動(dòng)電子導(dǎo)覽系統(tǒng)功能模型如圖1所示，導(dǎo)覽系統(tǒng)分為L(zhǎng)ED收發(fā)裝置和手持移動(dòng)光收發(fā)終端（導(dǎo)覽器）。照明LED收發(fā)裝置按照一定路徑位置被安裝在各景點(diǎn)內(nèi)（每個(gè)裝置設(shè)置了唯一的編號(hào)）。當(dāng)游客手持導(dǎo)覽器進(jìn)入某照明LED發(fā)射模塊的光輻射區(qū)域后，由紅外感應(yīng)觸發(fā)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)LED陣列，發(fā)送相應(yīng)位置的景點(diǎn)編號(hào)。若是晚上或陰天，當(dāng)游客到達(dá)某景點(diǎn)時(shí)，LED發(fā)射模塊中的光傳感器識(shí)別到手持移動(dòng)導(dǎo)覽器即啟動(dòng)照明LED，作為照明使用，并向?qū)в[器發(fā)送數(shù)據(jù)。只要有游客進(jìn)入景點(diǎn)區(qū)域，LED發(fā)射模裝置將不斷發(fā)送景點(diǎn)編號(hào)，所有移動(dòng)導(dǎo)覽器都能同時(shí)接收到該編碼信號(hào)。

圖1 移動(dòng)電子導(dǎo)覽系統(tǒng)功能模型

移動(dòng)導(dǎo)覽器對(duì)景點(diǎn)編碼信息進(jìn)行譯碼，恢復(fù)發(fā)射景點(diǎn)編號(hào),通過串口傳送至ARM系統(tǒng)。依據(jù)當(dāng)前編號(hào)，從存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該編號(hào)對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)相關(guān)信息資料。游客可以在導(dǎo)覽器的觸摸屏上通過點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)控件，查看景點(diǎn)的文字介紹、景點(diǎn)圖片、路徑信息,聆聽語音解說。

2 無線光LED調(diào)制與編解碼原理

2.1 LED發(fā)射模塊組成與導(dǎo)覽系統(tǒng)的通信控制原理

照明LED發(fā)射模塊的硬件部分如圖2所示。電力線載波電路主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和通信基站的信息傳送，光傳感電路依據(jù)環(huán)境光變化控制LED的照明狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器用于識(shí)別景點(diǎn)區(qū)域內(nèi)是否有導(dǎo)覽器，并控制單片機(jī)輸出景點(diǎn)編碼信號(hào)，同時(shí)強(qiáng)制光電傳感器驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行數(shù)據(jù)通信發(fā)射。當(dāng)環(huán)境光減弱時(shí)，光電傳感電路控制單片機(jī)輸出頻率為43.2kHz，占空比為70%的PWM信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)LED陣列作為照明路燈使用。

圖2 照明LED發(fā)射模塊框圖

2.2 光信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)編解碼實(shí)現(xiàn)

由于頻移鍵控（FSK）的頻帶窄，信號(hào)可以在時(shí)域中持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，因此短時(shí)間脈沖噪聲對(duì)調(diào)制信號(hào)的影響較小，具有一定的抗干擾性[3]。雖然FSK的傳輸速率相對(duì)不高，頻帶利用率低，但是完全能滿足本系統(tǒng)傳輸景點(diǎn)編號(hào)信息的要求，因此本文采用FSK調(diào)制。FSK調(diào)制是利用調(diào)制信號(hào)“0”或“1”的變化，控制兩個(gè)不同的載波頻率交替輸出[4]，其調(diào)制原理圖如圖3所示。芯片CD4069BD為6反向器，其中晶振CY2、電容C1與C2、電阻R2和2個(gè)非門組成455kHz載波振蕩電路。晶振CY1、電容C3與C4、電阻R1和另2個(gè)非門組成38kHz載波振蕩電路。SEND接收單片機(jī)輸出的景點(diǎn)碼元信號(hào)，通過74LS02或非門芯片對(duì)載波實(shí)施控制輸出和疊加，已調(diào)制信號(hào)（SINGNAL）為FSK調(diào)制信號(hào)輸出。

由于系統(tǒng)對(duì)光傳輸速率和距離要求不高，因此利用FSK調(diào)制電路產(chǎn)生的FSK信號(hào)可直接對(duì)LED進(jìn)行開關(guān)鍵控（OOK）光調(diào)制。OOK調(diào)制方式的每一比特時(shí)間T（單位為s）內(nèi)光脈沖處于開或關(guān)的狀態(tài)，信息“1”表示光發(fā)射器輸出光脈沖，信息“0”表示無光脈沖輸出。當(dāng)采用非歸零（NRZ）碼時(shí)，若碼元寬度為Tb，則信號(hào)帶寬Rb=1/Tb[5]。

圖3 FSK調(diào)制電路圖

OOK編碼方式簡(jiǎn)單，傳輸容量大，但在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，0與1隨機(jī)分布。為解決LED工作時(shí)的閃爍問題，需對(duì)OOK編碼進(jìn)行改善。由于白光LED通信與紅外通信技術(shù)類似，故系統(tǒng)編碼仿照了紅外遙控的編碼方式[6]，數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4中，數(shù)據(jù)包含3部分：引導(dǎo)碼、8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)反碼。引導(dǎo)碼由寬度為9ms的高電平和4.5ms低電平脈沖構(gòu)成，它是數(shù)據(jù)收發(fā)的標(biāo)志。數(shù)據(jù)反碼的數(shù)據(jù)位“1”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)碼的數(shù)據(jù)位“0”，數(shù)據(jù)位“0”用1ms寬度（占空比50%）的歸零碼表示，數(shù)據(jù)位“1”用2ms寬度（占空比25%）的歸零碼表示。數(shù)據(jù)反碼的主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行校驗(yàn)[7]。

圖4 數(shù)據(jù)編碼格式

移動(dòng)導(dǎo)覽器對(duì)收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)采樣，先識(shí)別出引導(dǎo)碼，再恢復(fù)出相應(yīng)數(shù)據(jù)的碼元信號(hào)，把收到的數(shù)據(jù)碼取反，與數(shù)據(jù)反碼對(duì)比，若一致，則表示接收到的數(shù)據(jù)正確。這種編解碼方式簡(jiǎn)單，便于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

2.3 大功率白光LED發(fā)射電路

LED發(fā)射光源為24W，采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式[8]，因此，驅(qū)動(dòng)電路需要提供一定的功率，電路圖如圖5所示。MOS管型號(hào)為P75NF75B，其極限電流為75A，耐壓為75V。濾波電路用來濾除電源噪聲。當(dāng)FSK信號(hào)控制MOS管時(shí)，恒流源輸出72V直流電壓、300mA輸出電流加載到LED上，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光調(diào)制與信息發(fā)送。

圖5 大功率LED驅(qū)動(dòng)電路圖

3 無線光雙向數(shù)據(jù)傳輸原理與移動(dòng)終端監(jiān)控

本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)覽系統(tǒng)采用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)基站（LED收發(fā)裝置）和下位機(jī)（導(dǎo)覽器）之間的無線光雙向通信，下行數(shù)據(jù)傳輸（景點(diǎn)基站到下位機(jī)）是利用波長(zhǎng)為380～760nm的LED白光為傳輸媒介，上行數(shù)據(jù)傳輸（下位機(jī)到景點(diǎn)基站）是利用波長(zhǎng)為940nm的紅外光作為傳輸媒介，上行與下行互不干擾且獨(dú)立運(yùn)行。無線光雙向傳輸原理框圖如圖6所示。

圖6 無線光雙向通信

圖6中，導(dǎo)覽器將景點(diǎn)基站發(fā)送的編號(hào)數(shù)據(jù)通過RS232串口送到ARM導(dǎo)覽系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)顯示游客所處景點(diǎn)的導(dǎo)覽信息，同時(shí)將導(dǎo)覽器的編號(hào)、進(jìn)入此景點(diǎn)的時(shí)間上傳給景點(diǎn)基站保存，并定期上傳到監(jiān)控中心保存在數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)查詢移動(dòng)導(dǎo)覽器的位置信息,便于監(jiān)控各手持終端和統(tǒng)計(jì)景區(qū)流量。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)信號(hào)傳輸和導(dǎo)覽功能的實(shí)現(xiàn)，我們?cè)谑彝猸h(huán)境中架設(shè)了高度為10m的照明LED收發(fā)模塊（景點(diǎn)基站），測(cè)試人員手持移動(dòng)導(dǎo)覽器在設(shè)定路徑上的3個(gè)景點(diǎn)（模擬）間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.1 無線光數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試

圖7 白光收發(fā)模塊收發(fā)波形圖

LED收發(fā)模塊的無線光收發(fā)波形如圖7所示。按照編碼規(guī)則，發(fā)射模塊發(fā)射的數(shù)據(jù)碼為“01100100”，數(shù)據(jù)反碼為“10011011”。實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得結(jié)果為：移動(dòng)導(dǎo)覽器距LED發(fā)射端的最大接收距離為11m，接收角度為±14.5°，此時(shí)測(cè)得光照度為13勒克斯（Lux），背景光照度為8Lux。圖7（b）中我們使用38kHz（稀疏部分）和455kHz（密集部分）兩個(gè)不同載波頻率表示基帶信號(hào)的“0”和“1”，移動(dòng)導(dǎo)覽器對(duì)接收信號(hào)波形進(jìn)行定時(shí)采樣，依據(jù)發(fā)射端編碼規(guī)則，識(shí)別不同頻率（周期）的持續(xù)時(shí)間，恢復(fù)碼元基帶信號(hào)。

4.2 ARM導(dǎo)覽界面測(cè)試

采用slicingtool工具制作導(dǎo)覽地圖，由層和對(duì)象作為基本元素，層用來存放地圖對(duì)象，地圖對(duì)象可以添加到任意一層，對(duì)象的坐標(biāo)單位為像素，地圖底層坐標(biāo)與被切割前圖像的像素坐標(biāo)保持一致，地圖底層左上角的坐標(biāo)為（0,0）。自定義地圖實(shí)際上可以看作是由許多的小圖像（圖陣元）組成，導(dǎo)覽地圖能實(shí)現(xiàn)大小比例縮放、上下左右移動(dòng)、嵌套查詢、位置圖標(biāo)提示等功能[9]，實(shí)驗(yàn)測(cè)試景區(qū)不同景點(diǎn)可視化導(dǎo)覽示意圖如圖8所示。

圖8 七星公園導(dǎo)覽地圖

景點(diǎn)基站編號(hào)規(guī)則是：前4位表示景區(qū)，后4位表示景點(diǎn)。若前4位在0001到0006之間切換，移動(dòng)導(dǎo)覽器將自動(dòng)切換不同景區(qū)。圖8中，景點(diǎn)編號(hào)顯示為00020001，表示當(dāng)前游客所處位置為七星公園（景區(qū)2）的七星巖入口（景點(diǎn)1）。在地圖上，游覽過的景點(diǎn)標(biāo)示為圓形，當(dāng)前正在游覽的景點(diǎn)標(biāo)示為錐形。如果要聆聽語音介紹，選擇“點(diǎn)擊播放導(dǎo)覽語音”可進(jìn)行語音播放。

4.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控

本文采用Visual Studio 2012的MFC進(jìn)行景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)的監(jiān)控終端（上位機(jī)）開發(fā)，上位機(jī)監(jiān)控界面的主要功能有：

①串口參數(shù)設(shè)置。設(shè)置上位機(jī)和基站串口的全雙工通信幀格式參數(shù)，這些參數(shù)包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位和接收數(shù)據(jù)格式。

②景點(diǎn)基站時(shí)間的初始化。保證景區(qū)內(nèi)各景點(diǎn)基站時(shí)間的一致性和移動(dòng)終端進(jìn)入和離開景點(diǎn)時(shí)間的準(zhǔn)確性。

③收發(fā)數(shù)據(jù)。顯示基站上傳的移動(dòng)終端編號(hào)、進(jìn)入和離開景點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也會(huì)被保存到“shujuku.adb”數(shù)據(jù)庫中。

④狀態(tài)查詢。點(diǎn)擊“顯示景點(diǎn)”，每個(gè)景點(diǎn)基站的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)保存并清空基站數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“查看保存數(shù)據(jù)的表格”，將彈出Excel形式的“數(shù)據(jù)表格”子窗口，顯示景點(diǎn)編號(hào)、導(dǎo)覽器編號(hào)、進(jìn)入和離開景點(diǎn)的時(shí)間，數(shù)據(jù)每隔1s刷新一次。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于移動(dòng)光通信的可視化電子導(dǎo)覽系統(tǒng),并詳細(xì)介紹了相應(yīng)的軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。我們對(duì)導(dǎo)覽系統(tǒng)進(jìn)行了室外場(chǎng)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以提供自主式可視化的圖、文、聲服務(wù)，滿足景區(qū)自動(dòng)導(dǎo)覽的需求。本文的研究為實(shí)現(xiàn)旅游景區(qū)智能管理和游客監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)途徑。

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Research on visual electronic navigation system based on the white LED communication

YU Huan,HE Ning,GU Jian-fei
(School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper designs a mobile electronic navigation system which is based on the high power illumination LED under the circumstance of outdoor optical communication,introduces the composition principle of system function model,analyzes the technology and composition trait of transmitting module based on white LED in detail,describes the communication and modulation based on illumination LED,position trailing of mobile navigator and technology implementation of two-way data transmission based on wireless optical communication.The paper establishes electronic map on the user's terminal based on the ARM,carries out the experiment with navigation system.

mobile optical communication,impulse modulation,visualization,electronic navigation

TN915.62

A

1002-5561（2016）04-0044-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.015

2015-12-11。

廣西科技開發(fā)項(xiàng)目(桂科攻14124005-2-5)資助。

喻歡（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ拧?/p>