基于智能燈桿的可見光通信和亮度調節的集成化研究

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430035）

隨著智慧城市的高速發展，智能燈桿不僅能應用在城市照明中，而且集成了多種智能的設備。這些設備和外部的媒介之間需要通過通信的方式實現信息的交互。基于可見光的通信方式具有抗電磁干擾能力強、不受時間地點限制等優勢，因此在該領域受到廣泛的研究。其中可見光通信實施的重要組成部分是LED照明設備。

LED照明由于不僅具有使用壽命長、節能等優勢，還具有快速的開關和切換特性[1-2]，因而被大量應用在可見光的照明系統中。文獻[3]中有關LED亮度的方法主要有調節LED的輸入電壓，然而LED工作在額定狀態時表現為恒流的負載。另一方面，當LED出現過流的情況極易導致其光衰和使用壽命縮短的問題。為了保證其限定恒流的輸出特性，相關的芯片制造商推出了多種LED驅動的方案[4-6]。

智能燈桿的一項主要指標是必須節能環保，即LED需要根據外界的光照強度對自身的亮度進行自動調節[7]。可見光通信作為一種新型的戶內或戶外的通信方式，具有較大的傳輸帶寬[8-10]。現有的可見光通信方案中沒有考慮到LED亮度的調節，使得在通信的過程中出現亮度的變化。

本文提出了一種利用反激變換器和并聯諧振網絡構成智能燈桿的亮度調節和可見光通信的集成系統。在不影響LED工作的情況下，使用頻移鍵控（frequency shift keying，FSK）的調制方式對功率變換器的工作頻率進行切換。同時，在不影響通信的前提下對功率變換器的占空比進行調節，實現LED亮度的調節。最終實現了一種集成化的可見光通信和LED亮度調節的方案。最后搭建了一個實驗平臺，通過實驗驗證所提出方法的可行性和有效性。

1 集成化系統的工作原理

本文所提出的LED亮度調節和可見光通信集成化的系統如圖1所示。

圖1 集成化的LED亮度調節和可見光通信系統Fig.1 Brightness adjustment of integrated LED and communication system of visible light

圖1中，工作電源UDC為直流電源，它是經過交流整流之后或通過直流電網得到的。為了減少開關器件的數量和同時實現隔離的要求，由MOS管Q1、隔離變換器和全橋整流器（D1～D4）構成的反激變換器被使用。由于LED具有恒流的工作特性，本文使用并聯諧振式的補償網絡，不僅具有恒流輸出的特性，而且具有多個工作特性相同的諧振點。LED1～LEDn為串聯的照明燈的陣列，為了避免出現閃爍的問題，C3用于濾除諧振變換器產生的高頻電壓波動。

諧振變換器具有傳輸的功率大、容易實現軟開關、功率密度大等優勢，在DC-DC變換器中得到了大規模的使用。由圖1可知，本文所選取的并聯諧振網絡是由L1，L2，C1和C2構成的。由于耦合變壓器之間存在互感M，它和兩側耦合變壓器的自感之間滿足如下關系：

式中：k為耦合變壓器的耦合系數。

并聯諧振網絡如圖2所示。

圖2 并聯諧振網絡Fig.2 Parallel resonant network

補償網絡耦合電感的等效電路如圖2a所示。在圖2a中，根據基爾霍夫電壓定理（KVL），原邊線圈電壓U1和副邊線圈上的電壓U2表示為

式中：ω為系統工作的角頻率；I1，I2分別為流過原邊、副邊線圈的電流。

其中副邊電流可用下面簡化的方程表示：

式中：Zs為副邊的阻抗。

當補償網絡使用T型等效的電路時（如圖2b所示），Zs表示為

式中：R為從整流器看進去的交流等效電阻。

R和實際的負載電阻RL之間的關系為

聯立式（2）～式（4），并對輸出的電流I2進行求導，在?I2/?R=0時，存在兩個頻率點（fh和f1），都能實現恒定的電流輸出：

電路參數設置為：線圈自感Lp=Ls=70.2 μH；補償電容Cp=Cs=0.35 μH；輸入電壓Uin=48 V；工作頻 率 fl，fh分 別 為 28 kHz，38 kHz；控 制 器 為STM32F407。

采用交流掃描方法，對輸出電流I2在不同的頻率f和負載RL下的傳輸特性進行數值計算分析。其中頻率的變化范圍為10～60 kHz，負載電阻的變化范圍為10～50 Ω，得到如圖3所示的頻率特性曲線。

圖3 輸出的電流和頻率之間的關系Fig.3 The relationship between output current and frequency

從以上的數值計算結果可以得到：隨著頻率的變化，出現了兩個對稱的負載特性曲線的交叉點，在這兩點輸出電流I2和負載的大小無關，即表現為恒流的輸出特性。這兩個交叉點和上面的理論分析部分得到的fh和fl是一致的。

2 LED亮度的控制

當系統工作在上面所設計的兩個頻率后，流過LED的電流為恒定值。

在實際的應用中LED需要根據外界的光照強度大小對輸出的亮度進行調節，同時調節的范圍應該盡量控制在線性的工作區域。在這里，反激變換器原邊的占空比D的調節范圍滿足下面的等式：

式中：n為隔離變壓器匝比；Uin，Uout分別為輸入、輸出的電壓。

LED輸出功率P的表達式為

式中：Ton，Ts分別為反激變換器開通的時間和整個開關的周期。

為了實現對LED的亮度進行精確的控制，需要引入閉環控制系統，控制框圖如圖4所示。設定的光照電流Iref和實際的反饋電流Ifb進行比較得到誤差信號，經過一個并聯的PI調節器（其中，Kp和Ki分別為比例增益和積分增益）和一個限幅器之后，得到控制LED亮度調節的指令I*。

圖4 LED亮度調節的控制框圖Fig.4 Control block diagram of LED brightness adjustment

3 可見光通信的設計

3.1 調制器的設計

在第2節中設計了一個LED亮度的控制方法，為了和本節中所設計的可見光調節系統進行集成，使用如圖5所示的方法。

圖5 可見光通信和LED亮度調節的混合調制Fig.5 Mixed modulation of visible light communication and LED brightness adjustment

在圖5a電路中，有兩個不同頻率的時鐘。當需要傳輸的數據為“1”時，fh的通道被選通。反之，當需要傳輸的數據為“0”時，fl通道被選通。由于每次有且僅有一個通道被選通，完整的數據序列可通過或門得到。本文選取FSK的調制方式，被傳輸的數據“1”和數據“0”用下面的方程表示：

式中：s（t）為一個數據序列；A為載波信號的幅值；φh，φl分別為數據“1”和數據“0”的初始相位角，為了保證在頻率切換的過程中相位的連續性，φh和φl的值都設置為0。

式（9）的方波信號經過一個可復位的積分器之后得到一個連續的三角波信號。再將LED的亮度調節指令信號I*通過比較器之后，得到了一個頻率和占空比都可調的信號PWM。最后將該信號經過驅動電路之后送至反激式變換器的開關管Q1，具體的波形如圖5b所示。

3.2 解調器的設計

在可見光的通信系統中，解調器的設計是必不可少的。當高速的光敏二極管接收到被調制的光信號之后，將含有信息的光信號轉換為微弱的電流信號；經過R1之后將該電流信號轉換為電壓信號，再經過同相放大器之后得到增強的電壓信號，其中增益的大小可通過Rx進行調節。由于在前面的轉換和放大的過程中，頻率fl和fh的光調制信號以及噪聲信號都被引入至后級的電路中。為了避免這些信號之間的串擾，并將噪聲信號濾除。在這里，選取了一個帶通的濾波器，其帶通濾波器所對應的頻率為fh，即數字“1”所對應的頻率。最后經過比較器就得到了數字信號，如圖6所示。

圖6 可見光通信的解調電路Fig.6 Demodulation circuit of visible light communication

4 實驗結果

為了驗證所設計系統的通信特性和光照的調節特性，對現有的智能燈桿的試點進行改造，將反激變換器、通信調制電路和亮度調節電路集成至智能燈桿中，如圖7a所示。光照信號的接收電路以及解調電路則使用單體分離的結構，如圖7b所示。

圖7 實驗裝置圖Fig.7 The photograph of prototype

實驗裝置中的主要實驗參數見第1節中的電路參數設置，耦合變壓器的原邊和副邊線圈自感值相同，且兩側的補償電容值也相同。直流輸入電壓的取值為48 V。在通信的調制過程中一共使用了兩個頻段，它們分別是28 kHz和38 kHz。為了實現集成化控制的可見光通信和LED亮度調節，智能燈桿中使用STM32F407作為中心的控制器。

圖8為一幀凱撒序列碼（CH1）從智能燈桿中發出來，經過200 μs的延時之后，在解調器（CH2）中被完整地恢復出來的可見光通信的測試波形。此時，光通信系統的信號傳輸速率為10 kb/s。

圖8 可見光通信的測試波形Fig.8 The waveforms of visible light communication

為了驗證光照調節的性能，反激式變換器的占空比D的范圍設定為5%～45%，定義智能燈桿中的LED在額定功率工作時的亮度為100%，它們之間的關系如圖9所示。實驗的結果表明LED的亮度和反激變換器的占空比D近似正比的關系；但到達一定值之后，亮度值逐漸趨于飽和。

圖9 LED的亮度和占空比之間的關系Fig.9 The relationship between light brightness of LED and duty cycle

圖10為不同接收器的偏轉角度和不同距離d與通信的誤碼率的關系曲線。實驗的結果表明隨著可見光通信距離的增加，誤碼率隨之增大。接收器的偏移角度增大也會使得誤碼率上升。因此，為了減少傳輸的誤碼率，可以從優化設計接收器的相對距離和偏轉角度著手，將誤碼率控制在可行的范圍之內。另外，為了增加數據解析的正確率，可以引入奇偶校驗、求和校驗和CRC冗余校驗等多種方式。

圖10 誤碼率與接收器的距離、偏移角之間的關系Fig.10 The relationship among bit error rate，distance and offset angle of the receiver

5 結論

為了解決應用在智能燈桿中的可見光通信和LED亮度調節之間的相互兼容的問題，本文利用并聯諧振網絡的恒流的特性，在反激變換器的原邊實現了FSK調制傳輸的數據，占空比調節LED亮度的方案。理論分析和數值計算結果說明了這種方案的可行性。

實驗結果表明LED的亮度能在較大的范圍內被調制，滿足實際的光照控制需求；在不同的距離和偏移角下，接收器能接收到可見光的通信信號，且誤碼率在可接受的范圍內。因此，本文提出的集成化的可見光通信和LED亮度調節具有一定的可行性和實用價值。