CN105703831A - 一种太阳能led光控门禁语音播报装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能LED光控门禁语音播报装置，包括可见光传输链路、主控制器、音频编码解码器以及音频输入输出端；所述可见光传输链路包括LED驱动电路、LED灯、透镜、PD光敏管和光接收电路；所述主控制器是单片机，用于控制所述音频编码解码器进行语音数据的采集和压缩编码，并将采集数据通过串口发送到LED驱动电路，所述LED驱动电路根据指令发出通断信号；光接收电路控制所述PD光敏管接收光信号并输送到所述主控制器，所述主控制器将接收的数据发送给所述音频编码解码器进行解码输出。该系统实现复杂度和成本低、通信距离远，可以兼顾照明与实时语音对讲，同时系统还可以传输除语音外的其他数据。

Description

一种太阳能LED光控门禁语音播报装置
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是一种太阳能LED光控门禁语音播报装置。
背景技术
太阳能(solarenergy)，是指太阳的热辐射能(参见热能传播的三种方式)，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也董得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。
太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。
人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。
在现有的无线技术当中，除去基于电磁波传输信息的传统射频通信外，还有基于光的无线通信，其中，有基于红外激光等的通信技术，还有基于可见光的无线通信技术。可见光通信技术，是利用发光的二极管发出的肉眼觉察不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的。将需要传输的数据加载到光载波信号上，并进行调制，然后利用光电转换器件接收光载波信号并解调以获取信息。可见光通信系统能够覆盖灯光所能达到的范围，不需要电线连接。光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式。
现有的门禁系统一般采用有线的信号传输，需要预设信号传输线，安装复杂而且成本高，现有的光通信系统复杂度很高，通信距离仅为几×10cm，且存在很难保证RGB三色LED合成白光的问题，不具有实用性。
发明内容
本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种实现复杂度和成本低、通信距离远，可以兼顾照明与实时语音对讲的基于光通信的门禁语音系统，同时系统还可以传输除语音外的其他数据。
为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
一种太阳能LED光控门禁语音播报装置，包括；可见光传输链路、主控制器、音频编码解码器、音频输入输出端、中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述可见光传输链路包括LED驱动电路、LED灯、透镜、PD光敏管和光接收电路；所述主控制器是单片机，用于控制所述音频编码解码器进行语音数据的采集和压缩编码，并将采集数据通过串口发送到LED驱动电路，所述LED驱动电路根据指令发出通断信号；光接收电路控制所述PD光敏管接收光信号并输送到所述主控制器，所述主控制器将接收的数据发送给所述音频编码解码器进行解码输出。
可选地，所述基于光通信的门禁语音通话系统的上下行链路均使用1W普通白光LED，采用开关键控-非归零码(OOK-NRZ)调制方式。
所述LED驱动电路中，来自单片机的音频数据通过跨导放大电路放大并转换成电流信号，通过Bias-T叠加直流后加载到LED灯上。LED的发散角一般较大，在LED灯前端加距离可调的准直透镜，调节光线的发散角度，以便用于不同距离的照明和通信。
所述PD光敏管是接收面积为5mm×5mm，的PD光敏管。PD光敏管面积越大接收的光功率越大，但响应带宽会越小。PD光敏管前端加面积较大的非球面准直透镜增大接收光功率。PD光敏管将光信号转换成电流信号输出，目前的可见光PD光敏管响应灵敏度峰值大多在红光波段，所述PD光敏管灵敏度在LED光谱峰值450nm处不到0.3A\W。当通信距离较远时，PD光敏管接收的光功率较小，因此输出的电流信号很小，一般只有几×10mA。
为了进行后续的数据处理，需要对PD光敏管输出的电流进行放大。
所述光接收电路中，第1级的低噪跨阻放大器将电流信号转换成电压信号，再经过第2级电压放大器后电压幅度可达到2～3V，经电压比较器后输出3.3V的TTL信号，输入到单片机进行处理。
所述音频编码解码器是一款低功耗、高保真和体积小的WM8960音频编解码器，其集成了麦克风、耳机接口和放大器，因此大大减少了外部电路元器件的数量和电路体积。麦克风输入的模拟音频数据经24bit的ADC采样后进行音频编码，解码后的数据经过24bit的DAC后输出到耳机或扬声器。系统中，编解码器通过数字接口传输音频数据，通过控制接口接收控制数据。该编码器的采样率可以设置为8～48kHz，左、右声道的数据均为16bit，因此语音信号的速率为256～1536kbit/s，当通信速率大于1536kbit/s时就能保证清晰的语音传输。
所述基于光通信的门禁语音通话系统采用强度调制和直接检测(IM/DD)，即LED发射光功率随传输信号变化，接收端的光电探测器件，如光电二极管(PD)、雪崩二极管(APD)和摄像镜头等，接收强弱变化的光强并转化成电流信号。由于当收发端之间存在直射链路时，直射链路功率占总接收功率的97.6％，当通信终端的PD位于LED光源之后时，几乎可以忽略发送端光线对自身接收端的干扰影响。因此，上下行链路均使用白光LED进行通信。
该发明的有益效果：
本发明的所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电
在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
基于光通信的门禁语音通话系统采用OOK-NRZ调制编码方式，降低系统实现复杂度。在发射端LED和接收端PD光敏管前加上透镜，可以减小LED光线的发散角和增加PD光敏管的接收光强，从而增大通信距离。
为了实现低成本和低功耗的要求，用单片机作为主控制，控制音频编码解码器，并进行数据的传输。本系统可实现最高2.5Mbit\s的通信速率，最远通信距离可达40m，系统复杂度低、实现简单、设备体积小、功耗低、成本低和性能稳定，具有较好的实用性。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是LED驱动电路结构示意图；
图3是光接收电路结构示意图；
图4是音频编码解码器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于光通信的门禁语音系统作进一步详尽描述：
如图1所示，一种太阳能LED光控门禁语音播报装置，包括：可见光传输链路、主控制器、音频编码解码器、音频输入输出端、中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；；所述可见光传输链路包括LED驱动电路、LED灯、透镜、PD光敏管和光接收电路；所述主控制器是单片机，用于控制所述音频编码解码器进行语音数据的采集和压缩编码，并将采集数据通过串口发送到LED驱动电路，所述LED驱动电路根据指令发出通断信号；光接收电路控制所述PD光敏管接收光信号并输送到所述主控制器，所述主控制器将接收的数据发送给所述音频编码解码器进行解码输出。
所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电。
在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
优选地，所述基于光通信的门禁语音通话系统的上下行链路均使用1W普通白光LED，采用开关键控-非归零码(OOK-NRZ)调制方式。
如图2所示，所述LED驱动电路中，来自单片机的音频数据通过跨导放大电路放大并转换成电流信号，通过Bias-T叠加直流后加载到LED灯上。LED的发散角一般较大，在LED灯前端加距离可调的准直透镜，调节光线的发散角度，以便用于不同距离的照明和通信。
优选地，所述PD光敏管是接收面积为5mm×5mm，的PD光敏管。PD光敏管面积越大接收的光功率越大，但响应带宽会越小。PD光敏管前端加面积较大的非球面准直透镜增大接收光功率。PD光敏管将光信号转换成电流信号输出，目前的可见光PD光敏管响应灵敏度峰值大多在红光波段，所述PD光敏管灵敏度在LED光谱峰值450nm处不到0.3A\W。当通信距离较远时，PD光敏管接收的光功率较小，因此输出的电流信号很小，一般只有几×10mA。
为了进行后续的数据处理，需要对PD光敏管输出的电流进行放大。
如图3所示，所述光接收电路中，第1级的低噪跨阻放大器将电流信号转换成电压信号，再经过第2级电压放大器后电压幅度可达到2～3V，经电压比较器后输出3.3V的TTL信号，输入到单片机进行处理。
如图4所示，所述音频编码解码器是一款低功耗、高保真和体积小的WM8960音频编解码器，其集成了麦克风、耳机接口和放大器，因此大大减少了外部电路元器件的数量和电路体积。麦克风输入的模拟音频数据经24bit的ADC采样后进行音频编码，解码后的数据经过24bit的DAC后输出到耳机或扬声器。系统中，编解码器通过数字接口传输音频数据，通过控制接口接收控制数据。该编码器的采样率可以设置为8～48kHz，左、右声道的数据均为16bit，因此语音信号的速率为256～1536kbit/s，当通信速率大于1536kbit/s时就能保证清晰的语音传输。
所述基于光通信的门禁语音通话系统采用强度调制和直接检测(IM/DD)，即LED发射光功率随传输信号变化，接收端的光电探测器件，如光电二极管(PD)、雪崩二极管(APD)和摄像镜头等，接收强弱变化的光强并转化成电流信号。由于当收发端之间存在直射链路时，直射链路功率占总接收功率的97.6％，当通信终端的PD位于LED光源之后时，几乎可以忽略发送端光线对自身接收端的干扰影响。因此，上下行链路均使用白光LED进行通信。
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 (5)

1.一种太阳能LED光控门禁语音播报装置，其特征在于，包括；中央处理器、现场可编程门阵列电路、可见光传输链路、主控制器、音频编码解码器、音频输入输出端、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述可见光传输链路包括LED驱动电路、LED灯、透镜、PD光敏管和光接收电路；所述主控制器是单片机，用于控制所述音频编码解码器进行语音数据的采集和压缩编码，并将采集数据通过串口发送到LED驱动电路，所述LED驱动电路根据指令发出通断信号；光接收电路控制所述PD光敏管接收光信号并输送到所述主控制器，所述主控制器将接收的数据发送给所述音频编码解码器进行解码输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于光通信的门禁语音系统，其特征在于，所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
3.根据权利要求2所述的一种基于光通信的门禁语音系统，其特征在于，所述LED驱动电路中，来自单片机的音频数据通过跨导放大电路放大并转换成电流信号，通过Bias-T叠加直流后加载到LED灯上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光通信的门禁语音系统，其特征在于，
所述PD光敏管是接收面积为5mm×5mm，的PD光敏管；所述PD光敏管灵敏度在LED光谱峰值450nm处不到0.3A\W。
5.根据权利要求4所述的一种基于光通信的门禁语音系统，其特征在于，所述光接收电路中，第1级的低噪跨阻放大器将电流信号转换成电压信号，再经过第2级电压放大器后电压幅度可达到2～3V，经电压比较器后输出3.3V的TTL信号，输入到单片机进行处理。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106193892A (zh) * 2016-07-21 2016-12-07 太仓史瑞克工业设计有限公司 一种由单片机控制的智能家居推拉门

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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