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的移動電子導(dǎo)覽系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)功能模型組成原理，詳細分析了白光LED發(fā)射模塊的技術(shù)組成特點，描述了照明LED通信調(diào)制、移動導(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,并進行了導(dǎo)覽系統(tǒng)測試實驗。

移動光通信；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)運而生。國內(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)覽裝置是按照景點位置設(shè)定編號進行手動操作的，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)功能實現(xiàn)原理

本文設(shè)計的景區(qū)自主式移動電子導(dǎo)覽系統(tǒng)功能模型如圖1所示，導(dǎo)覽系統(tǒng)分為LED收發(fā)裝置和手持移動光收發(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內(nèi)（每個裝置設(shè)置了唯一的編號）。當(dāng)游客手持導(dǎo)覽器進入某照明LED發(fā)射模塊的光輻射區(qū)域后，由紅外感應(yīng)觸發(fā)單片機控制驅(qū)動LED陣列，發(fā)送相應(yīng)位置的景點編號。若是晚上或陰天，當(dāng)游客到達某景點時，LED發(fā)射模塊中的光傳感器識別到手持移動導(dǎo)覽器即啟動照明LED，作為照明使用，并向?qū)в[器發(fā)送數(shù)據(jù)。只要有游客進入景點區(qū)域，LED發(fā)射模裝置將不斷發(fā)送景點編號，所有移動導(dǎo)覽器都能同時接收到該編碼信號。

圖1 移動電子導(dǎo)覽系統(tǒng)功能模型

移動導(dǎo)覽器對景點編碼信息進行譯碼，恢復(fù)發(fā)射景點編號,通過串口傳送至ARM系統(tǒng)。依據(jù)當(dāng)前編號，從存儲的數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該編號對應(yīng)的景點相關(guān)信息資料。游客可以在導(dǎo)覽器的觸摸屏上通過點擊對應(yīng)控件，查看景點的文字介紹、景點圖片、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責(zé)上位機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別景點區(qū)域內(nèi)是否有導(dǎo)覽器，并控制單片機輸出景點編碼信號，同時強制光電傳感器驅(qū)動LED進行數(shù)據(jù)通信發(fā)射。當(dāng)環(huán)境光減弱時，光電傳感電路控制單片機輸出頻率為43.2kHz，占空比為70%的PWM信號，直接驅(qū)動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 光信號調(diào)制電路設(shè)計與數(shù)據(jù)編解碼實現(xiàn)

由于頻移鍵控（FSK）的頻帶窄，信號可以在時域中持續(xù)較長時間，因此短時間脈沖噪聲對調(diào)制信號的影響較小，具有一定的抗干擾性[3]。雖然FSK的傳輸速率相對不高，頻帶利用率低，但是完全能滿足本系統(tǒng)傳輸景點編號信息的要求，因此本文采用FSK調(diào)制。FSK調(diào)制是利用調(diào)制信號“0”或“1”的變化，控制兩個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個非門組成38kHz載波振蕩電路。SEND接收單片機輸出的景點碼元信號，通過74LS02或非門芯片對載波實施控制輸出和疊加，已調(diào)制信號（SINGNAL）為FSK調(diào)制信號輸出。

由于系統(tǒng)對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信號可直接對LED進行開關(guān)鍵控（OOK）光調(diào)制。OOK調(diào)制方式的每一比特時間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，若碼元寬度為Tb，則信號帶寬Rb=1/Tb[5]。

圖3 FSK調(diào)制電路圖

OOK編碼方式簡單，傳輸容量大，但在傳輸數(shù)據(jù)時，0與1隨機分布。為解決LED工作時的閃爍問題，需對OOK編碼進行改善。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數(shù)據(jù)位進行校驗[7]。

圖4 數(shù)據(jù)編碼格式

移動導(dǎo)覽器對收到的脈沖信號進行定時采樣，先識別出引導(dǎo)碼，再恢復(fù)出相應(yīng)數(shù)據(jù)的碼元信號，把收到的數(shù)據(jù)碼取反，與數(shù)據(jù)反碼對比，若一致，則表示接收到的數(shù)據(jù)正確。這種編解碼方式簡單，便于在單片機中實現(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)動方式[8]，因此，驅(qū)動電路需要提供一定的功率，電路圖如圖5所示。MOS管型號為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信號控制MOS管時，恒流源輸出72V直流電壓、300mA輸出電流加載到LED上，可實現(xiàn)穩(wěn)定的光調(diào)制與信息發(fā)送。

圖5 大功率LED驅(qū)動電路圖

3 無線光雙向數(shù)據(jù)傳輸原理與移動終端監(jiān)控

本文設(shè)計的導(dǎo)覽系統(tǒng)采用兩個不同波長的光實現(xiàn)景點基站（LED收發(fā)裝置）和下位機（導(dǎo)覽器）之間的無線光雙向通信，下行數(shù)據(jù)傳輸（景點基站到下位機）是利用波長為380～760nm的LED白光為傳輸媒介，上行數(shù)據(jù)傳輸（下位機到景點基站）是利用波長為940nm的紅外光作為傳輸媒介，上行與下行互不干擾且獨立運行。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)覽器將景點基站發(fā)送的編號數(shù)據(jù)通過RS232串口送到ARM導(dǎo)覽系統(tǒng)，以便實時顯示游客所處景點的導(dǎo)覽信息，同時將導(dǎo)覽器的編號、進入此景點的時間上傳給景點基站保存，并定期上傳到監(jiān)控中心保存在數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心可實時查詢移動導(dǎo)覽器的位置信息,便于監(jiān)控各手持終端和統(tǒng)計景區(qū)流量。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證系統(tǒng)信號傳輸和導(dǎo)覽功能的實現(xiàn)，我們在室外環(huán)境中架設(shè)了高度為10m的照明LED收發(fā)模塊（景點基站），測試人員手持移動導(dǎo)覽器在設(shè)定路徑上的3個景點（模擬）間進行實驗測試。

4.1 無線光數(shù)據(jù)收發(fā)測試

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”。實驗測試所得結(jié)果為：移動導(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°，此時測得光照度為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）兩個不同載波頻率表示基帶信號的“0”和“1”，移動導(dǎo)覽器對接收信號波形進行定時采樣，依據(jù)發(fā)射端編碼規(guī)則，識別不同頻率（周期）的持續(xù)時間，恢復(fù)碼元基帶信號。

4.2 ARM導(dǎo)覽界面測試

采用slicingtool工具制作導(dǎo)覽地圖，由層和對象作為基本元素，層用來存放地圖對象，地圖對象可以添加到任意一層，對象的坐標(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)覽地圖能實現(xiàn)大小比例縮放、上下左右移動、嵌套查詢、位置圖標(biāo)提示等功能[9]，實驗測試景區(qū)不同景點可視化導(dǎo)覽示意圖如圖8所示。

圖8 七星公園導(dǎo)覽地圖

景點基站編號規(guī)則是：前4位表示景區(qū)，后4位表示景點。若前4位在0001到0006之間切換，移動導(dǎo)覽器將自動切換不同景區(qū)。圖8中，景點編號顯示為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1）。在地圖上，游覽過的景點標(biāo)示為圓形，當(dāng)前正在游覽的景點標(biāo)示為錐形。如果要聆聽語音介紹，選擇“點擊播放導(dǎo)覽語音”可進行語音播放。

4.3 上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控

本文采用Visual Studio 2012的MFC進行景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)的監(jiān)控終端（上位機）開發(fā)，上位機監(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、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位和接收數(shù)據(jù)格式。

②景點基站時間的初始化。保證景區(qū)內(nèi)各景點基站時間的一致性和移動終端進入和離開景點時間的準(zhǔn)確性。

③收發(fā)數(shù)據(jù)。顯示基站上傳的移動終端編號、進入和離開景點的時間數(shù)據(jù)，同時這些數(shù)據(jù)也會被保存到“shujuku.adb”數(shù)據(jù)庫中。

④狀態(tài)查詢。點擊“顯示景點”，每個景點基站的數(shù)據(jù)上傳給上位機保存并清空基站數(shù)據(jù)。點擊“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，顯示景點編號、導(dǎo)覽器編號、進入和離開景點的時間，數(shù)據(jù)每隔1s刷新一次。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于移動光通信的可視化電子導(dǎo)覽系統(tǒng),并詳細介紹了相應(yīng)的軟硬件技術(shù)實現(xiàn)方案。我們對導(dǎo)覽系統(tǒng)進行了室外場地測試，測試結(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)自動導(dǎo)覽的需求。本文的研究為實現(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。

[1]張晨亮,蘇學(xué)軍,王文,等.基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)研究[J]，無線光通信，2015，39(5)：44-46.

[2]KIM Sung-Man,KIM Seong-Min.Wireless visible light communication technology using optical beamforming[J].Optical Engineering,2013,52 (10)：101-106.

[3]蘇文盛.軟件無線電下4FSK調(diào)制解調(diào)的研究及實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[4]霍暢.基于聲光調(diào)制的無線通訊應(yīng)用技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[5]崔殿棟.無線激光通信中偏振調(diào)制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[6]黃海陽，吳錘紅.一種基于單片機的紅外遙控信號解碼新方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（7）：30-33.

[7]蔡燕玲.一種基于單片機的智能紅外遙控系統(tǒng)的解碼方法 [J].濰坊學(xué)院學(xué)報，2010,10(6)：25-29.

[8]徐佐，徐寧，馬正北.大功率白光LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)研究[J].無線光通信，2015，39(10)：39-40.

[9]張燕兵.Android手機定位與地圖設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

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)項目(桂科攻14124005-2-5)資助。

喻歡（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為光通信。