李 芳 菊

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

基于白光LED的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 芳 菊

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

基于白光LED的調(diào)制性和高靈敏性，提出了一種白光LED燈的短距離信號(hào)傳輸VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊組成，分別采用兩個(gè)STC89C52芯片作為控制器，LED照明光波作為傳輸信號(hào)的載波，用光敏二極管、LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收、光電轉(zhuǎn)換和顯示。系統(tǒng)最終檢測(cè)表明，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)可見(jiàn)光短距離數(shù)據(jù)傳輸，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用可靠性。

可見(jiàn)光通信；白光LED；字符傳輸

0 引言

由于電腦和手機(jī)等智能設(shè)備的快速崛起，使得移動(dòng)數(shù)字終端范疇發(fā)生革命性巨變。同時(shí)，光纜的最后影響、無(wú)線頻譜的減少、可見(jiàn)光加載技術(shù)和電子輻射等問(wèn)題都在影響著無(wú)線通信的進(jìn)步，所以更需一種新型網(wǎng)絡(luò)接入方式。2000年，日本研究者提出了可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)的概念[1-3]，即把傳輸信息加載在照明發(fā)光二極管LED上，使其在照明的同時(shí)可以高速地通信。2008年，日本研究者在日本九十九里海灘利用燈塔上的LED作為發(fā)射機(jī)，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光通信傳輸。2011年，英國(guó)研究者制作了實(shí)物，并創(chuàng)立了“Li-Fi”。這種設(shè)計(jì)的范圍只要是室內(nèi)照明能覆蓋到的，不需要布線就可以連接，所以更具有開(kāi)發(fā)使用前景[4]。

目前，一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行VLC系統(tǒng)的多種設(shè)計(jì)性研究[5-8]，但都在實(shí)驗(yàn)性階段，距離最終的實(shí)際投產(chǎn)使用還有一段路要走。本研究在家用照明系統(tǒng)的白光LED基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以可見(jiàn)光為載波構(gòu)成的集發(fā)射、傳輸、接收、還原為一體的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的VLC短距離通信傳輸系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，實(shí)用性較高。

1 VLC系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)為室內(nèi)短距離可見(jiàn)光字符信息傳輸系統(tǒng)，由發(fā)射和接收兩個(gè)模塊組成，系統(tǒng)以?xún)蓚€(gè)52單片機(jī)為發(fā)射和接收模塊的主要控制器。發(fā)射模塊由字符輸入鍵、控制器、信號(hào)發(fā)射調(diào)制模塊、LED照明矩陣組成，接收模塊由光電接收模塊、控制器、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分和信息顯示部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖

1.2 VLC發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

VLC系統(tǒng)發(fā)射模塊由字符按鍵組部分、控制部分、白光LED照明矩陣部分、信息調(diào)制部分、電源部分等組成，主要發(fā)送加載信息的白光，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)發(fā)射模塊電路原理圖

系統(tǒng)發(fā)射模塊的控制部分使用STC89C52芯片控制程序。當(dāng)按下任意一個(gè)按鍵，向發(fā)射電路中輸入該字符的進(jìn)制地址數(shù)，電路中字符的進(jìn)制地址數(shù)通過(guò)控制三極管的“開(kāi)”與“關(guān)”來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈的閃爍完成信號(hào)的發(fā)射。當(dāng)按下“S1”按鍵，系統(tǒng)識(shí)別是字符數(shù)“A”，向電路傳輸“A”的進(jìn)制數(shù)“01100001B”，輸出“0”時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED照明燈打開(kāi)；輸出“1”時(shí)，三極管截止，LED照明燈關(guān)閉，即利用LED光形成的高頻閃爍完成信息的發(fā)射。

發(fā)射模塊的電源和照明燈規(guī)格的大小組合決定了VLC系統(tǒng)通信距離的遠(yuǎn)近，電源部分用USB接口給LED照明燈和發(fā)射電路提供所需要的電壓或電流。在LED燈大小確定時(shí)，電源電壓的大小決定了LED照明距離和系統(tǒng)信號(hào)所能傳播的距離。在保持電路中電壓穩(wěn)定時(shí)盡可能選擇最大的電壓以達(dá)到較大的傳輸距離，同時(shí)考慮電壓供給和價(jià)格問(wèn)題。所以，發(fā)射模塊中選擇白光LED照明燈由3顆5730貼片LED燈珠聯(lián)合組成，這種貼片燈珠有體積小、亮度高、耗能小、衰減期長(zhǎng)且長(zhǎng)時(shí)間通電后亮度穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1.3 VLC接收模塊設(shè)計(jì)

VLC系統(tǒng)接收模塊由光電接收轉(zhuǎn)換部分、控制部分、調(diào)節(jié)指示部分、電源部分等組成，主要顯示接收后加載信息的光信號(hào)的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接收模塊電路原理圖

系統(tǒng)發(fā)射模塊的控制部分使用STC89C52芯片控制程序。光敏二極管把接收到發(fā)射模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的光閃爍信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，亮則是高電平，輸出為“1”；滅則是低電平，輸出為“0”，即光敏二極管輸出接收到信息的二進(jìn)制數(shù)，通過(guò)解碼獲得原發(fā)送信息，經(jīng)電路在顯示屏中顯示出原字符。系統(tǒng)接收模塊的電源部分是一個(gè)4.5 V電源。主要提供顯示屏幕、指示燈和接收電路所需要的電壓電流，在打開(kāi)電源后整個(gè)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)才能正常運(yùn)行。當(dāng)電源接通時(shí)，顯示屏幕亮起來(lái)，開(kāi)始準(zhǔn)備接收信號(hào)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接收模塊的信息顯示部分由1塊LCD1602a液晶顯示屏幕和光敏二極管組成。液晶顯示屏幕的程序在開(kāi)始時(shí)對(duì)液晶顯示功能進(jìn)行了初始化，使得打開(kāi)電源就固定顯示了部分內(nèi)容，在信息傳輸過(guò)來(lái)后可以顯示并與之前顯示的相對(duì)應(yīng)。VO管腳連接著液晶對(duì)比度的調(diào)整電阻，可以適當(dāng)調(diào)整以達(dá)到比較好的顯示效果，為了方便調(diào)整，在電路中外接一個(gè)調(diào)節(jié)器。

為了判斷通信區(qū)域是否有其他光源的影響，在接收模塊上設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)指示部分。該部分由調(diào)節(jié)器、光敏二極管和指示燈組成，調(diào)節(jié)器由滑動(dòng)變阻器、光敏二極管和電壓比較器LM393N組合而成，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)光敏二極管的靈敏度，使外部環(huán)境光不干擾設(shè)備或者干擾很小。打開(kāi)接收模塊的電源，顯示屏亮起來(lái)。首先需要檢測(cè)是否有其他光源的影響，在未打開(kāi)發(fā)射模塊的LED照明燈時(shí)，如果指示燈亮起來(lái)，就是其他光源干擾接收模塊的接收，那就調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器使指示燈不亮，這時(shí)接收模塊正常運(yùn)行，然后打開(kāi)發(fā)射模塊，信息就在發(fā)射模塊和接收模塊之間傳輸，傳輸?shù)男畔⒖梢栽陲@示屏幕上看到。

2 系統(tǒng)調(diào)試檢測(cè)

在整個(gè)VLC系統(tǒng)的搭建中，模塊間的聯(lián)系最為重要，所以更需要在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行前調(diào)試軟硬件，以便更好地驗(yàn)證、了解系統(tǒng)的功能，也是為更好地升級(jí)系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。

2.1 VLC硬件調(diào)試檢測(cè)

由于完成的是室內(nèi)短距離可見(jiàn)光通信設(shè)計(jì)，所以發(fā)射模塊和接收模塊直接的間距不會(huì)太長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中保持2米以?xún)?nèi)。而且由于是室內(nèi)可見(jiàn)光通信，其他的光源都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響的，所以在遠(yuǎn)離強(qiáng)光的環(huán)境下檢測(cè)。

接通接收模塊電源，顯示屏亮，指示燈閃一下后滅，說(shuō)明接收模塊正常運(yùn)行。接通發(fā)射模塊電源，LED燈珠矩陣發(fā)光，同時(shí)接收模塊指示燈亮，說(shuō)明發(fā)射、接收模塊通信傳輸通道正常運(yùn)行。在發(fā)射模塊上按下任一字符鍵時(shí)，LED燈珠閃爍，在接收模塊顯示屏上顯示對(duì)應(yīng)的字符，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

2.2 軟件調(diào)試檢測(cè)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件主要是調(diào)試部分，在確保硬件正常的情況下，再調(diào)試軟件程序。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

先檢查系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊電源是否正常，在室內(nèi)觀察其他光源是否影響接收模塊(接收模塊指示燈是否亮起)，把兩個(gè)模塊間距調(diào)整到一個(gè)合適的位置，打開(kāi)兩個(gè)模塊的電源，觀察發(fā)射模塊的指示燈和LED照明燈亮起，觀察接收模塊的顯示屏亮起來(lái)并在第一行顯示“Received Data：”， 按下任意一個(gè)按鍵，則顯示屏的第二行顯示“No.?: ?”。

為了設(shè)計(jì)以及實(shí)用方便，預(yù)設(shè)6個(gè)按鍵為字母“A”到“F”。在系統(tǒng)軟件中更改字符設(shè)定，就可以在顯示屏顯示不同的數(shù)字、字母、字符，即可以實(shí)現(xiàn)不同的目的。按鍵輸入和字符顯示如表1所示。

測(cè)試中整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，發(fā)射模塊的LED燈珠與接收模塊的光敏二極管沒(méi)有正對(duì)情況下，甚至在兩者沿模塊的夾角達(dá)到60多度時(shí)也能比較快速地傳輸信息，通信距離可以達(dá)到2米。比較嚴(yán)重的問(wèn)題是外部環(huán)境光的干擾，尤其是在室內(nèi)強(qiáng)光干擾最為嚴(yán)重，所以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)多注意干擾和調(diào)節(jié)接收模塊的靈敏度。

表1 按鍵輸入和字符顯示

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種白光LED燈的VLC通信系統(tǒng)，用兩個(gè)STC89C52芯片作為該系統(tǒng)發(fā)射和接收模塊的控制器，以LED白光為載波，實(shí)現(xiàn)了字符信息的傳輸，而且信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的VLC系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果表明：可見(jiàn)光亮度動(dòng)態(tài)界限可變程度較大，實(shí)用性高，操作簡(jiǎn)單，防干擾能力強(qiáng)，LED達(dá)到較少資源的耗費(fèi)而照明，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的傳輸。不足之處就是傳輸距離較短，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高輸出通信，甚至實(shí)現(xiàn)可視高速通信，VLC通信還有很多困難，需要提高白光LED光源的調(diào)制帶寬技術(shù)和信號(hào)編碼的進(jìn)一步優(yōu)化等技術(shù)。

[1] LANGER K D, VUCIC J, KOTKE C, et al. Advances and prospects in high-speed information broadcast using phosphorescent white-light LEDs[C].11thInternational Conference on Transparent Optical Networks， 2009.1-6.

[2] 胡云旭.LED可見(jiàn)光音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016,(6):51.

[3] 駱宏圖,陳長(zhǎng)纓,傅倩，等.白光LED室內(nèi)可見(jiàn)光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2011,(2):8-10.

[4] KHALID A M, COSSU G, CORSINI R, et al. 1-Gbit/s transmission over a phosphorescence white LED by using rate-adaptive discrete multitudes modulation[J]. IEEE Photonics Journal, 2012,4(5):1465-1473.

[5] COSSU G, KHALID A M, CHOUDHURY P, et al. 3.4Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB LED[J]. Opt. Express，2012,(20):501-506.

[6] 梁烈勇.短距離LED可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(9):60-62.

[7] 王濤.基于51單片機(jī)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2013,37(9):62-63.

[8] 李鑫,李一兵,湯春瑞.加窗的PAM-DMT系內(nèi)白光通信系統(tǒng)研究[J].光信息技術(shù),2011,(10):32-34.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Design of VLC System Based on White LED

LI Fang-ju

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University,Weinan 714099, China)

Based on the white LED light with regulation and high sensitivity, design of VLC system is presented on the information transfer. Two STC89C52 processors are used as the controllers of emission module and receiving module, using LED light is utilized as information carrier, photodiode and LCD is utilized to realize the conversion of the information and display. Finally it shows that the design can complete the visible short message data transmission, can be practical, and verify the practical reliability of the system.

visible light communication; white LED; character transmission

TG156

A

1009-5128(2016)19-0039-05

2016-07-09

陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目：介質(zhì)環(huán)境對(duì)量子信息傳遞過(guò)程中保真度的影響(15JK1250)；渭南師范學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目：LC-SLM與CCD組合系統(tǒng)在光信息處理中的應(yīng)用(16YKS007)；渭南師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目：多模式全息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建立(JG201561)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：光電檢測(cè)與秦東工業(yè)(14TSXK06)

李芳菊(1975—)，女，陜西蒲城人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要從事光電技術(shù)研究。