1 引言

物联网(Internet of Things) 通过组建“物-物”网络,实现万物高效、安全、便捷的连接,能达到实时监控、管理各种设备的目的。“物-物”网络的组建需要借助有线或者无线通信技术。有线通信技术虽然安全可靠,但是布线成本很高且不便于移动,所以无线通信在物联网中逐步占据了主导地位。随着各种无线通信业务需求的增加,无线电频谱资源变得越来越拥挤,邻频干扰问题也越来越严重,因此必须拓展新的无线频谱资源。太赫兹、可见光已经成为6G通信的备选频段。

可见光通信利用发光二极管发出明暗变化的信号来传输信息,它是一种新的无线光通信手段,具有速率高、安全性好、可以在电磁敏感区使用等优点。2000年,日本KEIO大学的Tanaka等^[1]提出基于室内照明LED灯的可见光构建无线家庭链路的概念。2008年,欧盟启动了包含可见光通信的OMEGA计划^[2],美国成立了从事可见光通信技术研究的智能照明中心^[3]。 同年,中国科学院半导体研究所基于可见光通信技术开展了半导体照明信息网的研发。2013年,国家863计划和国家973计划资助国内的科研团队开始从事可见光通信技术研究,后来取得了一系列研究成果^[4-7]。2019年,欧洲地平线计划H2020资助了可见光通信的物联网研究^[8]。预计,可见光通信技术的商用化将进一步加快。

现在商用的智能家居系统源于WHL(Wireless Home Link)的概念^[9],多使用红外(IR)或射频(RF)通信技术^[10]。随着半导体照明技术的发展,被誉为“绿色照明”的白光LED已经占据了主要市场,由于灯光信号具备室内全覆盖的特点,其控制范围远大于手持红外遥控器。本课题组从2008年开始从事可见光智能家居系统的研究,希望将LED照明灯具的价值最大化。现有可见光智能家居系统的研究多使用强度调制和直接检测技术,接收终端抗低频噪声干扰能力差,本文将红外协议应用于可见光智能家居领域,带有红外遥控接收功能的家用电器和物联网执行终端在保留原有红外遥控功能的基础上,可实现红外和可见光的双模控制。根据国家照明标准^[11],对建筑物内照度要求最低的环境是车库,为30 lx,加上灯光闪烁条件的限制,LED灯具发送低频信号时的照度变化将极小。可见光智能家居系统能够检测微弱光信号的变化,这意味着它支持受控终端大范围的移动,能真正实现安全、经济、环保、高效的万物光互连,有望解决工业电磁环境下工业机器人无线操控的技术难题。

本文针对物联网的应用需求,建立可见光智能家居系统的信道模型,并进行理论分析及数据仿真,得到了该可见光智能家居系统在防闪烁前提下被正确操控时的最大通信范围;使用研制的可见光、红外双模光接收器(PD)搭建了兼容红外、可见光的智能家居控制系统;测试了家用LED灯具对可见光智能家居系统控制的范围与正确率,验证了新技术方案的可行性和理论计算的准确性。

2 理论推导

红外通信和可见光通信系统都包括光的调制、光电的转换和电信号的解调这三个主要部分。常用红外遥控器采用“亮-灭”调制,虽然常用载波频率是38 kHz,但红外协议中信号频率最低为25 Hz左右,为了不影响可见光LED的照明效果,在LED发送红外协议格式的信号时,需要使用“明-暗”的调制方式,即限制其调制深度。调制深度的定义为:光信号最大值与最小值的差除以光信号最大值与最小值的和。因此调制深度越小,LED灯发送信号时造成的“闪烁”现象就越不明显^[12],但是其通信范围也越小。因此本文将通过公式推导和软件仿真去计算调制深度为闪烁临界值时可见光智能家居系统传输信号的有效覆盖范围。

2.1 光功率模型

图1是朗伯光源的信道模型示意图,其中d为光源与接收器的直线距离,θ为LED和接收器连线与LED光轴的夹角,θ_1/2为LED辐射强度半角,φ为接收器表面法线与入射光线的夹角,φ_FOV为接收器视场角。可见光智能家居系统传输的是低速信号(载波频率为38 kHz),因此可见光多径效应引起的码间干扰可以忽略。参考文献[ 13]可知,假设墙壁反射系数为0.81,则平均接收光功率中四侧墙反射光贡献率为27.58%。因为反射光功率与墙壁的反射系数成正比,本文实验环境为长过道,只需考虑两侧墙壁的发射,该墙壁反射系数为0.5,所以反射光功率的贡献远小于27.58%。为了充分证明可见光智能家居系统传输的信号具有大范围覆盖的能力,本研究将在不考虑反射光对光信号增益的前提下计算信号的有效覆盖范围。

图 1. 朗伯光源的信道模型示意图

Fig. 1. Schematic of Lambert source channel model

下载图片 查看所有图片

已知朗伯光源模型的辐射公式为

R(θ)=m+12πPscosmθ,θ∈[-π/2,π/2],(1)

式中:R(θ)为辐射强度;P_s为发射光功率;m为LED的辐射方向性指数,表达式为

m=-ln2lncosθ1/2。(2)

由表1可知LED的半功率角为60°,因此m=1。

由于LED是非相干光源,因此LED阵列光源可以采用朗伯模型。建立一个长、宽、高为30 m×2.1 m×2.6 m的室内走廊空间模型(因为普通房间无法进行远距离测试,所以选用走廊进行实验),将LED灯板的位置设为(5 m,1.05 m,2.5 m),接收器水平放置在距离地面0.25 m的高度。光源如图2所示,为一个20×12阵列的LED灯板,LED的间距为20 mm,灯具的工作电流为260 mA,工作电压为37.2 V,故LED灯的电功率约为9.7 W。每颗LED的位置为(x_n,y_n,2.5 m),接收器的中心位置为(x,y,z_h),z_h表示接收器到地面的距离,则LED到接收器中心的距离可表示为

dn=(xn-x)2+(yn-y)2+(2.5-zh)2。(3)

接收器接收到单颗LED发射的光功率可表示为^[14]

Pn=PT(m+1)cosmθGf(φ)G(φ)Scosφ2πdn2,φ<φFOV0,φ≥φFOV,(4)

式中:P_T为发射光功率;S为接收器的面积;G_f(φ)为光学滤波器的增益;G(φ)为光学集中器的增益。图3为接收器的相对辐射特性曲线,可以看出其接近于余弦的二分之三次方,因此光学集中器的增益G(φ)可以表示为

G(φ)=G0cos3/2φ,φ<φFOV0,φ≥φFOV,(5)

式中:G₀ 为光学集中器0°所对应的增益。

图 2. LED灯板

Fig. 2. LED Arrays

下载图片 查看所有图片

图 3. 接收器相对辐射特性曲线

Fig. 3. Relative radiation intensity of PD

下载图片 查看所有图片

由于LED光源为非相干光源,且cos θ=cos φ=(2.5-z_h)/d_n,因此接收器接收LED灯具发射的光功率可以表示为

P=∑n=1240Pn=∑n=1240PT(m+1)SGf(φ)G(φ)(2.5-zh)m+12π[(xn-x)2+(yn-y)2+(2.5-zh)2](m+3)/2,φ<φFOV0,φ≥φFOV。(6)

2.2 最小接收光功率

照明最常用的荧光型LED的光谱主要覆盖蓝光和黄光两个波段。图2中使用的LED是GT3528,图4(a)是其光谱分布曲线,其光谱分布覆盖380~780 nm。本文设计的一体化光接收器GT59438R光谱响应特性曲线如图4(b)所示,其光谱响应范围在350~1100 nm,不仅可以响应可见光波段的光信号,还可以响应红外波段的光信号。

图 4. LED光谱分布曲线与接收器光谱响应曲线。(a) LED;(b)光接收器

Fig. 4. LED spectral distribution curve and receiver spectral response curve. (a) LED; (b) PD

下载图片 查看所有图片

根据文献[ 15],可得

Eemin(λ)=Pth(λ)S=iminSR(λ),(7)

式中:E_emin(λ)为使接收器正常工作的最小辐射照度;P_th(λ)为通量阈;i_min为使接收器正常工作的最小光生电流;R(λ)为接收器的光谱响应曲线。设 ∫380780P₀E_e(λ)R(λ)dλ=i_min,其中P₀为接收器接收到的LED光束峰值波长对应的光功率,对于LED-GT3528光源,该接收器至少需要接收到的光功率为P_min= ∫380780P₀E_e(λ)dλ=13 nW。

2.3 闪烁融合条件

参考文献[ 16]设计闪烁感知实验:邀请10位被试人员(5男5女),在不同环境亮度条件下分别测试被试人员非直视和直视时对闪烁的感知情况,每种条件下发送10次遥控信号。环境亮度条件1:晴天开灯,室内测试灯具下1 m处的照度为300~400 lx;环境亮度条件2:晴朗白天,室内测试灯具下1 m处的照度为160~200 lx;环境亮度条件3:白天拉上窗帘,室内测试灯具下1 m处的照度为0~1 lx。被试人员认为感觉不到闪烁的统计结果如表2和表3所示,其中调制深度的计算取LED灯具不发送信号时的照度作为光信号最大值,取发送38 kHz方波时的照度作为光信号最小值。测量位置位于LED灯具下1 m,不发送信号时照度固定为364.3 lx。

根据IEEE 2015年发布的LED调制相关标准^[17],当LED的闪烁频率f<90 Hz时,调制深度应小于f×0.025%。已知日本NEC公司的uPD6121G红外协议编码的最低频率为25 Hz^[18],则调制深度应小于25 Hz×0.025=0.625%,符合闪烁感知实验的结果,因此可将LED灯具的调制深度设为0.46%。

2.4 控制范围分析

经测试计算,实验用LED灯具调制深度为0.46%时,单颗LED光功率变化约为9 mW。图5是发射光功率为9 mW、z_h为0.25 m条件下室内模型的光功率分布图,可以看出光功率等于13 nW的点与灯具的水平距离为14 m,即该套可见光智能家居系统的有效控制范围是一个半径为14 m的圆,面积约为616 m²。

3 系统设计

3.1 调制电路与接收器设计

调制模块的原理框图如图6(a)所示,联网的手 图5Fig. 5机将控制指令发送给Wi-Fi模块,然后传递给STM32单片机,STM32单片机将接收到的控制指令进行编码,最后经过调制电路加载到LED灯具上转换为可见光信号。一体化光接收器GT59438R原理框图如图7(a)所示,电路芯片中的放大电路将电流信号转换为较大的电压信号,经过带通滤波器滤除噪声后传给解调电路恢复出控制指令。实物图见图7(b),主要使用金丝球焊技术将光电探测器和电路芯片连接在一起,然后采用双酚A型透明环氧树脂材料进行封装。 图6Fig. 6图7Fig. 7

3.2 系统搭建

为了测试该智能家居系统对可见光及红外控制指令的响应情况,验证上述计算仿真的准确性,在实验室搭建了如图8所示的实验验证系统,其中实验选用的遥控机器人型号为雄胜星宝战士3。

4 系统测试与分析

利用上述实验系统,令LED灯具发送红外协议格式的遥控指令,通过测试接收终端对控制指令的正确响应率,表征基于可见光通信的物联网系统的误码率。对于如图8所示基于LED灯具的智能家居系统,点击手机遥控器面板——机器人的“前进”和“后退”按钮各10次,重复10次并记录测试结果。然后,使用机器人原装的红外遥控器进行相同的测试,并记录测试结果。如表4所示,两个机器人均能响应LED照明灯的遥控信号,正确率为100%;同时,对红外遥控器的响应正确率也为100%。 图8Fig. 8

测试中,可见光控制系统的直线控制距离比红外遥控器的略大,并且由于红外遥控器的控制角度比较小,因此可见光智能家居系统的控制范围比红外遥控器大很多。该可见光智能家居系统9.7 W灯具的最大有效控制距离的测试结果是14.3 m(对应圆形有效控制范围642 m²),与仿真结果14 m间的相对误差为2%。分析原因:2%的相对误差是因忽略反射光的信号增益等因素造成的。

由于实际生活中电器一般放置于房间的边角处,此时墙壁的反射光会使实际控制距离比仿真结果更大,因此实际使用时该可见光智能家居系统9.7 W灯具的的控制范围会大于616 m²。

5 结论

通过计算与仿真,获得了20×12阵列、功率为9.7 W的LED灯具发送低速红外协议格式信号时,物联网控制终端的最大控制距离和范围分别为14 m和616 m²。在实验室搭建了可见光智能家居系统的实物平台,测试结果表明系统实际最大控制距离为14.3 m,与理论计算的结果14 m间相对误差约为2%,验证了模型的准确性。该系统的调制深度限制在0.46%,满足IEEE的相关标准,证明了在不影响照明功能的前提下,用功率为9.7 W的LED灯具搭建物联网通信网络,在642 m²范围内可以实现兼容红外、可见光的有效控制。