于正永

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機與通信工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

?

一種可見光無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計方案

于正永

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機與通信工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

摘要提出一種新型可見光無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計方案，綜合運用了可見光通信技術(shù)、軟件技術(shù)、單片機、FPGA微處理器和數(shù)字信號處理(DSP)等技術(shù)，使得現(xiàn)有的LED(Light Emitting Diode)照明系統(tǒng)兼有照明和通信雙重功能，最終實現(xiàn)無線導(dǎo)覽功能。對可見光發(fā)射機、接收機、編解碼器等硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計等方面進行了具體闡述，并對系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)特性等進行了分析。

關(guān)鍵詞可見光；LED；無線導(dǎo)覽；通信前端；設(shè)計方案

0引言

作為“綠色光源”的半導(dǎo)體LED照明技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速。相比于傳統(tǒng)的照明光源，白光LED不僅功耗低、使用壽命長、電路尺寸小、綠色環(huán)保，而且還具有良好的信號調(diào)制性能和較高的響應(yīng)靈敏度。利用LED的上述特性，它既能用作照明，又可以將信號調(diào)制到LED可見光束上進行數(shù)據(jù)信號的傳輸，同時實現(xiàn)通信和照明的雙重功能[1]，實現(xiàn)了一種使用可見光作為信息載體的新型無線光通信方式，即為可見光通信技術(shù)。目前也有很多作者就可見光通信系統(tǒng)及導(dǎo)覽系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究，文獻[2]介紹了近年來全球可見光通信的研究現(xiàn)狀，針對可見光通信研究中存在的問題進行了分析，并闡述其發(fā)展趨勢；也有很多作者基于ARM[3]、RFID[4]和Android[5]等開發(fā)平臺對無線導(dǎo)覽系統(tǒng)進行了研究和分析；文獻[6,7]設(shè)計了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)，并進行了實際應(yīng)用；還有作者就可見光圖像拼接技術(shù)、多載波調(diào)制技術(shù)等方面進行了研究[8,9]。與傳統(tǒng)射頻無線技術(shù)[10]相比，本文采用可見光通信技術(shù)的系統(tǒng)具有較大的傳輸帶寬、更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾和電磁輻射，無需相應(yīng)頻段資源的許可授權(quán)，在發(fā)射功率方面有很大優(yōu)勢，能以較低的成本實現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入。同時，具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好補充。

1總體設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。硬件部分主要是進行可見光發(fā)射機、接收機、編碼器和解碼器等模塊設(shè)計，軟件部分主要是對編解碼器和可編程MP4的軟件設(shè)計。即在系統(tǒng)發(fā)送端，將編碼器輸出的數(shù)據(jù)信息調(diào)制成電信號，然后驅(qū)動LED光源發(fā)送光信號，通過自由空間光通路傳送至系統(tǒng)接收端，在接收端通過光電二極管探測器(PD)檢測出光信號并進行信號放大、濾波等處理轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過解調(diào)電路模塊、解碼器以及識別碼比對，實現(xiàn)無線導(dǎo)覽功能。

1.1　硬件設(shè)計

1.1.1可見光通信前端設(shè)計

可見光通信前端設(shè)計主要包括發(fā)射機設(shè)計和接收機設(shè)計，硬件組成如圖1所示。

圖1　可見光通信前端的硬件組成

本無線導(dǎo)覽系統(tǒng)采用光強度調(diào)制(Intensity Modulation,IM)和直接檢測(Direct Detection,DD)技術(shù)。可見光發(fā)射機采用大功率LED陣列作為可見光發(fā)射源，接收機使用PIN-PD和跨阻放大器。發(fā)射端采用脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)LED的亮度以靈活的配置LED的發(fā)射功率。系統(tǒng)采用直射式視距鏈路，可見光接收機中PIN-PD直接指向LED光源。電源模塊必須濾除電力線上的電壓波動和浪涌等對可見光通信系統(tǒng)產(chǎn)生潛在干擾的因素，保障LED驅(qū)動信號的穩(wěn)定性，提高整個可見光通信系統(tǒng)的信噪比。

將無線通信和照明控制2種技術(shù)有機結(jié)合起來，對LED光源進行調(diào)制，使LED發(fā)射出帶調(diào)制信號的可見光；LED采用電流驅(qū)動方式，通過調(diào)節(jié)三極管靜態(tài)工作點和基極交流小信號擺幅，使其處于最大額定電流狀態(tài)，同時也保證三極管、運算放大器有合適的增益帶寬。在帶有PD的可見光接收機上接收此類光信號之后，進行前置放大、濾波、自適應(yīng)放大和解調(diào)等處理，最終通過電平判決器生成數(shù)字信號驅(qū)動后級微處理器。當(dāng)參觀者使用的移動終端進入LED有效光照區(qū)域后，在區(qū)域內(nèi)不同位置接收到的光信號強度會有很大的差別，該系統(tǒng)通過設(shè)計一個電平判決器對電壓信號進行修正，從而有效控制光強。

1.1.2編解碼器設(shè)計

選用FPGA數(shù)字信號處理器作為可見光識別(Visible Light Identification,VLID)編解碼器。本系統(tǒng)采用Manchester編解碼方式[11]，可充分滿足通信需求。LED作為照明設(shè)備，一是必須考慮能保證照明的穩(wěn)定性，故編碼器需要產(chǎn)生一組連續(xù)的、穩(wěn)定的和0、1比例恒定的編碼序列，使其不會出現(xiàn)明顯的閃爍；二是發(fā)射機上的編碼器需要產(chǎn)生冗余碼以保證系統(tǒng)有一定的錯誤檢查能力，有效避免誤碼情況。當(dāng)終端接收到識別碼序列后，只要在事先約定的識別碼表中對比冗余位是否與標(biāo)簽位(被識別物的有效編號)匹配，即可有效減少錯誤碼元的發(fā)生。系統(tǒng)所采用的可見光識別編碼器、解碼器的原理框圖分別如圖2和圖3所示。

圖2　可見光識別編碼器原理

圖3　可見光識別解碼器原理

1.2　軟件設(shè)計

該無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括編解碼器和可編程MP4兩大部分。其中編解碼器需要通過FPGA來實現(xiàn)，而可編程MP4使用C語言環(huán)境，因此本系統(tǒng)需要同時使用Verilog HDL和C語言共同開發(fā)。Verilog HDL是一種硬件描述語言，以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語言，可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能[12]。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序流程圖如圖4所示。解碼器的數(shù)字信號處理器接口收到信號后，先通過曼徹斯特解碼器恢復(fù)為原碼，為了有效避免碼間串?dāng)_，解碼器通過內(nèi)部設(shè)定的編碼表以及冗余碼檢驗，最終生成正確的識別碼并通過串行總線發(fā)送給多媒體移動終端。而多媒體播放器則基于軟件系統(tǒng)實時的偵聽和FPGA之間的通信接口，一旦接收到可見光識別碼便自動查找數(shù)據(jù)庫，進而根據(jù)接收到的識別碼播放對應(yīng)的音視頻、地圖、圖片和文檔等多媒體資料。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序流程

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了較好地實現(xiàn)上述設(shè)計方案，在系統(tǒng)設(shè)計過程中采用了可見光通信技術(shù)、連續(xù)調(diào)制技術(shù)和可配置的脈寬調(diào)制等核心技術(shù)。

2.1　可見光無線通信技術(shù)

現(xiàn)有的無線信號傳輸多數(shù)采用紅外、藍牙、移動網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)等射頻信號，而該系統(tǒng)以可見光光束作為載體來實現(xiàn)無線信號的傳輸，其通信光源是與自然光完全相似的非相干可見光，對人眼、人體無害的綠色光源，無需限制發(fā)射功率，無電磁干擾，且技術(shù)實現(xiàn)成本較低，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o線通信技術(shù)。特別是在室內(nèi)空間結(jié)合既有的LED照明系統(tǒng)，可快速布置并實現(xiàn)基于該技術(shù)的自動導(dǎo)覽功能。

2.2　連續(xù)調(diào)制技術(shù)

大多數(shù)可見光無線通信系統(tǒng)中，收發(fā)電路對光信號的調(diào)制基本都采用OOK調(diào)制方式，即通斷式的調(diào)制方式。但采用OOK調(diào)制方式，在系統(tǒng)帶寬增加的情況下，符號間的干擾較為嚴重，信道均衡困難；本項目采用連續(xù)調(diào)制方式，很好地克服以上問題。

2.3　脈寬調(diào)制技術(shù)

采用可配置的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)方式控制LED發(fā)射功率，從而靈活的調(diào)節(jié)光源亮度，適應(yīng)不同場景下照明亮度的需求。

3系統(tǒng)特性分析

相比于傳統(tǒng)的RFID、傳感網(wǎng)和紅外等射頻導(dǎo)覽系統(tǒng)，所設(shè)計的可見光無線導(dǎo)覽系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

① 革新現(xiàn)有無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的傳輸方式，促進可見光通信技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化推廣進程，進一步提升各類場館的對外信息化服務(wù)水平，優(yōu)化人力資源短缺問題。

② 本系統(tǒng)可與現(xiàn)存的照明電力線相結(jié)合，電氣布線方便快捷，節(jié)約經(jīng)濟成本。系統(tǒng)布局中幾乎不需要增加額外的電力供應(yīng)線路，通過簡便改造現(xiàn)有的照明系統(tǒng)即可建立發(fā)射機基站，達到充分利用現(xiàn)有資源、節(jié)約經(jīng)濟成本、低碳環(huán)保的目的。

③ 本系統(tǒng)兼有照明和無線通信雙重功能，是一種節(jié)能低碳環(huán)保的綠色通信技術(shù)，其信號光源的輻射光譜位于對人體無害的可見光波段，不存在額外的電磁輻射，十分安全、綠色環(huán)保。

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)在大功率LED(無光學(xué)透鏡)的照明場景下，光接收機有效探測距離不小于3 m；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤碼率低于10-12，且經(jīng)編解碼以及可見光鏈路傳輸后，輸出信號應(yīng)與原碼保持一致。

4結(jié)束語

論述了一種可見光無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2個部分進行了詳細的介紹和分析，該系統(tǒng)可廣泛地部署在各類室內(nèi)場館展區(qū)中，如紀(jì)念館、博物館和展覽館等，為參觀人員提供自動導(dǎo)覽服務(wù)，而且從設(shè)備投入成本角度來說，經(jīng)濟成本較低，且不存在額外的電磁輻射，安全性高，綠色環(huán)保，無電磁干擾，將對目前采用的RFID射頻通信技術(shù)形成強有力的競爭，是未來室內(nèi)導(dǎo)覽領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展方向。

參考文獻

[1]劉宏展,呂曉旭,王發(fā)強,等.白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光通信技術(shù),2009,33(7):53-56.

[2]陳特,劉璐,胡薇薇.可見光通信的研究[J].中興通訊技術(shù),2013,19(1):49-52.

[3]顧元培,何寧,郭求實,等.基于ARM平臺的LED光輻射導(dǎo)覽系統(tǒng)[J].光電子技術(shù),2013,33(2):126-130.

[4]辛鑫,王東.基于RFID的智能終端導(dǎo)覽系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,24(5-2):199-200,284.

[5]張瑩,張崎.基于Android平臺的智能景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)的研究[J].信息技術(shù),2013,(4):121-123,131.

[6]徐子軒,梁海蓮,鐘鎮(zhèn),等.基于VLC的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2012(3):56-59.

[7]賈倩,宋志群,郎磊.基于光線追蹤的室內(nèi)可見光通信鏈路研究[J].無線電工程,2015,45(1):5-8.

[8]夏小霞,劉欣.基于改進ASIFT的可見光圖像拼接研究[J].無線電通信技術(shù),2014,40(5):73-75.

[9]羅亞賽,梁進波,郎磊.可見光通信中多載波調(diào)制技術(shù)比較分析[J].無線電工程,2015,45(1):72-75.

[10]劉濤,何寧,楊藝敏.RFID在便攜式智能導(dǎo)覽系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機工程與科學(xué),2011,33(6):168-172.

[11]陳新坤,周東,余敬東.Manchester編碼器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2003,32(3):324-327.

[12]侯伯亨,劉凱,顧新,等.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

于正永男，(1982—)，工學(xué)碩士，博士在讀，講師，工程師。主要研究方向：電磁理論與數(shù)值分析、微波電路設(shè)計和電磁兼容等。

A Design Scheme of Visible Light Wireless Navigation System

YU Zheng-yong

(SchoolofComputerandCommunicationEngineering,Huai’anCollegeofInformationTechnology,

Huai’anJiangsu223003,China)

AbstractThis paper presents a novel design scheme of visible light wireless navigation system.In system design,such technologies as visible light communication,software,single chip microcomputer,FPGA microprocessor and digital signal processing(DSP)technology are used to make the existing LED lighting system have double function of lighting and communication and realize wireless navigation function ultimately.This paper elaborates in detail such aspects of system as visible light transmitter,receiver,encoder and decoder hardware design and software design.Finally the key technologies and system characteristics of system are analyzed.

Key wordsvisible light;LED;wireless navigation;communication fore-end;design scheme

作者簡介

基金項目：江蘇省高?！扒嗨{工程”資助項目(蘇教師(2014)23號)；淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項目(hxyq2013006)。

收稿日期：2015-03-04

中圖分類號TN929.1

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0009-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.03

引用格式：于正永.一種可見光無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計方案[J].無線電工程，2015，45(6)：9-11，37.