JP2008182446A - Two-way visible-light communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明光を用いて通信を行う技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for performing communication using illumination light.
近年、LED(Light Emitting Diode)などの半導体発光素子を光源とする照明が実用化されており、その照明光を用いて情報を送信する技術も、例えば特許文献1などにおいて提案されている。照明として用いるためには、ある程度強い光が必要であり、そのような強い光により情報を伝送することができる。そのような強い光を得るため、照明装置には多数の半導体発光素子を設けて発光させている。
In recent years, illumination using a semiconductor light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) as a light source has been put into practical use, and a technique for transmitting information using the illumination light has been proposed in, for example,
しかし、照明光は照明装置から放射されるだけであることから、一方向のみの通信となる。双方向の通信を実現するために、従来は照明器具に受光素子を設けていた。例えば特許文献2においても、照明用の半導体発光素子とは別に可視光あるいは赤外光の受光素子を設けている。
However, since the illumination light is only emitted from the illumination device, the communication is only in one direction. In order to realize bidirectional communication, a light receiving element is conventionally provided in a lighting fixture. For example, in
一方、発光素子である単一のLEDが受光素子としても利用可能であることが、例えば非特許文献1などで知られている。しかし、LEDの受光特性は、現在広く受光素子として使用されているフォトダイオードの受光特性に比べて劣る。そのため、レンズなどの集光のための光学系を備え、送受信が固定された状態での通信しか行うことができなかった。
On the other hand, for example, Non-Patent
また、発光素子をそのまま受光素子として用いるためには、発光させない状態で受光しなければならない。しかし、照明として発光素子を用いている場合、その発光素子を発光させないことは照明としての機能を失うことになるという問題があった。 Further, in order to use the light emitting element as a light receiving element as it is, it is necessary to receive light without emitting light. However, when a light emitting element is used as illumination, there is a problem that the function as illumination is lost if the light emitting element is not allowed to emit light.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、照明を行う半導体発光素子をそのまま受光にも用いて、受光のための素子を不要とした双方向照明光通信装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a bidirectional illumination optical communication device that uses a semiconductor light emitting element that performs illumination for light reception as it is, and does not require an element for light reception. It is what.
本発明は、双方向照明光通信装置において、照明光を発光する複数の半導体発光素子からなる発光手段と、送信すべきデータを変調して前記発光手段の点滅あるいは光量を変化させる変調手段と、前記発光手段が発光していない状態で受光したときに得られる信号をもとに送られてきたデータを受信する受信手段と、前記発光手段の発光によるデータの送信と前記発光手段を発光させずに行うデータの受信とを切り替える切替手段と、前記切替手段に対してデータの送受信を時分割で切り替えるための切替信号を生成するタイミング信号生成手段を有することを特徴とするものである。 The present invention provides a bidirectional illumination light communication apparatus, a light emitting means comprising a plurality of semiconductor light emitting elements that emit illumination light, a modulation means that modulates data to be transmitted to change blinking or light quantity of the light emitting means, A receiving means for receiving data transmitted based on a signal obtained when the light emitting means is not emitting light, transmission of data by light emission of the light emitting means, and no light emission of the light emitting means. And a timing signal generating means for generating a switching signal for switching the transmission and reception of data in a time division manner with respect to the switching means.
発光手段は、複数の半導体発光素子を並列に接続したり、あるいは複数の前記半導体発光素子のうち数個ずつをグループとして、グループ内の半導体発光素子を直列に接続するとともに、各グループを並列に接続して構成することができる。または、複数の前記半導体発光素子の接続を、タイミング信号生成手段からの切替信号により並列接続または直列接続に切り替えるように構成することもできる。 The light emitting means connects a plurality of semiconductor light emitting elements in parallel, or groups several of the plurality of semiconductor light emitting elements as a group, connects the semiconductor light emitting elements in the group in series, and connects each group in parallel. Can be connected and configured. Alternatively, the connection of the plurality of semiconductor light emitting elements can be configured to be switched to a parallel connection or a series connection by a switching signal from the timing signal generation unit.
またタイミング信号生成手段は、データ受信時に前記発光手段を消灯してもちらつきが生じない周期でデータの送受信を切り替える切替信号を生成することを特徴としている。 The timing signal generating means generates a switching signal for switching transmission / reception of data at a cycle in which flicker does not occur even when the light emitting means is turned off at the time of data reception.
本発明によれば、照明のために設けられている複数の半導体発光素子からなる発光手段を、データの送信に用いるとともに、データの受信にも用いることができ、発光手段だけでデータの送受信を行うことができる。また、単一の半導体発光素子では受光時の出力が非常に小さいが、照明のために設けられている複数の半導体発光素子を用いて受光することによって、データの受信に十分な出力を得ることができる。 According to the present invention, the light emitting means composed of a plurality of semiconductor light emitting elements provided for illumination can be used for data transmission and data reception, and data can be transmitted and received only by the light emitting means. It can be carried out. In addition, a single semiconductor light emitting device has a very small output during light reception, but by receiving light using a plurality of semiconductor light emitting devices provided for illumination, an output sufficient for receiving data can be obtained. Can do.
さらに、データを受信する際には発光手段を発光させない状態で行わなければならず、発光手段を消灯することにより照明を行うことができなくなる。本発明では高速に送受信を切り替えることによって、人の目には連続して点灯しているかのように見え、これによって照明を行いながらデータの送受信を行うことができるという効果がある。 Furthermore, when data is received, it must be performed in a state in which the light emitting means does not emit light, and illumination cannot be performed by turning off the light emitting means. In the present invention, by switching between transmission and reception at high speed, it appears to the human eye as if it is continuously lit, and thus there is an effect that data can be transmitted and received while performing illumination.
図1は、本発明の実施の一形態を示すブロック図である。図中、1は照明装置、11は変調部、12は切替部、13は発光素子群、14は受信部、15はタイミング生成部、2は通信端末装置、21は受光部、22は受信部、23は同期部、24は変調部、25は発光部である。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an illumination device, 11 is a modulation unit, 12 is a switching unit, 13 is a light emitting element group, 14 is a reception unit, 15 is a timing generation unit, 2 is a communication terminal device, 21 is a light receiving unit, and 22 is a reception unit. , 23 is a synchronization unit, 24 is a modulation unit, and 25 is a light emitting unit.
照明装置1は、発光して照明を行うための発光素子群13とともに、変調部11、切替部12、受信部14、タイミング生成部15等を含んで構成されている。
The
変調部11は、照明光により送信する送信データを変調する。変調方式は、どのような送信データを送信する場合でも、なるべく発光素子群13から放射される光量が均一になるような方式であるとよい。
The
切替部12は送受信を切り替えるものであり、送信時には変調部11で変調された送信データを発光素子群13に渡し、受信時には発光素子群13で受光した信号を受信部14に渡す。送受信を切り替えるための切替信号は、タイミング生成部15から受け取る。
The
発光素子群13は、多数のLEDやLD(Laser Diode)などの半導体発光素子によって構成されている。この実施の一形態では、各半導体発光素子は並列に接続されている。送信時には変調部11で変調された送信データに従って点滅あるいは光量が変化して発光し、全体として照明光として利用される。また、受信時には発光のための信号はなくなり、受光した信号を受信部14に伝える。このとき、各半導体発光素子は並列に接続されているので、ある程度の範囲で信号光(通信端末装置2で発光した信号光)が照射されれば、複数の半導体発光素子で受光でき、受光信号も大きくなる。また、直列接続の場合にはすべての半導体発光素子に信号光が照射されないと受信できないが、並列接続であれば一部に信号光が照射された場合でも受信可能である。
The light
発光素子群13を構成する各半導体発光素子として用いるLEDには、照明光を発光させる必要上、白色あるいは白色に近い色を発光するものを使用することが望ましい。しかし、LEDでは波長が長い赤色に近いほど受信感度が高い特性がある。そのため、例えば青色の発光光を蛍光体に照射して白色光を得る光源よりも、RGB3波長の光を発光する素子を用い、3波長のうち赤色の光の受光信号を得るようにするとよい。さらに、反射型LED等を用いることにより受光面積を大きくしてもよい。
As the LEDs used as the respective semiconductor light-emitting elements constituting the light-
受信部14は、発光素子群13で受光した信号を復調し、受信データを出力する。
The
タイミング生成部15は、送受信を時分割で切り替えるための切替信号を生成する。このとき、発光素子群13から放射される光は照明として用いることを前提としているため、受信時に消灯したことによって照明が阻害されたり、あるいは人がちらつきを感じないようにする必要がある。そのため、切り替えのための周期は数kHz以上で行うことが望ましい。もちろん、点灯と消灯の時間が同じである必要はなく、照明時には点灯時間を長く取るようにしてもよい。逆に、照明の消灯時には受信の時間を長くしたり、あるいは送信していない間は受信状態としてもよい。
The
通信端末装置2は、照明装置1からの照明光により送られてくるデータを受信するとともに、データを光により送信する機能を有している。そのための構成として、通信端末装置2は、受光部21、受信部22、同期部23、変調部24、発光部25等を含んで構成されている。
The
受光部21は、照明光を受光して電気信号に変換する。例えばフォトダイオードなどの光を電気信号に変換する素子で構成することができる。受信部22は、受光部21から出力される信号を復調して、元のデータを受信する。また、受光部21から受け取った信号を同期部23にも渡し、また、データの受信の際には同期部23から受け取った同期信号に従って行う。
The
同期部23は、受信部22から渡された信号を元に、照明装置1における送信タイミングを検知し、その検知結果を受信部22及び変調部24に渡す。特に、照明装置1では上述のように送信と受信を切り替えて行っているので、照明装置1が受信のフェーズに入ると照明光が無くなることに着目し、同期を取ることができる。
The
変調部24は、同期部23からの同期信号に従って、照明装置1へ送信すべきデータを変調して発光部25へ渡す。発光部25は、変調部24から渡された変調されたデータを光に変換して送信する。発光部25としてはLEDなどの発光素子を用いることができる。発光光はなるべく照明装置1の発光素子群13において効率よく受光できる波長であるとよく、例えば半導体発光素子13としてRGBの発光素子を用いている場合には赤色に近い色を用いるとよい。
The
なお、通信端末装置1においても受光部21と発光部25を照明装置1と同様に発光素子により構成してもよい。
In the
次に、本発明の実施の一形態における動作について説明する。以下の説明では、発光素子群13による発光光を照明として利用しているものとして説明する。タイミング生成部16は、受信時の発光素子群13の消灯により照明としての機能が損なわれない周期で、受信と送信を切り替える切替信号を生成して出力している。
Next, the operation in one embodiment of the present invention will be described. In the following description, it is assumed that light emitted by the light emitting
タイミング生成部16からの切替信号により送信データを照明光により送信する際には、変調部11が送信データを変調し、切替部12は変調された送信データを発光素子群13に供給する。これにより、発光素子群13の各半導体発光素子が変調された送信データに従って点滅あるいは光量が変化して発光し、送信データを送信する。このときの点滅あるいは光量変動は、高速に行うことにより人の目には感じられない。また、照明光の光量が変動しないように送信データの変調を行っておけば、発光素子群13による発光光は、ほぼ一様な照明光として利用することができる。
When transmission data is transmitted by illumination light using a switching signal from the timing generation unit 16, the
発光素子群13から放出された照明光は、通信端末装置2の受光部21で受光し、復調部22で復調すれば、送信データを受信することができる。なお、通信端末装置2では、照明光を受光して得られた信号から同期部23が照明装置1における送受信の切替のタイミングを検出し、検出したタイミングに従ってデータの受信及びデータの送信を行う。
If the illumination light emitted from the light emitting
一方、通信端末装置2から照明装置1へデータを送信する場合には、照明光を受光することにより同期部23で検出した照明装置1の送受信の切替タイミングに従い、照明装置1が受信状態にあるときに、変調部24で変調したデータにより発光部25を駆動し、光によりデータを送信する。
On the other hand, when data is transmitted from the
照明装置1では、データを受信する際には、タイミング生成部16からの切替信号により切替部12は発光素子群13からの信号が受信部14に渡されるように切り替える。通信端末装置2の発光部25から放出される、データにより変調された光は、発光素子群13により受光される。このとき、通信端末装置2からの光は、ある程度拡散するため、並列に接続されている複数の半導体発光素子により受光され、それぞれの半導体発光素子により電気信号に変換される。従って、1つの半導体発光素子では受光能力は小さいが、複数の半導体発光素子で受光することによって、より大きな信号を得ることができる。なお、受信時の信号の大きさは半導体発光素子の数が多いほど大きくなる。
In the illuminating
発光素子群13から出力された信号は受信部14に入力され、復調することにより通信端末装置2から送られてきたデータを受信することができる。
The signal output from the light emitting
本発明の実施の一形態における通信の具体例について説明する。図2は、データの送受信の一例の説明図である。ここでは一例として、変調方式としてPPM(Pulse Position Modulation:パルス位置変調)方式を用い、1シンボルを8スロットで構成し、前半の4スロットを照明装置1から通信端末装置2への通信用に、後半の4スロットを通信端末装置2から照明装置1への通信用に用いることとしている。そして、それぞれの4スロットのいずれにパルスを配置するかにより、2ビットのパターンである00、01、10、11のいずれかを示す。
A specific example of communication according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram of an example of data transmission / reception. Here, as an example, a PPM (Pulse Position Modulation) method is used as a modulation method, one symbol is configured by 8 slots, and the first 4 slots are used for communication from the
図2に示した例において、照明装置1から通信端末装置2へ送信する場合には、一般に用いられているPPMの波形を反転して用いている。すなわち、パルスが存在する位置において波形を立ち下げている。このようにONの時間を長く取ることによって、照明光の光量低下をなるべく抑えるようにしている。また、PPMではデータによってON/OFFの時間がそれほど変わらないので、安定した照明光量を確保することができる。
In the example shown in FIG. 2, when transmitting from the
通信端末装置2から照明装置1への通信については、照明装置1とは逆に発光時間を短くすることにより消費電力を抑えることができるので、一般的に用いられているPPM方式を使用してデータを送信している。
Concerning communication from the
図3は、通信端末装置2におけるタイミング検出方法の一例の説明図である。図2に示したように照明装置1からPPM方式の反転した波形を用いてデータの送信を行うと、後半の4スロットについては必ずOFFとなり、前半の4スロットについてもいずれかの1スロットがOFFになるのみである。また、照明装置1がデータを送信していなければ、前半の4スロットはすべてONとなる。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an example of a timing detection method in the
このような特性を用い、通信端末装置2の同期部2では、照明装置1における送受信の切替タイミングを検出することができる。すなわち、照明装置1から図3(A)に示すように各種のデータが送信されているか、あるいはデータが送信されていなければ、1フレーム(8スロット)分の受信信号を合成、または加算あるいは平均化してゆけば、図3(B)に示すように前半の4スロットについてはONとなり、後半の4スロットについてはOFFとなる。この立ち上がりあるいは立ち下がりのエッジを検出すれば、照明装置1における送受信の切替タイミングを、通信端末装置2において検出することができる。このようにして検出した切替タイミングを用いて、通信端末装置2においてデータの送受信を切り替えればよい。
Using such characteristics, the
なお、切替タイミングを検出するためには、照明装置1からの照明光を複数フレーム分、合成、加算あるいは平均化等を行う必要があるが、このフレーム数を多くすればより正確なタイミングを検出することができる。また、照明装置1の消灯時には、一般のPPM波形を用いてデータの送信を行うことができるが、この場合でも、照明装置1からデータが送信されていれば同様の方法により切替タイミングを検出し、通信を行うことができる。
In order to detect the switching timing, it is necessary to synthesize, add, or average the illumination light from the
上述の通信方法は一例であって、1シンボルのスロット数や、1シンボル中の割当スロット数については設計時に決めればよい。例えば1シンボル12スロットとし、8スロットを照明装置1から通信端末装置2へ、4スロットを通信端末装置2から照明装置1への通信に用いる、といった方法も可能である。この場合、聡明装置の発光素子群13が発光している時間が長くなるため、照明光量を増加させることができる。もちろん、変調方式はPPMに限られるものではないが、照明光としての光量変動が少ない変調方式を選択するとよい。
The above-described communication method is an example, and the number of slots for one symbol and the number of assigned slots in one symbol may be determined at the time of design. For example, a method is possible in which 1 symbol is 12 slots, 8 slots are used for communication from the
図4は、本発明の実施の一形態における第1の変形例を示すブロック図である。図1に示した構成例では、発光素子群13における各半導体発光素子を並列に接続した。このように並列に接続すると、データの受信時に通信端末装置2からの光が照射された各半導体発光素子からの信号を利用することができる。しかし、発光させる際には並列接続された各半導体発光素子に対して駆動電流を供給する必要があるため、駆動電流が大きくなってしまう。そこで、発光時の電流を低減するため、図4に示した変形例ではいくつかの半導体発光素子をグループとして直列に接続し、そのようなグループを並列に接続している。なお、通信端末装置2の構成は図1に示した構成と同様でよい。
FIG. 4 is a block diagram showing a first modification in one embodiment of the present invention. In the configuration example shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting elements in the light emitting
このような構成では、発光素子群13を発光駆動する際の電圧を上げて電流を下げることができ、図1に示した構成に比べて少ない電流により発光素子群13を駆動することができる。また、グループ内の半導体発光素子に光が当たっていれば信号を出力することができるので、発光素子群13の一部に光が当たっている場合でも受光して信号を出力することができる。
In such a configuration, the voltage when driving the light emitting
図5は、本発明の実施の一形態における第2の変形例を示すブロック図である。この第2の変形例では、発光素子群13の各半導体発光素子の接続を、送信時には直列接続、受信時には並列接続に切り替える構成を示している。図5(A)は直列接続に切り替えた場合を、図5(B)は並列接続に切り替えた場合をそれぞれ示している。なお、通信端末装置2については図示を省略しているが、構成は図1と同様でよい。
FIG. 5 is a block diagram showing a second modification of the embodiment of the present invention. This second modification shows a configuration in which the connection of each semiconductor light emitting element of the light emitting
照明装置1からデータを送信する場合には、照明光を発光することから大きな電力が必要である。そのため図5(A)に示すように各半導体発光素子が直列に接続されるように切り替える。これによって、高い電圧を与え、少ない電流により発光駆動できるようにしている。また受信時には、各半導体発光素子が受光して出力される信号を効率よく利用するため、図5(B)に示すように各半導体発光素子が並列に接続されるように切り替える。複数の半導体発光素子を直列に接続した場合には、その直列接続された半導体発光素子から出力される信号のうち最も弱い信号しか出力されないが、並列接続であればそれぞれの半導体発光素子の出力も利用することができる。
When transmitting data from the illuminating
なお、直列接続と並列接続の切替は、切替部12で送受信の切替に用いているタイミング生成部15からの切替信号を用いることができる。
The switching between the series connection and the parallel connection can be performed using a switching signal from the
上述の実施の一形態及びその変形例は一例であって、本発明の要旨を変更しない範囲内でそのほかの種々の変形が可能であることは言うまでもない。 The above-described embodiment and its modifications are merely examples, and it goes without saying that other various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
1…照明装置、11…変調部、12…切替部、13…発光素子群、14…受信部、15…タイミング生成部、2…通信端末装置、21…受光部、22…受信部、23…同期部、24…変調部、25…発光部。
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