基于STM32的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)

封蔚鴻 葛 冬 吳遠(yuǎn)兮 張而弛

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基于STM32的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)

封蔚鴻 葛 冬 吳遠(yuǎn)兮 張而弛

東南大學(xué)，江蘇 南京 211189

提出了一種室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用STM32通過編程從端口產(chǎn)生編碼調(diào)制后的電信號，該電信號驅(qū)動LED發(fā)送高速變化的光信號。在接收端，光信號被PIN二極管轉(zhuǎn)換為電信號，電信號在經(jīng)過解碼之后還原出信源信息。

可見光通信；LED；STM32

引言

新世紀(jì)以來隨著人們對無線通信的需求呈激增之勢，無線頻譜資源短缺的問題逐步顯現(xiàn)出來，而可見光作為尚未被利用的電磁波頻段正是解決此問題的理想途徑。同時，在照明領(lǐng)域，白光LED具有功耗小，壽命長，高光效，易于高速調(diào)制與響應(yīng)的優(yōu)點，從而使得其可以實現(xiàn)通信與照明的融合[1]。

LED可見光通信技術(shù)（VLC）利用了可見光LED作為照明光源，在其發(fā)射端將信源進行電信號調(diào)制，調(diào)制后的信號加載到LED上，驅(qū)動LED發(fā)射高于人眼分辨頻率的光載波信號。經(jīng)過自由空間的傳輸后，接收端通過光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件將收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，隨后經(jīng)過均衡，判斷，解碼等過程還原出原信息，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸。本文重點考察VLC技術(shù)在室內(nèi)定位中的應(yīng)用。

1 編碼調(diào)制

在發(fā)射端，本文首先考慮的是編碼問題，本次實驗采取將編碼數(shù)據(jù)通過開關(guān)鍵控編碼調(diào)制從而控制發(fā)射信號。首先考慮用ASCII的二進制形式作為信源，給每盞燈一個不同的字母數(shù)字組合編號，然后通過對應(yīng)ASCII碼表將其轉(zhuǎn)換成二進制01序列進行信息調(diào)制，然后通過LED燈發(fā)射出來。考慮到這是一個循環(huán)發(fā)送的過程，接收端還需要判斷這串ASCII碼序列的起始位和終止位，對解碼要求較高，在外界干擾較大的情況下，容易產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，還可能遇到循環(huán)移位后相等的編碼情況；而且按位發(fā)送等間隔的光脈沖信號，光的強度與方波的占空比相關(guān)，不同的燈會因為編碼中0所占的比例不同而光強不同，不符合現(xiàn)實情況，于是改進了編碼方案。現(xiàn)在采取的方式是根據(jù)燈的數(shù)量和所需的光強，通過軟件編程求得循環(huán)不相同的等長01序列，其中0所占的比例固定，然后通過脈沖幅度調(diào)制將其轉(zhuǎn)化為電信號從而控制LED發(fā)送信號。這樣，每盞燈按照相同的頻率循環(huán)發(fā)送各自的編碼，接收端截取任意等長序列可以通過循環(huán)移位的方式判斷是哪盞燈的序列，從而既統(tǒng)一了光強又簡化了接收端的解碼過程。

比如該系統(tǒng)模型有四盞燈，當(dāng)發(fā)射方波平均占空比為77.8%時（此時光強較強），可以采取如下編碼方式見表1。

顯然當(dāng)燈的數(shù)量增加，光強增加時，編碼長度不斷增加，由于發(fā)射每位編碼的頻率遠(yuǎn)高于肉眼可分辨的頻率，所以這種編碼并不影響照明。考慮到日光或者其他照明燈光的影響，本文采用光強較強的九位編碼方式進行編碼。本系統(tǒng)采取二進制啟閉鍵控的調(diào)制方式（OOK），沒有在編碼信號頭尾加起始位和結(jié)束符也沒有加校驗位，如果傳輸中發(fā)生誤碼，即采取最大似然估計的方式進行譯碼。二進制啟閉鍵控是脈沖幅度調(diào)制的一種，本文將一個幅度設(shè)為0，另一個幅度設(shè)為5V，以單極性不歸零方式對編碼進行調(diào)制，這種調(diào)制方式實現(xiàn)技術(shù)較為簡單，在光通信中振幅鍵控調(diào)制方式獲得廣泛應(yīng)用。

表1 77.8%發(fā)射占空比的編碼 燈編號1234 主編碼111111100111111010111110110111101110 循環(huán)移位011111110011111101011111011011110111 循環(huán)移位001111111101111110101111101101111011 循環(huán)移位100111111010111111110111110110111101 循環(huán)移位110011111101011111011011111111011110 循環(huán)移位111001111110101111101101111011101111 循環(huán)移位111100111111010111110110111101110111 循環(huán)移位111110011111101011111011011110111011 循環(huán)移位111111001111110101111101101111011101

2 功率放大模塊

LED是一個將電流變化轉(zhuǎn)化為光功率變化的電流驅(qū)動元件。由于本文所使用的STM32ARM開發(fā)板管腳輸出功率最大值僅為5W，若輸出功率不足，則無法完全反應(yīng)LED的電流變化。因而若要完全驅(qū)動LED燈珠，則需要將STM32開發(fā)板管腳輸入信號功率通過功率放大電路進行放大，將通過功率放大電路后的電信號連接LED燈珠進行驅(qū)動。

3 驅(qū)動電路

通過LED燈珠的發(fā)光伏安特性曲線可以得到，當(dāng)且僅當(dāng)LED燈珠正向電壓導(dǎo)通并且處于線性工作區(qū)時才能發(fā)光。所以當(dāng)調(diào)制信號功率較小時，LED燈珠正向電壓并不處于線性工作區(qū)，使得LED無法發(fā)光。但若通過功率放大器將信號放大的足夠大時，LED將超出線性工作區(qū)，在這個情況下，對整個電路添加一個偏置電流或者偏置電壓便能較好的解決這一情況，再將該偏置電壓或電流疊加到適當(dāng)放大后的調(diào)制信號，通過該信號驅(qū)動LED[2]。

4 聚光模塊

LED光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端的主要作用是通過驅(qū)動和調(diào)制裝置將所要傳輸?shù)男盘柤虞d到LED信號上，接收端利用利用光電轉(zhuǎn)換器件將光載波上的信號進行處理。由于收發(fā)裝置點對點通信技術(shù)要求較高，因此需要聚光模塊。本文采用的LED是CREE公司的XPGWHT-L1-1D0-R5-0-05，工作功率為5W，工作電壓2.9～3.25V，工作電流1500mA，由于發(fā)光角度為125度，所以傳輸距離較短，只能有10cm左右的有效傳輸距離，并且兩個距離比較近的LED容易互相干擾。因此需要在LED之后安裝聚光器，安裝聚光器之后，可以把傳輸距離增加到60～80cm。

5 光電轉(zhuǎn)化模塊

光電轉(zhuǎn)化模塊主要利用光電轉(zhuǎn)換器件通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。常用的光電轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻和PIN光電二極管等。相比于其他光電二極管，PIN光電二極管有反向電壓小，渡越時間短，靈敏度高，溫度敏感性低，廉價，尺寸小等優(yōu)勢，因此本文使用的是PIN光電二極管。

圖1 光電轉(zhuǎn)換模塊的電路連接圖

圖1是本文使用的光電轉(zhuǎn)換模塊的電路連接圖，該模塊使用LM393芯片，并用6V的直流電壓源對其供電。在該電路中，利用電位器和一個保護電路的電阻分壓作為LM393的反向輸入，即為圖中的比較電壓，通過調(diào)節(jié)可以使得比較電壓大于在自然光條件下的PIN光電二極管輸出，且小于PIN光電二極管接收到發(fā)射部分光信號之后的輸出電壓。電源接通之后，當(dāng)PIN光電二極管輸出電壓大于比較電壓時，LM393輸出高電平；反之，LM393輸出低電平。并且輸出可以保持發(fā)射端發(fā)送信號的波形。

6 接收機解調(diào)

在接收端，通過引腳將光電轉(zhuǎn)換模塊的電信號輸入STM32單片機，按照信號編碼調(diào)制模塊所規(guī)范的傳輸協(xié)議來進行解調(diào)該電信號[3]。當(dāng)引腳接收到電信號，本文以三倍于信號發(fā)射頻率對接收信號進行采樣，將采樣信號每27位為一個數(shù)組，通過每三位的平均值判斷發(fā)送信號是“0”還是“1”，以降低采樣中的誤碼率并防止發(fā)射信號與接收采樣因時鐘不同步或者多徑延遲導(dǎo)致的相位不一致而造成的邊緣無法準(zhǔn)確采集的問題。然后將每組采樣信號解調(diào)成9位編碼，與存儲在單片機中的LED編號編碼數(shù)據(jù)庫進行移位循環(huán)匹配，因為編碼碼本都是循環(huán)不相同的，所以無需判斷起始位置便可以唯一譯碼。通過移位比對出原碼，從而判斷出該信號來源LED編號，進而知曉接收裝置所處于的位置，這樣本文就能根據(jù)客戶所在位置更為準(zhǔn)確地發(fā)送相應(yīng)的推送信息。

7 結(jié)論

本文建立了用基于STM32單片機的室內(nèi)光通信系統(tǒng)，在發(fā)射部分根據(jù)燈的數(shù)量和所需的光強，通過軟件求得循環(huán)不相同的等長01序列，單片機輸出的信號經(jīng)過放大后驅(qū)動LED產(chǎn)生帶有編碼信息的光信號。接收部分使用BPX61光電管作為光電轉(zhuǎn)換的核心裝置，通過光電管將LED所發(fā)射的光信號（此信號已通過濾光鏡使其滿足BPX61的感光特性）轉(zhuǎn)換為電信號，最終將此電信號輸回單片機經(jīng)過抽樣，判斷，解碼等過程還原出原信息。至此本文以超市通信定位為例具體闡述了可見光VLC通信技術(shù)的應(yīng)用。由于LED燈擁有高效，節(jié)能，環(huán)保等不可替代的優(yōu)勢，在能源緊缺的當(dāng)下，LED燈將更多地應(yīng)用于室內(nèi)照明中，同時以此為基礎(chǔ)的可見光通信系統(tǒng)也會在室內(nèi)智能化領(lǐng)域占有一席之地。

[1]王一妹，李歡.LED照明通信系統(tǒng)[J].電子制作，2014（16）：44-45.

[2]王宇，馮進良，段靖遠(yuǎn).VLC信號的時頻域分析算法及實現(xiàn)研究[J].中國新通信，2016，18（1）：54-55.

[3]楊林.基于STM32的電梯并聯(lián)群控CAN通信系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國電子商情：科技創(chuàng)新，2014（5）：8.

STM32 Indoor Visible Light Communication System Based on

Feng Weihong Ge Dong Wu Yuanxi Zhang Erchi

Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189

This paper presents a indoor LED visible light communication system. The system uses an electrical signal generated code modulation from STM32 ports programmed after the electrical signal driving the light signal transmitting LED rapidly changing. At the receiving end, the optical signal is converted into an electrical signal PIN diode, the electrical signal after an information source decode the information.

visible light communication; LED; STM32

TN929.1

A

1009-6434(2016)07-0077-03

封蔚鴻（1995—），男，漢族，南京，本科在讀，研究方向為通信，單位為東南大學(xué)。