南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 王曉艷 倪慧敏 王 靜 陳澤康 劉躍晨 王可依 朱 尖 曹靜緒

基于可見光通信的光控電子鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將控制電子鎖與白光LED通信相結(jié)合，以AT89C51單片機(jī)為關(guān)鍵，由電子鎖驅(qū)動(dòng)電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路組成。該系統(tǒng)用來(lái)保證空間的安全，具有安全性強(qiáng)、使用便捷、靈活性強(qiáng)，可在不同場(chǎng)景下進(jìn)行拓展等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 研究背景及意義

隨著研究的逐漸深入以及技術(shù)的前進(jìn)，2000年可見光通信（VLC）的概念橫空出世，白光LED在實(shí)現(xiàn)照明的同時(shí)，還作為信號(hào)發(fā)生裝置，實(shí)現(xiàn)了使用可見光的高速通信。另一方面，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于技術(shù)已經(jīng)非常成熟，安全性能已無(wú)法有較大提升，專業(yè)的開鎖人士可以輕松打開，鑰匙也僅能開鎖使用，使用較為麻煩且安全性能差。本文討論的是使用可將光通信控制電子鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有更多的使用功能和使用場(chǎng)景，還有拓展更多功能的空間，其使用簡(jiǎn)單方便、安全性強(qiáng)、靈活便捷、成本較低。

2 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于可見光通信，通過預(yù)設(shè)密碼對(duì)輸出口的電壓進(jìn)行時(shí)序編碼，實(shí)現(xiàn)攜帶信息的可見光路，利用由電子鎖驅(qū)動(dòng)電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路，實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)光強(qiáng)高于某一閾值時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)電壓變化，記錄信息時(shí)序并與預(yù)設(shè)密碼對(duì)比校驗(yàn)，若密碼正確則傳輸信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，打開電子鎖，從而實(shí)現(xiàn)了更為安全有效的光控電子鎖系統(tǒng)。

2.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

發(fā)射端的電路是基于視覺暫留現(xiàn)象設(shè)計(jì)的LED光控設(shè)計(jì)，介紹了使用LED傳輸二進(jìn)制信息的方法，使得LED同時(shí)兼具了照明與光控的功能。使用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，中斷系統(tǒng)與按鈕作為外部輸入控制發(fā)送開啟與關(guān)閉，由單片機(jī)供電控制LED亮滅，時(shí)序編碼分為引導(dǎo)碼-密碼-結(jié)束碼，分別占用80ms-640ms-80ms，總計(jì)800ms完成一次傳輸，若為開啟狀態(tài)則循環(huán)發(fā)送，再次按下按鈕則轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。在設(shè)計(jì)完電路后，也完成了軟件代碼的編寫與調(diào)試。

2.2 接收端設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了接收端單片機(jī)、光敏二極管、驅(qū)動(dòng)電路及電子鎖的整體電路，通過光敏二極管傳感器模塊檢測(cè)發(fā)射端LED的信號(hào)，再傳給單片機(jī)，單片機(jī)使用在每一位持續(xù)時(shí)間中間點(diǎn)采樣的方式，提高采樣的準(zhǔn)確度，再分別對(duì)引導(dǎo)碼、密碼和結(jié)束碼進(jìn)行接收校驗(yàn)，全部校驗(yàn)成功后，短暫的改變輸出口的電位，激活驅(qū)動(dòng)電路打開電子鎖。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 電路測(cè)試

在發(fā)射端輸出口連接一個(gè)示波器，觀察示波器的波形，查看波形與程序中的發(fā)射時(shí)序是否匹配。

圖1 整體系統(tǒng)

圖2 實(shí)物電路發(fā)射端輸出口波形

發(fā)射端輸出口波形如圖2所示，波形表現(xiàn)出了輸出口的電平變化，波形中的兩個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著高電平與低電平，高電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)LED發(fā)光，低電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)LED熄滅，圖中含有一個(gè)完整的發(fā)射周期，整個(gè)周期持續(xù)800ms，第一個(gè)持續(xù)時(shí)間短變化較快比較密集的波形是引導(dǎo)碼部分，之后一長(zhǎng)段是密碼部分的波形，密碼部分結(jié)束后是一段與引導(dǎo)碼部分等長(zhǎng)的結(jié)尾碼，結(jié)尾碼之后則是下一個(gè)周期的引導(dǎo)碼，無(wú)間隔時(shí)間循環(huán)。

圖3 實(shí)物電路密碼波形

密碼的波形放大后如圖3所示，最左邊密集部分為引導(dǎo)碼，最右側(cè)密集部分為下一周期的引導(dǎo)碼。密碼每一位持續(xù)時(shí)間為20ms，是引導(dǎo)碼與結(jié)束碼一位持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的兩倍，波形中中間最短的長(zhǎng)度即為20ms的長(zhǎng)度，密碼是32位二進(jìn)制碼“110101110110111010101110 11110111”，總計(jì)持續(xù)時(shí)間640ms。

發(fā)射端的波形與程序中的發(fā)射時(shí)序相同，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)射波形，將預(yù)設(shè)密碼“11010111011011101010111011110111”改為“001 11010010011010101111101101110”，再觀察波形變化。

圖4 實(shí)物電路改變密碼后的波形

密碼改變后的波形如圖4所示，與之前的密碼波形圖2相比，有明顯的變化，LED的發(fā)射程序仿真成功，且因密碼變化此時(shí)接收端檢測(cè)校驗(yàn)失敗，接收端輸出電路無(wú)動(dòng)作，整體實(shí)物電路測(cè)試完成。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 控制距離

測(cè)試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同距離下系統(tǒng)的響應(yīng)成功率對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

結(jié)果顯示，晚上與白天情況下不同距離的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，白天環(huán)境光較強(qiáng)系統(tǒng)性能一般，檢測(cè)成功率隨著距離增加逐漸下降，晚上環(huán)境光較弱系統(tǒng)性能顯著提高，可檢測(cè)距離大幅度提升，且在距離增加初期系統(tǒng)性能依舊比較穩(wěn)定，隨著距離越來(lái)越大檢測(cè)成功率才逐步下降。由于發(fā)射端光源的功率對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，測(cè)試時(shí)使用的光源是5mm小功率發(fā)光二極管，發(fā)射端光源發(fā)光強(qiáng)度較小，所以在距離稍微增大時(shí)成功率就開始下降，因此可以根據(jù)檢測(cè)距離的需求更換大功率的發(fā)射端光源，提高本系統(tǒng)在長(zhǎng)距離情況下的適用性。

圖5 白天不同距離下的系統(tǒng)性能

圖6 晚上不同距離下的系統(tǒng)性能

4.2 對(duì)準(zhǔn)角度

測(cè)試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同對(duì)準(zhǔn)角度下系統(tǒng)的響應(yīng)成功率，測(cè)試結(jié)果為圖7所示。

圖7 不同對(duì)準(zhǔn)角度下的系統(tǒng)性能

結(jié)果顯示，本系統(tǒng)受對(duì)準(zhǔn)角度影響很大，小幅度的角度偏差都會(huì)極大的影響系統(tǒng)性能，這與發(fā)射端光源功率有關(guān)，也與本系統(tǒng)接收端使用的光敏二極管元件有關(guān)，本次測(cè)試使用的光敏二極管元件具有很強(qiáng)的方向性，主要檢測(cè)正前方的光源，所以在角度有偏差時(shí)靈敏度會(huì)大幅度下降，因此可以根據(jù)檢測(cè)角度的需求更換不同的光敏二極管元件，提高本系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在不同角度情況下的適用性。

4.3 環(huán)境光照

測(cè)試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同環(huán)境光照下系統(tǒng)的響應(yīng)成功率，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。

由以上測(cè)試可得出環(huán)境光的強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大，其主要原因是發(fā)射端LED的功率太小，發(fā)光的光強(qiáng)較小，所以在環(huán)境光較強(qiáng)的情況下檢測(cè)發(fā)射端光源較為困難，因此可以根據(jù)所使用的環(huán)境不同更換不同的發(fā)射端光源，大功率的發(fā)射端光源可以使本系統(tǒng)在環(huán)境光較強(qiáng)的情況下也能正常使用，也可增加在弱光環(huán)境下的最大檢測(cè)距離，提高本系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在不同環(huán)境情況下的適用性。

圖8 不同環(huán)境光下的系統(tǒng)性能

總結(jié)：隨著無(wú)線通信技術(shù)的越來(lái)越成熟，可見光通信以其諸多優(yōu)勢(shì)逐漸成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。本文提出了一種基于可見光通信的光控電子鎖系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械鎖弊端，具有很大的使用價(jià)值和發(fā)展空間。該項(xiàng)目成品可以讓用戶使用起來(lái)更靈活，也方便了用戶更加安全高效的使用電子鎖來(lái)保證空間的安全，值得推廣。