基于藍光led可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技術領域，尤其涉及一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，其利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡。
[0003]隨著人類向海洋以及水下領域的探索逐漸深入，諸如海洋勘探、水環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖、捕撈等科研、生產活動對水下信息互聯(lián)的需求也更為迫切，水下物聯(lián)網(wǎng)應運而生，且越來越受到重視。
[0004]構建水下物聯(lián)網(wǎng)亟需解決的主要技術問題之一是水下無線通信。目前主要的水下無線通信技術包括水聲通信、水下電磁波通信以及水下光通信:水聲通信傳輸速率最高只能達到150kb/s，且傳播時延大、誤碼率高、發(fā)散角極大，容易導致信息泄露，不利于通信安全;電磁波在水下會急速衰減并產生多徑效應，傳播距離短且信道模型復雜;對于水下光通信來說，普通光波在水下會發(fā)生反射、折射及散射現(xiàn)象，無法適合水中的長距離傳播，而藍綠激光通信則成本較高。
[0005]構建水下物聯(lián)網(wǎng)需要解決的另一個主要技術問題是水下的組網(wǎng)互聯(lián)問題，包括物-物互聯(lián)、物-人互聯(lián)、萬維網(wǎng)接入及移動互聯(lián)等問題。與陸地物聯(lián)網(wǎng)主要采用基于電磁波的近距通信組網(wǎng)技術不同，水對電磁波的衰減作用決定了水下物聯(lián)網(wǎng)不適合采用電磁波作為互聯(lián)組網(wǎng)技術的核心。
[0006]因為450?570nm波段內的藍綠光到藍光在水中的衰減比其他光波段的衰減要小很多，以藍光LED為核心器件的可見光通信具有發(fā)光效率高、水下衰減小、通信可靠性高、高速和節(jié)約能源等優(yōu)點，不僅可節(jié)省水下通信所需的線纜，并且可與水下照明系統(tǒng)相集成，是一種最具潛力的水下綠色現(xiàn)代高速信息通信技術。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提出一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可為水下活動、水下作業(yè)的設備及終端提供高速信息互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):
[0009]—種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水下設備、水下傳感器、水下終端或水下網(wǎng)關作為節(jié)點單元，多個節(jié)點單元按照一定的網(wǎng)絡互聯(lián)拓撲結構構成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，
[0010]所述節(jié)點單元之間以基于藍光LED可見光通信作為信息傳遞手段；
[0011]所述節(jié)點單元包括雙向藍光LED收發(fā)模塊、核心處理模塊、外部接口模塊，其中，所述外部接口模塊用于與其它外圍設備相連從而使得節(jié)點單元具備特定的應用功能;所述核心處理模塊用于為應用功能提供運算處理并驅動雙向藍光LED收發(fā)模塊以實現(xiàn)水下通信與組網(wǎng)功能;所述雙向藍光LED收發(fā)模塊用于實現(xiàn)藍光的發(fā)射和接收，完成加載信息的藍光信號的調制解調功能。
[0012]優(yōu)選的，所述水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡互連拓撲結構包括基礎鏈式、菊鏈式或者AdHoc網(wǎng)絡。
[0013]優(yōu)選的，所述水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還包括水面基站，所述水面基站用于接收各節(jié)點單元傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測或者預測功能，所述水面基站遠程接入互聯(lián)網(wǎng)。
[0014]優(yōu)選的，所述雙向藍光LED收發(fā)模塊包括光發(fā)射單元與光接收單元，所述光發(fā)射單元包括數(shù)字信號輸入端口、前置放大電路、可見光LED光源高速驅動電路、藍光LED燈珠和會聚光學裝置，所述光接收單元包括光電二極管、電流-電壓轉換電路、濾波電路、差分放大電路和穩(wěn)壓電路。
[0015]優(yōu)選的，所述光發(fā)射單元的工作過程為:由所述數(shù)字信號輸入端口輸入的數(shù)字調制信號經所述前置放大電路進行信號整形與放大，經整形與放大后的調制電壓信號饋入所述可見光LED光源高速驅動電路產生并轉換為驅動LED光源的高碼率電流信號，該電流信號用于對所述藍光LED燈珠進行開關鍵控調制從而產生藍光亮滅信號，對該藍光信號采用會聚光學裝置進一步改善LED光束質量并輸出。
[0016]優(yōu)選的，所述可見光LED光源高速驅動電路包括MAX16832芯片，用于實現(xiàn)高速LED光源調制驅動。
[0017]優(yōu)選的，所述光接收單元的工作過程為:
[0018]所接收的藍光信號首先經過所述光電二極管轉換為模擬電流信號，然后經所述電流-電壓轉換電路將上述模擬電流信號轉化為電壓信號，所產生的差分電壓信號經過所述濾波電路過濾雜訊干擾信號并經過所述差分放大電路恢復得到數(shù)字解調信號。
[0019]優(yōu)選的，所述穩(wěn)壓電路采用ASMl117-5變壓芯片與ASMl 117-3.3變壓芯片，為所述光接收單元中的芯片提供5V及3.3V的電源電壓。
[0020]優(yōu)選的，所述光電二極管為硅PIN光電二極管S5971。
[0021]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果:
[0022]I)本發(fā)明提出的基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括集成雙向藍光LED可見光通信模塊的水下設備及基于基礎鏈式、菊鏈式和Ad Hoc網(wǎng)絡的組網(wǎng)結構，該系統(tǒng)能夠靈活地運用于各種水下活動、水下作業(yè)的領域。
[0023 ] 2)本發(fā)明提出的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的雙向藍光LED可見光通信模塊中藍光光源采用高亮度藍光LED，相比激光光源其成本較低，容易實現(xiàn)，而且LED具有響應速度快的特點，適合高頻調制。其調制速度最高可達50MHz的調制速度，比傳統(tǒng)的聲波調制速度快了 300倍有多，并且還有很大的提升空間。
[0024]3)本發(fā)明提出的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的雙向藍光LED可見光通信模塊中光接收模塊采用在可見光波段具有高靈敏度的硅PIN光電二極管，具有高速響應，低價格，高可靠性的特點。
[0025]4)基于雙向藍光LED可見光通信模塊的水下物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式采用基礎鏈式、菊鏈式鏈接與Ad Hoc網(wǎng)絡，具有負載均衡、鏈路可靠的優(yōu)勢，為水下通信領域提供了一種新的解決方案。
【附圖說明】
[0026]圖1是本實施例中公開的一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系中節(jié)點單元的結構組成框圖；
[0027]圖2是本實施例中雙向藍光LED收發(fā)模塊的光發(fā)射單元的結構組成框圖；
[0028]圖3是本實施例中雙向藍光LED收發(fā)模塊的光接收單元的結構組成框圖；
[0029]圖4是本實施例中構成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點單元的示意圖；
[0030]圖5是本實施例中公開的一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)菊鏈式拓撲連接的示意圖；
[0031]圖6是本實施例中公開的一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)AdHoc網(wǎng)絡平面拓撲結構的示意圖；
[0032]圖7是基于藍光LED可見光通信的水下作業(yè)通信網(wǎng)絡的示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]實施例
[0035]本實施例公開了一種基于藍光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以搭載雙向藍光LED收發(fā)模塊的水下設備、終端、水下網(wǎng)關作為節(jié)點單元，多個節(jié)點單元按照一定的網(wǎng)絡互聯(lián)拓撲結構構成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
[0036]上述節(jié)點單元之間以藍光通信作為信息傳遞手段。450?570nm波段內的藍綠光到藍光在水中的衰減比其他光波段的衰減要小很多，以藍光LED為核心器件的可見光通信具有發(fā)光效率高、水下衰減小、通信可靠性高、高速和節(jié)約能源等優(yōu)點，不僅可節(jié)省水下通信所需的線纜，并且可與水下照明系統(tǒng)相集成，是水下綠色現(xiàn)代高速信息通信技術。
[0037]其中，水下設備、終端、水下網(wǎng)關為水下物聯(lián)網(wǎng)信息交互的主體，是信息產生、交換、處理的節(jié)點單元。主要由雙向藍光LED收發(fā)模塊、核心處理模塊、外部接口模塊組成。其結構示意圖如圖1所示。外部接口模塊用于與其它外圍設備相連從而使得節(jié)點單元具備特定的應用功能，核心處理模塊用于為應用功能提供運算處理并驅動雙向藍光LED收發(fā)模塊以實現(xiàn)水下通信與組網(wǎng)功能。
[0038]雙向藍光LED收發(fā)模塊由光發(fā)射單元與光接收單元組成，其中光發(fā)射單元由數(shù)字信號輸入端口、前置放大電路、可見光LED光源高速驅動電路、藍光LED燈珠及會聚光學裝置所構成，用于為可見光接收器提供可見光信號，是雙向藍光LED可見光通信技術的基礎。其結構示意圖如圖2所示。
[0039]在光發(fā)射單元中，由數(shù)字信號輸入端口所輸入的數(shù)字調制信號經前置放大電路進行信號整形與放大，經整形與放大后的調制電壓信號饋入高速LED光源調制驅動芯片MAX16832產生并轉換為驅動LED光源的高碼率電流信號，該信號進一步用于對高亮度藍光LED CREE燈珠進行開關鍵控調制從而產生藍光亮滅信號，對該光信號采用會聚光學裝置進一步改善LED光束質量并輸出。
[0040]雙向藍光LED收發(fā)模塊的光接收單元主要由用于接收可見光信號的光電二極管、電流-電壓轉換電路、濾波電路和差分放大電路以及相應穩(wěn)壓電路所構成。其結構示意圖如圖3所示。在光接收單元中，所接收的藍光信號首先經過在可見光波段具有高靈敏度的硅PIN光電二極管轉換為模擬電流信號，本發(fā)明中所采用的光電二極管為光電二極管S5971。
[0041]所產生的模擬電流信號經電流-電壓轉換電路將電流信號轉化為電壓信號，所產生的差分電壓信號進一步經過濾波電路過濾雜訊干擾信號并經過差分放大電路恢復得到數(shù)字解調信號。光接收單元中使用了穩(wěn)壓電路給芯片提供相應的電源電壓。本發(fā)明中采用了 ASMl 117-5變壓芯片與ASMl 117-3.3變壓芯片分別提供5V跟3.3V電壓轉換及穩(wěn)壓電路。
[0042]進一步的，多個節(jié)點單元按照一定的網(wǎng)絡互聯(lián)拓撲結構構成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。圖4所示為本發(fā)明一種基礎的鏈