CN106549709A - 基于光照时间的水下led无线光通信系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下光通信和水下机器人领域，旨在提供一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统及其应用。该系统包括发射系统和接收系统；发射系统包括LED灯、LED灯的驱动电路，以及能够控制LED灯开闭及发光时长的控制器模块；接收系统包括透镜、光接收模块、信号处理及输出电路，光接收模块通过导线连接信号处理及输出电路，光接收模块位于透镜的光束准直焦点位置。本发明可通过智能手机设备在软件程序中调用系统的摄像组件来实现LED的开闭，调用系统的时钟组件给不同的按键设定时间长短，从而实现不同的光照时间。使用廉价的LED替代昂贵的激光作为光源，降低了成本体积，解决了激光瞄准困难等不足问题。

Description

基于光照时间的水下LED无线光通信系统及其应用

技术领域

本发明是关于水下光通信和水下机器人领域，特别涉及一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统及其应用。

背景技术

目前水下通信的主要手段多采用极低频或甚低频的声波通信，但存在带宽窄、传输速率低、易受攻击、隐蔽性差等缺点。而水下无线光通信系统的通信带宽更高，信号传播速度快以及能源效率更好，抗干扰和隐蔽性也有显著的提高。但由于光在海水会发生吸收和散射等情况，光的损耗很大，在通信距离上远不如现行的声波通信系统。然而，在水下短距离通信中，水下无线光通信得到了充分的重视和迅速的发展。

水下无线光通信主要包括水下无线激光通信和水下LED无线光通信。

1963年，Dimtley等人发现海水在450至550nm波段内蓝绿光的衰减比其他光波段的衰减要小，所以使用蓝绿激光进行水下通信引起了人们的重视。

水下无线激光通信主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。信号经过调制，由激光器激发携带信息的光信号，光信号通过光学投射系统和光束控制器投射到平台窗口，再由平台窗口进入水体介质。在接收机部分，光信号通过平台窗口进入光学收集系统，光电二极管将收到的光信号转换为电信号，信号再经过信号处理器和解调器进行后端处理，还原出发送端的信息。水下激光通信具有传输速率高、信息量大、抗电磁干扰能力强、以及保密性好等优势，但是存在着传输距离短、瞄准困难以及体积成本都较大等不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统及其应用。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统，包括发射系统和接收系统；所述发射系统包括LED灯、LED灯的驱动电路，以及能够控制LED灯开闭及发光时长的控制器模块；所述接收系统包括透镜、光接收模块、信号处理及输出电路，光接收模块通过导线连接信号处理及输出电路，光接收模块位于透镜的光束准直焦点位置。

本发明中，所述发射系统是带有闪光灯的智能手机；所述LED灯是指智能手机的闪光灯，所述控制器模块是一个软件模块，能够通过调用智能手机系统的摄像头组件来控制闪光灯的开闭，通过调用智能手机系统的时钟组件来控制光照时间的长短。

本发明中，所述透镜是光学塑料片材质的菲涅耳透镜，有聚光功能。

本发明中，所述信号处理及输出电路中包括单片机STC90C516RD+芯片和XPT2046芯片，能对光接收模块接收到的信噪比不符合要求的电信号进行放大、滤波和整形后实现输出；所述XPT2046芯片是一款4导线制触摸屏控制器，内含一个逐步逼近型A/D转换器。

本发明进一步提供了所述基于光照时间的水下LED无线光通信系统在水下机器人姿态调整中的应用，具体包括：

在水下机器人中设置所述接收系统，接收系统的信号处理及输出电路通过导线分别接至舵机、一号水泵和二号水泵；其中，舵机用于实现前进方向控制，一号水泵用于实现水下机器人在水平方向的前进和停止运动，二号水泵用于实现水下机器人在垂直方向上浮和下潜运动；

当接收系统的光接收模块接收到强度超过设定阈值的光照时，其DO口输出低电平，同时计算其连续输出低电平的时间，该时间用temp值来具体表示；判断temp值在哪个设定范围，就执行该设定范围对应的动作；所述动作包括：重置参数、摆动舵机、启闭一号水泵、启闭二号水泵。

本发明中，所述舵机由信号处理及输出电路传送的脉冲宽度调制信号进行控制。

发明原理描述：

本发明利用LED灯高速点灭的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上来传输信息和指令。本发明中的控制器模块是一个软件功能模块，是用于水下机器人姿态调整的控制程序。该程序的控制通过LED灯的开闭和光照时间长短所包含的信息实现。光信号通过水下信道由设置于水下机器人中的光接收模块接受并经信号处理及输出电路处理后，控制舵机、一号水泵和二号水泵的动作，进而实现水下机器人的运动，包括前进停止、上浮下沉、左转右转。

光接收模块是光敏电阻模块，该模块在无光条件下或者光照强度达不到给定阈值时，DO口输出高电平，当外界环境光照强度超过给定阈值时，DO口输出低电平，其中给定阈值通过电位器就行调节。

在水下短距离通信中，LED可以代替激光作为光源，LED光源不仅体积较小成本较低，而且具有不受外界电磁波干扰、响应灵敏度高、发光效率高、能耗低、调制性能好、以及易于瞄准等优点。相比于常规的水下光通信系统，本发明具有系统结构简单，极低的误信率等优势。水下LED无线光通信系统的发射系统包括LED灯、LED灯的驱动电路，以及能够控制LED灯开闭及发光时长的控制器模块；该发射系统的控制器模块可用通过现有电子控制技术自行搭建硬件形式的控制器，也可以利用智能手机的内置软件实现软件功能模块控制的方式，从而更便利地实现发明目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明巧妙地使用了智能手机设备的一些优势，通过软件的方式，在程序中调用系统的摄像组件来实现LED的开闭，调用系统的时钟组件给不同的按键设定时间长短，从而实现不同的光照时间。

2、本发明使用廉价的LED替代昂贵的激光作为光源，一方面，大大地降低了成本体积，另一方面，也解决了激光瞄准困难等不足问题。

附图说明

图1为本发明实例的水下LED无线光通信系统的示意图；

图2为本发明实例手机控制系统的结构示意图；

图3为本发明实例控制器模块的程序流程图；

图4为本发明实例水下机器人系统的结构示意图。

图中的附图标记为：1手机控制系统；2水下机器人系统；11智能手机硬件；12控制器模块；21菲涅耳透镜；22光接收模块；23信号处理及输出电路。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及控制和通信技术，是计算机技术在自动控制技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于控制器模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，提供一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统，该通信系统传输的是控制信号，包括手机控制系统1、水下机器人系统2。

如图2所示，所述的手机控制系统包括智能手机硬件11和控制器模块12。

所述的智能手机硬件11是一个带LED闪光灯的智能手机设备，主要的作用就是产生LED光。通过内置的控制器模块12(可以是软件APP形式)调用系统的摄像头组件来控制闪光灯的开闭，通过调用系统的时钟组件来控制光照时间的长短。

所述的控制器模块12是一个水下机器人姿态调整的控制程序，该程序的功能是实现水下机器人的运动，包括前进停止、上浮下沉、左转右转。当光敏电阻模块接收到强度超过设定阈值的光照时，其DO口输出低电平，计算其连续输出低电平的时间，该时间用temp值来具体表示。判断这个数值在哪个范围，就执行其范围对应的程序段，即重置、舵机、一号水泵、二号水泵。

如图3所示，所述的重置程序段的功能是重置单片机里的参数，使水下机器人里的设备停止运行；所述的舵机程序段的功能是来控制舵机转向，舵机由脉冲宽度调制(PWM)信号控制，设定参数使舵机能够从初始位置分别向两边转动相同的角度；所述的一号水泵程序段的功能是完成水下机器人水平方向前进和停止运动；所述的二号水泵程序段的功能是完成水下机器人垂直方向上浮和下潜运动。

如图4所示，所述的水下机器人系统包括菲涅耳透镜21、光接收模块22、信号处理及输出电路23组成。

为了使光接收模块22接收到更大的光照强度，在光接收模块22上方放置一块菲涅耳透镜21。所述的菲涅耳透镜21是一块轻薄的光学塑料片，具有聚光镜效果，其中透镜21与光接收模块22之间的间距为焦距。菲涅耳透镜21有成本低、重量轻、厚度薄等优点，适合用于水下机器人场合。

所述的光接收模块22是光敏电阻模块，它能将已调制光束转换为微弱的电信号，该模块在无光条件下或者光照强度达不到给定阈值时，DO口输出高电平，当外界环境光照强度超过给定阈值时，DO口输出低电平，其中给定阈值通过电位器就行调节。

在本发明中，所述的信号处理及输出电路23采用单片机STC90C516RD+芯片与XPT2046芯片，经过光接收模块22的电信号受信道噪声和电路噪声较大的影响，信号处理及输出电路23就是对这些信噪比不理想的电信号进行适当的放大、滤波、整形、并输出。

在本发明中，所述的XPT2046芯片是一款4导线制触摸屏控制器，内含一个逐步逼近型A/D转换器。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光照时间的水下LED无线光通信系统，包括发射系统和接收系统；其特征在于，所述发射系统包括LED灯、LED灯的驱动电路，以及能够控制LED灯开闭及发光时长的控制器模块；所述接收系统包括透镜、光接收模块、信号处理及输出电路，光接收模块通过导线连接信号处理及输出电路，光接收模块位于透镜的光束准直焦点位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射系统是带有闪光灯的智能手机；所述LED灯是指智能手机的闪光灯，所述控制器模块是一个软件模块，能够通过调用智能手机系统的摄像头组件来控制闪光灯的开闭，通过调用智能手机系统的时钟组件来控制光照时间的长短。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜是光学塑料片材质的菲涅耳透镜，有聚光功能。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理及输出电路中包括单片机STC90C516RD+芯片和XPT2046芯片，能对光接收模块接收到的信噪比不符合要求的电信号进行放大、滤波和整形后实现输出；所述XPT2046芯片是一款4导线制触摸屏控制器，内含一个逐步逼近型A/D转换器。

5.权利要求1所述基于光照时间的水下LED无线光通信系统在水下机器人姿态调整中的应用，其特征在于，具体包括：

在水下机器人中设置所述接收系统，接收系统的信号处理及输出电路通过导线分别接至舵机、一号水泵和二号水泵；其中，舵机用于实现前进方向控制，一号水泵用于实现水下机器人在水平方向的前进和停止运动，二号水泵用于实现水下机器人在垂直方向上浮和下潜运动；

当接收系统的光接收模块接收到强度超过设定阈值的光照时，其DO口输出低电平，同时计算其连续输出低电平的时间，该时间用temp值来具体表示；判断temp值在哪个设定范围，就执行该设定范围对应的动作；所述动作包括：重置参数、摆动舵机、启闭一号水泵、启闭二号水泵。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述舵机由信号处理及输出电路传送的脉冲宽度调制信号进行控制。