CN110995347B - 一种适合于道路交通安全中使用的led可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，属于LED可见光无线通信和智慧交通的交叉学科领域，包括架设交通信号灯上的可见光通信发射器和安装在车辆上的可见光通信接收器，所述的可见光通信发射器通过光学无线信道将信号传递给可见光通信接收器；本发明的有益效果是：最大限度地复用现有的交通基础设施中的红黄绿交通信号灯光源，在现有的交通信号灯上增加了可见光无线光通信功能，提供了一个低成本广播交通信息使得交通流畅通。行驶车辆上安装的可见光通信系统中的双接收器方案可以有效地拒绝环境光，提高环境中的光学噪声信噪比，能够在白天获得更大的通信距离和可接收到的信息量。

Description

一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统
技术领域
本发明涉及一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，属于LED可见光无线通信和智慧交通的交叉学科领域，使用可见光通信技术替代现有的智慧交通系统中基础设施到车辆的无线电交通信息广播通信技术。
背景技术
随着人口的快速增长和经济的迅速发展，道路上行驶车辆数目也迅速增长，人们期望使用车辆出行时能够在无危险的道路和实时获取准确的畅通交通信息情况下行驶。此外，因交通信息不能实时传播到车辆驾驶人员而造成道路上的交通事故和交通堵塞现象已经成为社会风险，甚至会招致大量的意外事故和人员的伤害与死亡，进而导致社会运营效率低的现象。人们为了解决这些问题而开展了各种能成功实现智慧交通系统研究。
发展智慧交通系统的最终目的之一是在利用现有的交通基础设施的基础上，有效地实现道路上行驶车辆的驾驶人员和交通管理部门之间的实时广播交通信息和紧急信息交流，目前使用的以射频技术为基础的无线通信技术（如移动电话单元或者卫星电话服务，Wi-Fi，蓝牙等）在高密度车辆流的交通中会出现信号之间互相干扰而给车辆的安全行驶带来隐患的现象。LED可见光无线通信技术是近年来发展起来的大容量高速且廉价的无线光通信技术，如果LED可见光无线光通信技术引入到智慧交通系统中，现有的交通基础设施中的LED交通灯和LED信息显示牌等都可以容易地作为智慧交通系统中的信号发射器使用，因此，在智慧交通系统中使用LED可见光无线通信技术是一个低成本而高效率的交通信息广播和信息交流系统，是智慧交通系统中路边交通信号灯与车辆驾驶人员之间的信息交流最有效的解决方案，对于实现畅通而安全的交通流具有巨大的促进作用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，以实现交通信息的实时广播和紧急信息的交流。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：包括架设交通信号灯上的可见光通信发射器和安装在车辆上的可见光通信接收器，所述的可见光通信发射器通过光学无线信道将信号传递给可见光通信接收器；
所述的可见光通信发射器包括将交通管理中心实时获取的交通信号实时转换成数字信号的模数转换模块、调制器模块、时钟与同步模块、电源与交通信号控制模块、输出驱动模块和LED阵列组成的交通信号灯，所述的模数转换模块与调制器模块连接，调制器模块的输出端与输出驱动器模块连接，时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，电源与交通信号控制模块的输出端与输出驱动器模块连接，输出驱动器模块的输出端与LED阵列信号灯连接；
所述的可见光通信接收器包括带通滤光器、宽视场聚光器、光电探测器、前置放大器模块、选择性组合电路模数转换模块、解调器模块、时钟与同步模块和交通信息输出与显示模块；带通滤光器紧贴宽视场聚光器表面，宽视场聚光器的聚焦面放置光电探测器，光电探测器的输出端与前置放大器模块连接，前置放大器的输出端与选择性组合电路模数转换模块连接，选择性组合电路模数转换模块的输出端与解调器模块连接，时钟与同步模块的输出端与择性组合电路模数转换模块连接，解调器模块的输出端与交通信息输出与显示模块连接。
所述的模数转换模块将交通管理中心实时获取的交通信号信息转换成数字交通信号通过输出端送给调制器模块，交通管理中心实时获取的交通信号信息是由交通管理中心通过分散在各处的视频传感器和交通信息人员获取的实时交通状况信息。
所述的调制器模块将模数转换模块送来的数字交通信号按照光无线通信方式进行调制，并将调制过的数字交通信号在时钟与同步模块的控制下送给输出驱动模块；所述的时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，将时钟与同步控制信号同时送给调制器模块和电源与交通信号控制模块；所述的电源与交通信号控制模块在时钟与同步控制信号的控制下为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需的电能。
所述的输出驱动器模块的输出端连接到LED阵列组成的交通信号灯，为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需电能的同时将调制后的数字交通信号加载到LED阵列组成的交通信号灯上。
所述的LED阵列组成的交通信号灯在交通信号和数字交通信号的控制下发出交通信号光和数字交通信号光。
所述的可见光通信接收器包括绿光和红黄光两个带通滤光器、两个宽视场聚光器、两个光电探测器与两个前置放大器模块，绿光和红黄光两个带通滤光器采用光学镀膜方法分别镀在两个宽视场聚光器的光学表面上，一个宽视场聚光器光学表面上镀上对绿光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器，另一个宽视场聚光器的表面上镀上对红黄光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器。绿光和红黄光两个波段的带通滤光器，在图3中分别用λG=λG1-λG2表示绿光带通滤光器和用λRY=λRY1-λRY2表示红黄光带通滤光器。
所述的车宽视场聚光器由光学玻璃或者光学树脂制成，采用光学设计后经光学加工形成宽视场聚光器，可以采中国的K9牌号玻璃或者BK7的国际牌号玻璃设计加工而成。
所述的光电探测器放置在宽视场聚光器的光学焦面上，其中一个光电探测器的光敏面对绿光敏感，放置于带有绿光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，另一个光电探测器的光敏面对红黄光波段敏感，放置于带有红黄光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，分别将接收的宽视场绿光聚光器的光信号和红黄光宽视场聚光器的光信号转变成相应的电信号，然后分别送给图3中的绿光前置放大器模块AG和红黄光前置放大器模块ARY，两个光电探测器的输出端分别连接到两个前置放大器模块的输入端，两个前置放大器模块分别为绿光信号的前置放大器模块AG和红黄光信号的前置放大器模块ARY。
所述的两个前置放大器模块将光电探测器输出的微弱电信号进行放大，其输出端连接到选择性组合电路模数转换模块的输入端；选择性组合电路模数转换模块在时钟与同步模块的脉冲信号控制下选择放大来自两个前置放大器的绿光信号和红黄光信号，并将其信号转换成数字信号，并将该数字信号送到解调器模块的输入端；时钟与同步模块利用输出脉冲信号控制选择性组合电路模数转换模块使选择性组合电路模数转换模块按照要求选择前置放大器的信号并将其转换成数字信号。
所述的解调器模块的输出端连接到交通信息输出与显示模块的输入端，将来自选择性组合电路模数转换模块的数字信号进行解调，并将解调信号送到交通信息输出与显示模块进行信息显示。
本发明的有益效果是：本发明最大限度地复用现有的交通基础设施中的红黄绿交通信号灯光源，在现有的交通信号灯上增加了可见光无线光通信功能，提供了一个低成本广播交通信息使得车辆驾驶人员及时了解交通流状况并及时调整车辆行驶路线，从而使得交通流畅通。本发明给出的行驶车辆上安装的可见光通信系统中的双接收器方案可以有效地拒绝环境光，提高环境中的光学噪声信噪比，能够在白天获得更大的通信距离和可接收到的信息量。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统模型示意图；
图2是本发明的发射器和接收器组成的通信体系原理框图；
图3是本发明的车载双接收器的结构原理框图；
图4是本发明的帧格式组成图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图即实时例子，对本发明进行进一步详细说明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文中所使用的所有技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例子的目的，不是在于限制本发明。
实施例如图1、图2和图3所示，一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：包括架设交通信号灯上的可见光通信发射器和安装在车辆上的可见光通信接收器，所述的可见光通信发射器通过光学无线信道将信号传递给可见光通信接收器；
所述的可见光通信发射器包括将交通管理中心实时获取的交通信号实时转换成数字信号的模数转换模块、调制器模块、时钟与同步模块、电源与交通信号控制模块、输出驱动模块和LED阵列组成的交通信号灯，所述的模数转换模块与调制器模块连接，调制器模块的输出端与输出驱动器模块连接，时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，电源与交通信号控制模块的输出端与输出驱动器模块连接，输出驱动器模块的输出端与LED阵列信号灯连接；
所述的可见光通信接收器包括带通滤光器、宽视场聚光器、光电探测器、前置放大器模块、选择性组合电路模数转换模块、解调器模块、时钟与同步模块和交通信息输出与显示模块；带通滤光器紧贴宽视场聚光器表面，宽视场聚光器的聚焦面放置光电探测器，光电探测器的输出端与前置放大器模块连接，前置放大器的输出端与选择性组合电路模数转换模块连接，选择性组合电路模数转换模块的输出端与解调器模块连接，时钟与同步模块的输出端与择性组合电路模数转换模块连接，解调器模块的输出端与交通信息输出与显示模块连接。
例如，应用现场可编程门阵列（FPGA, field programmable gate array）实现本发明中的可见光通信发射器和可见光通信接收器，采用的直接序列扩频技术调制方案；模数转换模块给出的数字编码信息可以是ASCII信息，调制后用LED阵列光源通过可见光信道发射信息，接收器上的光探测器将光脉冲转换成电脉冲，再经解调后再回复到最初的ASCII信息，采用具有序列反键控（SIK, sequence inverse keying）调制技术的直接顺序扩频调制技术，以增加系统高频调制的鲁棒性和抗干扰能力。
所述的模数转换模块将交通管理中心实时获取的交通信号信息转换成数字交通信号通过输出端送给调制器模块，交通管理中心实时获取的交通信号信息是由交通管理中心通过分散在各处的视频传感器和交通信息人员获取的实时交通状况信息；可以采用直接序列扩频通信技术，将交通管理中心发来的交通状况信息转换成ASCII数字信息。
所述的调制器模块将模数转换模块送来的数字交通信号按照光无线通信方式进行调制，并将调制过的数字交通信号在时钟与同步模块的控制下送给输出驱动模块；可采用直接序列扩频调制方案和ASSCII编码信息方法；直接顺序扩频技术是基于一个可编程上的芯片系统的概念，其是可以使用Xilinx设计工具结合IP核设计的，使用的最重要的IP核是：MicroBlaze 32-bit 微处理器，总线，时钟管理器，通用的异步收发器（UART）以及最终的在直接顺序扩频（DSSS）收发器与其余系统之间建立通信的通用输入输出（GPIO）。
所述的时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，将时钟与同步控制信号同时送给调制器模块和电源与交通信号控制模块；所述的电源与交通信号控制模块在时钟与同步控制信号的控制下为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需的电能。
所述的输出驱动器模块的输出端连接到LED阵列组成的交通信号灯，为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需电能的同时将调制后的数字交通信号加载到LED阵列组成的交通信号灯上。
所述的LED阵列组成的交通信号灯在交通信号和数字交通信号的控制下发出交通信号光和数字交通信号光。可以使用高亮度的LED阵列灯珠作为可见光通信系统中发射器中的光发射光源，并同时作为交通信号灯光源。
具体实施的见光通信发射器工作过程可以是如下过程：使得ASCII 信息通过UART终端并储存在MicroBlaze处理器的内存中，然后通过简单的握手协议，使用GPIO将数据转移到DSSS发射器核，在DSSS发射器核中消息被组合成图4所示的帧，然后，产生的帧被用顺序反键控（SIK）技术调制，它产生当帧数据位是“1”时产生伪随机（PN）码序列，而当帧数据位是“0”时将其补足。在所有这些工作过程中，时钟处理器模块产生以不同速率加到不同区块上的信号。
如图4所示帧格式组成，帧的数据区是： (i) 同步–包括一个允许接收器实现同步的序列，可以将其尺寸调节为到同步时间与帧开销之间的权衡；(ii) 数据头–指示帧中的数据尺寸；(iii) 校验和–由确保数据头被正确接收的接收器所使用；(iv)数据–由消息字符的ASCII 码组成；(v) 数据校验和–这个数据场可以启用或者禁用，并允许接收器校验数据场完整性。
伪随机PN码，其表征了过程增益和总的性能的复杂性，其作用是避免虚假捕获以及在DSSS接收器处信号衰减的非常好的相关特性；
本发明中的可见光通信系统接收器，其DSSS核的频率比发射器高10倍，是1MHz，这允许模拟-数字转换模块以5倍采样输出信号的每一位；
数据帧格式，其处理和解调过程为：如果数据头和校验字段被正确地接收，ASCII数据就通过GPIO到MicroBlaze微处理器，用以在PC终端上显示，否则的话，接收器损失同步并重新启动循环周期。
所述的可见光通信接收器包括绿光和红黄光两个带通滤光器、两个宽视场聚光器、两个光电探测器与两个前置放大器模块，绿光和红黄光两个带通滤光器采用光学镀膜方法分别镀在两个宽视场聚光器的光学表面上，一个宽视场聚光器光学表面上镀上对绿光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器，另一个宽视场聚光器的表面上镀上对红黄光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器。绿光和红黄光两个波段的带通滤光器，在图3中分别用λG=λG1-λG2表示绿光带通滤光器和用λRY=λRY1-λRY2表示红黄光带通滤光器。光学镀膜技术是在真空状态下的物理汽相沉积或者化学汽相沉积方法；光学薄膜设计可以采用现有的商业化光学薄膜设计软件进行。
所述的车宽视场聚光器由光学玻璃或者光学树脂制成，采用光学设计后经光学加工形成宽视场聚光器，可以采中国的K9牌号玻璃或者BK7的国际牌号玻璃设计加工而成。
所述的光电探测器放置在宽视场聚光器的光学焦面上，其中一个光电探测器的光敏面对绿光敏感，放置于带有绿光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，另一个光电探测器的光敏面对红黄光波段敏感，放置于带有红黄光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，分别将接收的宽视场绿光聚光器的光信号和红黄光宽视场聚光器的光信号转变成相应的电信号，然后分别送给图3中的绿光前置放大器模块AG和红黄光前置放大器模块ARY，两个光电探测器的输出端分别连接到两个前置放大器模块的输入端，两个前置放大器模块分别为绿光信号的前置放大器模块AG和红黄光信号的前置放大器模块ARY。光电探测器可以采用PIN二极管、雪崩二极管以及光电倍增管等高速光电探测器，也可以采用CCD或者CMOS图像传感器。
所述的两个前置放大器模块将光电探测器输出的微弱电信号进行放大，其输出端连接到选择性组合电路模数转换模块的输入端；选择性组合电路模数转换模块在时钟与同步模块的脉冲信号控制下选择放大来自两个前置放大器的绿光信号和红黄光信号，并将其信号转换成数字信号，并将该数字信号送到解调器模块的输入端；时钟与同步模块利用输出脉冲信号控制选择性组合电路模数转换模块使选择性组合电路模数转换模块按照要求选择前置放大器的信号并将其转换成数字信号。
所述的解调器模块的输出端连接到交通信息输出与显示模块的输入端，将来自选择性组合电路模数转换模块的数字信号进行解调，并将解调信号送到交通信息输出与显示模块进行信息显示。
显示模块可以采用液晶显示器，或者等离子体显示器件。
本发明采用国际上最先进的可见光通信技术实现智慧交通的有效方案，是智慧交通网的有机组成部分，对发展智能化交通服务系统具有重要的应用前景和发展意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例子而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：包括架设交通信号灯上的可见光通信发射器和安装在车辆上的可见光通信接收器，所述的可见光通信发射器通过光学无线信道将信号传递给可见光通信接收器；
所述的可见光通信发射器包括将交通管理中心实时获取的交通信号实时转换成数字信号的模数转换模块、调制器模块、时钟与同步模块、电源与交通信号控制模块、输出驱动模块和LED阵列组成的交通信号灯，所述的模数转换模块与调制器模块连接，调制器模块的输出端与输出驱动器模块连接，时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，电源与交通信号控制模块的输出端与输出驱动器模块连接，输出驱动器模块的输出端与LED阵列信号灯连接；
所述的可见光通信接收器包括带通滤光器、宽视场聚光器、光电探测器、前置放大器模块、选择性组合电路模数转换模块、解调器模块、时钟与同步模块和交通信息输出与显示模块；带通滤光器紧贴宽视场聚光器表面，宽视场聚光器的聚焦面放置光电探测器，光电探测器的输出端与前置放大器模块连接，前置放大器的输出端与选择性组合电路模数转换模块连接，选择性组合电路模数转换模块的输出端与解调器模块连接，时钟与同步模块的输出端与择性组合电路模数转换模块连接，解调器模块的输出端与交通信息输出与显示模块连接；
所述的可见光通信接收器包括绿光和红黄光两个带通滤光器、两个宽视场聚光器、两个光电探测器与两个前置放大器模块，绿光和红黄光两个带通滤光器采用光学镀膜方法分别镀在两个宽视场聚光器的光学表面上，一个宽视场聚光器光学表面上镀上对绿光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器，另一个宽视场聚光器的表面上镀上对红黄光透射而其他波段光不透射的光学带通滤光器。
2.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的模数转换模块将交通管理中心实时获取的交通信号信息转换成数字交通信号通过输出端送给调制器模块，交通管理中心实时获取的交通信号信息是由交通管理中心通过分散在各处的视频传感器和交通信息人员获取的实时交通状况信息。
3.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的调制器模块将模数转换模块送来的数字交通信号按照光无线通信方式进行调制，并将调制过的数字交通信号在时钟与同步模块的控制下送给输出驱动模块；所述的时钟与同步模块的输出端分别与调制器模块和电源与交通信号控制模块连接，将时钟与同步控制信号同时送给调制器模块和电源与交通信号控制模块；所述的电源与交通信号控制模块在时钟与同步控制信号的控制下为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需的电能。
4.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的输出驱动器模块的输出端连接到LED阵列组成的交通信号灯，为LED阵列组成的交通信号灯提供发光所需电能的同时将调制后的数字交通信号加载到LED阵列组成的交通信号灯上。
5.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的LED阵列组成的交通信号灯在交通信号和数字交通信号的控制下发出交通信号光和数字交通信号光。
6.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述宽视场聚光器由光学玻璃或者光学树脂制成，采用光学设计后经光学加工形成宽视场聚光器。
7.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的光电探测器放置在宽视场聚光器的光学焦面上，其中一个光电探测器的光敏面对绿光敏感，放置于带有绿光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，另一个光电探测器的光敏面对红黄光波段敏感，放置于带有红黄光带通滤光器的宽视场聚光器的光学焦面上，两个光电探测器的输出端分别连接到两个前置放大器模块的输入端。
8.根据权利要求7所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的两个前置放大器模块将光电探测器输出的微弱电信号进行放大，其输出端连接到选择性组合电路模数转换模块的输入端；选择性组合电路模数转换模块在时钟与同步模块的脉冲信号控制下选择放大来自两个前置放大器的信号并将其信号转换成数字信号，并将该数字信号送到解调器模块的输入端；时钟与同步模块利用输出脉冲信号控制选择性组合电路模数转换模块使选择性组合电路模数转换模块按照要求选择前置放大器的信号并将其转换成数字信号。
9.根据权利要求1所述的一种适合于道路交通安全中使用的LED可见光通信系统，其特征在于：所述的解调器模块的输出端连接到交通信息输出与显示模块的输入端，将来自选择性组合电路模数转换模块的数字信号进行解调，并将解调信号送到交通信息输出与显示模块进行信息显示。
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