可見光通信在室外LED路燈上的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方面入手: 一是加大其輸入光功率; 一是提高信噪比。對于LED 路燈，由于LED 光源發(fā)出的是可見光，且發(fā)散角較大，對人眼睛基本無害、無電磁波傷害等優(yōu)點(diǎn)，其本身的大功率就已經(jīng)在一定程度上保證了系統(tǒng)的可靠性，最終結(jié)果將是接收端的信噪比決定全系統(tǒng)的通信性能。

圖3 信號解調(diào)

2. 4 Matlab 仿真( 圖4、圖5、圖6)

圖4 基帶信號，反碼信號，載波信號

圖5 基帶信號相乘，2FSK，疊加傳輸中產(chǎn)生的噪聲信號

圖6 相干解調(diào)與抽樣判決結(jié)果

將以上研究設(shè)計(jì)思路采用Matlab 進(jìn)行仿真，基帶信號速率采用100bps，考慮到可選擇元器件的限制，f1 選擇800Hz，f2 為1000Hz，仿真結(jié)果證明該方案可行。

3 測試系統(tǒng)及驗(yàn)證

3. 1 測試系統(tǒng)

如圖7 所示，現(xiàn)場測試系統(tǒng)的組成包括內(nèi)置光通信控制器的LED 路燈，光接收機(jī)，智能手機(jī)設(shè)備( 內(nèi)置讀取數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用程序) 。光接收機(jī)與智能手機(jī)間通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在路燈現(xiàn)場測試的方便性。

圖7 現(xiàn)場測試系統(tǒng)

現(xiàn)場測試中，LED 路燈選擇某品牌大功率LED路燈，該路燈支持PWM 調(diào)光輸入的配套驅(qū)動電源。光通信控制器直接采用深圳市致燁科技有限公司的單燈控制器，其支持PWM 調(diào)光輸出，可實(shí)時采集LED 路燈的電壓、電流、有功功率、功率因素、溫度等實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場測試驗(yàn)證中LED 路燈工作于開關(guān)模式，且所選擇的信號調(diào)制工作速率較低，信號調(diào)制部分將由單燈控制器內(nèi)部軟件完成，直接輸出2FSK 信號控制LED 燈開關(guān)。由于所選器件所限，本文測試用的基帶信號速率為100bps，f1為800Hz，f2 為1000Hz，如果采用PIN 二極管，應(yīng)可工作于更高的頻率，當(dāng)然相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)也將更為復(fù)雜。

3. 2 光接收機(jī)

光接收機(jī)設(shè)計(jì)為手持式，大小相當(dāng)手機(jī)，以便于現(xiàn)場操作及可移動性。光傳感器選擇有兩個關(guān)鍵性指標(biāo)，一是響應(yīng)的光波強(qiáng)度范圍，二是響應(yīng)速度。由于LED 路燈工作于室外，而室外充滿了各種各樣的其他可見光，同時白天及夜晚環(huán)境光亮度相差極大，因此在這種環(huán)境下工作的光傳感器需要具有極寬的響應(yīng)范圍以及較高的靈敏度。而由于LED 路燈以f1 和f2 高頻率閃爍，因此光傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)高于該頻率。本測試系統(tǒng)采用歐恩光電的ON9658，其測量范圍: 0 ～ 1000lx，響應(yīng)時間達(dá)到Tr + Tf =4μS ( 圖8) 。

圖8 ON9658

考慮到路燈僅在夜間工作，光接收機(jī)僅設(shè)計(jì)為夜間工作，同時為避免其他可見光和相鄰路燈對于通信的影響，光接收機(jī)增加遮光罩設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中僅需指向相應(yīng)路燈。

光接收機(jī)信號解調(diào)部分直接采用通用的FSK 解調(diào)芯片XR2211 完成相干解調(diào)，XR2211 為音頻鎖相環(huán)電路。

藍(lán)牙通信采用通用的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信模塊，方便將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)設(shè)備中進(jìn)行展示。配套的智能手機(jī)內(nèi)置程序基于安卓系統(tǒng)，采用JAVA 技術(shù)開發(fā)。