CN106091257A - 一种多网融合远程光控的智能净化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多网融合远程光控的智能净化器，包括智能净化器、光探测器、多个网络用具、中央处理器、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯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。所述光探测器用于将网络信号转换为LED光信号，所述多个网络用具上分别设置有光检测模块，用于接收所述LED光信号。所述基于可见光通信的家庭网络系统能够简化通信光源布线，将可见光通信技术、电力线载波通信技术融合现有家庭网络。

Description

一种多网融合远程光控的智能净化器

技术领域

本发明涉及家庭网络技术领域，尤其是一种基于可见光光通信的家庭网络系统。

背景技术

太阳能（solar energy），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，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，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。

LED灯具有亮度高、寿命长、性能稳定、节省能源等优点，它将成为下一代的照明工具。由于的高灵敏度和线性调制特性，因此照明系统具有传输信号的能力。与传统的红外和无线电通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和室内不会出现数据泄漏等优点。照明灯无线通信能够在照明的同时实现通信功能，既节能又减少了重复投资，因此，可见光通信系统具有显著的研究意义和较大的发展前景，已被公认为一种新兴的短距离高速无线通信系统。

家庭网络（Home Network）是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭范围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安（监控）装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互连和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统。涉及到了电信、家电、IT等行业。同时，家庭网络系统是现代智能家居的基础。

发明内容

本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种能够简化通信光源布线，将可见光通信技术、电力线载波通信技术融合现有家庭网络的基于可见光通信的家庭网络系统。

为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：

包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路、智能净化器、光探测器、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路、多个网络用具；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；

所述智能净化器包括微控制器、加湿器开关以及光接收模块，所述光接收模块从LED灯组中接收LED通信信号，对所述LED通信信号处理后获得控制指令，并将所述控制指令输送到微控制器，所述微控制器根据所述控制指令生成加湿器开关的执行指令，所述加湿器开关是电磁继电器，所述电磁继电器与加湿器的加湿装置连接；

所述智能净化器还包括水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器、声光报警器以及显示电路，当所述智能净化器根据控制指令开始工作时，微控制器向所述水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器发出执行指令，获得加湿器内的水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号，微处理器对所述水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号进行放大、测量、A/D包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

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，其中，所述智能净化器通过宽带接入装置与外部网络连接，然后与个人消费终端连接；所述智能净化器还设置有备用接口，用于各种扩展应用的安装与连接；所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；

所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；

所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；所述光探测器通过电力线通信PLC与智能净化器连接，用于将网络信号转换为LED光信号，所述多个网络用具上分别设置有光检测模块，用于接收所述LED光信号；LED和处在其照射范围内的多个网络用具组成封闭的单向通信单元；所述各个通信单元通过电力线通信PLC总线与智能净化器互联，实现相互独立的双向通信。

可选的，所述网络用具或LED也可以通过备用接口连接至其他控制设备。因此，该系统可以方便地嵌入到其他网络中，构建分布式网络大系统。

家庭网关既要实现内部设备之间的互联，又要通过各种接口连接外网，实现信息的交互和共享。因此，家庭网关是整个网络系统的控制中心。家庭网关需具有易于操作的人机交互接口，同时设备要有小巧、低功耗、安装 方便等特点。

所发送密钥为 TTL 电平信号，即+5V 表示高电平“1”，0V 表示低电平“0”；基于TTL 信号电平特点，选用低成本、小体积 PNP 型贴片三极管 S8550 及其相关外围器件，构成了LED驱动电路；光钥匙是基于单片机 STC12C2052AD 设计的一种发送端；光钥匙可以发送不同的密钥，所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。

所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

所述微控制器是采用AT89C52单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。

所述光探测器包括电力线通信PLC模块、微控制器模块、AC/DC恒流驱动模块；所述LED采用串联的方式连接，所述微控制器模块用于桥接电力线通信PLC和 可见光通信VLC；所述AC/DC恒流驱动模块构成离线反激式恒流源驱动电路，实现350mA的恒定电流输出；电光信号的转换通过开关管快速通断LED灯实现。

所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。

所述调制方式是OOK 调制方式；OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，“亮”状态用“1”表示，“灭”状态用“0”表示，

所述发射模块采用白光 LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到 4W，束散角为5.3o。

所述接收端采用 CCD相机接收，以 100fps 为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100 张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。

所述光接收天线是一组光学镜头，与 CCD 相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。

所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对 LED 发来的信号光的采集处理。该程序以 MFC 为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。

所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T ，保护间隔2T ；速率识别码发送时间3T ；保护间隔4T ；数据同步时间；最后进行数据传输。

所述远距离可见光通信系统具体包括：

调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如 OOK 调制、PPM 调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的 51 单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择 FPGA等。

LED 驱动，用于将电信号转化为光信号。LED 驱动模块用于完成对LED 光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到 LED 光源上。如 51 单片机，其触发方式是 TTL 触发，完成对 LED 光源驱动。

LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，选择阵列形式 LED 光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。

LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。

大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。

相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和 CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。

CCD 相机，CCD 是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。

CCD 相机需能够匹配光源的速率， CCD 相机能够完成高帧频采集。CCD 相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。

成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。

所述多个网络用具是系统的终端设备，包括光电转换模块和控制模块；所述光电转换模块包括前置放大器、滤波器、放大器以及锁相放大器；用于将探测器输出的光电流转换为电压信号；所述控制模块输出各种简单或者复杂的控制信号，具有继电器、串行接口、开关阵列、USB、IR红外线多个输出端口。

该发明的有益效果：

应用人工智能专家系统、知识工程、模式识别、人工神经网络等方法和技术,进行智能化、集成化、协调化、设计和实现的新一代的计算机管理系统。WIFI容易被电磁干扰，传输的方向不可控，密码容易被截获。然而可见光通信是一种点对点的传输模式，具有保密性好的优点。

利用紫外线对室内空气进行杀菌与消毒的产品，采用运动传感器和化学传感器两个传感器数据采集模块的集成设计，使得本空气净化器具有自动采集与自动调整工作状态的功能，实现了产品的智能化、节能性与环保的特点。另外远程控制技术与可见光通信技术的结合，实现了对空气净化器的远程设置和开启关闭，使得空气净化器实现了远程智能控制，并且与照明系统结合，实现了无线通信，获得美观、简洁的用户体验。

另外，智能净化器能够通过远程控制，用户可以在回家之前启动智能净化器，改善室内空气湿度，在离开家以后关闭，即使忘记出门之前关闭智能净化器，也可以通过手机发出控制指令，关闭智能净化器，这样能够合理规划智能净化器的使用时间，延迟使用寿命以及节约能源。

光钥匙和智能移动终端相结合，可以很好的运用Android系统开发手机AAP光密钥软件，Android系统是基于 Linux 的一个开源的操作系统，主要是使用在移动终端（手机和平板）中。Android系统和其他的系统平台相比，有很大的优势。它的优势最主要的体现在它的开放性。Android系统是完全开源的系统，所有的爱好者和厂商都可以参与到 Android系统的开发中来，这就为 Android 系统的发展打下了很好基础。Android 系统已经成为了全球装机量第一大的系统。Android 系统的另一大优势就是基于谷歌公司的平台，谷歌公司的地图、搜索、邮箱等服务产品，能够无缝的应用到 Andriod 系统中去。

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。

本发明的基于可见光通信的家庭网络系统，同时运用了可见光通信和电力线载波PLC通信。将室内可见光通信引入家庭网络, 给家庭网络系统引入了一种新的通信方式。同时, 可见光通信与电力线载波PLC通信相结合, 可以避免白光LED 复杂的布线问题。可见光通信嵌入到家庭网络中, 推动了可见光通信的发展和应用, 具有巨大的市场前景。

家庭网关既要实现内部设备之间的互联，又要通过各种接口连接外网，实现信息的交互和共享。因此，家庭网关是整个网络系统的控制中心。家庭网关需具有易于操作的人机交互接口，同时设备要有小巧、低功耗、安装 方便等特点。

附图说明

图1是本发明的家庭网络系统框图；

图2是智能净化器结构示意图；

图3是LED驱动模块结构示意图；

图4是网络用具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种多网融合远程光控的智能净化器作进一步详尽描述：

如图1所示，一种多网融合远程光控的智能净化器，包括智能净化器、光探测器、多个网络用具、中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路；

所述智能净化器包括微控制器、加湿器开关以及光接收模块，所述光接收模块从LED灯组中接收LED通信信号，对所述LED通信信号处理后获得控制指令，并将所述控制指令输送到微控制器，所述微控制器根据所述控制指令生成加湿器开关的执行指令，所述加湿器开关是电磁继电器，所述电磁继电器与加湿器的加湿装置连接；

所述智能净化器还包括水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器、声光报警器以及显示电路，当所述智能净化器根据控制指令开始工作时，微控制器向所述水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器发出执行指令，获得加湿器内的水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号，微处理器对所述水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号进行放大、测量、A/D包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

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；其中，所述智能净化器通过宽带接入装置与外部网络连接，然后与个人消费终端连接，如个人电脑、手机等；所述智能净化器还设置有备用接口，用于各种扩展应用的安装与连接；所述手中央处理器连接光钥匙模块；所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；所述光探测器通过电力线通信PLC与智能净化器连接，用于将网络信号转换为LED光信号，所述多个网络用具上分别设置有光检测模块，用于接收所述LED光信号；LED和处在其照射范围内的多个网络用具组成封闭的单向通信单元；所述各个通信单元通过电力线通信PLC总线与智能净化器互联，实现相互独立的双向通信。

优选地，所述网络用具或LED也可以通过备用接口连接至其他控制设备。因此，该系统可以方便地嵌入到其他网络中，构建分布式网络大系统。

所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

所述微控制器是采用单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。

所述温度传感器是DS18B20传感器，DS18B20传感器具有一线接口， 使用简单方便， 在实际使用中无需外部元件， 直接利用数据总线供电， 测量温度范围较大。因此， 使用范围较广， 用途较大。

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。

所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。

所述调制方式是OOK 调制方式；OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，“亮”状态用“1”表示，“灭”状态用“0”表示，

所述发射模块采用白光 LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到 4W，束散角为5.3o。

所述接收端采用 CCD相机接收，以 100fps 为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100 张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。

所述光接收天线是一组光学镜头，与 CCD 相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。

所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对 LED 发来的信号光的采集处理。该程序以 MFC 为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。

所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T ，保护间隔2T ；速率识别码发送时间3T ；保护间隔4T ；数据同步时间；最后进行数据传输。

所述远距离可见光通信系统具体包括：

调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如 OOK 调制、PPM 调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的 51 单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择 FPGA等。

LED 驱动，用于将电信号转化为光信号。LED 驱动模块用于完成对LED 光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到 LED 光源上。如 51 单片机，其触发方式是 TTL 触发，完成对 LED 光源驱动。

LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，选择阵列形式 LED 光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。

LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。

大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。

相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和 CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。

CCD 相机，CCD 是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。

CCD 相机需能够匹配光源的速率， CCD 相机能够完成高帧频采集。CCD 相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。

成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。

如图2所示，所述智能净化器包括中央处理器及其最小外围电路、电力线通信PLC模块、显示器、触摸模块以及外围接口；所述外围接口包括供电接口、JTAG接口、以太网接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口；所述触摸模块包括触摸面板和A/D转换器，所述中央处理器连接A/D转换器之后与触摸面板连接；所述中央处理器还连接有EEPROM存储器、SDROM存储器、NORflash闪存；所述中央处理器通过总线缓存器与显示模块连接，所述显示模块包括显示控制器、显示器、NANDflash闪存以VRAM存储器。所述RS485接口与电力线通信PLC模块连接，所述电力线通信PLC模块包括单片机和调制解调器。

其中，中央处理器采用Atmel公司的ARM9微处理器AT91RM9200,它基于ARM920T内核，带有内存管理单元，可方便地嵌入各 种主流的嵌入式操作系统。PLC模块采用PL2102实现，它具有I2C控制接口，这里在PL2102和 AT91RM9200之间嵌入了 AT89C2051，实现 I2C接口到串口的桥接，以简化软件设计的复杂度。外围接口包括10M/100M以太网接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口。其中无线宽带接入采用带有USB接口的Wi-Fi模块实现。以AT91RM9200芯片为核心的嵌入式硬件系统具有很强的可扩展性，还可以方便地扩展其他各种接口，如蓝牙、Zigbee、GPRS等。

家庭网关既要实现内部设备之间的互联，又要通过各种接口连接外网，实现信息的交互和共享。因此，家庭网关是整个网络系统的控制中心。家庭网关需具有易于操作的人机交互接口，同时设备要有小巧、低功耗、安装 方便等特点。

如图3所示，所述光探测器包括电力线通信PLC模块、微控制器模块、AC/DC恒流驱动模块；所述LED采用串联的方式连接，所述微控制器模块用于桥接电力线通信PLC和 可见光通信VLC；所述AC/DC恒流驱动模块构成离线反激式恒流源驱动电路，实现350mA的恒定电流输出；电光信号的转换通过开关管快速通断LED灯实现。

所述LED驱动的设计要考虑的主要因素有白光 LED整体的电流电压特性、安全性、效率、功能以及其他灯具标准要求等。所述微控制器采用德州仪器公司的 MSP430F149芯片，它的主要功能在于桥接PLC和 VLC。AC/DC部分采用安森美半导体公司的NCP1351芯片，构成离线反激式恒流源驱动电路，实现350mA的 恒定电流输出。电光信号的转换通过开关管IRF510快速通断LED灯实现。

如图4所示，所述多个网络用具是系统的终端设备，包括光电转换模块和控制模块；所述光电转换模块包括前置放大器、滤波器、放大器以及锁相放大器；用于将探测器输出的光电流转换为电压信号；所述控制模块输出各种简单或者复杂的控制信号，具有继电器、串行接口、开关阵列、USB、IR红外线多个输出端口。所述光电转换模块是接收可见光信号的关键，要求有很高的增益和噪声抑制能力。其中前置放大器采用宽带低噪声运放OPA656构成跨阻前置放大器，将探测器输出的光电流转换为电压信号。控制模块输出各种简单或者复杂的控制信号，可以控制空调、冰箱、音响、微波炉等家用电器和 其他设备。

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 (6)

1.一种多网融合远程光控的智能净化器，其特征在于，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路、智能净化器、光探测器、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路、多个网络用具；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；

所述智能净化器包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

2.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，其中，所述智能净化器通过宽带接入装置与外部网络连接，然后与个人消费终端连接；所述智能净化器还设置有备用接口，用于各种扩展应用的安装与连接；所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；

所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；

所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；所述光探测器通过电力线通信PLC与智能净化器连接，用于将网络信号转换为LED光信号，所述多个网络用具上分别设置有光检测模块，用于接收所述LED光信号；LED和处在其照射范围内的多个网络用具组成封闭的单向通信单元；所述各个通信单元通过电力线通信PLC总线与智能净化器互联，实现相互独立的双向通信。

3.根据权利要求1所述的一种多网融合远程光控的智能净化器，其特征在于，所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频100fps 以上、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收；所述充电插口设置于闭合门的侧端。

4.根据权利要求1所述的一种多网融合远程光控的智能净化器，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；所发送密钥为 TTL 电平信号，即+5V 表示高电平“1”，0V 表示低电平“0”；基于 TTL 信号电平特点，选用低成本、小体积 PNP 型贴片三极管 S8550 及其相关外围器件，构成了LED驱动电路；光钥匙是基于单片机STC12C2052AD 设计的一种发送端；光钥匙可以发送不同的密钥，所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。

5.根据权利要求2所述的一种多网融合远程光控的智能净化器，其特征在于，所述智能净化器包括中央处理器及其最小外围电路、电力线通信PLC模块、显示器、触摸模块以及外围接口；所述外围接口包括供电接口、JTAG接口、以太网接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口；所述触摸模块包括触摸面板和A/D转换器，所述中央处理器连接A/D转换器之后与触摸面板连接；所述中央处理器还连接有EEPROM存储器、SDROM存储器、NORflash闪存；所述中央处理器通过总线缓存器与显示模块连接，所述显示模块包括显示控制器、显示器、NANDflash闪存以VRAM存储器；所述RS485接口与电力线通信PLC模块连接，所述电力线通信PLC模块包括单片机和调制解调器。

6.所述光探测器包括电力线通信PLC模块、微控制器模块、AC/DC恒流驱动模块；所述LED采用串联的方式连接，所述微控制器模块用于桥接电力线通信PLC和 可见光通信VLC；所述AC/DC恒流驱动模块构成离线反激式恒流源驱动电路，实现350mA的恒定电流输出；电光信号的转换通过开关管快速通断LED灯实现；

所述多个网络用具是系统的终端设备，包括光电转换模块和控制模块；所述光电转换模块包括前置放大器、滤波器、放大器以及锁相放大器；用于将探测器输出的光电流转换为电压信号；所述控制模块输出各种简单或者复杂的控制信号，具有继电器、串行接口、开关阵列、USB、IR红外线多个输出端口。