CN117278123A - 一种基于反射光的灯间通信与组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通讯技术领域，且公开了一种基于反射光的灯间通信与组网方法，该方法包括：1）电路连接；2）MCU外设初始化设置；3）第一定时器中断1ms执行；4）第二定时器中断200ms执行；5）按位接收数据。该基于反射光的灯间通信与组网方法，采用反射式可见光无线通信技术，可实现单向排列的灯具间组网以及数据传输，并通过雷达和灯间组网通信进行自动灯具控制，可应用于电磁敏感场景，同时具备有效抗电磁干扰，兼具照明和通信的功能，并且该方法只要有LED照明的场所就可以搭建通信系统，无需重新布线，其使用该方法的系统实现简单，具有造价低廉的特点，可具体到矿下环境，不仅可以复用矿下照明基础设施。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体为一种基于反射光的灯间通信与组网方法。
背景技术
随着时代发展，数字化已是大势所趋，企业数字化、政务数字化和工业数字化等等在当下时代已是不可逆的发展方向，在数字化的进程中，数据安全性是极其重要的，然而无线电的通信方式无法从物理层做到数据的安全性保证，其次，在一些特殊的场景如工厂车间、矿井和变电站等电磁敏感场景中，无线电通信会对其他设施造成干扰，或者收到场景设施中产生的电磁波干扰。
例如矿下环境的复杂性以及矿井作业的变动性，传统有线或者动力线载波通信存在部署成本高、有线通信链路容易被砸断导致整个通信系统瘫痪等问题，使有线线路铺设困难且覆盖面有限，在此情况下，传统无线电通信技术逐渐成为矿下通信的主要方式，但其在矿下场景面临着强电磁干扰导致通信不可用、煤层或机械设备反射多径效应严重导致可靠性差等问题，为了解决上述问题，以可见光为媒介的通信技术（即可见光通信）被认为是可选的解决方案之一，所以需要一种解决这些问题的基于反射光的灯间通信与组网方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于反射光的灯间通信与组网方法，具备有效抗电磁干扰、兼具照明和通信、造价低廉等优点，解决了矿下场景面临着强电磁干扰导致通信不可用、煤层或机械设备反射多径效应严重导致可靠性差的问题。
为实现上述有效抗电磁干扰、兼具照明和通信、造价低廉目的，本发明提供如下技术方案：一种基于反射光的灯间通信与组网方法，该方法包括：
1）电路连接，MCU外设通过灯具驱动电路和PD及其驱动电路与灯具连接，同时安装毫米波雷达模块和串口模块；
2）MCU外设初始化设置，将所有灯具分为A、B和C这3类，在实际部署时保持同类灯具之间间隔两个灯具，每类灯具发送同一组频率的信号，接收另外两个灯的两组频率的信号，在主程序中设置GPIO模式、模拟-数字转换器采样率和DMA的各种参数，并设置第一定时器和第二定时器的中断参数；
3）第一定时器中断1ms执行，每次调用时完成一位数据的发送和接收，其中包含FFT解调以及数据封包解包处理；
4）第二定时器中断200ms执行，读取所述毫米波雷达模块的雷达感应对应引脚的标志位，若检测到运动物体，则控制灯全亮，并将发送缓冲区置为半亮指令值，控制发送半亮指令，否则通过延迟计数，若连续5次中断延迟计数值都未被复原，则控制灯具熄灭；
5）按位接收数据，根据模拟-数字转换器采样后，DMA搬运至固定数组内的采样值做快速傅里叶变换，获得0~64k频率的幅度谱；之后，滤除本类灯具所发送的信号频率，从幅度谱中找出幅度最大值所对应的频率，并由此解码出这1ms收到的信息位以及信息是由哪类灯具发送的，根据自定义通信协议解包，通过移位接收载荷数据，并等待下一毫秒被调用，在一个所述自定义通信协议解包的信息被接收完成后，将接收完成标志值置为1，等待数据被读取。
优选的，所述步骤1中的所述灯具驱动电路包含电源驱动以及控制灯具发送信号的发射机驱动，所述PD及其驱动电路为光敏二极管以及作为其放大电路的PD驱动。
优选的，所述步骤1中的所述毫米波雷达模块能检测人体运动，并输出高电平到MCU引脚，MCU由此来控制信号的发送，所述串口模块用于调试数据收发内容，能连接到上位机打印输出接收的数据，同时通过上位机由所述串口模块控制系统发送数据。
优选的，所述MCU外设通过控制GPIO引脚输出PWM信号波，PWM输出到灯具驱动电路，从而控制灯具输出信号，同时所述DMA与模拟-数字转换器配合使用，通过模拟-数字转换器采样所述PD及其驱动电路输出的电压值后，由直接内存访问从寄存器搬运至内存中。
优选的，所述步骤2中的初始化完成后，灯具将保持其固定的“0”频率，直到有数据需要发送，而参数设置初始化完成后，则循环尝试接收数据，当中断的第一定时器中数据接收完成后，主程序检测到标志值不为0时，则读取缓存区接收到的数据，并根据数据所表示的指令进行灯具控制。
优选的，本方法采用FSK调制信号，并使用自定义数据包格式，进行数据封包。
优选的，本方法为通信与组网方法，具体数据收发内容由实现者定义，具体到本方法实际使用的系统中，其数据收发部分包含灯具控制信号以及发送频率选择。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于反射光的灯间通信与组网方法，具备以下有益效果：
该基于反射光的灯间通信与组网方法，采用反射式可见光无线通信技术，可实现单向排列的灯具间组网以及数据传输，并通过雷达和灯间组网通信进行自动灯具控制，可应用于电磁敏感场景，同时具备有效抗电磁干扰，兼具照明和通信的功能，并且该方法只要有LED照明的场所就可以搭建通信系统，无需重新布线，其使用该方法的系统实现简单，具有造价低廉的特点，可具体到矿下环境，不仅可以复用矿下照明基础设施，同时减少传统通信专用设施部署，实现安全可靠的数据传输，还可以大幅降低能源消耗，有效助力实现“碳中和”目标。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于反射光的灯间通信与组网方法流程示意图；
图2为本发明提出的一种基于反射光的灯间通信与组网方法主程序流程示意图；
图3为本发明提出的一种基于反射光的灯间通信与组网方法中第一定时器运行示意图；
图4为本发明提出的一种基于反射光的灯间通信与组网方法中第二定时器运行示意图；
图5为本发明提出的一种基于反射光的灯间通信与组网方法中自定义数据包格式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种基于反射光的灯间通信与组网方法，该方法包括：
1）电路连接，MCU（Microprogrammed Control Unit即微程序控制器）外设通过灯具驱动电路和PD及其驱动电路与灯具连接，同时安装毫米波雷达模块和串口模块，步骤1中的灯具驱动电路包含电源驱动以及控制灯具发送信号的发射机驱动，PD及其驱动电路为光敏二极管以及作为其放大电路的PD驱动，步骤1中的毫米波雷达模块能检测人体运动，并输出高电平到MCU引脚，MCU由此来控制信号的发送，串口模块用于调试数据收发内容，能连接到上位机打印输出接收的数据，同时通过上位机由串口模块控制系统发送数据，MCU外设通过控制GPIO（General Purpose Input/Output即通用输入输出）引脚输出PWM信号波，PWM输出到灯具驱动电路，从而控制灯具输出信号，同时DMA与模拟-数字转换器配合使用，通过模拟-数字转换器（ADC即Analog-Digital Convertor ）采样PD及其驱动电路输出的电压值后，由直接内存访问（DMA即Direct Memory Access）从寄存器搬运至内存中；
2）MCU外设初始化设置，参阅图2，将所有灯具分为A、B和C这3类，在实际部署时保持同类灯具之间间隔两个灯具，每类灯具发送同一组频率的信号，接收另外两个灯的两组频率的信号，在主程序中设置GPIO模式、模拟-数字转换器采样率和DMA的各种参数，并设置第一定时器和第二定时器的中断参数，步骤2中的初始化完成后，灯具将保持其固定的“0”频率，直到有数据需要发送，而参数设置初始化完成后，则循环尝试接收数据，当中断的第一定时器中数据接收完成后，主程序检测到标志值不为0时，则读取缓存区接收到的数据，并根据数据所表示的指令进行灯具控制；
3）第一定时器中断1ms执行，参阅图3，每次调用时完成一位数据的发送和接收，其中包含FFT（Fast Fourier Transform即快速傅里叶变换）解调以及数据封包解包处理；
4）第二定时器中断200ms执行，参阅图4，读取毫米波雷达模块的雷达感应对应引脚的标志位，若检测到运动物体，则控制灯全亮，并将发送缓冲区置为半亮指令值，控制发送半亮指令，否则通过延迟计数，若连续5次中断延迟计数值都未被复原（收到半亮指令或全亮后会复原），则控制灯具熄灭；
5）按位接收数据，根据模拟-数字转换器采样后，DMA搬运至固定数组内的采样值做快速傅里叶变换，获得0~64k频率的幅度谱；之后，滤除本类灯具所发送的信号频率，从幅度谱中找出幅度最大值所对应的频率，并由此解码出这1ms收到的信息位以及信息是由哪类灯具发送的，根据自定义通信协议解包，通过移位接收载荷数据，并等待下一毫秒被调用，在一个自定义通信协议解包的信息被接收完成后，将接收完成标志值置为1，等待数据被读取；
参阅图5，本方法采用FSK（Frequency Shift Keying即频移键控）调制信号，并使用自定义数据包格式，进行数据封包，本方法为通信与组网方法，具体数据收发内容由实现者定义，具体到本方法实际使用的系统中，其数据收发部分包含灯具控制信号以及发送频率选择。
综上，该基于反射光的灯间通信与组网方法，在使用时，采用反射式可见光无线通信技术，可实现单向排列的灯具间组网以及数据传输，并通过雷达和灯间组网通信进行自动灯具控制，可应用于电磁敏感场景，同时具备有效抗电磁干扰，兼具照明和通信的功能，并且该方法只要有LED照明的场所就可以搭建通信系统，无需重新布线，其使用该方法的系统实现简单，具有造价低廉的特点，可具体到矿下环境，不仅可以复用矿下照明基础设施，同时减少传统通信专用设施部署，实现安全可靠的数据传输，还可以大幅降低能源消耗，有效助力实现“碳中和”目标。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：该方法包括：
1）电路连接，MCU外设通过灯具驱动电路和PD及其驱动电路与灯具连接，同时安装毫米波雷达模块和串口模块；
2）MCU外设初始化设置，将所有灯具分为A、B和C这3类，在实际部署时保持同类灯具之间间隔两个灯具，每类灯具发送同一组频率的信号，接收另外两个灯的两组频率的信号，在主程序中设置GPIO模式、模拟-数字转换器采样率和DMA的各种参数，并设置第一定时器和第二定时器的中断参数；
3）第一定时器中断1ms执行，每次调用时完成一位数据的发送和接收，其中包含FFT解调以及数据封包解包处理；
4）第二定时器中断200ms执行，读取所述毫米波雷达模块的雷达感应对应引脚的标志位，若检测到运动物体，则控制灯全亮，并将发送缓冲区置为半亮指令值，控制发送半亮指令，否则通过延迟计数，若连续5次中断延迟计数值都未被复原，则控制灯具熄灭；
5）按位接收数据，根据模拟-数字转换器采样后，DMA搬运至固定数组内的采样值做快速傅里叶变换，获得0~64k频率的幅度谱；之后，滤除本类灯具所发送的信号频率，从幅度谱中找出幅度最大值所对应的频率，并由此解码出这1ms收到的信息位以及信息是由哪类灯具发送的，根据自定义通信协议解包，通过移位接收载荷数据，并等待下一毫秒被调用，在一个所述自定义通信协议解包的信息被接收完成后，将接收完成标志值置为1，等待数据被读取。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：所述步骤1中的所述灯具驱动电路包含电源驱动以及控制灯具发送信号的发射机驱动，所述PD及其驱动电路为光敏二极管以及作为其放大电路的PD驱动。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：所述步骤1中的所述毫米波雷达模块能检测人体运动，并输出高电平到MCU引脚，MCU由此来控制信号的发送，所述串口模块用于调试数据收发内容，能连接到上位机打印输出接收的数据，同时通过上位机由所述串口模块控制系统发送数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：所述MCU外设通过控制GPIO引脚输出PWM信号波，PWM输出到灯具驱动电路，从而控制灯具输出信号，同时所述DMA与模拟-数字转换器配合使用，通过模拟-数字转换器采样所述PD及其驱动电路输出的电压值后，由直接内存访问从寄存器搬运至内存中。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：所述步骤2中的初始化完成后，灯具将保持其固定的“0”频率，直到有数据需要发送，而参数设置初始化完成后，则循环尝试接收数据，当中断的第一定时器中数据接收完成后，主程序检测到标志值不为0时，则读取缓存区接收到的数据，并根据数据所表示的指令进行灯具控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：本方法采用FSK调制信号，并使用自定义数据包格式，进行数据封包。
7.根据权利要求1所述的一种基于反射光的灯间通信与组网方法，其特征在于：本方法为通信与组网方法，具体数据收发内容由实现者定义，具体到本方法实际使用的系统中，其数据收发部分包含灯具控制信号以及发送频率选择。
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