本發(fā)明涉及地下室 通信領(lǐng)域，尤其是一種地下室專用CCD光通信智能熱水器 。

背景技術(shù)：

太陽能（solar energy），是指太陽的熱輻射能（參見熱能傳播的三種方式），主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風(fēng)能、化學(xué)能、水能等。

太陽能是由太陽內(nèi)部氫原子發(fā)生氫氦聚變釋放出巨大核能而產(chǎn)生的，來自太陽的輻射能量。

人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，并把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代演變形成的一次能源。地球本身蘊(yùn)藏的能量通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。

隨著白光 LED 器件的發(fā)展，可見光通信技術(shù)得到了越來越多的重視。可見光無線通信系統(tǒng)主要由光信號(hào)發(fā)射端和光信號(hào)接收端組成。這種技術(shù)運(yùn)用到構(gòu)建地下室 無線網(wǎng)路通信的具有巨大的優(yōu)越性，地下室 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的能力，將多個(gè)此類傳感器節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，可形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),它們通過特定的協(xié)議，高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行自組織，并通過各傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、感知和采集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術(shù)將觀測信息實(shí)時(shí)傳輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供了一種低功耗、體積小、低成本，具有計(jì)算能力和通信能力的基于可見光通信的家用設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，提出了如下技術(shù)方案：

一種地下室專用CCD光通信智能熱水器 ，包括中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、處理器模塊、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能熱水器、LED發(fā)送/接收模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、電源模塊、電源電路、光鑰匙模塊；所述中央處理器連接光鑰匙模塊、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能熱水器；

所述熱水器中集成設(shè)置了控制器、水膽溫度測量電路、出水溫度測量電路、水膽穩(wěn)定控制電路、混水控制電路、鍵盤、顯示電路以及光信號(hào)接收模塊，所述控制器接收光信號(hào)接收模塊處理后的控制指令，根據(jù)所述控制指令，開關(guān)所述熱水器，并根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)出水溫度；其中，所述水膽溫度測量電路實(shí)時(shí)獲得水膽內(nèi)的水膽溫度，所述出水溫度測量電路用于實(shí)時(shí)獲得出水口的出水溫度；所述水膽溫度控制電路通過控制進(jìn)入水膽內(nèi)的水量以及電熱絲的電流大小來控制水膽溫度；所述混水控制電路通過控制一個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)冷、熱水的混水比例,從而調(diào)節(jié)出水溫度；所述鍵盤用于輸入溫度設(shè)置，顯示電路用于顯示電熱水器的運(yùn)行狀態(tài)。

所述智能熱水器還控制器、水膽溫度測量電路、出水溫度測量電路、水膽穩(wěn)定控制電路、混水控制電路、鍵盤、顯示電路以及光信號(hào)接收模塊，所述控制器接收光信號(hào)接收模塊處理后的控制指令，根據(jù)所述控制指令，開關(guān)所述智能電飯煲加熱器，并根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)出水溫度；其中，所述水膽溫度測量電路實(shí)時(shí)獲得水膽內(nèi)的水膽溫度，所述出水溫度測量電路用于實(shí)時(shí)獲得出水口的出水溫度；所述水膽溫度控制電路通過控制進(jìn)入水膽內(nèi)的水量以及電熱絲的電流大小來控制水膽溫度；所述混水控制電路通過控制一個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)冷、熱水的混水比例,從而調(diào)節(jié)出水溫度；所述鍵盤用于輸入溫度設(shè)置，顯示電路用于顯示電智能電飯煲加熱器的運(yùn)行狀態(tài)；

所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)射端和接收端；發(fā)射端可使用OOK、PPM 等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號(hào)以高速、明暗變化的規(guī)律進(jìn)行發(fā)射，采用大功率低束散角陣列 LED 作為光源，由于調(diào)制速率在一百比特量級(jí)，可以采用單片機(jī)配合 C++軟件編程進(jìn)行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)字符串的發(fā)送；接收端，采用 CCD 作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻100fps 以上、高靈敏度、高響應(yīng)度 CCD 相機(jī)；相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計(jì)軟件對(duì)CCD 相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號(hào)的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實(shí)現(xiàn)字符串的接收；所述充電插口設(shè)置于閉合門的側(cè)端；

所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號(hào)調(diào)制控制設(shè)備、LED 燈、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路；所述信號(hào)調(diào)制設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)制生成原始的電信號(hào)；所述LED 燈是單色的 LED；所述光探測器是可見光波段響應(yīng)較好的 CCD光電轉(zhuǎn)換器件；所述接收天線是可變倍數(shù)的光學(xué)鏡頭；所述信號(hào)處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號(hào)的處理，以及確定接收光斑的形狀、大小和平均接收光功率；所述探照燈和所述接收天線之間是大氣信道，光源發(fā)出的光通過大氣信道進(jìn)行傳輸；

所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動(dòng)終端，基于智能移動(dòng)終端操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動(dòng)終端的軟件模塊，通過智能移動(dòng)終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動(dòng)終端的 min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動(dòng)終端OTG 功能，經(jīng)過外部驅(qū)動(dòng)模塊加載到智能熱水器上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送；所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路；所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路；所述處理器模塊控制LED光源發(fā)送和接收信息，并協(xié)調(diào)各外設(shè)單元工作；所述LED發(fā)送／接收模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的通信；所述傳感器模塊負(fù)責(zé)目標(biāo)區(qū)域信息的采集；所述串口通信模塊與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)；所述電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的能量供給。

所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊；FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。

所述處理器模塊采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節(jié)點(diǎn)的主控芯片，該芯片體積小、質(zhì)量輕，計(jì)算能力能滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)內(nèi)部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊芯片以及簡單的外圍電路從而實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕和計(jì)算能力的要求。

待發(fā)送密鑰為 TTL 電平信號(hào)，即+5V 表示高電平“1”，0V 表示低電平“0”；所述LED驅(qū)動(dòng)模塊包括PNP 型貼片三極管 S8550 及其相關(guān)外圍器件，用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換；所述光鑰匙模塊一個(gè)一對(duì)多的裝置；光鑰匙是基于單片機(jī) STC12C2052AD 設(shè)計(jì)的一種發(fā)送端。

所述LED發(fā)送/接收模塊中，選擇的光源是Luxeon III Enutter大功率藍(lán)光光源(3W)。該光源的特點(diǎn)主要為：光通量高；使用壽命可達(dá)5*104h；體積小；額定工作電流很大，大約為 350~700mA ；點(diǎn)亮?xí)r間小于100s。另外，本模塊將光源與鋁基板組合使用用以散熱，使用菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)聚光。選用 ULN2803A作為LED的驅(qū)動(dòng)芯片, ULN2803A是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端導(dǎo)通。該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)８組負(fù)載工作，具有電流增益高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合作為LED光源的驅(qū)動(dòng)。所述可見光接收模塊將接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將采集數(shù)據(jù)提供至處理器?？紤]微型化原則，所以采用藍(lán)光增強(qiáng)型光電二極管PIN-10DP/SB作為接收元件，該元件具有100m²以上的感光面積，對(duì)于400~600m的波長（藍(lán)綠光波段范圍）較敏感，用于家用下水節(jié)點(diǎn)的接收器。

所述串口通信模塊針對(duì)Sink節(jié)點(diǎn)，使用主控芯片上的串行通信口 USART-Tx、USART-Rx ， 輸出 TTL電平實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的能量供給，Sink節(jié)點(diǎn)通過串口與計(jì)算機(jī)端相連， 能量可以認(rèn)為是無限的，而普通節(jié)點(diǎn)則需要靠電池供電。

所述電源模塊采用電壓范圍為1.8V~3.6V的STM32F405RGT6為電源，采用２節(jié)五號(hào)電池來供電，并采用低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)的LT1963EST-3.3為穩(wěn)壓芯片。LT1963EST-3.3穩(wěn)壓芯片的輸出電流在1.5V ， 輸出電壓為3.3V， 具有低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)。

該發(fā)明的有益效果：

應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)、知識(shí)工程、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法和技術(shù),進(jìn)行智能化、集成化、協(xié)調(diào)化、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的新一代的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電熱水器的遠(yuǎn)程控制，將室內(nèi)LED照明系統(tǒng)和電熱水器結(jié)合起來，電熱水器需要一段時(shí)間的預(yù)熱才能夠產(chǎn)生足夠的熱水供用戶使用，通過遠(yuǎn)程智能控制，用戶可以在歸家之前就啟動(dòng)電熱水器，從而提高了電熱水器的用戶體驗(yàn)。所述微控制器是采用單片機(jī) ,其CPU由控制器和運(yùn)算器組成， 主要進(jìn)行運(yùn)算及指令識(shí)別。存儲(chǔ)器為８Ｋ可擦寫閃存， 工作電源為+５Ｖ 。其內(nèi)部有振蕩器的反相放大器， 石英晶體和陶瓷諧振器共同構(gòu)成自激振蕩器。引腳簡單可靠， 功能強(qiáng)大， 使用方便， 并具有低功耗空閑和掉電模式。

光鑰匙和智能移動(dòng)終端相結(jié)合，可以很好的運(yùn)用Android系統(tǒng)開發(fā)手機(jī)AAP光密鑰軟件，Android系統(tǒng)是基于 Linux 的一個(gè)開源的操作系統(tǒng)，主要是使用在移動(dòng)終端（手機(jī)和平板）中。Android系統(tǒng)和其他的系統(tǒng)平臺(tái)相比，有很大的優(yōu)勢(shì)。它的優(yōu)勢(shì)最主要的體現(xiàn)在它的開放性。Android系統(tǒng)是完全開源的系統(tǒng)，所有的愛好者和廠商都可以參與到 Android 系統(tǒng)的開發(fā)中來，這就為 Android 系統(tǒng)的發(fā)展打下了很好基礎(chǔ)。Android 系統(tǒng)已經(jīng)成為了全球裝機(jī)量第一大的系統(tǒng)。Android 系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢(shì)就是基于谷歌公司的平臺(tái)，谷歌公司的地圖、搜索、郵箱等服務(wù)產(chǎn)品，能夠無縫的應(yīng)用到 Andriod 系統(tǒng)中去。

所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊；FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程；為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進(jìn)行發(fā)電或夜間時(shí)候依然滿足對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電

在使用時(shí)，多余的電能將被存儲(chǔ)在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時(shí)，蓄電池組將進(jìn)行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對(duì)中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進(jìn)行供電，達(dá)到24小時(shí)全天候的使整個(gè)系統(tǒng)工作。本發(fā)明中所述基于可見光通信的家用下水節(jié)點(diǎn)采用STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節(jié)點(diǎn)的主控芯片，該芯片體積小、質(zhì)量輕，計(jì)算能力能滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)內(nèi)部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊芯片以及簡單的外圍電路從而實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕和計(jì)算能力的要求。和傳統(tǒng)的水聲通信技術(shù)相比，可見光通信的家用下水節(jié)點(diǎn)具備低功耗、體積小、低成本，具有計(jì)算能力和通信能力，實(shí)用性廣泛，并且經(jīng)濟(jì)效益高，有巨大的市場前景。

遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)，在發(fā)射端采用了OOK調(diào)制方式，OOK 帶寬需求低，而且硬件實(shí)現(xiàn)最為簡單，解碼時(shí)候只需要通過直接檢測的方法，通過判斷光的有無來確定接收到的信息時(shí)0或者1；使得發(fā)射端成本合理；在接收端，采用 CCD 作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻（100fps 以上）、高靈敏度、高響應(yīng)度 CCD 相機(jī)；相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計(jì)軟件對(duì)CCD 相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號(hào)的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實(shí)現(xiàn)字符串的接收。選擇 CCD 作為光探測器，其靈敏度和響應(yīng)度比傳統(tǒng)的 PIN 光電二極管高很多。對(duì)比于傳統(tǒng)光電二極管，采用 CCD 相機(jī)可以使光源的位置可以在圖像中清晰的顯示出來，這樣，只要能夠判斷出信號(hào)的位置，將來可以使用多個(gè)光源，在接收端的接受能力之內(nèi)，成倍的提高傳輸速率。并且 CCD 作為光探測器還可以同時(shí)用于APT 通信系統(tǒng)當(dāng)中。

采用基于可見光通信的家用下水節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的能力，將多個(gè)此類節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，可形成無線網(wǎng)絡(luò),它們通過特定的協(xié)議，高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行自組織，并通過各節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、感知和采集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術(shù)將觀測信息實(shí)時(shí)傳輸。

附圖說明

圖1是基于可見光通信的家用下水節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是處理器模塊電路圖；

圖3是LED驅(qū)動(dòng)器電路圖；

圖4是可見光接收模塊電路圖；

圖5是電源模塊電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種地下室專用CCD光通信智能熱水器 作進(jìn)一步詳盡描述：

1、如圖1所示，一種地下室專用CCD光通信智能熱水器 ，包括中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、處理器模塊、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能熱水器、LED發(fā)送/接收模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、電源模塊、電源電路、光鑰匙模塊；所述中央處理器連接光鑰匙模塊、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能熱水器；

所述熱水器中集成設(shè)置了控制器、水膽溫度測量電路、出水溫度測量電路、水膽穩(wěn)定控制電路、混水控制電路、鍵盤、顯示電路以及光信號(hào)接收模塊，所述控制器接收光信號(hào)接收模塊處理后的控制指令，根據(jù)所述控制指令，開關(guān)所述熱水器，并根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)出水溫度；其中，所述水膽溫度測量電路實(shí)時(shí)獲得水膽內(nèi)的水膽溫度，所述出水溫度測量電路用于實(shí)時(shí)獲得出水口的出水溫度；所述水膽溫度控制電路通過控制進(jìn)入水膽內(nèi)的水量以及電熱絲的電流大小來控制水膽溫度；所述混水控制電路通過控制一個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)冷、熱水的混水比例,從而調(diào)節(jié)出水溫度；所述鍵盤用于輸入溫度設(shè)置，顯示電路用于顯示電熱水器的運(yùn)行狀態(tài)。

所述智能熱水器還控制器、水膽溫度測量電路、出水溫度測量電路、水膽穩(wěn)定控制電路、混水控制電路、鍵盤、顯示電路以及光信號(hào)接收模塊，所述控制器接收光信號(hào)接收模塊處理后的控制指令，根據(jù)所述控制指令，開關(guān)所述智能電飯煲加熱器，并根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)出水溫度；其中，所述水膽溫度測量電路實(shí)時(shí)獲得水膽內(nèi)的水膽溫度，所述出水溫度測量電路用于實(shí)時(shí)獲得出水口的出水溫度；所述水膽溫度控制電路通過控制進(jìn)入水膽內(nèi)的水量以及電熱絲的電流大小來控制水膽溫度；所述混水控制電路通過控制一個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)冷、熱水的混水比例,從而調(diào)節(jié)出水溫度；

所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)射端和接收端；發(fā)射端可使用OOK、PPM 等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號(hào)以高速、明暗變化的規(guī)律進(jìn)行發(fā)射，采用大功率低束散角陣列 LED 作為光源，由于調(diào)制速率在一百比特量級(jí)，可以采用單片機(jī)配合 C++軟件編程進(jìn)行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)字符串的發(fā)送；接收端，采用 CCD 作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻100fps 以上、高靈敏度、高響應(yīng)度 CCD 相機(jī)；相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計(jì)軟件對(duì)CCD 相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號(hào)的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實(shí)現(xiàn)字符串的接收；所述充電插口設(shè)置于閉合門的側(cè)端；

所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號(hào)調(diào)制控制設(shè)備、LED 燈、接收天線、光探測器、信號(hào)處理電路；所述信號(hào)調(diào)制設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)制生成原始的電信號(hào)；所述LED 燈是單色的 LED；所述光探測器是可見光波段響應(yīng)較好的 CCD光電轉(zhuǎn)換器件；所述接收天線是可變倍數(shù)的光學(xué)鏡頭；所述信號(hào)處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號(hào)的處理，以及確定接收光斑的形狀、大小和平均接收光功率；所述探照燈和所述接收天線之間是大氣信道，光源發(fā)出的光通過大氣信道進(jìn)行傳輸；

所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動(dòng)終端，基于智能移動(dòng)終端操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動(dòng)終端的軟件模塊，通過智能移動(dòng)終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動(dòng)終端的 min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動(dòng)終端OTG 功能，經(jīng)過外部驅(qū)動(dòng)模塊加載到智能熱水器上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送；所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路；所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路；所述處理器模塊控制LED光源發(fā)送和接收信息，并協(xié)調(diào)各外設(shè)單元工作；所述LED發(fā)送／接收模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的通信；所述傳感器模塊負(fù)責(zé)目標(biāo)區(qū)域信息的采集；所述串口通信模塊與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)；所述電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的能量供給。

所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊；FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程；為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進(jìn)行發(fā)電或夜間時(shí)候依然滿足對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

待發(fā)送密鑰為 TTL 電平信號(hào)，即+5V 表示高電平“1”，0V 表示低電平“0”；所述LED驅(qū)動(dòng)模塊包括PNP 型貼片三極管 S8550 及其相關(guān)外圍器件，用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換；所述光鑰匙模塊一個(gè)一對(duì)多的裝置；光鑰匙是基于單片機(jī) STC12C2052AD 設(shè)計(jì)的一種發(fā)送端。

在使用時(shí)，多余的電能將被存儲(chǔ)在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時(shí)，蓄電池組將進(jìn)行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對(duì)中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進(jìn)行供電，達(dá)到24小時(shí)全天候的使整個(gè)系統(tǒng)工作。

所述濕度采集傳感器是SHT21傳感器，此時(shí)不在需要溫度傳感器；該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，濕度精度±2%(相對(duì)濕度20%～80%)， 溫度精度±0.3℃(環(huán)境溫度25～42℃)。傳感器經(jīng)過標(biāo)定，既能提供I2C數(shù)字接口，也能提供PWM模擬輸出模式。因?yàn)閿?shù)字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態(tài)下，功耗可在3μW以內(nèi)，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進(jìn)一步降低。使用 SHT21 過程中， A/D電路進(jìn)行數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)換。除此之外，SHT21的分辨率還可以通過指令進(jìn)行8/12bit 到12/14bit的改變，便于檢測電量狀態(tài)，同時(shí)輸出校驗(yàn)和，有助于提高通信的可靠性。

所述微控制器是采用單片機(jī) ,其CPU由控制器和運(yùn)算器組成， 主要進(jìn)行運(yùn)算及指令識(shí)別。存儲(chǔ)器為８Ｋ可擦寫閃存， 工作電源為+５Ｖ 。其內(nèi)部有振蕩器的反相放大器， 石英晶體和陶瓷諧振器共同構(gòu)成自激振蕩器。引腳簡單可靠， 功能強(qiáng)大， 使用方便， 并具有低功耗空閑和掉電模式。

所述溫度傳感器是DS18B20傳感器，DS18B20傳感器具有一線接口， 使用簡單方便， 在實(shí)際使用中無需外部元件， 直接利用數(shù)據(jù)總線供電， 測量溫度范圍較大。因此， 使用范圍較廣， 用途較大。

所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)具體包括：

調(diào)制器，用于可見光通信發(fā)射端需要將基帶信號(hào)調(diào)制到光載波上，調(diào)制器的作用就是要根據(jù)不同的調(diào)制方式，如 OOK 調(diào)制、PPM 調(diào)制等，將信息先調(diào)制成電信號(hào)。調(diào)制器硬件上可以采用常用的 51 單片機(jī)系列，為了達(dá)到更高的速度和精度的要求，還可以選擇 FPGA 等。

LED 驅(qū)動(dòng)，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。LED 驅(qū)動(dòng)模塊用于完成對(duì)LED 光源的驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)將調(diào)至好的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)加載到 LED 光源上。如 51 單片機(jī)，其觸發(fā)方式是 TTL 觸發(fā)，完成對(duì) LED 光源驅(qū)動(dòng)。

LED，是可見光通信系統(tǒng)的發(fā)射裝置，為了滿足通信系統(tǒng)的需求，應(yīng)盡可能選擇功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，選擇陣列形式 LED 光源可以增大光功率，而對(duì)束散角一般達(dá)到4度。

LED控制器，用來控制光源和相機(jī)的設(shè)備，完成輔助功能。

大氣信道，光源將調(diào)至好的信號(hào)光發(fā)射出去，通過大氣信道傳輸，傳輸過程中將受到大氣信道的影響。

相機(jī)鏡頭，相機(jī)鏡頭即是接收天線，主要完成光信號(hào)的捕捉接收功能，鏡頭能夠進(jìn)行變焦，變化接收視場角，可以放大或者縮小目標(biāo)。為了便于和 CCD相機(jī)相互配合，配置了電動(dòng)變焦鏡頭和編碼器，可以實(shí)現(xiàn)電腦控制自動(dòng)變焦。

CCD 相機(jī)，CCD 是感光元器件，主要是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再成像。

CCD 相機(jī)需能夠匹配光源的速率， CCD 相機(jī)能夠完成高幀頻采集。CCD 相機(jī)通過千兆以太網(wǎng)連接到電腦上，并通過程序完成圖像數(shù)據(jù)的采集和處理。

成像處理過程，用于將接收到的已調(diào)光信號(hào)進(jìn)行接收成像，分析其灰度光強(qiáng)度，解調(diào)出原始信息，完成信息接收。

如圖2所示，所述處理器模塊采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節(jié)點(diǎn)的主控芯片，該芯片體積小、質(zhì)量輕，計(jì)算能力能滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)內(nèi)部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊芯片以及簡單的外圍電路從而實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕和計(jì)算能力的要求。

如圖3所示，所述LED發(fā)送/接收模塊中，選擇的光源是Luxeon III Enutter大功率藍(lán)光光源(3W)。該光源的特點(diǎn)主要為：光通量高；使用壽命可達(dá)5*104h；體積?。活~定工作電流很大，大約為 350~700mA ；點(diǎn)亮?xí)r間小于100s。另外，本模塊將光源與鋁基板組合使用用以散熱，使用菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)聚光。選用 ULN2803A作為LED的驅(qū)動(dòng)芯片, ULN2803A是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端導(dǎo)通。該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)８組負(fù)載工作，具有電流增益高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合作為LED光源的驅(qū)動(dòng)。

如圖4所示，所述可見光接收模塊將接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 將采集數(shù)據(jù)提供至處理器?？紤]微型化原則，所以采用藍(lán)光增強(qiáng)型光電二極管PIN-10DP/SB作為接收元件，該元件具有100m²以上的感光面積，對(duì)于400~600m的波長（藍(lán)綠光波段范圍）較敏感，用于家用下水節(jié)點(diǎn)的接收器。

如圖5所示，所述電源模塊采用電壓范圍為1.8V~3.6V的STM32F405RGT6為電源，采用２節(jié)五號(hào)電池來供電，并采用低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)的LT1963EST-3.3為穩(wěn)壓芯片。LT1963EST-3.3穩(wěn)壓芯片的輸出電流在1.5V， 輸出電壓為3.3V，具有低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。