一種多網(wǎng)融合家用光控插座的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多網(wǎng)融合家用光控插座，包括智能插座、光探測器、多個網(wǎng)絡(luò)用具、中央處理器、接收天線、光探測器、信號處理電路、電源電路、LED燈現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路；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。所述光探測器用于將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為LED光信號，所述多個網(wǎng)絡(luò)用具上分別設(shè)置有光檢測模塊，用于接收所述LED光信號。所述基于可見光通信的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠簡化通信光源布線，將可見光通信技術(shù)、電力線載波通信技術(shù)融合現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】
一種多網(wǎng)融合家用光控插座
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于可見光光通信的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能(solarenergy)，是指太陽的熱福射能(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能、化學(xué)能、水能等。
[0003]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，來自太陽的福射能量。
[0004]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。
[0005]在現(xiàn)有的無線技術(shù)當中，除去基于電磁波傳輸信息的傳統(tǒng)射頻通信外，還有基于光的無線通信，其中，有基于紅外激光等的通信技術(shù)，還有基于可見光的無線通信技術(shù)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)，是利用發(fā)光的二極管發(fā)出的肉眼覺察不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的。將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加載到光載波信號上，并進行調(diào)制，然后利用光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號并解調(diào)以獲取信息?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)能夠覆蓋燈光所能達到的范圍，不需要電線連接。光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，將為光通信提供一種全新的高速數(shù)據(jù)接入方式。
[0006]LED燈具有亮度高、壽命長、性能穩(wěn)定、節(jié)省能源等優(yōu)點，它將成為下一代的照明工具。由于的高靈敏度和線性調(diào)制特性，因此照明系統(tǒng)具有傳輸信號的能力。與傳統(tǒng)的紅外和無線電通信相比，可見光通信具有發(fā)射功率高、無電磁干擾、無需申請頻譜資源和室內(nèi)不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄漏等優(yōu)點。照明燈無線通信能夠在照明的同時實現(xiàn)通信功能，既節(jié)能又減少了重復(fù)投資，因此，可見光通信系統(tǒng)具有顯著的研究意義和較大的發(fā)展前景，已被公認為一種新興的短距離高速無線通信系統(tǒng)。
[0007]家庭網(wǎng)絡(luò)(HomeNetwork)是融合家庭控制網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息網(wǎng)絡(luò)于一體的家庭信息化平臺，是在家庭范圍內(nèi)實現(xiàn)信息設(shè)備、通信設(shè)備、娛樂設(shè)備、家用電器、自動化設(shè)備、照明設(shè)備、保安(監(jiān)控)裝置及水電氣熱表設(shè)備、家庭求助報警等設(shè)備互連和管理，以及數(shù)據(jù)和多媒體信息共享的系統(tǒng)。涉及到了電信、家電、IT等行業(yè)。同時，家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是現(xiàn)代智能家居的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的發(fā)明目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供了一種能夠簡化通信光源布線，將可見光通信技術(shù)、電力線載波通信技術(shù)融合現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)的基于可見光通信的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0009]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，提出了如下技術(shù)方案:
包括中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、智能插座、光探測器、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、接收天線、信號處理電路、多個網(wǎng)絡(luò)用具;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；
所述智能插座包括微處理器、功率控制電路、信號測量電路、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，控制繼電器的開合來改變負載的供電，所述繼電器的容量要高于負載的最大功率，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;所述信號測量電路與功率控制電路連接，獲得智能插座的電壓、電流強電信號先通過分壓電阻、錳銅片轉(zhuǎn)換為弱電信號，再輸入給專用的計量芯片，完成多路電壓電流有效值、功率等計算，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的交流電壓進行AC-DC變換，輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓。
[0010]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，其中，所述智能插座通過寬帶接入裝置與外部網(wǎng)絡(luò)連接，然后與個人消費終端連接;所述智能插座還設(shè)置有備用接口，用于各種擴展應(yīng)用的安裝與連接;所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、接收天線、信號處理電路；
所述信號調(diào)制設(shè)備負責調(diào)制生成原始的電信號;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；所述信號處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號的處理，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行傳輸；
所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述光探測器通過電力線通信PLC與智能插座連接，用于將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為LED光信號，所述多個網(wǎng)絡(luò)用具上分別設(shè)置有光檢測模塊，用于接收所述LED光信號;LED和處在其照射范圍內(nèi)的多個網(wǎng)絡(luò)用具組成封閉的單向通信單元;所述各個通信單元通過電力線通信PLC總線與智能插座互聯(lián)，實現(xiàn)相互獨立的雙向通信。
[0011]可選的，所述網(wǎng)絡(luò)用具或LED也可以通過備用接口連接至其他控制設(shè)備。因此，該系統(tǒng)可以方便地嵌入到其他網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)大系統(tǒng)。
[0012]家庭網(wǎng)關(guān)既要實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備之間的互聯(lián)，又要通過各種接口連接外網(wǎng)，實現(xiàn)信息的交互和共享。因此，家庭網(wǎng)關(guān)是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制中心。家庭網(wǎng)關(guān)需具有易于操作的人機交互接口，同時設(shè)備要有小巧、低功耗、安裝方便等特點。
[0013]所述智能插座包括中央處理器及其最小外圍電路、電力線通信PLC模塊、顯示器、觸摸模塊以及外圍接口；所述外圍接口包括供電接口、JTAG接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口 ；所述觸摸模塊包括觸摸面板和A/D轉(zhuǎn)換器，所述中央處理器連接A/D轉(zhuǎn)換器之后與觸摸面板連接;所述中央處理器還連接有EEPROM存儲器、SDROM存儲器、NORflash閃存;所述中央處理器通過總線緩存器與顯示模塊連接，所述顯示模塊包括顯示控制器、顯示器、NANDf Iash閃存以VRAM存儲器。所述RS485接口與電力線通信PLC模塊連接，所述電力線通信PLC模塊包括單片機和調(diào)制解調(diào)器。
[0014]所發(fā)送密鑰為TTL電平信號，即+5V表示高電平“1”，0V表示低電平“O”；基于TTL信號電平特點，選用低成本、小體積PNP型貼片三極管S8550及其相關(guān)外圍器件，構(gòu)成了LED驅(qū)動電路;光鑰匙是基于單片機STC12C2052AD設(shè)計的一種發(fā)送端;光鑰匙可以發(fā)送不同的密鑰，所述光鑰匙模塊不是一個簡單的一對一的裝置，而是一個一對多的裝置。
[0015]所述光探測器包括電力線通信PLC模塊、微控制器模塊、AC/DC恒流驅(qū)動模塊;所述LED采用串聯(lián)的方式連接，所述微控制器模塊用于橋接電力線通信PLC和可見光通信VLC;所述AC/DC恒流驅(qū)動模塊構(gòu)成離線反激式恒流源驅(qū)動電路，實現(xiàn)350mA的恒定電流輸出；電光信號的轉(zhuǎn)換通過開關(guān)管快速通斷LED燈實現(xiàn)。
[0016]所述遠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00K、PPM等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進行發(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，可以采用單片機配合C++軟件編程進行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(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(10fps以上)、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機。相機以與光源相同幀頻進行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機進行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(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，實現(xiàn)字符串的接收。
[0017]所述調(diào)制方式是OOK調(diào)制方式;OOK帶寬需求低，而且硬件實現(xiàn)最為簡單，解碼時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O或者I。其中，“亮”狀態(tài)用“I”表示，“滅”狀態(tài)用“O”表示，
所述發(fā)射模塊采用白光LED，為了增大發(fā)射功率，使用LED陣列，具體為3*4的LED陣列，每個LED功率能夠達到4W，束散角為5.30。
[0018]所述接收端采用CXD相機接收，以10fps為例，相機在I秒鐘之內(nèi)等間距拍攝100張圖像，光信息被接收下之后，存儲在圖像當中。
[0019]所述光接收天線是一組光學(xué)鏡頭，與CCD相機相互配合，配置電動變焦鏡頭和編碼器，可以實現(xiàn)計算機控制自動變焦。
[0020]所述遠距離可見光通信系統(tǒng)還包括光信號數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于通過編寫的程序完成對LED發(fā)來的信號光的采集處理。該程序以MFC為框架編寫，完成對從相機發(fā)送過來的圖片信息的分析和處理。當光源和相機的頻率同步時，相機能夠準確捕捉到光源發(fā)送的信息。
[0021]所述遠距離可見光通信系統(tǒng)還包括可見光通信數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于完成數(shù)據(jù)傳輸時的同步，與自適應(yīng)傳輸模塊配合，完成速率可變自適應(yīng)信息傳輸。包括數(shù)據(jù)傳輸準備過程，數(shù)據(jù)速率識別過程，數(shù)據(jù)同步過程，數(shù)據(jù)傳輸過程。按次序依次為數(shù)據(jù)傳輸建立，持續(xù)時間為IT，保護間隔2T ;速率識別碼發(fā)送時間3T ;保護間隔4T ;數(shù)據(jù)同步時間；最后進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0022]所述遠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。調(diào)制器硬件上可以采用常用的51單片機系列，為了達到更高的速度和精度的要求，還可以選擇FPGA等。
[0023]LED驅(qū)動，用于將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。LED驅(qū)動模塊用于完成對LED光源的驅(qū)動功能，同時將調(diào)至好的電信號轉(zhuǎn)化為光信號加載到LED光源上。如51單片機，其觸發(fā)方式是TTL觸發(fā)，完成對LED光源驅(qū)動。
[0024]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，而對束散角一般達到4度。
[0025]LED控制器，用來控制光源和相機的設(shè)備，完成輔助功能。
[0026]大氣信道，光源將調(diào)至好的信號光發(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。
[0027]相機鏡頭，相機鏡頭即是接收天線，主要完成光信號的捕捉接收功能，鏡頭能夠進行變焦，變化接收視場角，可以放大或者縮小目標。為了便于和CCD相機相互配合，配置了電動變焦鏡頭和編碼器，可以實現(xiàn)電腦控制自動變焦。
[0028](XD相機，CXD是感光元器件，主要是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號再成像。
[0029](XD相機需能夠匹配光源的速率，CXD相機能夠完成高幀頻采集。CXD相機通過千兆以太網(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。
[0030]成像處理過程，用于將接收到的已調(diào)光信號進行接收成像，分析其灰度光強度，解調(diào)出原始信息，完成信息接收。
[0031]所述多個網(wǎng)絡(luò)用具是系統(tǒng)的終端設(shè)備，包括光電轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊;所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括前置放大器、濾波器、放大器以及鎖相放大器;用于將探測器輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號;所述控制模塊輸出各種簡單或者復(fù)雜的控制信號，具有繼電器、串行接口、開關(guān)陣列、USB、IR紅外線多個輸出端口。
[0032]該發(fā)明的有益效果:
應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法和技術(shù)，進行智能化、集成化、協(xié)調(diào)化、設(shè)計和實現(xiàn)的新一代的計算機管理系統(tǒng)。WIFI容易被電磁干擾，傳輸?shù)姆较虿豢煽?，密碼容易被截獲。然而可見光通信是一種點對點的傳輸模式，具有保密性好的優(yōu)點。
[0033]當連接在可見光發(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，會立即向此模塊的核心控制電路發(fā)出報警信號。核心控制電路隨即發(fā)出報警信號到以太網(wǎng)通信模塊中，通過互聯(lián)網(wǎng)同時向用戶發(fā)出警報信息。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。
[0034]另外，智能插座能夠通過遠程控制，用戶可以在回家之前啟動智能插座，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)閉智能插座，也可以通過手機發(fā)出控制指令，關(guān)閉智能插座，這樣能夠合理規(guī)劃智能插座的使用時間，延遲使用壽命以及節(jié)約能源。
[0035]光鑰匙和智能移動終端相結(jié)合，可以很好的運用Android系統(tǒng)開發(fā)手機AAP光密鑰軟件，Android系統(tǒng)是基于Linux的一個開源的操作系統(tǒng)，主要是使用在移動終端(手機和平板)中。Android系統(tǒng)和其他的系統(tǒng)平臺相比，有很大的優(yōu)勢。它的優(yōu)勢最主要的體現(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)成為了全球裝機量第一大的系統(tǒng)。Android系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢就是基于谷歌公司的平臺，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Andr1d系統(tǒng)中去。
[0036]本發(fā)明的所述的現(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1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時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1/0模塊;FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲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1/0間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程;為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進行供電在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進行供電，達到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0037]本發(fā)明的基于可見光通信的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時運用了可見光通信和電力線載波PLC通信。將室內(nèi)可見光通信引入家庭網(wǎng)絡(luò)，給家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)引入了一種新的通信方式。同時，可見光通信與電力線載波PLC通信相結(jié)合，可以避免白光LED復(fù)雜的布線問題?？梢姽馔ㄐ徘度氲郊彝ゾW(wǎng)絡(luò)中，推動了可見光通信的發(fā)展和應(yīng)用，具有巨大的市場前景。
[0038]家庭網(wǎng)關(guān)既要實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備之間的互聯(lián)，又要通過各種接口連接外網(wǎng)，實現(xiàn)信息的交互和共享。因此，家庭網(wǎng)關(guān)是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制中心。家庭網(wǎng)關(guān)需具有易于操作的人機交互接口，同時設(shè)備要有小巧、低功耗、安裝方便等特點。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖；
圖2是智能插座結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是LE:D驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是網(wǎng)絡(luò)用具結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種多網(wǎng)融合家用光控插座作進一步詳盡描述:
如圖1所示，一種多網(wǎng)融合家用光控插座，包括智能插座、光探測器、多個網(wǎng)絡(luò)用具、中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路； 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LED燈組中接收LED通信信號，對所述LED通信信號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、信號測量電路、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，控制繼電器的開合來改變負載的供電，所述繼電器的容量要高于負載的最大功率，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;所述信號測量電路與功率控制電路連接，獲得智能插座的電壓、電流強電信號先通過分壓電阻、錳銅片轉(zhuǎn)換為弱電信號，再輸入給專用的計量芯片，完成多路電壓電流有效值、功率等計算，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的交流電壓進行AC-DC變換，輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓。
[0041]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;其中，所述智能插座通過寬帶接入裝置與外部網(wǎng)絡(luò)連接，然后與個人消費終端連接，如個人電腦、手機等;所述智能插座還設(shè)置有備用接口，用于各種擴展應(yīng)用的安裝與連接;所述手中央處理器連接光鑰匙模塊；所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述光探測器通過電力線通信PLC與智能插座連接，用于將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為LED光信號，所述多個網(wǎng)絡(luò)用具上分別設(shè)置有光檢測模塊，用于接收所述LED光信號;LED和處在其照射范圍內(nèi)的多個網(wǎng)絡(luò)用具組成封閉的單向通信單元;所述各個通信單元通過電力線通信PLC總線與智能插座互聯(lián)，實現(xiàn)相互獨立的雙向通信。
[0042]優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)用具或LED也可以通過備用接口連接至其他控制設(shè)備。因此，該系統(tǒng)可以方便地嵌入到其他網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)大系統(tǒng)。
[0043]本發(fā)明的所述的現(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1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時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)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲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所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程;為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進行供電在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進行供電，達到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0044]所述遠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00K、PPM等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進行發(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，可以采用單片機配合C++軟件編程進行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(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(10fps以上)、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機。相機以與光源相同幀頻進行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機進行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(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，實現(xiàn)字符串的接收。
[0045]所述調(diào)制方式是OOK調(diào)制方式;OOK帶寬需求低，而且硬件實現(xiàn)最為簡單，解碼時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O或者I。其中，“亮”狀態(tài)用“I”表示，“滅”狀態(tài)用“O”表示，
所述發(fā)射模塊采用白光LED，為了增大發(fā)射功率，使用LED陣列，具體為3*4的LED陣列，每個LED功率能夠達到4W，束散角為5.30。
[0046]所述接收端采用CXD相機接收，以10fps為例，相機在I秒鐘之內(nèi)等間距拍攝100張圖像，光信息被接收下之后，存儲在圖像當中。
[0047]所述光接收天線是一組光學(xué)鏡頭，與CCD相機相互配合，配置電動變焦鏡頭和編碼器，可以實現(xiàn)計算機控制自動變焦。
[0048]所述遠距離可見光通信系統(tǒng)還包括光信號數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于通過編寫的程序完成對LED發(fā)來的信號光的采集處理。該程序以MFC為框架編寫，完成對從相機發(fā)送過來的圖片信息的分析和處理。當光源和相機的頻率同步時，相機能夠準確捕捉到光源發(fā)送的信息。
[0049]所述遠距離可見光通信系統(tǒng)還包括可見光通信數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于完成數(shù)據(jù)傳輸時的同步，與自適應(yīng)傳輸模塊配合，完成速率可變自適應(yīng)信息傳輸。包括數(shù)據(jù)傳輸準備過程，數(shù)據(jù)速率識別過程，數(shù)據(jù)同步過程，數(shù)據(jù)傳輸過程。按次序依次為數(shù)據(jù)傳輸建立，持續(xù)時間為IT，保護間隔2T ;速率識別碼發(fā)送時間3T ;保護間隔4T ;數(shù)據(jù)同步時間；最后進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0050]所述遠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。調(diào)制器硬件上可以采用常用的51單片機系列，為了達到更高的速度和精度的要求，還可以選擇FPGA等。
[0051]LED驅(qū)動，用于將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。LED驅(qū)動模塊用于完成對LED光源的驅(qū)動功能，同時將調(diào)至好的電信號轉(zhuǎn)化為光信號加載到LED光源上。如51單片機，其觸發(fā)方式是TTL觸發(fā)，完成對LED光源驅(qū)動。
[0052]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，而對束散角一般達到4度。
[0053]LED控制器，用來控制光源和相機的設(shè)備，完成輔助功能。
[0054]大氣信道，光源將調(diào)至好的信號光發(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。
[0055]相機鏡頭，相機鏡頭即是接收天線，主要完成光信號的捕捉接收功能，鏡頭能夠進行變焦，變化接收視場角，可以放大或者縮小目標。為了便于和CCD相機相互配合，配置了電動變焦鏡頭和編碼器，可以實現(xiàn)電腦控制自動變焦。
[0056](XD相機，CXD是感光元器件，主要是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號再成像。
[0057](XD相機需能夠匹配光源的速率，CXD相機能夠完成高幀頻采集。CXD相機通過千兆以太網(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。
[0058]成像處理過程，用于將接收到的已調(diào)光信號進行接收成像，分析其灰度光強度，解調(diào)出原始信息，完成信息接收。
[0059]如圖2所示，所述智能插座包括中央處理器及其最小外圍電路、電力線通信PLC模塊、顯示器、觸摸模塊以及外圍接口；所述外圍接口包括供電接口、JTAG接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口 ；所述觸摸模塊包括觸摸面板和A/D轉(zhuǎn)換器，所述中央處理器連接A/D轉(zhuǎn)換器之后與觸摸面板連接;所述中央處理器還連接有EEPROM存儲器、SDROM存儲器、NORflash閃存;所述中央處理器通過總線緩存器與顯示模塊連接，所述顯示模塊包括顯示控制器、顯示器、NANDf Iash閃存以VRAM存儲器。所述RS485接口與電力線通信PLC模塊連接，所述電力線通信PLC模塊包括單片機和調(diào)制解調(diào)器。
[0060]其中，中央處理器采用Atmel公司的ARM9微處理器AT91RM9200，它基于ARM920T內(nèi)核，帶有內(nèi)存管理單元，可方便地嵌入各種主流的嵌入式操作系統(tǒng)。PLC模塊采用PL2102實現(xiàn)，它具有I2C控制接口，這里在PL2102和AT91RM9200之間嵌入了 AT89C2051，實現(xiàn)I2C接口到串口的橋接，以簡化軟件設(shè)計的復(fù)雜度。外圍接口包括1M/1OOM以太網(wǎng)接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口。其中無線寬帶接入采用帶有USB接口的W1-Fi模塊實現(xiàn)。以AT91RM9200芯片為核心的嵌入式硬件系統(tǒng)具有很強的可擴展性，還可以方便地擴展其他各種接口，如藍牙、Zigbee、GPRS等。
[0061]家庭網(wǎng)關(guān)既要實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備之間的互聯(lián)，又要通過各種接口連接外網(wǎng)，實現(xiàn)信息的交互和共享。因此，家庭網(wǎng)關(guān)是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制中心。家庭網(wǎng)關(guān)需具有易于操作的人機交互接口，同時設(shè)備要有小巧、低功耗、安裝方便等特點。
[0062]如圖3所示，所述光探測器包括電力線通信PLC模塊、微控制器模塊、AC/DC恒流驅(qū)動模塊;所述LED采用串聯(lián)的方式連接，所述微控制器模塊用于橋接電力線通信PLC和可見光通信VLC;所述AC/DC恒流驅(qū)動模塊構(gòu)成離線反激式恒流源驅(qū)動電路，實現(xiàn)350mA的恒定電流輸出；電光信號的轉(zhuǎn)換通過開關(guān)管快速通斷LED燈實現(xiàn)。
[0063]所述LED驅(qū)動的設(shè)計要考慮的主要因素有白光LED整體的電流電壓特性、安全性、效率、功能以及其他燈具標準要求等。所述微控制器采用德州儀器公司的MSP430F149芯片，它的主要功能在于橋接PLC和VLGAC/DC部分采用安森美半導(dǎo)體公司的NCP1351芯片，構(gòu)成離線反激式恒流源驅(qū)動電路，實現(xiàn)350mA的恒定電流輸出。電光信號的轉(zhuǎn)換通過開關(guān)管IRF510快速通斷LED燈實現(xiàn)。
[0064]如圖4所示，所述多個網(wǎng)絡(luò)用具是系統(tǒng)的終端設(shè)備，包括光電轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊;所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括前置放大器、濾波器、放大器以及鎖相放大器；用于將探測器輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號;所述控制模塊輸出各種簡單或者復(fù)雜的控制信號，具有繼電器、串行接口、開關(guān)陣列、USB、IR紅外線多個輸出端口。所述光電轉(zhuǎn)換模塊是接收可見光信號的關(guān)鍵，要求有很高的增益和噪聲抑制能力。其中前置放大器采用寬帶低噪聲運放0PA656構(gòu)成跨阻前置放大器，將探測器輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號?？刂颇K輸出各種簡單或者復(fù)雜的控制信號，可以控制空調(diào)、冰箱、音響、微波爐等家用電器和其他設(shè)備。
[0065]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】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)明的保護之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多網(wǎng)融合家用光控插座，其特征在于，包括智能插座、中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、多個網(wǎng)絡(luò)用具、光探測器、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、接收天線、信號處理電路、；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； 所述智能插座包括微處理器、功率控制電路、信號測量電路、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，控制繼電器的開合來改變負載的供電，所述繼電器的容量要高于負載的最大功率，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;所述信號測量電路與功率控制電路連接，獲得智能插座的電壓、電流強電信號先通過分壓電阻、錳銅片轉(zhuǎn)換為弱電信號，再輸入給專用的計量芯片，完成多路電壓電流有效值、功率等計算，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的交流電壓進行AC-DC變換，輸出電路系統(tǒng)中需要的直流電壓； 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，其中，所述智能插座通過寬帶接入裝置與外部網(wǎng)絡(luò)連接，然后與個人消費終端連接;所述智能插座還設(shè)置有備用接口，用于各種擴展應(yīng)用的安裝與連接;所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、接收天線、信號處理電路； 所述信號調(diào)制設(shè)備負責調(diào)制生成原始的電信號;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；所述信號處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號的處理，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行傳輸； 所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述光探測器通過電力線通信PLC與智能插座連接，用于將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為LED光信號，所述多個網(wǎng)絡(luò)用具上分別設(shè)置有光檢測模塊，用于接收所述LED光信號;LED和處在其照射范圍內(nèi)的多個網(wǎng)絡(luò)用具組成封閉的單向通信單元;所述各個通信單元通過電力線通信PLC總線與智能插座互聯(lián)，實現(xiàn)相互獨立的雙向通信。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多網(wǎng)融合家用光控插座，其特征在于，所述遠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00Κ、ΡΡΜ等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進行發(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，可以采用單片機配合C++軟件編程進行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(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10fps以上、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機;相機以與光源相同幀頻進行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機進行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(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。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多網(wǎng)融合家用光控插座，其特征在于，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1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16X1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時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)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲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所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程;所發(fā)送密鑰為TTL電平信號，S卩+5V表示高電平“1”，0V表示低電平“O”；基于TTL信號電平特點，選用低成本、小體積PNP型貼片三極管S8550及其相關(guān)外圍器件，構(gòu)成了LED驅(qū)動電路;光鑰匙是基于單片機STC12C2052AD設(shè)計的一種發(fā)送端;光鑰匙可以發(fā)送不同的密鑰，所述光鑰匙模塊不是一個簡單的一對一的裝置，而是一個一對多的裝置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多網(wǎng)融合家用光控插座，其特征在于，所述智能插座包括中央處理器及其最小外圍電路、電力線通信PLC模塊、顯示器、觸摸模塊以及外圍接口；所述外圍接口包括供電接口、JTAG接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、RS485接口、RS232接口、SPI接口 ；所述觸摸模塊包括觸摸面板和A/D轉(zhuǎn)換器，所述中央處理器連接A/D轉(zhuǎn)換器之后與觸摸面板連接;所述中央處理器還連接有EEPROM存儲器、SDROM存儲器、NORflash閃存;所述中央處理器通過總線緩存器與顯示模塊連接，所述顯示模塊包括顯示控制器、顯示器、NANDflash閃存以VRAM存儲器;所述RS485接口與電力線通信PLC模塊連接，所述電力線通信PLC模塊包括單片機和調(diào)制解調(diào)器。5.所述光探測器包括電力線通信PLC模塊、微控制器模塊、AC/DC恒流驅(qū)動模塊；所述LED采用串聯(lián)的方式連接，所述微控制器模塊用于橋接電力線通信PLC和可見光通信VLC;所述AC/DC恒流驅(qū)動模塊構(gòu)成離線反激式恒流源驅(qū)動電路，實現(xiàn)350mA的恒定電流輸出；電光信號的轉(zhuǎn)換通過開關(guān)管快速通斷LED燈實現(xiàn)； 所述多個網(wǎng)絡(luò)用具是系統(tǒng)的終端設(shè)備，包括光電轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊;所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括前置放大器、濾波器、放大器以及鎖相放大器;用于將探測器輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號;所述控制模塊輸出各種簡單或者復(fù)雜的控制信號，具有繼電器、串行接口、開關(guān)陣列、USB、IR紅外線多個輸出端口。
【文檔編號】H01R13/717GK105938961SQ201610380978
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】王燁
【申請人】蘇州杰姆斯特機械有限公司