CN114826401B - 基于太阳能电池板的可见光携能通信方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法、系统及装置，其中方法包括：利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号；从所述可见光接收信号中提取第一接收信号和第二接收信号；其中，所述第一接收信号用于为储能模块充电，所述储能模块输出供电信号；获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号获取稳压模块的输出；当状态信号为第二预设状态信号时，稳压模块输出第一稳压信号，通信模块开启。本发明提出一种新型的可见光携能通信方案，通过太阳能电池板同时实现通信和储能功能，满足能量自供给、储能和通信的自动循环运作要求，可广泛应用于可见光通信领域。

Description

基于太阳能电池板的可见光携能通信方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法、系统及装置。

背景技术

随着智能网络设备和物联网(IoT)技术、5G技术的不断发展，越来越多具有通信功能的设备接入互联网。传统通信设备往往面临高功耗、通信频段拥挤和设备可维护性差等缺点。为了解决大规模物联网中无线通信场景中通信系统的能量供给问题，学术界和工业界对无线能量传输技术展开了大量研究。除了高功耗的问题之外，传统射频通信系统还存在着通信频段拥挤、多设备电磁干扰和电磁辐射污染等问题。由于频段不受限、无电磁干扰问题、高通信速率等优势，可见光通信(VLC)技术被认为是无线通信技术的一种有效补充，在近年得到广泛研究。可见光通信可利用380～750THz不受限制的频段，消除了大量设备同时通信时产生的干扰，同时有潜力在通信过程中回收照明使用的光能实现能量的二次利用。因此，可见光携能通信是IoT的一种非常有竞争力的通信方案。

使用光电转换器(PD)作为光接收器件有受光面积小，接收能量低等缺点，造成能量二次利用效率低的问题。相比于使用PD接收光信号，太阳能电池板作为无源器件不需要电力供应，能够有效地解决传统可见光通信中能量转换效率低的问题，并在提升能量转换效率的同时兼具通信能力，更适合在可见光携能通信中应用。对于大规模IoT，通信终端的通信速率一般要求不高，且常为突发性的短暂通信，设备通信所需的平均功耗较低，而另一方面，IoT中的设备连接数较大，因此为大量具有突发性通信特点的终端供能极大地增加设备布线、电池更换的安装和维护成本。因此，利用储能电池将照明光能储存下来，在通信需求到来时为通信模组提供能量，可以有效地缓解上述问题。

但是，现有的研究尚未探讨通信与储能的协同问题。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法、系统及装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，包括以下步骤：

利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号；

从所述可见光接收信号中提取第一接收信号和第二接收信号；其中，所述第一接收信号用于为储能模块充电，所述储能模块输出供电信号；

获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；

根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号获取稳压模块/模组的输出；

其中，当状态信号为第一预设状态信号时，稳压模块/模组无输出，通信模块关闭；当状态信号为第二预设状态信号时，稳压模块/模组输出第一稳压信号，通信模块开启，第一稳压信号为所述通信模块供能。

进一步地，所述利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号的步骤中还包括防逆流保护的步骤。

进一步地，储能模块充电或输出供电信号的步骤中包括过充过放检测、短路过流检测、充电放电控制的其中一个或多个步骤。

进一步地，所述获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号的步骤中的耗能由供电信号、第一接收信号的其中之一或共同提供。

进一步地，唤醒/休眠信息是从第二接收信号中获取的信息、在通信过程中设定的通信结束信息或下次通信的时间信息、内部设置的定时开启/休眠信息、内部设置的紧急开启/关闭信息、或者从外部获取的信息中的任一种或多种。

进一步地，通信模块在稳压模块/模组输出第一稳压信号的开启期间执行以下两个步骤的至少之一：

步骤1、获取与第二接收信号相关的信息，根据获得的信息获取下行通信信息，其中，获取下行通信信息的步骤中包括同步步骤、信道估计步骤、滤波步骤、非线性补偿步骤或者符号判决步骤中的至少之一；

步骤2、获取和/或产生上行通信信息。

进一步地，所述第二接收信号包括OOK信号、PAM信号、OFDM信号、概率整形信号、超奈奎斯特(FTN)信号、双二进制码信号(Duobinary)、MIMO信号、单载波信号、多载波信号中的其中一种或几种的组合。

进一步地，预设状态信号除了第一和第二预设状态信号之外，还包括其他信号；当获取的状态信号为其他预设状态信号时，稳压模块/模组输出对应的信号。该对应的信号不同于第一稳压信号。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于太阳能电池板的可见光携能通信系统，包括：

太阳能电池板模块/模组，用于获取可见光接收信号；

接收信号分离模块，用于从可见光接收信号中提取第一接收信号和第二接收信号；

储能模块，用于利用第一接收信号进行储能，以及输出供电信号；

唤醒/休眠控制模块，用于获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；

稳压模块/模组，用于根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号输出稳压信号；其中，当状态信号为第一预设状态信号时无输出，当状态信号为第二预设状态信号时输出第一稳压信号；

通信模块，当稳压模块无输出时关闭，当稳压模块输出第一稳压信号时开启，第一稳压信号在开启期间为通信模块供能。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于太阳能电池板的可见光携能通信装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明针对物联网中终端连接数较多但终端通信具有突发性、时间较短的特征，设计唤醒/休眠模块协调储能模块与通信模块的运作，根据充电效率、通信耗能速率以及实际通信需求控制通信模块的开启和关闭，从而满足系统的能量自供给、储能和通信的自动循环运作要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于太阳能板的可见光携能通信方法的一种流程图；

图2是本发明实施例中一种基于太阳能板的可见光携能通信方法的另一种流程图；

图3是本发明实施例中一种基于太阳能板的可见光携能通信系统的一种示意图；

图4是本发明实施例中一种基于太阳能板组的信号采集模组的原理图；

图5是本发明实施例中一种储能控制模组的原理图；

图6是本发明实施例中一种稳压模块的原理图；

图7是本发明实施例中一种基于开关MOS控制稳压模块开启/关闭的原理图；

图8是本发明实施例中一种基于太阳能板的可见光携能通信系统的另一种示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

一般而言，可见光携能通信系统中的储能速率远低于在通信阶段的能量消耗速率，即在通信期间所需要的能量一般需要较长时间的能量存储，这种情况当终端用户的受光面积较小时尤其明显。另一方面，在物联网中，终端连接数较多但终端通信通常具有突发性、时间较短的特征，即通信装置在大部分时间是不工作的。本发明将针对此问题提出一种新型的可见光携能通信系统，通过太阳能电池板同时实现通信和储能功能，设计唤醒/休眠模块协调储能模块与通信模块的运作，根据充电效率、通信耗能速率以及实际通信需求控制通信模块的开启和关闭，以满足系统的能量自供给、储能和通信的自动循环运作要求。

本发明利用太阳能电池板光电转换模组、电源储能模组和通信处理模组，实现可见光通信与能量储存，应用于面向物联网的室内可见光通信场景。在此场景下，灯光照明时间长且通信频率低。太阳能电池板光电转换模组回收用于照明的室内光能为电源储能模组充电。电池储能模组连接稳压模块，通过唤醒(或休眠)方式打开(或关闭)稳压模块以决定是否进行通信。当无通信需求时，稳压模块与通信模块不开启，避免能量的损失；当通信需求来临时，通过唤醒方式开启稳压模块，储能模组进入放电模式，已储存的能量通过稳压模块用于通信模组的能量消耗。在通信完成后，重设唤醒/休眠信号的状态关闭稳压模块，通信处理模组进入休眠状态等待下次启动，而储能输出模组则转换回充电模式。唤醒/休眠信号可通过发射端发送的触发信号、在通信过程中设定通信结束信息或下次通信的开启时间信息、内部设置开启/休眠时间信息、内部预设的紧急开启/关闭信息、或外部人为控制等方式获得。所提方法与系统充分利用了室内灯光回收能量，节省能源并支持通信模块在合理时间内运转而不需要其他能量供应，从而降低了为大量物联网终端进行电源布线、电池更换等的安装和维护成本。

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，包括以下步骤：

S1、利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号；

S2、从可见光接收信号中提取接收信号1(即第一接收信号)与接收信号2(即第二接收信号)；

S3、利用接收信号1为储能模块充电，储能模块输出供电信号；

S4、获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；

S5、根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号获取稳压模块的输出。

其中；当状态信号为预设状态信号1(即第一预设状态信号)时，稳压模块无输出，通信模块关闭；当状态信号为预设状态信号2(即第二预设状态信号)时，稳压模块输出第一稳压信号，通信模块开启，第一稳压信号在开启期间为通信模块供能。

本发明针对面向物联网的可见光通信场景。首先通过太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号。从接收信号中提取出可用于储能的接收信号1以及用于通信的接收信号2。接收信号1一般为经过整流后的直流信号，用于通信的接收信号2一般以交流的形式呈现，当没有下行通信信号时，接收信号2为零或仅有噪声。接收信号1输入到储能模块为其充电，接收信号2输入到通信模块进行信号处理。当采用太阳能电池板组时，获取的可见光接收信号为多路信号。在此情况下，接收信号1可以是多路信号或者合并后的一路信号，当是多路信号时，可以采用并联方式为储能模块充电；接收信号2可以是MIMO信号、承载相同信息的多路信号或者合并后的一路信号，当采用MIMO信号时，通信模块中用于获取接收信号2的输入也是多路的，其信号处理步骤包括MIMO信号的分离步骤。

储能模块输出供电信号给稳压模块。当不通信时，稳压模块无输出，通信模块不开启，此时稳压模块和通信模块均无能量损耗；当需要通信时，首先根据唤醒/休眠信号产生控制信号，根据控制信号产生决定稳压模块是否有输出以及怎样输出的状态信号。唤醒/休眠信号可以是从接收信号2中提取的触发信号、上一次通信中设定的本次通信时间信息、内部设置的定时开启信号、内部预设的紧急开启/关闭信息、或是外部控制信号(例如人为控制信号)。除了控制信号，状态信号的设置还可能结合其他信息，包括温度、电池电压等信息，例如当电池电压不足时，即使控制信号要求稳压模块输出信号，状态信号也可以设置为不开启；而当控制信号来自内部紧急开启信息时，状态信号在电压不足时也可以开启。影响状态信号的各类唤醒信号和其他信息有其各自的优先级，本发明不做具体限制。

需要说明的是，本发明并不限制稳压模块仅有两种输出状态(即只有无输出和输出第一稳压信号两种状态)，其中的第一稳压信号可以是单路信号，也可以是多路信号。例如通信模块包含了放大器、模数转换器、处理芯片等不同部件。当不同部件所需的电压一致时，第一稳压信号为单路信号。当不同的部件所需的电压不同时，第一稳压信号可以是单路信号，通信模块包含将第一稳压信号转换为多路稳压信号的步骤，然后再分别为放大器、模数转换器、信号处理芯片等部件供电；可选的，第一稳压信号也可以是多路信号，输出通信模块中的放大器、模数转换器、处理芯片等不同部件的供电电压。此外，通信模块可以选择在开启期间仅处理第二接收信号以获取下行通信信息，或者仅产生和发送上行通信信息，或者同时获取下行通信信息并发送上行通信信息。模数转换器、处理芯片、放大器、数模转换器等部件在不同的情况可以有不同的工作状态。本发明仅定义了在上述任意一种情况下，稳压模块输出第一稳压信号，通信模块开启并工作，但是并未限制当获取的状态信号为第三、第四或其他预设状态信号下，稳压模块输出第二、第三或其他稳压信号使得通信模块在不同的情况下工作。

开启后，稳压模块将来自储能模块的供电信号经过稳压/变压转换成适合通信模块的稳定电压，并输出给通信模块用于其通信过程中的能耗。本发明不限制稳压模块的稳压输出的能量仅来自于供电信号，例如通信期间的接收信号1也可能为稳压模块和通信模块贡献一部分能量。在通信期间，通信模块可以获取和处理接收信号2以提取出下行通信信息、或者产生和发送上行通信信息、或者两者兼有。当通信完成后，获取休眠信号，关闭稳压模块，通信模块也因为没有电压输入而关闭，系统重新进入充电模式。休眠信号可以是从接收信号2中提取的触发信号、或是通信中设定的通信结束信息、或是内部设置的定时休眠信号、或是表征电量不足的紧急关闭信息、或是外部控制信号(例如人为控制信号)。

在一些可选的实施例中，利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号的步骤中包括防逆流保护的步骤。

由于多个太阳能板照射不均匀，受到强光照射的太阳能板产生的大电流会反向流入受弱光照射的太阳能板，进而损坏元件；同时，由于储能控制模组的电源口同时兼具充电与放电的功能，在系统进入通信阶段时，信号收集模组会承受充电电池输出的反向电压。添加防逆流保护步骤可以防止储能模块向太阳板方向放电或者太阳能板光照不均匀导致的太阳能板的损坏。防逆流保护可以由二极管组成。

在一些可选的实施例中，储能模块充电或输出供电信号的步骤中包括过充过放检测、短路过流检测、充电放电控制的其中一个或多个步骤。

储能模块包括电池以及控制电池充放电的双向开关电路。此外，还需要防止电池电压过高或者过低造成损伤，以及防止电池充电电流过大或者放电短路造成损伤。因此充电或输出供电信号的步骤中包括过充过放检测、短路过流检测、充电放电控制中步骤的一种或几种。其中过充过放检测保证电池电压在安全范围；短路过流检测监控电流大小，若大于预设值则断开，防止电池因电流过大损坏；充电放电控制可以采用双向MOS开关电路。

在一些可选的实施例中，获取唤醒/休眠信息和根据唤醒/休眠信息获取控制信号的步骤中的耗能由供电信号、接收信号1的其中之一或共同提供。

获取唤醒/休眠信息以及控制信号可以由唤醒/休眠模块实现。此模块一般功耗很低。当照明强度较强时，唤醒/休眠模块的电源可由接收信号1直接提供，剩余能量进入充电电池中保存；当照明强度较弱或者无照明时，定时唤醒模块的电源由接收信号1和供电信号同时提供，或仅由供电信号提供，此时充电电池处于放电状态。

在一些可选的实施例中，唤醒/休眠信息是从接收信号2中获取的信息、在通信过程中设定的通信结束信息或下次通信的时间信息、内部设置的定时开启/休眠信息、内部设置的紧急开启/关闭信息、或者从外部获取的信息的任一种或多种。

唤醒/休眠信号可能有不同的来源，均可提出开启/关闭通信链路的请求，并由此产生控制信号。各类唤醒/休眠信号有不同的优先级。需要说明的是，除了控制信号，用于控制稳压模块开启/关闭的状态信号还可以联合其他信息，例如即使有通信请求时但因为系统电源不足所以不开启，或在时间还未到通信开启时间时由于紧急通信需求仍将状态信号设置为开启模式。

在一些可选的实施例中，结合供电信号和状态信号获取稳压模块的输出的步骤中包括采用开关MOS管的步骤。

根据状态信号控制稳压模块有无输出的步骤中包括采用开关MOS管的步骤。

在一些可选的实施例中，通信模块在开启期间包含获取与接收信号2相关的信息并根据所述信息获取下行通信信息的步骤，其中获取下行通信信息的步骤中包括同步、信道估计、滤波、非线性补偿以及符号判决的至少一个或多个步骤；可选的，通信模块在开启期间也可以产生并发送上行通信信息，或者同时包含获取下行通信信息和产生上行通信信息的步骤。

通信模块在开启期间可能接收下行通信信息、或发送上行通信信息、或两者兼有。在下行通信中，通信模块获取并处理与接收信号2相关的信息以提取下行通信信息，其信号处理的步骤包括获取用于同步的数据起始点和时钟，估计信道的响应，符号判决等。此外，太阳能板接收信号的过程中存在背景光噪声、电路噪声、以及非线性效应，因此采用滤波和非线性补偿可以降低噪声、线性和非线性损伤的影响。在上行通信中，通信模块可以从其他应用部件获取需要通信的信息，经过一定的处理后产生上行通信信息，也可以在内部直接产生上行通信信号。产生的上行通信信号再经过合适的直流偏置后通过调制发光二极管、激光器等发光器件发送出去。

在一些可选的实施例中，接收信号2包括OOK信号、PAM信号、OFDM信号、概率整形信号、超奈奎斯特(FTN)信号、双二进制码信号(Duobinary)、MIMO信号、单载波信号、多载波信号中的其中一种或几种的组合。

本发明可用于任意适合可见光通信的调制格式。此外，本发明不限采用一块太阳能电池板，可以采用多块太阳能板，输出的接收信号1和接收信号2可以为多路信号，多路的接收信号2可承载同一信息或MIMO信号中的不同路信息。

在一些可选的实施例中，状态信号可以为除第一和第二预设状态信号之外的其他预设状态信号。如前所述，通信模块在开启期间可能接收下行通信信息、或发送上行通信信息、或两者兼有。在不同的情况下通信模块所需的供能条件(输入电压的路数、电压值等)可能不同。在一种实施例中，当状态信号等于第二预设状态信号时，稳压模块输出的第一稳压信号支持通信模块接收和处理下行通信信息，当状态信号等于第三预设状态信号时，稳压模块输出的第二稳压信号同时支持通信模块处理下行通信信息和发送上行通信信息。

此外，本发明并未限制所述上行通信信号是交流信号还是交流信号经过合适直流偏置后的信号。对于后一种情况，通信模块在产生上行通信信息的步骤中包括直流偏置的步骤，偏置所需的直流信号从所述稳压模块/模组获得；对于前一种情况，通信模块在产生上行通信信息的步骤中不包括直流偏置的步骤，此时如需直流偏置信号则可以从所述稳压模块获得，也可以从其他的稳压模块获得。

图1是一种基于太阳能板的可见光携能通信实施例的流程图。图2是另一种基于太阳能板的可见光携能通信实施例的流程图。在图2中，稳压模块的稳压输出能量不仅来自于供电信号，还来自于通信期间的接收信号1。唤醒/休眠模块的能量也来自于储能模块的供电信号和接收信号1。通信模块在开启期间接收和处理接收信号2，并将处理结果送出显示。唤醒/休眠信号有多个来源，包括在通信过程中设定的通信结束信息或下次通信的时间信息、外部触发以及在紧急情况下的强制开启/关闭信号。

如图3所示，本实施例还提供一种基于太阳能板的可见光携能系统，包括：

信号收集模组，包括基于太阳能板的光电转换模块，防逆流单元和AC/DC分离电路。光电转换模块接收光能并将光信号转化为电信号，防逆流模块防止太阳能板之间光照不均匀或者电池反向放电损坏光电转换模块。AC/DC分离电路分离出交流信号(接收信号2)进入通信模组，分离出直流信号(接收信号1)进入储能控制模组。

储能控制模组，包括电池保护电路和储能电池。在充电阶段时，储存信号收集模组采集能量，放电阶段时为定时唤醒模块和稳压模块供应能量。

定时唤醒模块，在本实例中，定时唤醒模块同时与通信模组、储能控制模组和稳压模块相连。储能控制模组为其提供供电保障。定时唤醒模块从通信模组获取休眠/唤醒信号，并由此产生控制信号传送至稳压模块，从通信模组获取的休眠/唤醒信号是在通信过程中设定的通信结束信息或者下次通信的时间信息。可选择的，在本例中，定时唤醒模块也可以采用外部的人为手动触发。

稳压模块。稳压模块的输入端与储能控制模组相连，输出端与通信模组和墨水屏显示模块连接，稳压模块的输出受定时唤醒模块的控制信号控制，在此实例中，状态信号等于控制信号(即没有考虑其他系统状态例如温度、电池功耗等)。当状态信号为预设的表征休眠的信号时，稳压模块无输出；否则稳压模块将储能控制模块输出的不稳定的低电压能量转化为稳定的电压供给通信模块工作。

通信模组，包括用于滤除背景噪声的低通滤波器、放大器、模数转换器、以及完成信号同步、解调、均衡、判决等步骤的信号处理模块。当稳压模块为通信模组供电后，通信模块获取和处理接收信号2，并将处理后结果送到墨水屏显示。在此实例中，通信模组同时提供休眠/唤醒信号给定时唤醒模块。

墨水屏显示模块，用于显示从接收信号2中解调出来的信息。

下面将对各个步骤/模块分别作详细阐述。

光电转换模组可以包含一个或多个太阳能板。如图4所示，室内照明往往使用多个LED提升照明面积，每一个LED可以发送同一信号或者调制MIMO信号中的一路信号。多组太阳能板同时接收光照，在提高能量回收效率的同时缓解室内光照易被遮挡的问题。在此情况下，能量收集模组分出的接收信号1和接收信号2为多路信号。多路接收信号2连接通信模组并利用MIMO解调的方式恢复通信信息，多组接收信号1通过并联的方式接入到储能控制模组进行充电。太阳能板数量和参数的选择与实际通信和储能要求相关，太阳能板输出电压应与储能控制模组内储能电池的承受能力有关。

由于多个太阳能板照射不均匀的现象时常出现，受到强光照射的太阳能板产生的大电流，会反向流入受到弱光照的太阳能板，进而损坏元件；同时，由于储能控制模组的电源口同时兼具充电与放电的功能，在系统进入通信阶段时，信号收集模组会承受充电电池输出的反向电压。防逆流单元可以起到保护的作用。其中一种方式是由肖特基二极管构成，每块太阳能板与一个肖特基二极管连接，规定电流的流向，防止电流反向流通。

储能控制模组包括电池保护电路和可充电电池。电池保护电路内部接口与充电电池的一种连接结构如图5所示。在此实施例中，充电电池采用单芯锂离子聚合物电池，其工作电压范围为2.8V～4.2V。电池保护电路保证电池在正常的电压、电流条件下工作。若超出正常工作范围，电池保护电路会断开电池充电或放电回路，保护电池安全，避免对电池造成损伤。具体而言，保护电路包含控制芯片和两个N型MOS管Q1和Q2，每个MOS管并联一个导通方向相反的二极管D1和D2，所述MOS管Q1可受控关闭放电回路，Q2可受控关闭充电回路。电池保护芯片通过管脚1和管脚2探测电池电压，由此判定电池的状态，电路中电容C1滤除高频干扰，提升探测电压稳定性。若电池电压正常且处于充电状态，电池保护电路引脚5输出高电平，Q2导通；若电池处于放电状态，电池保护电路引脚4输出高电平，Q1导通。若管脚1，2之间的电压差低于2.8V，电池面临过度放电的问题，易导致锂电池负极碳片层结构出现塌陷，此时控制芯片通过管脚4对Q1的G极施加低电平，断开放电回路；相反，若管脚1，2之间的电压差高于4.2V，电池面临过度充电的问题，易导致锂电池正极结构出现塌陷，此时控制芯片5脚输出低电平至Q2的G极，断开充电回路。控制芯片引脚3通过精密电阻R2检测回路电流，若电流大于安全值，则同时在控制芯片管脚4，5输出低电平，关闭充电回路和放电回路，从而防止电流过大或者短路。

定时唤醒模块包括实时时钟芯片和低功耗处理MCU。唤醒模块的供电端口与储能模块相连，保证唤醒模块不间断工作。当照明强度较强时，定时唤醒模块的电源可由接收信号1直接提供，剩余能量进入充电电池中保存；当照明强度较弱或者无照明时，定时唤醒模块的电源由接收信号1和充电电池同时提供，此时储能控制模组处于放电状态。时钟芯片和MCU通过I2C通信接口与通信模组内的信号处理模块相互通信。

在具体实施中，唤醒/休眠信号可以有不同的方式，唤醒/休眠信号也可以为一个多维信号，包含若干来自不同来源的信号。

在其中一个实施例中，发送端设置本次和下次通信的时间，并将其调制在通信信号中发送。通信模块从接收信号2中获取包含了唤醒/休眠时间的信号，将其传输至唤醒/休眠模块。当唤醒/休眠模块内部时间到达休眠时间时，输出控制信号使稳压模块和通信模块关闭，系统进入充电状态；当模块内部时间到达预定的唤醒时间时，控制稳压模块与通信模块重新开启，并在通信过程中重新获取更新的唤醒/休眠信号以重复上述步骤。

在另一种实施例中，唤醒的方式为特定频率唤醒，其中唤醒信号为一个频率与MCU中预设频率相同的信号。接收信号2分出一路并通过带通滤波器传送至定时唤醒模块。在无通信需求时，接收信号2一般为零或仅有噪声，此时MCU判定不唤醒升压模块。在发送端需要通信时，首先通过照明设施发送固定频率的前导码，其频率与预先设置于MCU内的频率相同。AC/DC分离电路将交流信息经带通滤波器传送到唤醒/休眠模块。唤醒/休眠模块内的MCU计算出接收信号的频率。当频率与MCU内预设的频率相近且其持续时间满足要求时，此信号被判定能唤醒系统。在其他情况下，接收信号2中不具有唤醒信号。当发送端照明设置没有调制信号时，此时接收信号2近似为零或只有噪声，此时MCU不做唤醒判定。唤醒/休眠模块输出表征稳压模块开启的控制信号，直至被更改输出返回监听模式，以等待下次唤醒信号的到来。

可选的，前导码可以为有特定波形的ASK信号、伪随机序列等，这里不做限制。可选的，定时唤醒模块内MCU更新前导码的方式不做限定，可以在本次通信中从信号处理模块解调的信号中获得，也可以人为预先设置并固定于MCU中。

稳压模块包含产生状态信号的电路和升压模块，如图6所示。稳压模块接收定时唤醒模块输出的控制信号，并根据其他信息(例如温度、电池功耗等)获得状态信号，当状态信号等于预设状态信号2时，稳压模块对储能控制模组输入的电压进行升压处理，输出稳定的与通信模组工作电压匹配的直流电压，以支持通信模组工作。升压部分电路可以采用Boost升压模式，包括可调节占空比方波生成器、电容、电感等元件，当占空比提升时输出直流电压增大，反之输出电压减小。

用于开启/关闭升压模块的开关电路可以采用P型MOS管实现低电平触发功能，开关电路如图7所示。MOS管G极与状态信号相连，接收预设状态信号，MOS管S极与储能控制模组的电源端相连。当状态信号等于预设状态1时，MOS管G极获得高电平，S极电压为充电电池的电压，MOS管不导通。此时，稳压模块、通信模组和墨水屏显示模块无电流通过，故而处于关闭状态；当状态信号等于预设状态2时，MOS管G极接收低电平，MOS管导通，稳压模块开始进入升压模式，通信模块和墨水屏显示模块进入工作状态。

稳压模块/模组的输出可以是个多维信号，例如同时输出3.3V和5V的稳压信号。具体的维数以及电压值根据通信模块中各部件(放大器、数模/模数转换器、处理芯片等)的需求决定。可选择的，稳压模块/模组的输出可以是个一维信号，而通信模块执行将输入的稳压信号转换成多路稳压信号的步骤，然后再分别为其各部件供能。

通信模组包括低通滤波器、放大器、模数转换器和信号处理模块，其中低通滤波器将电路中的高频噪声滤除，放大器可将小电流放大为对应模数转换器量化范围的电压，信号处理模块采用FPGA进行同步，信道估计，非线性补偿以及符号判决等步骤的处理。处理后的信息送到墨水屏显示，墨水屏的显示在断电时不会消失，其显示内容为上次通信所更新的信息。在传输中，信号格式、接收方式和调制方式可以根据通信速率、通信可靠性等需求进行适当选择，本发明不做限制。在本实施例中，可见光通信选用OFDM信号格式。在其他实施例中，信号格式可以选用OOK信号、PAM信号、概率整形信号、超奈奎斯特(FTN)信号、双二进制码信号(Duobinary)、MIMO信号、数字单载波信号、数字多载波信号中的其中一种或几种的组合。

在某些情况下，通信模组具有将终端信息发送至基站的需求，如上传通信信息或电池状态、检错重发标志、答复握手信号等监控信息。本发明还包括当通信模组开启时，通信模块执行获取或产生上行通信信号的步骤，产生的上行通信信号再经过直流偏置后通过LED、LD等发光器件发送出去。其中一种实施例如图8所示。通信模组内信号处理模块和数模转换器生成上行通信信号。在此实例中，对上行通信信号的直流偏置步骤不包含在通信模块中，直流偏置信号由额外的稳压模块2提供。上述上行通信信号和偏置信号通过偏置器结合，并利用发光二极管、激光器等发光器件发送信号3。随后信号3被照明设施端的接收机解调，实现终端与基站间的全双工通信。

可选的，也可以将图8中的偏置器集成到通信模块中，稳压模块2集成到本发明所述的稳压模组中。在这种情况下，所述稳压模组输出两维信号。当状态信号为第一预设状态信号时，稳压模组无输出，通信模组关闭；当状态信号为第二预设状态信号时，稳压模组输出第一稳压信号，支持通信处理单元获取和处理下行通信信号；当状态信号为第三预设状态信号时，稳压模组输出第二稳压信号(包括通信处理单元所需的电压和偏置电压的两维信号)，以同时支持下行与上行通信。

本实施例还提供一种基于太阳能电池板的可见光携能通信装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图1或图2所示方法。

本实施例的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1或图2所示的方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号；

从所述可见光接收信号中提取第一接收信号和第二接收信号；其中，所述第一接收信号用于为储能模块充电，所述储能模块输出供电信号；

获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；

根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号获取稳压模块/模组的输出；

其中，当状态信号为第一预设状态信号时，稳压模块/模组无输出，通信模块关闭；当状态信号为第二预设状态信号时，稳压模块/模组输出第一稳压信号，

通信模块开启，第一稳压信号为所述通信模块供能；

其中所述利用太阳能电池板或太阳能电池板组获取可见光接收信号的步骤中包括防逆流保护的步骤；

其中所述唤醒/休眠信息是从第二接收信号中获取的信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，储能模块充电或输出供电信号的步骤中包括过充过放检测、短路过流检测、充电放电控制的其中一个或多个步骤。

3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，所述获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号的步骤中的耗能由供电信号、第一接收信号的其中之一或共同提供。

4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，通信模块在稳压模块/模组输出第一稳压信号的开启期间执行以下步骤：

获取与第二接收信号相关的信息，根据获得的信息获取下行通信信息，其中，获取下行通信信息的步骤中包括同步步骤、信道估计步骤、滤波步骤、非线性补偿步骤或者符号判决步骤中的至少之一；和/或

获取和/或产生上行通信信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，所述第二接收信号包括OOK信号、PAM信号、OFDM信号、概率整形信号、超奈奎斯特信号、双二进制码信号、MIMO信号、单载波信号、多载波信号中的其中一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能电池板的可见光携能通信方法，其特征在于，预设状态信号除了第一和第二预设状态信号之外，还包括其他预设状态信号；当获取的状态信号为其他预设状态信号时，稳压模块/模组输出对应的信号。

7.一种基于太阳能电池板的可见光携能通信系统，其特征在于，包括：

太阳能电池板模块/模组，用于获取可见光接收信号；

接收信号分离模块，用于从可见光接收信号中提取第一接收信号和第二接收信号；

储能模块，用于利用第一接收信号进行储能，以及输出供电信号；

唤醒/休眠控制模块，用于获取唤醒/休眠信息，根据唤醒/休眠信息获取控制信号；

稳压模块/模组，用于根据控制信号获取状态信号，结合供电信号和状态信号输出稳压信号；其中，当状态信号为第一预设状态信号时无输出，当状态信号为第二预设状态信号时输出第一稳压信号；

通信模块，当稳压模块无输出时关闭，当稳压模块输出第一稳压信号时开启，

第一稳压信号在开启期间为通信模块供能；

其中所述太阳能电池板模块/模组包括防逆流保护模块；

其中所述唤醒/休眠信息是从第二接收信号中获取的信息。

8.一种基于太阳能电池板的可见光携能通信装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-6任一项所述方法。