CN101963660A - 用于在光数据网络中传输数据的传输器和将其定向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在光数据网络中传输数据的传输器(1)，其中可以借助于来自发射二极管(12、22)的经调制的可见光将数据以无线方式传输到接收器(13、23)。为此，传输器(1)具有用于发送数据的发射二极管(12)和用于接收另外的传输器(2)的数据的接收器(13)以及用于连接到计算机系统(3)的数据端口(6)。根据本发明，传输器(1)被设计为使得可以根据通过接收器(13)测量的信号强度将至少一个发射二极管(12)和至少一个接收器(13)相对于另外的接收器(2)定向。还描述了一种用于将该传输器(1)定向的方法。

Description

用于在光数据网络中传输数据的传输器和将其定向的方法 

技术领域

本发明涉及一种用于在光数据网络中传输数据的传输器，其中可以借助于来自发射二极管的经调制的可见光将数据以无线方式传输到接收器，并且其中传输器具有用于接收数据的至少一个接收器以及用于连接到计算机系统的数据端口。 

本发明还涉及一种用于将该传输器定向的方法。 

背景技术

已经存在经由可见光而非如已经普遍的那样经由无线电波来建立数个计算机之间信息和数据交换的无线数据网络的研究方法。这里，通过来自光发射二极管(LED)的经调制的可见光对信息编码。例如，通过LED发出的光的高频明暗改变可以传输各个数据比特。这由于高频调制而不能被人眼察觉。然而，可以借助于光电二极管或光电晶体管接收经调制的信号，例如，其中所传输的光信息可被转换为对应的电信号并且被进一步处理。 

用于在该光数据网络中传输信息和数据的传输器包含用于接收另外的传输器的信号的至少一个光敏接收器，并且可选地包含用于借助于经调制的光发送数据的至少一个LED发射二极管。最后，所接收的数据可被进一步处理和解码并且借助于数据端口被转发到所连接的计算机。因此，两个或更多的计算机可以在该光数据网络中通信。 

可能的应用领域在于，借助于办公室中的顶灯的光信号使电子设备和计算机系统互联，或者以例如汽车中的LED尾灯/头灯的警示灯的光信号来转发信息。在http://smartlighting.bu.edu中可以找到该现有技术状态。 

迄今，借助于两个原型传输器在两个计算机之间建立前述的数据连接，该原型传输器在空间中的位置是已知的并且通过平坦表面上的底座将其相互进行定向。然而，这些原型传输器的缺点是，必须通过费时且费事的方式执行定向。而且只有在知道传输器在空间中的位置的情况下才能够 获得良好的连接质量。 

因此，对于在作为用于建立数据连接的接入点的移动设备和顶灯中的LED之间的光数据网络中的简单使用，这些传输器是不适合的。 

发明内容

因此，本发明所基于的问题是，描述一种传输器以及一种用于将上述类型的传输器定向的方法，借助于此保证了传输器的更简单的定向以及到另外的传输器的改进的连接建立。 

在第一方面中通过上述传输器解决了该问题，该传输器被设计为使得可以根据通过接收器测量的信号强度将一个或更多接收器相对于另外的传输器定向。 

该传输器解决方案的优点是，可以更高效地、更省时地并且可选地在不知道另外的传输器的位置的情况下将传输器相对于另外的传输器定向。通过该方式，根据通过接收器测量的信号强度执行定向，由此可以将传输器尽最大可能地朝着所接收光信号的最大值的方向定向。这样，从另外的传输器到该传输器的接收器的单向数据传输是可能的。 

优选地，传输器还具有用于发送数据的至少一个发射二极管。通过该方式，将接收器同发射二极管一起相对于另外的传输器定向，借助于此传输器之间的双向数据传输是可能的。 

具体地，传输器被设计为使得将接收器自动地相对于另外的传输器定向，并且可选地，将发射二极管自动地相对于另外的传输器定向。这取消了传输器的手动调节并且允许改进的且节约时间的传输器定向，即便不知道另外的传输器在空间中的位置。 

传输器优选地具有用于显示通过接收器测量的信号强度的显示器。然而，借助于该显示器，由于用户接收到关于空间中信号强度的信息并且可以将传输器朝着最大信号强度的方向定向，因此该用户还可以通过高效的方式手动将传输器定向。 

在第一实施例中，接收器并且可选地发射二极管被支撑，使得它们可以绕第一旋转轴线转动并且绕垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线转动。即，由于可以将传输器朝着各种空间方向定向，因此传输器可以被可变地调节朝向另外的传输器的位置。 

在第二可能实施例中，传输器具有柔性鹅颈部(gooseneck)，在该柔性鹅颈部的一端上设置用于连接到计算机系统的数据端口，并且在该柔性鹅颈部的另一远端上设置接收器并可选地设置发射二极管。这里可以设想，传输器是可移除的或者固定地设置在计算机系统上，例如，设置在监视器上。通过该鹅颈部结构，用户还可以将具有发射二极管和接收器的传输器朝着任意空间方向最优地定向。 

在第二方面中，通过上述类型的方法解决了该问题，其中如果要建立或维持到另外的传输器的连接，则将具有接收器并且可选地具有发射二极管的传输器自动地相对于另外的传输器定向。如果用户希望例如通过其便携式计算机登录到光数据网络中，则在建立连接之前，连接到便携式计算机的传输器自动地检测例如以办公室的顶灯中的LED和光电晶体管的形式集成的另外的传输器的位置。还可以设想，如果例如因计算机移动，传输器的位置已改变，则传输器校正其相对于另外的传输器的位置。因此保证了以最佳可能方式维持现有数据连接。 

具体地，传输器的接收器测量信号强度。例如，可以设想，集成在顶灯中的另外的传输器用作接入点，并且由于灯被接通而将经调制的光信号连续输出到房间中。被连接到用户的便携式计算机的传输器的接收器因此可以检测不同空间方向中的信号强度。 

具体地，传输器首先借助于接收器测量数个指定空间方向中的信号强度，并且随后取其上测得最大信号强度的角位置。通过对房间的栅格形扫描，将传输器自动地朝着从其中可以获得最佳可能信号质量的空间方向定向。该方向可以是从其中另外的传输器直接传输的方向，但是也可以因反射光束而产生该空间方向。 

具体地，传输器借助于接收器检测第一旋转方向中的和垂直于第一旋转方向的第二旋转方向中的信号强度的改变，并且根据信号强度增加最大的方向校正其位置。因此，该传输器从初始所取的角位置开始沿经扫描的空间方向执行用于信号最大值的最优检测的梯度方法。该处理步骤也可以在已存在到另外的传输器的连接期间执行。通过该方式，例如在便携式计算机在房间中移动之后可以根据信号最大值跟踪用户的便携式计算机的传输器。因此，即使在存在光数据网络中的连接的情况中，仍然总是保证两个传输器之间的最优信号质量。在一种可替选实施方案中，该处理也可以在经过指定的时间段之后执行。 

在根据所检测的信号最大值或者根据可替选的步骤首先将传输器朝 着指定空间方向定向之后，还可以设想，传输器首先绕第一旋转轴线摇动，并且随后取其中测得最大信号强度的相对于第一旋转轴线的角位置。而且，该传输器有利地绕垂直于第一旋转轴线的至少一个第二旋转轴线摇动，并且随后取其中测得最大信号强度的相对于第二旋转轴线的角位置。在房间的粗扫描和前述梯度方法之外，该可替选方案呈现了用于将传输器相对于房间中的另外的传输器的最佳可能定向的另一种可能性。 

在一种可替选实施方案中，如果已经将传输器相对于另外的传输器定向，则建立到另外的传输器的连接。 

在另一种可替选实施方案中，如果最大测量信号强度降至指定极限值之下，则传输器输出警示信号。 

在又一种可替选实施方案中，如果最大测量信号强度降至指定极限值之下，则重复将传输器相对于另外的传输器定向的方法。 

在从属权利要求以及附图的描述中公开了另外的实现方案，由此所公开的实施例的所有组合是可能的并且包括在本发明中。 

将通过参照数个附图更加详细地解释本发明。 

附图说明

图1示出了具有所连接的传输器的计算机系统的一部分， 

图2示出了具有传输器的计算机系统的一部分和另外的传输器的设置， 

图3示出了具有第二构造的传输器的计算机系统的一部分和另外的传输器的设置， 

图4a示出了第一操作状态中的两个传输器的设置的示意图，并且 

图4b示出了第二操作状态中的两个传输器的设置的示意图。 

具体实施方式

图1示出了具有显示器4和键盘5的便携式计算机系统3的一部分。用于在光数据网络中发射和接收数据的传输器1借助于数据端口6被连接到计算机系统3。在该实施例中，传输器1具有鹅颈部8，在鹅颈部8的一端上传输器1通向具有显示器7和用于连接到计算机3的数据端口6 的基体。在另一远端上，鹅颈部8具有带有发射二极管12和接收器13的发射/接收设备。由于柔性鹅颈部8，可以将发射/接收设备朝着任意空间方向任意地定向。 

借助于该传输器1，计算机3可以建立到另外的传输器的数据连接，其中在光数据网络中借助于经调制的可见光传输数据。通过该方式，传输器1的发射二极管12用于发送出经调制的高频光脉冲，并且接收器13用于接收另外的传输器的高频光脉冲。借助于数据端口6将所发射或所接收的数据转发到计算机3。该数据端口6例如可以对应于USB(通用串行总线)标准。然而，例如eSATA(外部串行高级技术附件)端口或者LAN(局域网)端口的任何其他类型的总线标准也可以被设想用于向计算机3传送数据。 

传输器1的接收器13具有例如用于检测环境中的光信号强度的光电二极管，从而可以检测来自房间中的另外的传输器的经调制的光信号。所接收的信号被转换为电信号并且可选地通过另外的信号处理措施处理，例如噪声抑制或者信号幅度的与频率相关的放大，其中所得到的信号强度可以被显示在传输器1的显示器7上。显示器7可以具有例如用于信号质量的柱形表达的数个光发射二极管。除此之外，也可以设想数字显示器用于显示例如数据网络的参数或者传输功率的附加信息。 

借助于显示器7，用户可以借助于接收器13监视在房间中所检测到的信号强度，同时用户将鹅颈部8上的传输器1在房间中定向直至所显示的信号强度最终达到最大值为止。这保证了用于建立到房间中的另外的传输器的光数据连接的最佳可能信号质量。所检测到的信号最大值没有必要必须是通过另外的传输器发射的光强度的主瓣。也可能会找到由于房间中的反射而同样保证高信号质量的信号强度的一个或多个副瓣。在将发射二极管12和接收器13定向之后，计算机3可以借助于发光发射二极管12以经调制的光脉冲形式将数据发送到另外的传输器，并且可以借助于接收器13检测来自该传输器的光脉冲，并且可以产生和处理所接收的数据。如果计算机3改变其位置，则可以跟随有在显示器7上的信号改变，并且可选地可以借助于鹅颈部8重新调节发射二极管12以及接收器13。 

图2示出了具有根据图1的传输器1的计算机3的一部分和可以被安装在例如办公室的墙或者天花板上的另外的传输器2的设置。将传输器1用其发射二极管12和其接收器13借助于鹅颈部8朝着至房间中的另外的传输器2的发射二极管22和接收器23的观察方向定向。另外的传输器2 例如可以集成在房间的顶灯中，从而在房间的灯接通时，传输器2连续地发送出光脉冲。这些光脉冲可由计算机3上的传输器1的接收器13接收，并且在信号处理之后使这些光脉冲的强度在显示器7上是可见的。 

在将传输器1相对于来自另外的传输器2的发射器光信号的最大值进行最优定向之后，计算机3到另外的传输器2的光数据连接借助于传输器1是可能的。这里，计算机3发送数据，该数据借助于传输器1的发射二极管12被转换为经调制的光信号并且被发送到另外的传输器2的接收器23。根据所使用的传输协议，在借助于接收器23接收数据之后，另外的传输器2自身可以借助于其发射二极管22在时间上并行地或者在时间上偏移地向传输器1的接收器13以经调制的光脉冲形式发射另外的数据，其中借助于数据端口6将所接收的数据传送到计算机3。 

以该方式，结合显示器7，传输器1的鹅颈部设置8保证房间中的发射二极管12和接收器13的简单的和快速的定向，用于建立具有最佳可能信号质量的数据连接。 

图3示出了具有第二实施例中的传输器1的计算机3的一部分和另外的传输器2的一个设置。传输器1的该实施例同样地可以借助于数据线缆连接到计算机3的数据端口6。与根据图1和2的实施例相对，在该实施例中传输器1的发射二极管12和接收器13被支撑使得它们可以绕两个旋转轴线X和Y转动。同时，传输器1还具有用于显示信号质量和另外的连接参数的显示器7。为了将传输器1相对于另外的传输器2定向，用户现在可以使发射二极管12和接收器13相对于轴线X和轴线Y转动，其中借助于显示器7显示借助于接收器13接收的信号强度。例如，用户可以手动将发射二极管12和接收器13定向，从而检测到房间中的所接收的信号强度的最大值并且因此通过最佳可能方式将传输器1定向，用于建立到另外的传输器2的数据连接。 

在图3中示出的实施例的情况中，还可以设想，将具有发射二极管12和其接收器13的传输器1自动地相对于另外的传输器2定向。这里，可以使用各种方法检测最佳可能信号强度。例如可以设想，传输器1首先测量数个指定空间方向中的信号强度，并且随后将其自身定向到其中检测到最大信号强度的角位置。与该处理步骤并行地或者在该处理步骤之后，可以使用例如梯度方法，其中使发射二极管12和接收器13的位置相对于旋转轴线X和Y改变微分片段(differential piece)，并且随后以信号强度增加最大的方向校正位置。因此，可以将发射二极管12和接收器13相对 于信号最大值最优地定向。 

可以设想，该梯度方法还在建立到另外的传输器2的连接期间连续执行，以便于例如在房间中的位置改变之后，对应于信号最大值跟踪传输器1，从而在任何时刻均保证最佳可能连接质量。在将传输器1自动定向的情况中，不再直接需要显示器7，而是可以可选地存在以便用户检查。 

可以设想，在经过指定的时间段之后执行上述梯度方法。 

图4a示出了在传输器1的第一操作状态中的传输器1和另外的传输器2的一个设置。另外的传输器2例如被集成在房间的顶灯中，并且以通过两个虚线箭头所示的特定发射角从发射二极管22将连续的可见光发送到房间中。传输器1被支撑使得传输器1可以用其发射二极管12和其接收器13绕两个旋转轴线X和Y转动。在根据图4a的操作状态中，将传输器1的发射二极管12和接收器13垂直地定向，其中发射二极管12的所发射的光脉冲被发射到房间中并且另外的传输器2的接收器23只能不充分地检测到该发射光脉冲。在该操作状态中，可能仅具有非常差的信号质量的数据连接，或者在一些环境中完全没有数据连接。这意味着必须将传输器1相对于另外的传输器2定向以获得改进的信号质量。 

图4b示出了在将发射二极管12和接收器13相对于另外的传输器2自动定向之后的传输器1的第二操作状态。通过该方式，使发射二极管12和接收器13相对于旋转轴线X和Y转动，以便于它们具有与另外的传输器2的发射二极管22和接收器23的直接可视接触。这里可以借助于使传输器1绕旋转轴线X和Y转动的一个或多个电驱动器执行自动定向。这里根据上述处理步骤进行最大值搜索。在图4b中，传输器1的发射二极管12可以向接收器23发送出可见光；相对地，接收器13检测通过发射二极管22发射的光信号。将传输器1相对于另外的传输器2的自动定向保证了最佳可能信号强度的简单的和快速的检测，用于建立两个传输器1和2之间的光数据连接。这里，还可以设想，在房间中的传输器1的位置改变的情况中，借助于梯度方法使发射二极管12和接收器13随着信号最大值在房间中连续移动。相似地可以设想，未将传输器1相对于主瓣定向，即，传输器1未与第二传输器2直接可视接触，而是相对于通过房间中的反射产生的副瓣定向。 

可以设想，如果已经将传输器1相对于传输器2定向，则可以建立到传输器2的连接。 

还可以设想，如果所检测到的最大信号强度降至指定的极限值之下，则传输器1可以输出警示信号。 

此外，可以设想，如果所检测到的最大信号强度降至指定的极限值之下，则可以重复用于将传输器1相对于传输器2定向的方法。 

在未示出的另外的实施例中，与网络摄影(webcam)相似，传输器1可以集成在便携式或桌面型计算机系统的监视器中。相对于房间中的另外的传输器2的定向可以手动或自动执行，其中传输器可以绕房间中的任意旋转轴线旋转。这些旋转轴线不需要必须被配置为相互正交。 

两个传输器1和2的定向和发射特性可以具有指向性的或发散的配置。然而，在指向性的情况中，需要较少的能量消耗用于在光数据网络中发射和接收数据。所公开的发明允许将传输器在房间中快速地、容易地并且以能量高效的方式定向，从而保证到房间中的另外的传输器的最优数据连接。为此，不需要知道另外的传输器的准确位置。 

为了将传输器1朝着所检测的信号最大值的方向自动定向，可以使用例如梯度方法、牛顿方法以及其他统计或动态优化方法的任何方法用于找到最大值。 

附图标记列表 

1、2：传输器 

3：计算机 

4：显示器 

5：键盘 

6：数据端口 

7：显示器 

8：鹅颈部 

12、22：发射二极管 

13、23：接收器。 

Claims (17)

1.用于在光数据网络中传输数据的传输器(1)，其中能够借助于来自发射二极管(12、22)的经调制的可见光将数据以无线方式传输到接收器(13、23)，并且其中所述传输器(1)具有用于接收来自另外的传输器(2)的数据的至少一个接收器(13)以及用于连接到计算机系统(3)的数据端口(6)，其特征在于，所述传输器(1)被设计为使得可以根据通过所述接收器(13)测量的信号强度将所述至少一个接收器(13)相对于所述另外的接收器(2)定向。

2.如权利要求1所述的传输器(1)，其特征在于，所述传输器(1)还具有用于发送数据的至少一个发射二极管(12)。

3.如权利要求1或2所述的传输器(1)，其特征在于，所述传输器(1)被设计为使得将所述接收器(13)自动地相对于所述另外的传输器(2)定向，并且可选地，将所述发射二极管(12)自动地相对于所述另外的传输器(2)定向。

4.如权利要求1所述的传输器(1)，其特征在于，所述传输器(1)在所述数据端口(6)上提供测量的信号强度。

5.如权利要求1所述的传输器(1)，其特征在于，所述传输器(1)具有用于显示通过所述接收器(13)测量的信号强度的显示器(7)。

6.如权利要求1或2所述的传输器(1)，其特征在于，所述接收器(13)并且可选地所述发射二极管(12)被支撑，使得它们可以绕第一旋转轴线(X)转动并且绕垂直于所述第一旋转轴线(X)的至少一个第二旋转轴线(Y)转动。

7.如权利要求1、2、4或5所述的传输器(1)，其特征在于，所述传输器(1)具有柔性鹅颈部(8)，在所述柔性鹅颈部(8)的一端上设置用于连接到所述计算机系统(3)的所述数据端口(6)，并且在所述柔性鹅颈部(8)的另一远端上设置所述接收器(13)并且可选地设置所述发射二极管(12)。

8.如权利要求1所述的传输器(1)，其特征在于，所述接收器(13)具有光电二极管或光电晶体管。

9.用于将用来在光数据网络中传输数据的传输器(1)定向的方法，其中借助于来自发射二极管(12、22)的经调制的可见光将数据以无线方式传输到接收器(13、23)，其特征在于，如果要建立或维持到另外的传输器(2)的连接，则根据通过所述接收器(13)测量的信号强度将具有接收器(13)并且可选地具有发射二极管(12)的所述传输器(1)自动地相对于所述另外的传输器(2)定向。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传输器(1)借助于所述接收器(13)测量数个预定空间方向中的信号强度，并且随后取其中测得最大信号强度的角位置。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传输器(1)借助于所述接收器(13)检测第一旋转方向中的和垂直于所述第一旋转方向的第二旋转方向中的信号强度的改变，并且根据信号强度增加最大的方向校正所述传输器(1)的位置。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在已存在到所述另外的传输器(2)的连接期间也执行所述方法。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在经过指定的时间段之后执行所述方法。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传输器(1)绕第一旋转轴线(X)摇动并随后取其中测得最大信号强度的相对于所述第一旋转轴线(X)的角位置，并且

随后绕垂直于所述第一旋转轴线(X)的至少一个第二旋转轴线(Y)摇动并随后取其中测得最大信号强度的相对于所述第二旋转轴线(Y)的角位置。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，如果已经将所述传输器(1)相对于所述另外的传输器(2)定向，则建立到所述另外的传输器(2)的连接。

16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，如果最大测量信号强度降至指定极限值之下，则所述传输器(1)输出警示信号。

17.如权利要求9、10、11、14、15或16所述的方法，其特征在于，如果最大测量信号强度降至指定极限值之下，则重复所述方法。

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