CN104022825A - 一种室内可见光通信系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种室内可见光通信系统，包括：可见光发射单元；可见光接收单元；服务器；介质转换模块；终端设备；所述可见光发射单元与所述可见光接收单元之间采用IEEE802.15.7标准协议进行通信。该室内可见光通信系统及其方法，可兼顾可见光通信的照明质量和通信可靠性，排除传统高频无线电磁波对人体与周边电子机器干扰的疑虑，绿色环保。
Description
技术领域：
本发明属于光通信及新能源照明的交叉技术领域，其涉及一种室内可见光通信系统及其方法。
背景技术：
光，照亮着人们的生活;通信，改变着人们的生活。光通信技术作为光与通信的结合体正改变着你我的生活。被誉为“绿色照明”的白光LED照明技术迅猛发展，根据富士经济的预测，2012年全球的LED销售数量将达到1116亿个(比2008年增长111.6%), LED的迅速普及使得可见光通信系统的建立成为了可能。正如激光遇见光纤一样，LED遇见了无线，可见光通信技术也随着LED照明技术的发展步入了无线的殿堂。光LED作为室内照明设备，具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点；作为光通信系统的光源，具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。
室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，2000年，中川研究室的研究人员Tanaka Yuichi等就基于室内白光LED通信光源的可见光通信系统的信道进行了初步的数学分析和模拟计算，分析了白光LED照明灯用作室内照明用途的同时作为通信光源的可能性。其后的研究也都是类似的理论分析报道。
室内可见光通信的基本方法是将互联网技术嵌入到白光LED照明之中。白光LED在取代现有的传统照明光源(如：日光灯，荧光灯)之后，经过家庭电力线等设备接入高速互联网。这样利用专用的、能够收发信号的电脑，PDA以及其它信息终端，人们只要处在灯光所能照射到的范围，就可以长时间的上传和下载高清晰画像、动画、广播信息等数据，且相互之间不会发生干扰，因此这种光无线接入方式是一种较理想的无线接入方式。
2010年上海世博会上，中国科学院半导体研究所在“沪上·生态家”展厅首次展现了基于LED照明的网络接入和多种电器的光学无线控制系统。下班回家前，主人可以利用手机或远程网络向家里的LED灯发出工作指示，回到家就可以享受空调己调节好的适宜温度，并在音乐声中享用微波炉己经提前做好的饭菜，这也就是室内可见光通信系统所带来的智能世界。
然而，如何兼顾可见光通信的照明质量和通信可靠性，是目前急需解决的问题。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中的上述不足，提供一种室内可见光通信系统及其方法。
本发明提供的室内可见光通信系统及其方法，具体的技术方案如下：
一种室内可见光通信系统，包括：
可见光发射单元，其用于发射可见光，兼起照明和通信功能；
可见光接收单元，其用于接收可见光发射单元发射的可见光信号；
服务器，其通过Internet、Wi-Fi、USB、串口或电力线中的任何一种方式与所述可见光发射单元通信，向所述可见光发射单元发射输入数据及其格式和控制命令；
介质转换模块，用于将所述接收到的可见光信号转换为以太网帧数据格式；
终端设备，用来发送和接收数据，可以根据TCP/IP协议完成应用层数据与物理层比特流之间的相互转化；
其特征在于，所述可见光发射单元与所述可见光接收单元之间采用IEEE802.15.7标准协议进行通信。
优选地，所述可见光发射单元包括信道编码器、数字调制器、驱动电路和可见光光源；所述可见光接收单元包括光敏元件、调理电路、数字解调器和信道译码器；所述介质转换模块包括光电转换介质芯片，其用于将来自所述可见光接收单元的单极性非归零码（NRZ码）转换为双极性CMI码；所述输入数据的格式包括帧头、发射可见光的ID、功能服务类型、数据长度、功能服务数据、检纠错校验位以及帧尾，其中ID是所述可见光发射单元的地址，信息是一个32位二进制地址，由4个8位字段构成，每个字段之间用点号隔开，用于标识位于不同位置的可见光发射单元。
优选地，所述输入数据采用二进制形式，该二进制码流采用曼彻斯特编码方式，以防止由于二进制码“0”和“1”的交替而引发在发送信号时可见光的闪烁。
优选地，所述输入数据的二进制码流采用包括OOK、PPM、VPPM在内的任何一种调制方式。
优选地，所述光电转换介质芯片采用ICPLUS公司的IP113ALF芯片，该芯片具备电平极性转换功能，其从外部输入工作时钟信号，在其OSC1和X2引脚之间接入25MHz频率的晶振。
优选地，所述数字调制器采用采用OOK-RZ (On-Off Keying Return to Zero，开关键控一归零调制)与OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交频分复用)对编码信号进行调制；信道编码和调制均在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)信号处理板上完成；解调和译码也是在一个FPGA处理板上进行；调制和解调电路使用的FPGA均为Altera公司的FPGA EP3CSSF484I7，其内部的调制解调时钟为100MHz。
优选地，控制所述可见光发射单元的可见光光源开关的信号为2FSK（Frequency Shift Keying 频移键控）信号，其基带信号速率为100bps, fl为800Hz, f2为1000 Hz，所述可见光光源以f1和f2高频率闪烁；所述可见光接收单元的光敏元件为光电二极管，其响应速度高于f1和f2。
优选地，所述光电二极管是PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
优选地，所述信道译码器包括高低位分离电路及译码运算电路，所述高低位分离电路用于将接收到的CMI码的高低位进行分离，所述译码运算电路用于对所述CMI码分离后的高低位进行同或运算；所述高低位分离电路设置有若干D触发器，所述D触发器设置有数据输入端D，时钟输入端CLK、反相置位端SD及数据输出端Q，输入的CMI码在时钟CP的作用下被各个D触发器锁存。
一种室内可见光通信方法，基于上述任意一种可见光通信系统进行通信。
本发明提供的室内可见光通信系统及其方法的有益效果在于：可兼顾可见光通信的照明质量和通信可靠性，排除传统高频无线电磁波对人体与周边电子机器干扰的疑虑，绿色环保。
附图说明：
图1为本发明所提供的室内可见光通信系统的示意图。
图2为本发明所提供的室内可见光通信系统的组成单元的功能框图。
其中附图标记1－服务器；2－可见光发射单元；3－可见光接收单元；4－介质转换模块；5－终端设备；21－信道编码器；22－数字调制器；23－驱动电路；24－可见光光源；31－光敏元件；32－调理电路；33－数字解调器；34－信道译码器。
具体实施方式：
现结合附图将本发明做进一步的说明。
如图1示出了本发明所提供的室内可见光通信系统。图2示出了本发明所提供的室内可见光通信系统的组成单元的功能框图。
一种室内可见光通信系统，包括：
可见光发射单元2，其用于发射可见光，兼起照明和通信功能；
可见光接收单元3，其用于接收可见光发射单元2发射的可见光信号；
服务器1，其通过Internet、Wi-Fi、USB、串口或电力线中的任何一种方式与所述可见光发射单元2通信，向所述可见光发射单元2发射输入数据及其格式和控制命令；
介质转换模块4，用于将所述接收到的可见光信号转换为以太网帧数据格式；
终端设备5，用来发送和接收数据，可以根据TCP/IP协议完成应用层数据与物理层比特流之间的相互转化；
所述可见光发射单元2与所述可见光接收单元3之间采用IEEE802.15.7标准协议进行通信。其中可见光发射单元可以包括白光LED。
优选地，所述可见光发射单元2包括信道编码器21、数字调制器22、驱动电路23和可见光光源24；所述可见光接收单元3包括光敏元件31、调理电路32、数字解调器33和信道译码器34；所述介质转换模块4包括光电转换介质芯片，其用于将来自所述可见光接收单元3的单极性非归零码（NRZ码）转换为双极性CMI码；所述输入数据的格式包括帧头、发射可见光的ID、功能服务类型、数据长度、功能服务数据、检纠错校验位以及帧尾，其中ID是所述可见光发射单元3的地址，信息是一个32位二进制地址，由4个8位字段构成，每个字段之间用点号隔开，用于标识位于不同位置的可见光发射单元3。
优选地，所述输入数据采用二进制形式，该二进制码流采用曼彻斯特编码方式，以防止由于二进制码“0”和“1”的交替而引发在发送信号时可见光的闪烁。
优选地，所述输入数据的二进制码流采用包括OOK、PPM、VPPM在内的任何一种调制方式。
优选地，所述光电转换介质芯片采用ICPLUS公司的IP113ALF芯片，该芯片具备电平极性转换功能，其从外部输入工作时钟信号，在其OSC1和X2引脚之间接入25MHz频率的晶振。
优选地，所述数字调制器22采用采用OOK-RZ (On-Off Keying Return to Zero，开关键控一归零调制)与OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交频分复用)对编码信号进行调制；信道编码和调制均在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)信号处理板上完成；解调和译码也是在一个FPGA处理板上进行；调制和解调电路使用的FPGA均为Altera公司的FPGA EP3CSSF484I7，其内部的调制解调时钟为100MHz。
优选地，控制所述可见光发射单元2的可见光光源24开关的信号为2FSK（Frequency Shift Keying 频移键控）信号，其基带信号速率为100bps, fl为800Hz, f2为1000 Hz，所述可见光光源24以f1和f2高频率闪烁；所述可见光接收单元3的光敏元件为光电二极管，其响应速度高于f1和f2。
优选地，所述光电二极管是PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
优选地，所述信道译码器34包括高低位分离电路及译码运算电路，所述高低位分离电路用于将接收到的CMI码的高低位进行分离，所述译码运算电路用于对所述CMI码分离后的高低位进行同或运算；所述高低位分离电路设置有若干D触发器，所述D触发器设置有数据输入端D，时钟输入端CLK、反相置位端SD及数据输出端Q，输入的CMI码在时钟CP的作用下被各个D触发器锁存。
一种室内可见光通信方法，基于上述任意一种可见光通信系统进行通信。
本发明提供的室内可见光通信系统及其方法的有益效果在于：可兼顾可见光通信的照明质量和通信可靠性，排除传统高频无线电磁波对人体与周边电子机器干扰的疑虑，绿色环保。
当然，以上所述仅是本发明的较佳实施例，本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (10)
1.一种室内可见光通信系统，包括：
可见光发射单元，其用于发射可见光，兼起照明和通信功能；
可见光接收单元，其用于接收可见光发射单元发射的可见光信号；
服务器，其通过Internet、Wi-Fi、USB、串口或电力线中的任何一种方式与所述可见光发射单元通信，向所述可见光发射单元发射输入数据及其格式和控制命令；
介质转换模块，用于将所述接收到的可见光信号转换为以太网帧数据格式；
终端设备，用来发送和接收数据，可以根据TCP/IP协议完成应用层数据与物理层比特流之间的相互转化；
其特征在于，所述可见光发射单元与所述可见光接收单元之间采用IEEE802.15.7标准协议进行通信。
2. 如权利要求1所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述可见光发射单元包括信道编码器、数字调制器、驱动电路和可见光光源；所述可见光接收单元包括光敏元件、调理电路、数字解调器和信道译码器；所述介质转换模块包括光电转换介质芯片，其用于将来自所述可见光接收单元的单极性非归零码（NRZ码）转换为双极性CMI码；所述输入数据的格式包括帧头、发射可见光的ID、功能服务类型、数据长度、功能服务数据、检纠错校验位以及帧尾，其中ID是所述可见光发射单元的地址，信息是一个32位二进制地址，由4个8位字段构成，每个字段之间用点号隔开，用于标识位于不同位置的可见光发射单元。
3. 如权利要求2所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述输入数据采用二进制形式，该二进制码流采用曼彻斯特编码方式，以防止由于二进制码“0”和“1”的交替而引发在发送信号时可见光的闪烁。
4. 如权利要求3所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述输入数据的二进制码流采用包括OOK、PPM、VPPM在内的任何一种调制方式。
5. 如权利要求2所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述光电转换介质芯片采用ICPLUS公司的IP113ALF芯片，该芯片具备电平极性转换功能，其从外部输入工作时钟信号，在其OSC1和X2引脚之间接入25MHz频率的晶振。
6. 如权利要求5所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述数字调制器采用采用OOK-RZ (On-Off Keying Return to Zero，开关键控一归零调制)与OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交频分复用)对编码信号进行调制；信道编码和调制均在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)信号处理板上完成；解调和译码也是在一个FPGA处理板上进行；调制和解调电路使用的FPGA均为Altera公司的FPGA EP3CSSF484I7，其内部的调制解调时钟为100MHz。
7. 如权利要求5或6所述的室内可见光通信系统，其特征在于，控制所述可见光发射单元的可见光光源开关的信号为2FSK（Frequency Shift Keying 频移键控）信号，其基带信号速率为100bps, fl为800Hz, f2为1000 Hz，所述可见光光源以f1和f2高频率闪烁；所述可见光接收单元的光敏元件为光电二极管，其响应速度高于f1和f2。
8. 如权利要求7所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述光电二极管是PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
9. 如权利要求8所述的室内可见光通信系统，其特征在于，所述信道译码器包括高低位分离电路及译码运算电路，所述高低位分离电路用于将接收到的CMI码的高低位进行分离，所述译码运算电路用于对所述CMI码分离后的高低位进行同或运算；所述高低位分离电路设置有若干D触发器，所述D触发器设置有数据输入端D，时钟输入端CLK、反相置位端SD及数据输出端Q，输入的CMI码在时钟CP的作用下被各个D触发器锁存。
10. 一种室内可见光通信方法，基于上述权利要求1-9中任意一项所限定的一种可见光通信系统进行通信。
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