CN105610518A - 一种基于可见光通信的家用下水节点 - Google Patents

一种基于可见光通信的家用下水节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的家用下水节点，包括处理器模块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块以及电源模块；所述处理器模块控制LED光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。该节点低功耗，具备通信能力和计算能力，并且体积小，低成本，可以运用到构建水下可见光通信网络。

Description

一种基于可见光通信的家用下水节点
技术领域
本发明涉及水下通信领域，尤其是一种基于可见光通信的家用下水节点。
背景技术
众所周知，海洋占地球表面积的70％以上，海洋中不但蕴藏着丰富的资源，而且对全球气候变化、人类经济以及社会发展都有着重大影响。尽管人类从远古时期就开始了对海洋的探索活动，但是迄今为止，人类对大部分海域的了解都非常有限，许多海域仍然处于未知状态。因此，发展先进的海洋探测高技术对人类了解、利用和开发海洋具有重要的意义。
随着白光LED器件的发展，可见光通信技术得到了越来越多的重视。可见光无线通信系统主要由光信号发射端和光信号接收端组成。这种技术运用到构建水下无线网路通信的具有巨大的优越性，水下无线传感器网络由多个低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器节点组成，这些传感器节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类传感器节点布置在一个特定的区域内，可形成无线传感器网络，它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。
目前，水声通信技术是实现水下目标间无线通信的最成熟的技术。但是，声波在水中的衰减和声波频率的平方成正比，另外，声波在水中传输速度慢，导致信号延迟大；海洋背景噪声大导致信噪比小。因此，水声通信无法满足当前传感器网络、水下探测中普遍采用的视频、音频等信号的实时传输的需求；另外，水声系统设备昂贵、体积大、功耗大，也无法满足水下通信系统对小体积、低功耗以及低成本的需求。因此，采用基于可见光通信的家用下水节点具有广阔的运用前景。
发明内容
本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种低功耗、体积小、低成本，具有计算能力和通信能力的基于可见光通信的家用下水节点。
为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
一种基于可见光通信的家用下水节点，一种基于可见光通信的家用下水节点，包括处理器模块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块以及电源模块；所述处理器模块控制LED光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。
所述处理器模块采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。
所述LED发送/接收模块中，选择的光源是LuxeonIIIEnutter大功率蓝光光源(3W)。该光源的特点主要为：光通量高；使用寿命可达5*104h；体积小；额定工作电流很大，大约为350～700mA；点亮时间小于100s。另外，本模块将光源与铝基板组合使用用以散热，使用菲涅尔透镜实现聚光。选用ULN2803A作为LED的驱动芯片，ULN2803A是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端导通。该芯片可以同时驱动8组负载工作，具有电流增益高、温度范围宽、带负载能力强等特点，非常适合作为LED光源的驱动。所述可见光接收模块将接受的光信号转化为电信号，将采集数据提供至处理器。考虑微型化原则，所以采用蓝光增强型光电二极管PIN-10DP/SB作为接收元件，该元件具有100m2以上的感光面积，对于400～600m的波长(蓝绿光波段范围)较敏感，用于家用下水节点的接收器。
所述串口通信模块针对Sink节点，使用主控芯片上的串行通信口USART-Tx、USART-Rx，输出TTL电平实现数据的收发。电源模块负责节点的能量供给，Sink节点通过串口与计算机端相连，能量可以认为是无限的，而普通节点则需要靠电池供电。
所述电源模块采用电压范围为1.8V～3.6V的STM32F405RGT6为电源，采用2节五号电池来供电，并采用低噪声、快速瞬态响应的LT1963EST-3.3为稳压芯片。LT1963EST-3.3稳压芯片的输出电流在1.5V，输出电压为3.3V，具有低噪声、快速瞬态响应等特点。
该发明的有益效果：
本发明中所述基于可见光通信的家用下水节点采用STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。和传统的水声通信技术相比，可见光通信的家用下水节点具备低功耗、体积小、低成本，具有计算能力和通信能力，实用性广泛，并且经济效益高，有巨大的市场前景。
采用基于可见光通信的家用下水节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类节点布置在一个特定的区域内，可形成无线网络，它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。
附图说明
图1是基于可见光通信的家用下水节点结构图；
图2是处理器模块电路图；
图3是LED驱动器电路图；
图4是可见光接收模块电路图；
图5是电源模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于可见光通信的家用下水节点作进一步详尽描述：
如图1所示，一种基于可见光通信的家用下水节点，包括处理器模块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块以及电源模块；所述处理器模块控制LED光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。
如图2所示，所述处理器模块采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。
如图3所示，所述LED发送/接收模块中，选择的光源是LuxeonIIIEnutter大功率蓝光光源(3W)。该光源的特点主要为：光通量高；使用寿命可达5*104h；体积小；额定工作电流很大，大约为350～700mA；点亮时间小于100s。另外，本模块将光源与铝基板组合使用用以散热，使用菲涅尔透镜实现聚光。选用ULN2803A作为LED的驱动芯片，ULN2803A是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端导通。该芯片可以同时驱动8组负载工作，具有电流增益高、温度范围宽、带负载能力强等特点，非常适合作为LED光源的驱动。
如图4所示，所述可见光接收模块将接受的光信号转化为电信号，将采集数据提供至处理器。考虑微型化原则，所以采用蓝光增强型光电二极管PIN-10DP/SB作为接收元件，该元件具有100m2以上的感光面积，对于400～600m的波长(蓝绿光波段范围)较敏感，用于家用下水节点的接收器。
如图5所示，所述电源模块采用电压范围为1.8V～3.6V的STM32F405RGT6为电源，采用2节五号电池来供电，并采用低噪声、快速瞬态响应的LT1963EST-3.3为稳压芯片。LT1963EST-3.3稳压芯片的输出电流在1.5V，输出电压为3.3V，具有低噪声、快速瞬态响应等特点。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于可见光通信的家用下水节点，其特征在于，包括处理器模块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块以及电源模块；所述处理器模块控制LED光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的家用下水节点，其特征在于，所述处理器模块采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的家用下水节点，其特征在于，所述电源模块采用电压小的STM32F405RGT6为电源，并采用低噪声、快速瞬态响应的LT1963EST-3.3为稳压芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的家用下水节点，其特征在于，所述LED发送/接收模块中，发送模块采用大功率蓝光光源，采用高压大电流晶体管阵列电路作为驱动芯片；接收模块采用蓝光增强型光电二极管作为接收元件；从而实现水下光信号的发送和接收；
所述接收模块将接受的光信号转化为电信号，将采集数据提供至处理器；
所述LED发送/接收模块将光源与铝基板组合使用用以散热，使用菲涅尔透镜实现聚光；
所述串口通信模块针对Sink节点，使用主控芯片上的串行通信口USART-Tx、USART-Rx，输出TTL电平实现数据的收发；Sink节点通过串口与计算机端相连。
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