本發(fā)明涉及地下室通信領(lǐng)域,尤其是一種CCD光通信地下專用智能插座。
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(zhǎng)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??梢姽鉄o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。
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CCD光通信地下專用智能插座 ,包括中央處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路、處理器模塊、接收天線、光探測(cè)器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能插座、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(cè)器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能插座;
所述智能插座包括微處理器、功率控制電路、信號(hào)測(cè)量電路、電源轉(zhuǎn)換電路、光接收模塊,所述微處理器接收所述光接收模塊獲得的控制指令,根據(jù)所述控制指令,控制電路實(shí)現(xiàn)智能插座的通電和斷電;所述功率控制電路包括繼電器,所述微處理器發(fā)出控制信號(hào),控制繼電器的開合來改變負(fù)載的供電,所述繼電器的容量要高于負(fù)載的最大功率,所述繼電器回路還包括二極管和電容器件,用于吸收開合瞬間的反向電流和高壓;所述信號(hào)測(cè)量電路與功率控制電路連接,獲得智能插座的電壓、電流強(qiáng)電信號(hào)先通過分壓電阻、錳銅片轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào),再輸入給專用的計(jì)量芯片,完成多路電壓電流有效值、功率等計(jì)算,生成的數(shù)據(jù)輸送到微處理器;所述電源轉(zhuǎn)換電路將220V的交流電壓進(jìn)行AC-DC變換, 輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓
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(cè)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、智能插座、接收天線、光探測(cè)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);所述智能插座是單色的 LED;所述光探測(cè)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(cè)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)模塊加載到智能插座上,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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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??;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L(zhǎng)ED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L(zhǎng)ED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(zhǎng)(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)。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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)單,解碼時(shí)候只需要通過直接檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器還可以同時(shí)用于APT 通信系統(tǒng)當(dāng)中當(dāng)連接在可見光發(fā)射模塊中的各類傳感器(煙霧傳感器、溫度傳感器)發(fā)現(xiàn)災(zāi)害出現(xiàn)時(shí),會(huì)立即向此模塊的核心控制電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。核心控制電路隨即發(fā)出報(bào)警信號(hào)到以太網(wǎng)通信模塊中,通過互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)向用戶發(fā)出警報(bào)信息。該智能插座應(yīng)能通過開斷電源,來控制插座上電器的供電, 或?qū)﹄娖鞯耐ㄐ趴诎l(fā)命令幀控制, 控制的家電包括空調(diào)、 電飯煲、 智能插座等。智能插座與核心控制電路進(jìn)行通信,將數(shù)據(jù)傳送給主控制器或響應(yīng)主控制器的命令, 保證智能家居系統(tǒng)的正常工作。 智能插座與主控制器構(gòu)成有效的通信網(wǎng)絡(luò), 通信應(yīng)快速穩(wěn)定。
另外,智能插排能夠通過GSM通信模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制,用戶可以在回家之前啟動(dòng)智能插排,改善室內(nèi)空氣濕度,在離開家以后關(guān)閉,即使忘記出門之前關(guān)閉智能插排,也可以通過手機(jī)發(fā)出控制指令,關(guān)閉智能插排,這樣能夠合理規(guī)劃智能插排的使用時(shí)間,延遲使用壽命以及節(jié)約能源。
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CCD光通信地下專用智能插座 作進(jìn)一步詳盡描述:
1、如圖1所示,一種CCD光通信地下專用智能插座 ,包括中央處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路、處理器模塊、接收天線、光探測(cè)器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能插座、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(cè)器、信號(hào)處理電路、電源電路、智能插座;
所述智能插座包括微控制器、加濕器開關(guān)以及光接收模塊,所述光接收模塊從智能插座組中接收LED通信信號(hào),對(duì)所述LED通信信號(hào)處理后獲得控制指令,并將所述控制指令輸送到微控制器,所述微控制器根據(jù)所述控制指令生成加濕器開關(guān)的執(zhí)行指令,所述加濕器開關(guān)是電磁繼電器,所述電磁繼電器與加濕器的加濕裝置連接;
所述智能插座包括微處理器、功率控制電路、信號(hào)測(cè)量電路、電源轉(zhuǎn)換電路、光接收模塊,所述微處理器接收所述光接收模塊獲得的控制指令,根據(jù)所述控制指令,控制電路實(shí)現(xiàn)智能插座的通電和斷電;所述功率控制電路包括繼電器,所述微處理器發(fā)出控制信號(hào),控制繼電器的開合來改變負(fù)載的供電,所述繼電器的容量要高于負(fù)載的最大功率,所述繼電器回路還包括二極管和電容器件,用于吸收開合瞬間的反向電流和高壓;所述信號(hào)測(cè)量電路與功率控制電路連接,獲得智能插座的電壓、電流強(qiáng)電信號(hào)先通過分壓電阻、錳銅片轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào),再輸入給專用的計(jì)量芯片,完成多路電壓電流有效值、功率等計(jì)算,生成的數(shù)據(jù)輸送到微處理器;所述電源轉(zhuǎn)換電路將220V的交流電壓進(jìn)行AC-DC變換, 輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓
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(cè)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、智能插座、接收天線、光探測(cè)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);所述智能插座是單色的 LED;所述光探測(cè)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(cè)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)模塊加載到智能插座上,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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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??;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L(zhǎng)ED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L(zhǎng)ED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。考慮微型化原則,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(zhǎng)(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)。