基于led通信的工业现场数据采集与控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于LED通信与物联网技术领域，涉及一种基于LED通信的工业现场数据采集与控制方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着我国工业化水平的提高，人们越来越多地将信息技术应用到工业现场以提高数据采集系统测量精度和实时监控水平。目前工业现场数据传输通常采用以太网、CAN总线、无线通信等技术，但是，由于工业现场所处环境具有复杂性，如煤矿、油田采集现场对电磁波敏感，上述系统存在安全隐患。
[0003]LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、无污染等优点被视为第四代节能环保型产品。同时基于LED的可见光通信具有通信速率高、容量大、灵敏度高、无电磁干扰等优点，基于LED通信的数据采集和智能控制系统可以达到高通信速率、低误码率、高可靠性、智能化等优点，不仅可应用于一般工业现场的实时监控，而且可应用于煤矿、油田采集现场等对电磁波特别敏感的复杂场所，是一种新的无线光通信技术。
[0004]本发明基于LED通信的工业现场数据采集和控制系统，充分利用工业现场的照明设施一一LED光源，提出将LED通信系统的发射端与各类测量传感器进行封装成传感节点，由多传感节点放置在工业现场构成传感网络，完成对工业现场设备运行状态和环境参数的数据采集；系统利用LED通信传输控制信号，例如利用语音信号对工业现场设备进行实时监控，达到智能控制、安全高效的运行目的。同时本发明提出的基于LED通信的工业现场数据采集和控制系统也为物联网应用提供了一种新的技术手段与实现方式。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于LED通信的工业现场数据采集与控制系统，该系统利用LED通信将传感器采集到的数据信息发送到终端，完成数据采集；通过LED传输控制信息，对工业现场设备进行监控，以期达到提高自动化水平的目的。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]一种基于LED通信的工业现场数据采集与控制方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:将工业现场各类传感器与LED通信系统的发射端进行封装，构成传感探头;
[0009]步骤二:传感器完成对现场数据的采集，发射端将采集到数据信息通过LED光源发射出去；
[0010]步骤三:采集到的数据经过自由空间的传输到达LED通信系统的接收端，最终将采集到的数据信息发送到数据终端，完成工业现场数据信息采集；
[0011]步骤四:获取控制信息，将控制信息指令命令经过A/D转换、采样、去噪处理后作为LED驱动电路的输入信号；
[0012]步骤五:利用步骤四中的LED驱动电路输入信号驱动LED发光，发送控制信息；
[0013]步骤六:通过LED通信系统将控制信息从终端传输到执行机构，驱动执行机构的运转。
[0014]本发明还提供了一种基于LED通信的工业现场数据采集与控制系统，包括采集系统和控制系统；
[0015]所述采集系统包括:传感系统、模拟/数字信号调理电路、数据采集器、LED驱动电路、LED通信系统、数据终端；
[0016]所述传感系统由工业现场各类传感器与LED通信系统的发射端进行封装组成，传感器完成对现场数据的采集；
[0017]所述模拟/数字信号调理电路位于传感系统的后面，将传感系统采集到的信号转换为电信号；
[0018]所述数据采集器以微处理器为核心，完成对模拟前端功能的数据输入，即通过LED驱动电路驱动LED发光完成数据采集；
[0019]所述LED通信系统将数据采集器采集的数据通过LED驱动电路，将信息调制到LED光源上，通过LED的明暗闪烁将数据信息发送到数据终端；
[0020]所述数据终端将经LED通信系统传输的数据进行处理、显示和信息保存。
[0021]进一步，所述控制系统包括LED驱动电路、LED通信系统、驱动电路、执行机构；
[0022]所述LED驱动电路用于完成对语音控制命令的变换，驱动LED发光；
[0023]所述LED通信系统用于完成对语音控制命令的传送；
[0024]所述驱动电路不同于LED驱动电路，前端与LED通信系统连接时，需要做隔离电路，完成通过LED通信系统传输的语音命令的转换，将信号转换为驱动后续执行机构运转的输入信号；
[0025]所述执行机构包括电动机、电磁阀、空调和电灯等，根据工业现场具体情况选择与布置。
[0026]进一步，所述LED通信系统使用多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput， ΜΙΜΟ)技术和正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Divis1nMultiplexing,0FDM)进行结合的方案，采用强度调制/直接检测系统可以准确的恢复出原始的数据信号；
[0027]在OFDM系统中，高速数据信息流通过串并转换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，从而减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰；每个子信道的数据处理流程为:原始的数据流经过串并转换之后，采用16-QAM调制，通过逆离散傅里叶变化再进行并串转换，加入循环前缀作为保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，从而最大限度地消除多径干扰带来的符号间干扰；使用循环前缀作为保护间隔避免多径带来的信道间干扰；经过数模转换、任意波形发生器处理，通过LED发射出去，经过自由空间的传输到达接收机端。
[0028]本发明的有益效果在于:本发明所述系统和方法能够实现对工业现场信息的实时显示，并能通过数据终端发送语音命令对工业现场的执行机构进行控制，该系统具有实时性高、通信速率高、通信稳定、抗电磁干扰、智能化的优点。
【附图说明】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0030]图1为系统示意图；
[0031]图2为基于LED通信的工业现场数据采集系统框架示意图；
[0032]图3为基于M頂O-OFDM的可见光通信系统示意图；
[0033]图4为子信道信号处理流程示意图；
[0034]图5为语音识别流程图；
[0035]图6为基于LED通信的智能控制系统框架示意图；
[0036]图7为基于LED通信的工业现场数据采集和智能控制系统框图。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0038]图1为本发明的系统示意图，本发明利用LED通信将传感器采集到的数据信息发送到终端，完成数据采集；通过LED传输控制信息，实现对工业现场设备监控。
[0039]基于LED通信的工业现场数据采集系统:
[0040]由于工业现场所处环境的复杂性，需要对设备运行的各个参量进行实时采集与显示，实现对工业现场运作信息的全面了解。同时及时发现与处理异常，将引起安全隐患的概率降到最低，最大限度地保证操作人员的生命安全。
[0041]基于LED通信的工业现场数据采集系统将各类传感器与LED通信系统的发射端进行封装，构成传感探头，传感器完成对现场数据的采集；发射端将采集到数据信息通过LED光源发射出去，经过自由空间传输到接收端，并将采集到的数据信息发送到数据终端，完成工业现场数据信息采集。系统组成:模拟/数字信号调理电路、数据采集器、LED驱动电路、LED通信系统、数据终端(如液晶显示等)。其中LED通信系统的功能是将数据采集器采集的数据通过LED驱动电路，将信息调制到LED光源上，通过LED的明暗闪烁将数据信息发送到终端接收机(如光电二极管、图像传感器等)，再通过光电转换对信号进行解调。图2为基于LED通信的工业现场数据采集系统框架示意图，详细采集流程如下:
[0042]1、模拟/数字信号调理电路:可以成为模拟前端采集。此部分是在传感系统的后面，将传感系统采集到的信号(如位移、速度、加速度、湿度、温度等物理量)转换为电信号。采样频率和通道数量可以根据实际情况自行选定。其主要构成部分为:电压输入调理电路、输出电压-电流转换电路、隔离电路、电源电路。
[0043]2、数据采集器:以微处理器为核心的数据采集器完成对模拟前端功能的数据输入，即通过LED驱动电路驱动LED发光完成数据采集。数据采集器采用微处理器，使用软件编程的处理方法可以使系统实时性更高且易于对数据的复杂处理。
[0044]3、LED驱动电路:在LED驱动设计时应考虑以下性能指标:电压输入范围、输出功率、输出电流控制精度、高功率因素和谐波失真、功率开关的选择和转换效率。考虑到对电路的保护，系统保护模块包括过流短路保护、过压开路保护、欠压锁定保护和过热保护。
[0045]4、LED通信系统:为了准确地、快速地、可靠地获取工业现场的数据信息。本发明提出使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，ΜΙΜΟ)技术和正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Divis1n Multiplexing，OFDM)进行结合的方案，米用强度调制/直接检测系统可以准确的恢复出原始的数据信号。系统数据的处理流程如图3所示:在OFDM系统中，高速数据信息流通过串并转换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。每个子信道的数据处理流程为，原始的数据流经过串并转换之后，采用16-QAM调制，通过逆离散傅里叶变换再进行并串转换，加入循环前缀作为保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径干扰带来的符号间干扰。如果使用循环前缀作为保护间隔还可避免多径带来的信道间干扰。经过数模转换、任意波形发生器处理，通过LED发射出去，经过自由空间的传输到达接收机端。其处理流程为:经接收机将光信号转换为电信号，信号由低噪声放大器和高通滤波器处理再进行数模转换、串并转换、去除循环前缀、离散傅里叶变化、解调、并串转换最后恢复出原始的数据。图4为子信道信号处理流程示意图。
[0046]5、数据终端:工业现场的实时运行状态信息通过传感系统的采集，经LED通信系统将信息传输到数据终端处理、显示和信息保存等。
[0047]基于LED通信的工业现场控制系统设计:
[0048]基于管控一体化的思想，把生产控制系统信息和管理系统信息有效结合起来，实现