LED照明通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

崔遠(yuǎn)慧，包 偉，牟 俊，王智森

(大連工業(yè)大學(xué)集成測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116034)

LED照明通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

崔遠(yuǎn)慧，包 偉，牟 俊，王智森

(大連工業(yè)大學(xué)集成測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116034)

設(shè)計了一款用于室內(nèi)點對點單向無線傳輸?shù)墓馔ㄐ畔到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用白光LED作為傳輸載體，STM 32作為主控單元，開關(guān)鍵控驅(qū)動作為基本調(diào)制方式，在滿足室內(nèi)照明的前提下，設(shè)計了發(fā)射與接收裝置電路、LED調(diào)制發(fā)射電路、接收解調(diào)電路、信號放大電路、電源模塊電路。制作的樣機(jī)系統(tǒng)最終實現(xiàn)了對26個字母連續(xù)每隔1s傳輸1000次，傳輸記錄140cm、誤碼率為零的測試。

可見光通信；開關(guān)鍵控調(diào)制；LED；STM 32

0 引言

LED具有可頻繁開關(guān)、連續(xù)調(diào)光及光電響應(yīng)速度快等特點，人們在利用LED作為照明光源的同時，將信號調(diào)制到LED上進(jìn)行無線傳輸?shù)目梢姽馔ㄐ牛╒isible Light Communication，VLC）技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點之一[1-3]。1998年，香港大學(xué)的G.Pang首次提出采用LED交通指示燈作為通信光源，為車輛傳輸語音信號[4]，之后，各國的研究人員相繼對白光LED作為通信載體進(jìn)行細(xì)致的研究[5,6]。2000年，Y.Tanaka,S采用LED臺燈作為通信光源，對白光LED作為可見光通信光源進(jìn)行了初步實驗研究[7]。2009年，H.Elgala,R.Mesleh等人研究了短距離室內(nèi)可見光通信的信噪比和信道編碼的誤碼率性能[8,9]。國內(nèi)在可見光通信領(lǐng)域的研究起步相對較晚，從2006年起，國內(nèi)的暨南大學(xué)等高校的科研人員開始了對LED作為照明和通信光源的可行性研究[10,12]。2010年，丁德強(qiáng)等人以朗伯模式為基礎(chǔ)，估算出了通用白光LED數(shù)學(xué)發(fā)光模型[13]。盡管有研究成果陸續(xù)被公布，但大部分為理論研究或?qū)嶒炿A段。本文設(shè)計了一種用于室內(nèi)點對點單向無線傳輸?shù)墓馔ㄐ畔到y(tǒng)，在保證正常照明的基礎(chǔ)上，利用STM32作為主控單元，實現(xiàn)了室內(nèi)LED單向通信的可見光通信系統(tǒng)，并成功制作了樣機(jī)，系統(tǒng)可行性和穩(wěn)定性較高。

1 開關(guān)鍵控調(diào)制編碼

可見光照明通信同時實現(xiàn)照明和通信雙重功能，而且必須遵循照明第一通信第二的原則，所以在設(shè)計通信系統(tǒng)時要充分考慮照明需要。因此，通信光源平均發(fā)射功率一定要盡量大，這樣同時提高了通信的信噪比，有利于通信的實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制方式，如圖1所示。在無線光通信中，OOK直接用二進(jìn)制序列調(diào)制發(fā)射光源，發(fā)射光源發(fā)光(或光脈沖)表示“1”，發(fā)射光源不發(fā)光（或光脈沖）來表示“0”。

圖1 OOK結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

點對點單向可見光照明通信系統(tǒng)主要實現(xiàn)單向通信，信號由發(fā)射端通過LED以光信號形式發(fā)出，經(jīng)自由空間傳輸，進(jìn)入接收端轉(zhuǎn)變成電信號并由接收端對信號進(jìn)行處理還原。

系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊兩大部分組成，其框圖如圖2所示。系統(tǒng)各單元模塊在MCU控制電路單元協(xié)調(diào)下工作，MCU控制電路單元是由STM32微處理器與外圍電路構(gòu)成的最小計算機(jī)系統(tǒng)，在計算機(jī)最小系統(tǒng)平臺上運(yùn)行嵌入式控制程序，該程序接收用戶指令控制各模塊工作。同時，程序還包括對傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)工作，用于數(shù)據(jù)編碼傳輸和接收解碼。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

發(fā)射端包括MCU控制單元、LED編碼發(fā)射單元、電源電路以及上位機(jī)。上位機(jī)將多媒體信息，例如某張圖片或者字符通過USB接口發(fā)送給MCU，MCU將圖片或者字符進(jìn)行編碼處理，編碼方式采用開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)，MCU將編碼過后的圖片或字符數(shù)據(jù)通過IO口傳送到LED發(fā)射電路，由LED將編碼后的數(shù)據(jù)（電信號）轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射出去。

接收端包括MCU控制單元、光電二極管解碼單元、信號放大電路、電源電路以及上位機(jī)/LCD顯示模塊。光電二極管將接收到的由發(fā)射模塊發(fā)送的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，將電信號通過IO口傳送給MCU，MCU對接收到的電信號進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過USB傳送給上位機(jī)顯示或直接將其由彩屏顯示數(shù)據(jù)。

圖3 MCU主控單元電路圖

2.1 微控制器主控電路

MCU主控單元電路如圖3所示。系統(tǒng)中發(fā)射端的主控模塊主要實現(xiàn)信息采集、信息處理、信息顯示和信息傳輸?shù)裙δ?；接收端的主控模塊主要實現(xiàn)信息接收、信息處理和信息顯示等功能。主控核心微控制芯片為STM32f103C8T6，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的I/O端口，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器。此外，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN。

2.2 LED調(diào)制發(fā)射電路

電路如圖4所示。發(fā)射電路采用2個1W的LED燈泡并聯(lián)作通信與照明之用，用1個NPN的三極管來驅(qū)動和控制LED燈泡。MCU通過1個I/O口（PB0）控制三極管 （Q1），三極管開關(guān)電路，NPN的基極需連接一個基極電阻（R5）、集電極上連接一個負(fù)載電阻（R4）。

圖4 LED信號調(diào)制發(fā)射電路

當(dāng)三極管的基極沒有電流時集電極也沒有電流，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)基極有電流時將會導(dǎo)致集電極流過更大的放大電流，即進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)然基極要有一個符合要求的電壓輸入才能確保三極管進(jìn)入截止區(qū)與飽和區(qū)。當(dāng)PB0高電平時，三極管導(dǎo)通LED燈點亮；當(dāng)PB0位低電平時，三極管截止LED燈熄滅，通過OOK的編碼方式，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射出去。

2.3 接收解調(diào)電路

接收解調(diào)電路如圖5所示。接收電路采用光電二極管作為光電傳感器來接收發(fā)射端發(fā)出的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

圖5 LED接收解調(diào)電路

2.4 信號放大電路

信號放大電路如圖6所示，其中U3C構(gòu)成一個電壓跟隨器，將光電二極管和后級電路隔離，起到緩沖和阻抗匹配的作用。第二級由U3B構(gòu)成反向比例放大器，其電壓放大倍數(shù)約為20倍，反向放大器的參考電位由R6和R7分壓提供，電壓為 1/2VCC，U3B輸出信號是以1/2VCC為零點的方波信號。第三級U3A為電壓比較器，用于對前級輸出信號進(jìn)行二值化處理，電壓閥值由R9設(shè)定。

圖6 放大電路原理圖

2.5 電源模塊電路設(shè)計

電源部分為整機(jī)提供所需電壓，使用3.7V鋰電池。MCU單元、LED信號發(fā)射單元、信號接收調(diào)制及放大單元皆采用3.3V供電。穩(wěn)壓電路如圖7所示，使用ME6206系列低壓差電壓穩(wěn)壓器。ME6206系列是高紋波抑制率、低功耗、低壓差的具有過流和短路保護(hù)的CMOS降壓型電壓穩(wěn)壓器，能保持良好的調(diào)整率。由于輸入輸出間的電壓差和靜態(tài)偏置電流很小，這些器件特別適用于希望延長電池壽命的電池供電類產(chǎn)品。

圖7 穩(wěn)壓電路

3 系統(tǒng)測試

3.1 樣機(jī)制作

按照上述設(shè)計，我們制作了樣機(jī)。測試軟件采用C#自行開發(fā)，采用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。USB通信部分使用開源的USB庫 “LibUsbDotNet”設(shè)計?！癓ibUsb-DotNet”是專門用于WinUSB、libusb-win32和Linux libusb v1.x開發(fā)的NET C#USB庫，這個庫提供了基本的USB設(shè)備操作功能。樣機(jī)測試如圖8所示。

3.2 性能測試

測試過程：發(fā)射端和接收端距離不斷增大，中間無遮擋，打開USB端口，每次發(fā)送A～Z單個或26個字母同時發(fā)送，時間間隔為1000ms，共持續(xù)1000s。測試結(jié)果如表1所示。

表1 誤碼率表

從表1中可以看出，單個字符在1.5m距離內(nèi)誤碼率為0；而26個字符同時發(fā)送時，隨著距離的增大，誤碼率逐漸增大，在1.5m時，誤碼率為0.25%。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款能同時進(jìn)行照明和數(shù)據(jù)通信的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在1.5m范圍內(nèi)對單個字符進(jìn)行誤碼傳輸，當(dāng)增加到26個字符同時傳輸時，1.5m范圍內(nèi)的誤碼率為0.25%。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，可以實現(xiàn)室內(nèi)點對點的數(shù)據(jù)傳輸，有一定的應(yīng)用價值。該系統(tǒng)采用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，無線通信是下一步要實現(xiàn)的目標(biāo)。

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LED lighting communication system design and implementation

CUI Yuan-hui，BAO Wei，MOU Lun，WANG Zhi-sen
(School of Integrated Control Technology Institute, Dalian Polytechnic University,Dalian Liaoning 116034,china)

The paper designed a wireless optical communication system for indoor,point-to-point and oneway transmission.White LED is a carrier for transmission system,STM32 is the main control unit,a key control drive as basic modulation mode,on the premise of meet the indoor illume,design of the transmitting and receiving devices,LED modulation transmitting circuit,receiving demodulation circuit,signal amplification circuit,power supply module circuit.Eventually made prototype system realized with 26 letters every 1 second transmit 1000 consecutive,transmission record 80 centimeters,zero error rate test.The system for subsequent use interior lighting system provides experimental support wireless transmission of information.

visible light communication,on-off Keying（OOK）modulation,LED,STM32

F276.3

A

1002-5561（2016）02-0033-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.010

2015-10-15。

遼寧省自然科學(xué)基金（2014026002）資助。

崔遠(yuǎn)慧（1974-），女，博士，副教授，主要從事傳感器數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)集成測控的研究。