CN105119654A - 一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统，属于通信技术领域。该系统包括发射端和接收端；在发射端运用MSP430单片机和DS18B20温度传感器采集水下的温度信息，并将采集到信息通过MSP430单片机的I/O口加载到的LED驱动模块，光源采用晶元1W蓝光LED，将可见光通信技术与传感器技术相结合，设计多种水下可见光传感器节点，利用可见光无线链路，搭建基于蓝光LED的水下传感网原型系统，实现水下短距离高速、大容量数据传输；接收端采用集成微型化接收电路，采用S6968光电检测器实现微弱光信号检测，将接收端接收到的信息传输到PC的数据库上，进行联网，便于时刻了解水下温度。

Description

一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统

技术领域

本发明涉及一种以蓝光通信传递水下温度传感器采集的信息的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，属于通信技术领域。

背景技术

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，尤其在室内场景下，可见光通信正朝照明通信一体化的方向不断发展，该技术不仅绿色节能环保，不占用频谱资源，而且对人们不会产生任何辐射伤害。

无线通信一直作为一种重要的通信手段，在现代通信领域发挥着举足轻重的作用。传统的无线通信方式需要占用日益紧缺的频谱资源，传输速率受限，并且存在着电磁干扰、传输存在安全隐患等问题。然而光通信及其关键器件的飞速发展使得可见光通信成为全球研究的热点，将可见光通信技术和USB接口技术相结合，可实现大容量数字信号的高速传输。

由于可见光通信技术具有良好的应用前景，在未来的通信领域具有重要的地位和价值，一直以来受到很多研究机构和电信运营公司的重视，日本、欧洲、美国等国家也对可见光通信的研究投入了大量的人力、物力、财力。目前，可见光通信主要应用场景为：室内移动通信、水下可见光通信、交通信号灯通信、可见光定位等。

目前，国内对水下可见光通信的研究主要集中在水下信道仿真及水下点对点通信系统的研究上，关于利用可见光通信技术组建水下传感器网络的研究几乎没有。21世纪是海洋的世纪，随着各种新型水下传感器的出现，传统水声通信已无法满足水下探测日益增长的带宽需求。水下蓝绿激光通信虽能实现水下高速、大容量数据传输，但高昂的成本及复杂的技术使其很难实现大规模应用。因此，迫切需要开展水下新型无线通信技术的研究。随着LED器件制造工艺及材料技术的不断提高，目前，商用蓝光LED不仅具有高的出光效率，而且具有相对较高的调制带宽，这为其实现水下高速通信提供了物理器件上的可行性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种操作方便、系统架构灵活多变的基于可见光通信的水下传感系统。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统，包括发射端和移动接收端，所述发射端为蓝光LED，在水下通过DS18B20温度传感器采集水下温度信息，通过蓝光通信传递信息，所述接收端运用光电接测器接受信息并进行小型化封装。

优选的，所述温度传感信息通过蓝光通信在水下进行传输。

优选的，所述发射端运用MSP430单片机，设计传感器采集温度程序，并同时运用锂电池在封装盒内供电。

优选的，所述发射端将输出管脚P3.4定为信息输出管脚，将信息加载到LED驱动电路上。

优选的，光发射部分是可见光通信的重要组成部分，光源和驱动电路两部分组成，所述系统由74HC14来实现光信号的放大，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。

优选的，由CH340转换的TTL电平，经过74HC14的两个非门进行信号的能量放大，来驱动后级的LED发出光信号，电源部分加了两个电容进行耦合，去除噪声和干扰。

优选的，所述系统的接收端采用集成微型化接收电路，采用S6968光电检测器实现微弱光信号检测，将接收端接收到的信息传输到PC的数据库上，进行联网，便于时刻了解水下温度。

优选的，接收端串口信号转串行总线模块采用的是传统USB接口技术，用于接收外部PC等数字设备产生的串行总线信号，传输至信号处理模块，该串行总线信号为差分信号，通常可见光通信传输信号为单端信号，因此拟采用FT232芯片实现差分信号与单端信号之间相互转换，转换后的信号采用放大、滤波、调制等处理。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

基于LED的可见光通信技术研究已经越来越受到人们的重视，这得益于高性能LED的商用化。可见光通信(VisibleLightCommunication，简称VLC)技术是一种新型宽带无线接入技术，它通过高性能的发光二极管发出的肉眼难以察觉的高速闪烁信号来传输信息，且能被光电探测器等器件捕获并检出，它能够在提供照明的同时实现数据的传输。LED具有功耗小、高亮度、高频响和寿命长等优点，能够满足作为可见光通信传输载体的要求。基于可见光通信的水下传感系统技术信息容量大、部署灵活、安全保密，不受电磁波干扰的影响，并能够减少电磁波覆盖盲区等问题。与水下电磁波通信和水声通信相比，水下可见光通信克服了电磁波衰减严重，水声通信带宽窄、时延大、易受海洋环境的影响等缺点。可见光波长范围为380nm-780nm，能提供的超宽光谱频段约为375THz(1THz＝1000GHz)，为大容量数据通信奠定了基石。由于波长较短，所需发射天线与接收天线较短，设备成本低，且便于小型设备承载。另外，水下可见光通信具有探测精度高、方向性好，易于保密等特点。

本发明将可见光通信技术与传感器技术相结合，设计多种水下可见光传感器节点，利用可见光无线链路，采用星型组网方式，搭建基于蓝光LED的水下传感网原型系统。

基于可见光通信技术的蓝光水下通信具备水下蓝绿激光通信高速、大容量数据传输的优点，弥补了水声通信速率慢、时延大的不足。其次，对于采用可见光通信技术的收发设备不需要严格对准，克服了水下激光通信高指向性的难题。再次，将水下可见光通信技术与传感器技术结合，可以制作出高速率、低成本、小体积的光传感器，从而搭建相应传感器网络，实时采集水下温度、盐度、图像、声音等信息，通过部署大量光传感器节点，实现对特定海域的实时监控。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是基于可见光通信的蓝光水下传感系统基本框图

图2是基于可见光通信的蓝光水下传感系统示意图

具体实施方式

实施例1

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统，包括发射端和移动接收端，所述发射端为蓝光LED，在水下通过DS18B20温度传感器采集水下温度信息，通过蓝光通信传递信息，所述接收端运用光电接测器接受信息并进行小型化封装。

所述温度传感信息通过蓝光通信在水下进行传输。

所述发射端运用MSP430单片机，设计传感器采集温度程序，并同时运用锂电池在封装盒内供电，并将输出管脚P3.4定为信息输出管脚，将信息加载到LED驱动电路上。

所属系统将可见光通信技术与传感器技术相结合，设计多种水下可见光传感器节点，利用可见光无线链路，采用星型组网方式，搭建基于蓝光LED的水下传感网原型系统。

光发射部分是可见光通信的重要组成部分，光源和驱动电路两部分组成，所述系统由74HC14来实现光信号的放大，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。

由CH340转换的TTL电平，经过74HC14的两个非门进行信号的能量放大，来驱动后级的LED发出光信号，电源部分加了两个电容进行耦合，去除噪声和干扰。

所述系统的接收端采用集成微型化接收电路，采用S6968光电检测器实现微弱光信号检测，将接收端接收到的信息传输到PC的数据库上，进行联网，便于时刻了解水下温度。

接收端串口信号转串行总线模块采用的是传统USB接口技术，用于接收外部PC等数字设备产生的串行总线信号，传输至信号处理模块，该串行总线信号为差分信号，通常可见光通信传输信号为单端信号，因此拟采用FT232芯片实现差分信号与单端信号之间相互转换，转换后的信号采用放大、滤波、调制等处理。

实施例2

如图2所示，基于可见光通信的蓝光水下传感系统示意图，该系统总体包括发射端和接收端。

发射端包括温度采集模块和LED驱动模块，温度采集模块包括MSP430单片机和DS18B20温度传感器采集水下温度信息，温度传感器选用的是单总线结构、高精度、低功耗DS18B20温度传感器，该传感器外围电路比较简单，利用单片机一个IO口即可实现DS18B20温度传感器的控制和温度的读取，方便进行操作。

LED驱动模块采用施密特触发器来驱动，系统由74HC14来实现光信号的放大，74HC14是一款高速CMOS器件，它引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列，是一款6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。

本次试验光源采用1W的蓝光LED，LED的高调制带宽是实现信息高速传输的前提，通过矢量网络分析仪(AgilentE5072A)，测得该晶元1W蓝光LED的3dB带宽约为5.8MHz，因此该蓝光LED满足水下可见光高速通信调制带宽需求。

在接收端，接收电路的性能好坏是整个可见光通信系统性能的综合反映。接收电路主要包括光电探测器的选择，前置放大电路，负电压电源电路以及比较器电路的设计，这几个部分共同构成了光接收端的线性通道，依次完成了光/电转换、信号放大以获得判决电路所需的信号电平以及最后信号的判决还原过程。

光信号接收模块拟采用S6968光电检测器实现微弱光信号检测。信号处理模块采用合适跨阻放大电路、AGC自动增益控制电路、带通滤波、解调等处理实现信号转换，同时进行信号判决，信号判决设置合适判决门限实现信号正确还原。并将输出信息经过串口信号转串行总线模块，将最终得到的信息传输到PC的数据库上，进行联网，便于时刻了解水下温度。

在可见光通信中，随着传输距离的增大，接收端接收到的信号越来越微弱，信噪比越低，对于后续电路处理的难度也就越大。因此，对于越弱信号的检测，前置放大起到的作用越至关重要。本设计选择了NE5532来进行对接收的微弱信号的放大。之后还是得用到集成运放和一个低通电压跟随滤波器来对信号进行二次放大和高频滤波，再通过一个LM311P电压比较器芯片来得到清晰的方波信号，用于7414芯片的放大和判决，最后通过FT232芯片将串口信号转串行总线信号传输至PC端。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于可见光通信的蓝光水下传感系统，包括发射端和移动接收端，其特征在于，所述发射端为蓝光LED，在水下通过DS18B20温度传感器采集水下温度信息，通过蓝光通信传递信息，所述接收端运用光电接测器接受信息并进行小型化封装。

2.根据权利要求1所述基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，所述温度传感信息通过蓝光通信在水下进行传输。

3.根据权利要求书1所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，所述发射端运用MSP430单片机，设计传感器采集温度程序，并同时运用锂电池在封装盒内供电。

4.根据权利要求书3所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，所述发射端将输出管脚P3.4定为信息输出管脚，将信息加载到LED驱动电路上。

5.根据权利要求书1或2所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，光发射部分是可见光通信的重要组成部分，光源和驱动电路两部分组成，所述系统由74HC14来实现光信号的放大，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。

6.根据权利要求书1或2所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，由CH340转换的TTL电平，经过74HC14的两个非门进行信号的能量放大，来驱动后级的LED发出光信号，电源部分加了两个电容进行耦合，去除噪声和干扰。

7.根据权利要求书1或2所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，所述系统的接收端采用集成微型化接收电路，采用S6968光电检测器实现微弱光信号检测，将接收端接收到的信息传输到PC的数据库上，进行联网，便于时刻了解水下温度。

8.根据权利要求书1或2所述的基于可见光通信的蓝光水下传感系统，其特征在于，接收端串口信号转串行总线模块采用的是传统USB接口技术，用于接收外部PC等数字设备产生的串行总线信号，传输至信号处理模块，该串行总线信号为差分信号，通常可见光通信传输信号为单端信号，因此拟采用FT232芯片实现差分信号与单端信号之间相互转换，转换后的信号采用放大、滤波、调制等处理。