專利名稱：基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能照明領(lǐng)域，具體涉及的是一種利用可見光通信系統(tǒng)的光接收機(jī)作為環(huán)境光和照明光強(qiáng)度檢測器的自適應(yīng)照明調(diào)整裝置。
背景技術(shù)：
照明是日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等所必須的，且對亮度、光譜、區(qū)域等有不同的要求；照明用電在整個(gè)電力負(fù)荷中占有相當(dāng)大的比例。隨著不同場合對照明的便利性、適宜性，特別是日益強(qiáng)烈的節(jié)能性的要求，以及LED在照明技術(shù)上的成熟和普及、各種通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，真正的智能照明系統(tǒng)已經(jīng)具備深入研究和逐步實(shí)施的條件。智能照明系統(tǒng)涵蓋的范圍和深度尚沒有標(biāo)準(zhǔn)定義，可以泛指任何一種能夠?qū)鹘y(tǒng)的照明裝置(包括復(fù)雜的、大量的)進(jìn)行一定的自動(dòng)化、程序化、遠(yuǎn)距離操控的系統(tǒng)，其目標(biāo)多種多樣，便利和節(jié)能要求只是其一。雖然一般照明燈具指最終的完整照明產(chǎn)品，比如包括了燈座、燈罩等，而光源指直接發(fā)光部件，如燈泡、LED，但在本專利敘述中將會(huì)比較籠統(tǒng)，不加區(qū)分并不會(huì)有實(shí)質(zhì)性影響。照明燈具在結(jié)構(gòu)上有分布式和集中式，分布式是由統(tǒng)一控制的多個(gè)空間上較為分散的光源構(gòu)成，集中式則是由統(tǒng)一控制的多個(gè)集中在一起的光源構(gòu)成。光源的類型包括白熾燈、 熒光燈和LED等。有理由相信未來的LED照明會(huì)更多會(huì)以分布式呈現(xiàn)。自適應(yīng)照明系統(tǒng)可以認(rèn)為是智能照明技術(shù)中的一種，強(qiáng)調(diào)的是能夠根據(jù)用戶的具體要求在變化的環(huán)境下對照明效果實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整，其主要目標(biāo)是穩(wěn)定、舒適的視覺效果和節(jié)能。典型應(yīng)用場景是辦公室、車間、家居等。它能夠探測自然光照以及人工光照的效果和變化，然后將此參數(shù)與用戶需求的較為穩(wěn)定的照明效果進(jìn)行對比，將其差異通過一定的通信手段傳遞到照明燈具的調(diào)整或者控制單元，調(diào)整單元實(shí)現(xiàn)對照明輸出功率等參數(shù)的調(diào)整，直到照明效果符合用戶要求。自適應(yīng)照明系統(tǒng)是一個(gè)常規(guī)的閉合控制環(huán)路，但是由于在一個(gè)照明系統(tǒng)管轄區(qū)域內(nèi)，比如典型的中型面積的辦公室，照明自動(dòng)調(diào)整的目標(biāo)并非是實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)均勻的照度，而是針對處于同一區(qū)域內(nèi)不同位置上不同用戶對光照的不同要求，且多個(gè)分布式布設(shè)的照明燈具的照明范圍會(huì)相互覆蓋，因此自適應(yīng)照明系統(tǒng)的模型又往往是有些復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)。自適應(yīng)照明系統(tǒng)基本構(gòu)成可以歸結(jié)為一，可調(diào)整輸出光照參數(shù)的照明燈具，輸出光照參數(shù)可能包括功率/光通量、照射方向、照射區(qū)域、色溫等；二，能夠探測用光位置(即光照的目標(biāo)位置)光照效果的光電傳感器，根據(jù)需要能夠探測光照度、光譜分布等；三，能夠?qū)Ρ扔霉庑枨笈c實(shí)際照明效果的差異，并能夠根據(jù)差異形成調(diào)整信息；四，能夠在光電傳感單元和照明燈具之間傳遞調(diào)整信息的通信單元(也可以直接用導(dǎo)線相連接)。自適應(yīng)照明系統(tǒng)的所針對的照明燈具可以是所有類型的燈具，所涉及的通信手段可以是任何合適的通信媒介，而對光照效果的探測所用的光電探測器，一般是常規(guī)的光電傳感器，如光敏電阻、光電三極管，或者光電探測模塊、儀器等，也可直接利用攝像頭的面陣圖像傳感器等。光電探測器能夠?qū)⒐饽芰哭D(zhuǎn)換為便于測量的電能量，如電功率瓦特(W)轉(zhuǎn)換為光功率流明(LUM)。由于光度學(xué)的計(jì)量條件、計(jì)量單位以及相互之間的關(guān)系比較復(fù)雜， 在本專利描述中，一般會(huì)用光強(qiáng)度來泛稱，對此并不會(huì)有特別的影響。一般光電轉(zhuǎn)換器響應(yīng)度的單位是Acm2W-1 (安培.厘米7瓦)，或者A/Lux (安培/勒克斯)，即光照度轉(zhuǎn)換為輸出電流。而經(jīng)過放大電路后最終的輸出一般以電壓幅度表征V/lux (伏特/勒克斯)，即光照度轉(zhuǎn)換為電壓，因此通過測定輸出的電壓可以得到光照的測量值。照度是單位面積上所接受的光功率，是通常泛稱的“亮度”的技術(shù)表征?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)是光無線通信技術(shù)的一種，主要是利用LED固態(tài)光源(或者其它能夠?qū)崿F(xiàn)較快控制的光源)的快速開關(guān)特性，用數(shù)據(jù)對其進(jìn)行調(diào)制，在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定速率的短距數(shù)據(jù)傳輸，即照明和通信可以兼用?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的光發(fā)射機(jī)的主要組成是LED以及LED驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)制電路，光接收機(jī)的主要組成是光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器(探測器)以及信號(hào)處理電路。自適應(yīng)照明系統(tǒng)一般采用獨(dú)立的光電探測器檢測光照的效果，并需要另外獨(dú)立的傳輸媒介反饋調(diào)整參數(shù)。本專利提出利用可見光通信系統(tǒng)的光接收機(jī)在通信的同時(shí)檢測照明光和環(huán)境光強(qiáng)度，獲取自適應(yīng)照明的反饋調(diào)整信號(hào)，并可將反饋信號(hào)通過光發(fā)射機(jī)發(fā)送到照明燈具。

發(fā)明內(nèi)容
由于光接收機(jī)的工作波段是可見光，顯然可見光接收機(jī)的光電傳感器不但能夠檢測光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)強(qiáng)度，也能夠檢測或者評估環(huán)境光的強(qiáng)度。實(shí)際上，當(dāng)光發(fā)射機(jī)不工作時(shí)，光接收機(jī)的光電傳感器輸出的背景信號(hào)即是對環(huán)境光響應(yīng)的結(jié)果。這里的背景信號(hào)是指除了接收對象的光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)之外的所有落入光接收機(jī)響應(yīng)波段范圍的光信號(hào)響應(yīng)的總和，包括自然光、普通的照明光、其它非接收對象的光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光等。本發(fā)明基本組成單元為照明燈具(可兼做可見光通信發(fā)射機(jī))、照明燈具控制器 (可兼有可見光通信接收機(jī))、用光位置的可見光通信收發(fā)機(jī)。關(guān)聯(lián)的單元可能有與用光位置的可見光通信收發(fā)機(jī)連接的其它設(shè)備或者通信網(wǎng)絡(luò)、與照明燈具控制器相連接的其它設(shè)備或者通信網(wǎng)絡(luò)，以及同一空間其它位置的可見光通信收發(fā)機(jī)、其它照明燈具等。本發(fā)明可以有多種應(yīng)用情形，但最具代表性的是自適應(yīng)照明系統(tǒng)和可見光通信系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，照明燈具即是可見光通信系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)、用光位置的可見光通信系統(tǒng)的光接收機(jī)即是自適應(yīng)照明系統(tǒng)的光檢測器，而它們之間在進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，能夠傳遞自適應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。工作過程如下(以LED照明燈具為例)照明燈具的控制器以PWM(脈沖寬度調(diào)制)方式，驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)光，通常PWM的脈沖頻率是恒定的，在驅(qū)動(dòng)電流恒定的情況下，發(fā)光的功率與PWM的脈沖寬度(占空比)成比例，這是目前LED燈具普遍采用的調(diào)光方式(對其它燈具可選擇采用其它的調(diào)光方式，如電壓等)。由于人的視覺惰性，人眼不會(huì)感覺到脈沖形式的光的閃爍。PWM調(diào)光方式主要實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)光功能，比如針對環(huán)境光的變化白天還是黑夜、同一照明空間內(nèi)其它燈具的是否打開等狀況。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流也能夠改變輸出的光功率，但是大范圍的改變會(huì)超出 LED的最佳工作范圍。LED的最佳工作電流與溫度密切相關(guān)，因此一般會(huì)隨著工作溫度的改變對驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。另外LED隨著時(shí)間推移，光效率有所衰減時(shí)，也會(huì)用對驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)維持其發(fā)光能力和色溫的恒定。自適應(yīng)的調(diào)光信號(hào)可能包含了所有上述需求。當(dāng)LED燈具同時(shí)用作光發(fā)射機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)對發(fā)射光的調(diào)制方式有多種，其中之一是簡單的脈沖位置調(diào)制方法，即在固定的時(shí)鐘脈沖頻率下，用發(fā)射脈沖代表數(shù)據(jù)1，用無脈沖代表數(shù)據(jù)0，而脈沖的寬度仍舊能夠按照PWM的方式改變。這樣的方式在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過擾碼后，0、1出現(xiàn)的比例相近，照明燈具在通信的同時(shí)仍舊能夠按照PWM方式調(diào)整亮度。雖然通信時(shí)不能夠以100%的時(shí)間效率使用LED，但是可以通過增加單元LED的功率或者LED的個(gè)數(shù)來補(bǔ)償整體照明效果。另外的調(diào)制方式包括脈沖幅度調(diào)制，這種調(diào)制方式實(shí)際是在光照脈沖頻率與寬度恒定的情況下，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小。這在以通信為主的照明系統(tǒng)中可以采用，但是以照明為主的系統(tǒng)中，并不一定是優(yōu)選方案。用光位置的可見光接收機(jī)能夠接收任何視場內(nèi)、響應(yīng)波段內(nèi)的光信號(hào)，在通信時(shí)環(huán)境光信號(hào)實(shí)際上是背景噪聲，當(dāng)沒有通信數(shù)據(jù)傳輸，或者僅僅選擇照明工作模式時(shí)，用光位置的可見光接收機(jī)所接收的光信號(hào)是在比較恒定的環(huán)境光強(qiáng)度的基礎(chǔ)上疊加的光照脈沖，對其進(jìn)行放大、同步采集等處理后，可以分別計(jì)算出環(huán)境光的強(qiáng)度和光照脈沖的在一個(gè)周期內(nèi)的平均強(qiáng)度，以及總的平均光強(qiáng)度?？偲骄鈴?qiáng)度正是視覺感應(yīng)到的照明效果。用光位置的可見光接收機(jī)的處理器以此數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行對比，然后根據(jù)其差值，用一定的算法，比如常規(guī)的PI (比例積分)控制算法，得到一個(gè)調(diào)整的數(shù)值，并將此數(shù)值由用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)發(fā)送到照明燈具控制器的光接收機(jī)。對比參考值一般有兩種可選， 一是根據(jù)常規(guī)的視覺需求確定的固定值，另外一種是根據(jù)用光處用戶手動(dòng)設(shè)定的值。當(dāng)照明燈具的控制器接收到用光位置反饋的調(diào)光信號(hào)后，對PWM的寬度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，就能夠在環(huán)境光照改變的情況下自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的照明效果。當(dāng)照明燈具有通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，無論采用什么調(diào)制方式，用光位置的光接收機(jī)都能夠檢測到平均的光照效果，并將需要調(diào)整的數(shù)據(jù)反饋到照明燈具控制器，由照明燈具控制器實(shí)行調(diào)整。而對數(shù)據(jù)的獲取，依據(jù)采取的調(diào)制方式。如上述的脈沖位置調(diào)制方式，并不會(huì)因?yàn)檎{(diào)整亮度改變了脈沖寬度而對數(shù)據(jù)的解調(diào)方法有實(shí)質(zhì)性的影響。用光位置對光照調(diào)整的反饋信息，也可以采用其它的媒介傳遞到照明燈具控制器，即用光位置到照明燈具的上行通信可以采用任何其它便利的通信方式，比如采用廣泛覆蓋的無線或者有線局域網(wǎng)，以及依靠電源線等。用光位置對光照調(diào)整的反饋信息，如果采用可見光發(fā)射機(jī)發(fā)送到照明燈具控制器時(shí)可能受到照明燈具所發(fā)光脈沖的反射影響，可以通過通信協(xié)議來解決，比如采用分時(shí)的工作方式，即在連續(xù)的光照脈沖的中間規(guī)定一個(gè)周期性的短時(shí)間歇，專供用光處的光發(fā)射機(jī)發(fā)送反饋信息。只要這個(gè)時(shí)間足夠短，就不會(huì)影響照明的效果，也不會(huì)影響通信數(shù)據(jù)的傳送。


圖1 基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)組成及工作原理示意圖，上邊是與照明單元關(guān)聯(lián)的部分，下邊是光數(shù)據(jù)接收與光強(qiáng)度檢測單元相關(guān)聯(lián)的部分。有些功能模塊的位置視應(yīng)用要求而定，比如1-6和1-8模塊也可以相應(yīng)調(diào)整到上邊，集成在照明燈具內(nèi)。
圖2 可調(diào)光、可用作光發(fā)射機(jī)的照明燈具的基本構(gòu)成，控制器兼有數(shù)據(jù)收發(fā)/傳遞功能?？梢姽獍l(fā)射機(jī)的實(shí)體結(jié)構(gòu)可能有所差別，但均有相類似的功能結(jié)構(gòu)控制、調(diào)制、驅(qū)動(dòng)。圖3 可見光接收機(jī)的一般工作構(gòu)成，帶有光強(qiáng)度檢測器，信號(hào)處理器兼有數(shù)據(jù)收發(fā)/傳遞功能。圖4 基于可見光通信的自適應(yīng)照明系統(tǒng)的工作場景示意圖之一(環(huán)境光包括了來自窗口的自然光)，圖中假設(shè)了用光位置的可見光通信收發(fā)機(jī)與計(jì)算機(jī)集成在一起，類似計(jì)算機(jī)中常規(guī)集成的WLAN等通信模塊。其收發(fā)數(shù)據(jù)以及調(diào)光信號(hào)能夠通過計(jì)算機(jī)的各種接口傳輸，比如以太網(wǎng)口、WLAN 口、ZigBee等，也能夠通過可見光發(fā)射機(jī)傳送。圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、調(diào)光、光強(qiáng)度檢測取樣點(diǎn)的時(shí)序關(guān)系圖示，圖中波形僅為示意用，并不完全代表真實(shí)的信號(hào)形狀。圖6 照明燈具(可見光發(fā)射機(jī))的時(shí)分雙工模式，短的靜默間隙提供較為純凈的上行通信時(shí)機(jī)，光接收機(jī)在同步后，可利用此間隙向照明燈具上傳信息。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以圖4所示的應(yīng)用場景來描述具體實(shí)施過程。其上邊部分以照明燈具 (4-3)為主，虛擬在天花板上，其下邊部分是受光區(qū)域，虛擬在一張辦公桌(4- 前，以一臺(tái)集成了可見光通信收發(fā)機(jī)的筆記本電腦(4-1)為主，旁邊有一扇窗戶(4- 引入自然光照。 此圖雖然不能夠完全描述各種實(shí)際場景，但已具有足夠描述本發(fā)明核心技術(shù)的代表性，且不會(huì)因其它因素的介入被徹底破壞，比如，如果周邊存在其它照明燈具時(shí)，其影響可作為環(huán)境光考慮，而存在其它可見光通信收發(fā)機(jī)時(shí)，類似常規(guī)無線通信的雙工、多址復(fù)用方式可以保證其仍舊能夠工作。計(jì)算機(jī)G-1)集成的可見光收發(fā)機(jī)，如同各種筆記本電腦集成的以太網(wǎng) (Ethernet)卡、WLAN (無線局域網(wǎng))、IrDA (紅外數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議)、Bluetooth (藍(lán)牙)模塊等一樣，并且具有相類似的管理功能與數(shù)據(jù)交換能力。照明燈具(4-3)本身即是可見光通信的發(fā)射機(jī)，它的控制器中同樣集成了可見通信的光接收機(jī)(4-4)，同時(shí)假定它可以具有多種可選擇的通信能力(并不必須)，比如它能夠通過雙絞線連接到以太網(wǎng)，通過WLAN連接到局域網(wǎng)，通過藍(lán)牙或者ZigBee (傳感與控制通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)連接到特定的網(wǎng)絡(luò)，而這些通信網(wǎng)絡(luò)又是可以和計(jì)算機(jī)(4-1)連接在一起的。照明燈具/光發(fā)射機(jī)G-3)的基本構(gòu)成如圖2所示，控制器能夠選擇通過可見光接收機(jī)接收數(shù)據(jù)還是通過其它傳輸通信模塊接收數(shù)據(jù)，要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過調(diào)制器 (2-2)調(diào)制后(比如進(jìn)行脈沖調(diào)制)，送到驅(qū)動(dòng)器(2- 將數(shù)據(jù)信號(hào)變?yōu)楣β市盘?hào)驅(qū)動(dòng)燈具 (2-4)發(fā)光。對LED燈具而言，驅(qū)動(dòng)輸出是電流。電流的大小與LED的輸出光功率有關(guān)，但是有一個(gè)最佳工作范圍。LED光源會(huì)受到工作溫度和時(shí)間的影響而衰減，因此通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。可以采用恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，只是這樣無法實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。 通常對LED燈具均采用PWM方式進(jìn)行調(diào)光，即將驅(qū)動(dòng)LED的電流變?yōu)槊}沖式的電流，脈沖占空比就決定了 LED光源輸出的平均功率。因此，對LED光源輸出光功率的調(diào)整可以歸結(jié)為PWM方式的較粗的大范圍調(diào)整和驅(qū)動(dòng)電流方式的瞬間精細(xì)調(diào)整?？刂破魅绻邮盏搅斯庹展β收{(diào)整信息并要求實(shí)施調(diào)整，方法之一即是直接控制驅(qū)動(dòng)器0-3)，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流脈沖的占空比使燈具的輸出平均光功率改變。而如果是因?yàn)殚L期使用或者環(huán)境溫度的增高導(dǎo)致的光功率輸出的衰弱，那么就通過驅(qū)動(dòng)器(2- 在增大其輸出電流來補(bǔ)償。環(huán)境溫度可以通過設(shè)置在燈具內(nèi)的溫度傳感器進(jìn)行測量，而光功率的輸出衰減可以通過可見光接收機(jī)測定光照脈沖峰值變化來評判。計(jì)算機(jī)G-1)集成的可見光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)與圖2相似，但是由于它并不一定要求具有照明功能，它的輸出功率和光譜可以選擇與照明燈具有所不同，只要保證集成在照明燈具中的可見光接收機(jī)(4-4)能夠正常接收即可。計(jì)算機(jī)G-1)集成的可見光接收機(jī)的基本構(gòu)成如圖3所示，光學(xué)系統(tǒng)(3-1)能夠?qū)⒁晥鰞?nèi)的光匯聚到光電探測器(3- 上，光電檢測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)過放大器(3- 放大后，一路送至解調(diào)器(3-4)對接收的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并經(jīng)過信號(hào)處理 (3-5)后，得到接收的數(shù)據(jù)。另一路送至功率檢測電路(3-6)，主要是對所接收信號(hào)以及背景光的強(qiáng)度進(jìn)行測量，測量的值送至信號(hào)處理單元，獲取最終的評估值。其中，光電檢測器工作在可見光波段，可以是單元的光電探測器或者是多元的、面陣的光電探測器。照明燈具中的可見光接收機(jī)G-4)的基本構(gòu)成與圖3描述相同，但是它的參數(shù)選擇要與計(jì)算機(jī)(4-1)集成的可見光發(fā)射機(jī)相匹配，比如發(fā)射光譜要與光電探測器的光譜匹配。針對圖4所示的應(yīng)用場景，本發(fā)明的具體工作原理可以由圖1和圖5說明。在圖 1中，照明燈具兼可見光發(fā)射機(jī)(1-1)，集成有一個(gè)可見光接收機(jī)(1-2)，其中(1- 是其光電探測器。光發(fā)射機(jī)(1-1)按照圖5中(5-1)所示的時(shí)鐘頻率，即光脈沖的發(fā)射頻率發(fā)光， 這個(gè)頻率一般在照明使用時(shí)為數(shù)百KHz，而在兼做通信使用時(shí)根據(jù)需要可設(shè)計(jì)為MHz量級(jí)， 甚至更高。選擇數(shù)據(jù)調(diào)制方式之一為脈沖位置調(diào)制，設(shè)定數(shù)據(jù)位O時(shí)，無脈沖發(fā)送，數(shù)據(jù)位1 時(shí)，有脈沖發(fā)送，如同圖5中(5-2)所示。選擇亮度調(diào)制為PWM調(diào)制，通過調(diào)節(jié)輸出光脈沖的占空比改變平均輸出功率。當(dāng)照明亮度無需調(diào)節(jié)時(shí)，脈沖的寬度為恒定值。圖5中(5-2) 示出的是兩種脈沖寬度，說明期間照明輸出功率將發(fā)生變化。用光位置的可見光接收機(jī)(1- 的光電探測器(1-4)探測光發(fā)射機(jī)所發(fā)出的光。 針對圖(5-2)所發(fā)出的信號(hào)，接收機(jī)實(shí)際接收到的信號(hào)類似于(5-4)實(shí)線所示波形，該波形是接收到的光照脈沖信號(hào)疊加在相對穩(wěn)定的環(huán)境(背景)光信號(hào)之上如(5-4)虛線所示。 該信號(hào)經(jīng)接收機(jī)后會(huì)得到兩路信號(hào)，一路是解調(diào)后的通信數(shù)據(jù)，另一路是檢測到的光強(qiáng)度。 通信數(shù)據(jù)的獲取與常規(guī)的通信信號(hào)處理手段類似，簡單的可以通過設(shè)定一定的門限值，如 (5-5)所示，將背景光信號(hào)視為噪聲，對接收的信號(hào)進(jìn)行判決、同步等處理后，得到估計(jì)的數(shù)據(jù)。而對整體光強(qiáng)度信號(hào)Pa(t)的檢測是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度在一定時(shí)間段的平均值得出，這個(gè)時(shí)間間隔短要能夠包含數(shù)個(gè)脈沖周期，長則視人眼視覺惰性和背景光的變化速度，對此并不一定要求非常嚴(yán)格。但是若用于特殊設(shè)備的照明且有較高穩(wěn)定度要求，則需要設(shè)定相對短的時(shí)間間隔。在這個(gè)過程中，由于光接收機(jī)具有分辨、同步光脈沖的能力，因此可以容易地將光脈沖的功率PtlU)與環(huán)境光的功率AtlU)相對區(qū)別開來計(jì)算，簡單的辦法之一是在捕獲到每一個(gè)光脈沖的位置并獲取瞬時(shí)功率Pp (t)后(瞬時(shí)照射脈沖功率與背景光功率的疊加)，在脈沖間隔之內(nèi)對背景信號(hào)采樣，可以通過多個(gè)這樣的采樣值的平均來獲取環(huán)境光
u{t)^ u(t)=Kf
+ u
(0)
的平均功率AtlU)。圖5的(5-8)中示意了一種取樣方式，在位于信號(hào)脈沖之間的Tl、T2、 T3點(diǎn)上分別采集背景信號(hào)。這樣就能夠大致獲得PtlU) =PP(t)-A0(t)o P0(t)能夠作為反饋給照明燈具的信號(hào)之一，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的的瞬時(shí)值。 在通信過程中，有兩種方式調(diào)整光照的亮度，一是手動(dòng)調(diào)節(jié)，由用光位置根據(jù)需要人工設(shè)定，二是自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)光接收機(jī)檢測到的光的變化。這兩種方式可以通過集成在光接收機(jī)上的設(shè)定單元(1-7)實(shí)現(xiàn)，比如手動(dòng)調(diào)節(jié)是通過電位器設(shè)定，設(shè)定值通過ADC轉(zhuǎn)換送到光接收機(jī)，或者通過計(jì)算機(jī)上虛擬的一個(gè)旋鈕及一個(gè)簡單的應(yīng)用程序?qū)⒃O(shè)定數(shù)據(jù)送到光接收機(jī)。自動(dòng)調(diào)節(jié)則是根據(jù)預(yù)先設(shè)置的一個(gè)參考數(shù)據(jù)IV接收機(jī)輸出檢測到的光照功率 Pa(t)與&相對比，對比的差值e(t)是調(diào)節(jié)光照的依據(jù)。有多種算法將此差值轉(zhuǎn)換為調(diào)整參數(shù)u(t)，其中最為簡單的算法之一是根據(jù)差值的正負(fù)，以固定的步長對光照進(jìn)行相應(yīng)的增或減調(diào)節(jié)，算法如下
+ 1， β( <0; 0, 濤) = 0;
-1， e{t)>0;這是一種簡單的繼電器式的非線性控制方法。調(diào)整步長的設(shè)定決定調(diào)整的速度， 如果環(huán)境光照的變化并不快，那么小的調(diào)整步長即可滿足要求又有較好的穩(wěn)定效果。另外一種稍微復(fù)雜，但是可以使調(diào)節(jié)比較快速、平滑的算法是控制系統(tǒng)常用的 PI (比例積分，1-8)算法
T1其中Kp是比例系數(shù)，T1是積分時(shí)間常數(shù)，U(O)是初值。這些參數(shù)的選取有較大的自由度，依據(jù)于實(shí)際應(yīng)用效果和經(jīng)驗(yàn)。調(diào)整參數(shù)u (t) W&PQ(t)、PA(t)、AQ(t)均可以通過通信發(fā)射機(jī)(1-9)發(fā)送到照明燈具的控制器。實(shí)際中通信發(fā)射機(jī)并不局限于可見光通信發(fā)射機(jī)，因此在圖1中繪出了兩種傳輸途徑，一條是通過(1-11)將信號(hào)傳送到照明光發(fā)射機(jī)(1-1)，另外一條(1-10)是通過可見光通信發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳送到集成在照明燈具控制器中的可見光接收機(jī)(1-2)，然后再傳遞給照明燈具的控制器。照明燈具的控制器依據(jù)u(t)值對照明輸出功率進(jìn)行調(diào)整。這樣，就形成了一種自適應(yīng)照明兼通信的閉合控制環(huán)路。在圖5中的(5-2)即示出了在照明功率調(diào)整時(shí)的照射光脈沖變化，原光照脈沖的寬度為(5-6)所示，在t = 4的時(shí)刻假定收到了調(diào)整指令，將脈沖的寬度調(diào)整到了(5-7)所示的寬度。如此，輸出的平均光功率將相應(yīng)減少。圖示中對應(yīng)的用光位置的背景光并沒有在t > 4后有什么變化，說明這種調(diào)節(jié)不是依據(jù)設(shè)定的參考值調(diào)節(jié)，而是依據(jù)了手動(dòng)的調(diào)節(jié)。如果是因?yàn)榄h(huán)境光發(fā)生了增強(qiáng)做出的自動(dòng)調(diào)節(jié)，那么圖5中(5-4)實(shí)線的輸出效果對應(yīng)的將是(5-4)虛線在t = 4的時(shí)刻檢測到升高變化，然后反饋計(jì)算的u (t)值，迫使光照脈沖的平均功率減小，即(5-2)中的脈沖變窄。實(shí)際上，完全可以視照明燈具為光通信基站，而用光位置的可見光收發(fā)機(jī)為一光通信終端。為了保證用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)不受照明燈具發(fā)射的光在用光位置反射時(shí)造成的干擾，采用時(shí)分雙工的方法將是一種有效的途徑，即當(dāng)照明燈具進(jìn)行照明或者下行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)不工作，而在用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)上行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，照明燈具不工作(或者減弱照明輸出功率)。為了保證照明的穩(wěn)定性，上行的通信時(shí)間可以設(shè)置較短些，不使造成照明閃爍即可。圖6示出了這種時(shí)分工作方式，在(6-1)時(shí)間區(qū)段內(nèi)，即Tl到T2之間，照明燈具工作，而在陽-2)時(shí)間區(qū)段內(nèi)， 即T2到T3之間，用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。T2到T3的時(shí)間間隔取IOms量級(jí)就不會(huì)造成照明閃爍，至于插入的周期，取決于上行的數(shù)據(jù)量，如果僅僅為了反饋光照調(diào)整信息，這個(gè)間隔可以取得更小，插入周期也可取得較長，如100ms。當(dāng)白天不需要太多照明時(shí)(照明燈具發(fā)送的光脈沖可以很窄)，這個(gè)時(shí)間分配方案可完全視上下行傳輸數(shù)據(jù)需求而相應(yīng)改變，只要不使燈光在視覺上表現(xiàn)閃爍即可。這個(gè)方案的另外一個(gè)用處是在發(fā)送上行信息時(shí)，如果照明燈具不發(fā)光，那么用光位置的可見光通信接收機(jī)就能夠在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)完全測量環(huán)境光的強(qiáng)度A0 (t)。在本專利中并不限定照明燈具(兼可見光通信發(fā)射機(jī))和用光位置的可見光通信接收機(jī)建立通信鏈路、照明燈具控制器中的可見光通信接收機(jī)與用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)建立通信鏈路。它們都可以分別與其它位置、其它功能的可見光通信收發(fā)機(jī)建立通信鏈路，只要保證能夠用可見光通信接收機(jī)對照明燈具的光照進(jìn)行測量且能夠和照明燈具的調(diào)整形成閉合回路即可。本發(fā)明的核心是用可見光通信的接收機(jī)來測量光照的強(qiáng)弱。如果可見光通信的收發(fā)機(jī)同時(shí)承擔(dān)照明和光照檢測以及反饋信號(hào)的傳送與接收功能，那么相當(dāng)于一種系統(tǒng)兩種作用，充分利用了照明燈具的功能。由于此類系統(tǒng)可關(guān)聯(lián)到外部通信以及其它嵌入式設(shè)備，因此各個(gè)模塊的功能選擇具有可搭配性，并不局限于以上所描述的關(guān)系。雖然上述專利描述中的調(diào)光方法僅以PWM為例，數(shù)據(jù)調(diào)制方法僅以脈沖位置調(diào)制為例，但是其它調(diào)光、調(diào)制方法用于此處并不存在實(shí)質(zhì)性的障礙。雖然上述專利描述僅僅限于對照明輸出功率的調(diào)節(jié)，但是在條件具備的情況下， 比如照明燈具具有調(diào)節(jié)照射范圍、照射方向、色溫的能力，那么依照上述技術(shù)仍舊能夠容易地實(shí)現(xiàn)對多維度參數(shù)動(dòng)態(tài)控制的智能照明系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)a)照明燈具受照明燈具控制器的控制，實(shí)現(xiàn)照明輸出功率的調(diào)節(jié)；b)照明燈具控制器中集成可見光通信接收機(jī)或者其它通信收發(fā)機(jī)(如WLAN、ZigBee 等)，并能夠與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；c)用光位置的可見光通信接收機(jī)接收可見光通信發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)，同時(shí)測量光照強(qiáng)度；d)用光位置的可見光通信接收機(jī)將測量的光照強(qiáng)度值與設(shè)定的水平相對比，根據(jù)特定的控制算法(如PI算法)形成光照調(diào)整信號(hào)，并將此信號(hào)通過用光位置的可見光通信發(fā)射機(jī)或者與照明燈具控制器中能夠建立通信鏈路的通信收發(fā)機(jī)(如WLAN、ZigBee等)發(fā)送到照明燈具控制器；e)照明燈具控制器根據(jù)所接收的光照調(diào)整信號(hào)，調(diào)整照明燈具的發(fā)光功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)中的照明燈具及其控制器a)照明燈具的結(jié)構(gòu)可以是分布式或者集中式的，可由一個(gè)或者多個(gè)光源構(gòu)成；b)控制器中的通信收發(fā)機(jī)可連接到通信網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)；c)當(dāng)照明燈具的光源具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制的能力時(shí)，控制器可用數(shù)據(jù)對照明燈具所發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)可見光數(shù)據(jù)發(fā)送。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)中的可見光通信接收機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)將視場內(nèi)光信號(hào)匯聚到光電探測器，光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳至信號(hào)處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)中的用光位置的可見光通信接收機(jī)a)能夠與可見光通信發(fā)射機(jī)一起嵌入或者連接到其它設(shè)備上(如計(jì)算機(jī)中)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；b)當(dāng)沒有照明燈具的光照時(shí)或者在照明的短時(shí)間歇中，檢測環(huán)境光的強(qiáng)弱；c)如果照明燈具所發(fā)射的光是脈沖形式，那么在發(fā)射光脈沖期間檢測瞬時(shí)光強(qiáng)弱，而在發(fā)射光脈沖的間歇時(shí)間，檢測環(huán)境光強(qiáng)弱；從瞬時(shí)光強(qiáng)中減去環(huán)境光強(qiáng)得到照射光脈沖的光強(qiáng)；d)通過一定時(shí)間內(nèi)對環(huán)境光強(qiáng)和瞬時(shí)光強(qiáng)的平均獲得總的平均光強(qiáng)；e)照射光脈沖的光強(qiáng)和環(huán)境光強(qiáng)一起通過用光位置的通信收發(fā)機(jī)發(fā)送到照明燈具控制器；f)將測量的平均光強(qiáng)度值與設(shè)定的水平相對比時(shí)所使用的設(shè)定水平來自于預(yù)先置入的確定值或者手動(dòng)輸入值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)中的照明燈具及其控制器a)通過調(diào)節(jié)輸出光脈沖的占空比控制光功率的平均輸出；b)通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的方式控制光功率的瞬時(shí)輸出；c)同時(shí)用脈沖調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的寄載。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)中的照明燈具及其控制器，在連續(xù)的照射光脈沖之間周期地插入短時(shí)停頓間隙，該間隙供其可見光接收機(jī)接收其它可見光通信發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)，特別是用光位置的可見光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光照調(diào)整信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于可見光通信接收機(jī)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的光接收機(jī)在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)用于照明效果的檢測，檢測數(shù)據(jù)通過可見光通信系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)或者其它通信發(fā)射機(jī)發(fā)送到照明燈具，照明燈具據(jù)此對光源輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到用光位置設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，因而能夠在照明條件、環(huán)境溫度變化的情況下動(dòng)態(tài)穩(wěn)定照明效果。同時(shí)，照明燈具也可作為可見光通信的光發(fā)射機(jī)用來發(fā)送數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H04B10/06GK102164436SQ201110042258
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者樊凌濤, 王平, 王勝飛, 袁偉娜, 西那 申請人:華東理工大學(xué)