一种led恒流远程照明通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种LED恒流远程照明通信系统，该系统包括光接收模块、微控制模块、继电器组、通信接口、判决解调模块、中央处理器、接收天线、光探测器、信号处理电路、LED灯、电源电路等；所述电源电路分别连接中央处理器和恒流驱动电路；互补恒流电路应用LED的恒流驱动电路中，驱动电流变化小。本发明可以延长照明设备的使用寿命，降低照明系统的能源消耗，提高照明系统的通信、照明质量。
【专利说明】
一种LED恒流远程照明通信系统
技术领域
[0001]本发明涉及照明控制领域，尤其是一种LED恒流远程照明通信系统。
【背景技术】
[0002]由LED的电学特性可知，LED的平均正向电流随着正向电压的增大呈现大幅度的线性增长，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，且电流对LED结温影响很大，过大的电流很容易导致LED灯珠结温升高而损坏。此外，由LED的光学特性可知随着正向电流的增加，LED光通量随之增大，即亮度增加。因此为了保持LED发光亮度的恒定，就要保证LED正向电流的稳定。
[0003]LED灯具有亮度高、寿命长、性能稳定、节省能源等优点，它将成为下一代的照明工具。由于的高灵敏度和线性调制特性，采用LED灯光信号来实现对照明系统控制，具有非常大的优势。与传统的红外和无线电通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰等优点。另外，目前运用广泛的照明控制方法线路复杂，安装繁琐，且不易于维护，浪费大量原材料，成本高。因此，可见光通信照明控制系统具有显著的研究意义和较大的发展前景，是一种新兴的节能、方便的照明控制系统。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的是对可见光通信的无线控制，克服现有技术方法的不足，提供了一种能够达到线路简单，安装方便，易于维护，节省大量原材料，具有太阳能供电系统，降低能耗的一种LED恒流远程照明通信系统。
[0005]为实现上述发明目的，提出了如下技术方案:
[0006]—种LED恒流远程照明通信系统，包括通信接口、中央处理器、恒流驱动电路、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、无线控制器、照明端、光钥匙模块;所述中央处理器连接光钥匙模块、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯；
[0007]所述系统还包括发射端和接收端;发射端可使用00Κ、ΡΡΜ等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送;接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频10fps以上、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收;所述充电插口设置于闭合门的侧端；
[0008]所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED灯、接收天线、光探测器、信号处理电路；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头;所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输。
[0009 ]进一步地，所述的恒流驱动电路，所述的恒流驱动电路包括整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路，所述整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路依次连接，所述整流滤波电路为与市电电源依次连接的保险丝、整流桥和滤波电容;所述LED串联驱动电路为多个串联的发光二极管和与发光二级管并联的稳压二极管；所述互补型两端恒流源电路包括依次串联的稳压二极管Vzl、三极管VQ2、电阻R2，和依次串联的稳压二极管Vz2、三极管VQ1、电阻Rl，所述稳压二极管Vzl正极与三极管VQ2集电极连接，所述三极管VQ2射极与电阻R2连接。
[0010]为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够时太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电
[0011]在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及恒流驱动电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0012]进一步的，太阳能光子通信照明装置的照明端光接收模块用BPX21光电二极管完成光信号的接收和光电信号转换。电路采用TI公司的可编程12位并行高速A/D转换芯片THS1206，实现采样速率6MSample/S(兆采样/s)的4通道同步采样，由内部控制实现差分模拟信号输入。微控制器模块用STM32F107完成接收信号解调、数据帧读取以及照明控制等功能。STM32F107微控制器的roi2?PB15和Η)8?Η)15与TH1206的12位A/D转换输出连接，PAO?PA4连接TH1206的时钟、中断等控制信号；管脚?连接串口；PBlO?roi3连接以太网口 ；PD0?PD7和PE7?PE15连接继电器组。TH1206的模拟输入管脚连接BPX21管。
[0013]该发明的有益效果:
[0014]本发明的一种LED恒流远程照明通信系统，照明端灯光的控制，由无线控制器采用无线可见光通信技术实现。
[0015]应用人工智能专家系统、知识工程、模式识别、人工神经网络等方法和技术，进行智能化、集成化、协调化、设计和实现的新一代的计算机管理系统。WIFI容易被电磁干扰，传输的方向不可控，密码容易被截获。然而可见光通信是一种点对点的传输模式，具有保密性好的优点。
[0016]光钥匙和智能移动终端相结合，可以很好的运用Android系统开发手机AAP光密钥软件，Android系统是基于Linux的一个开源的操作系统，主要是使用在移动终端(手机和平板)中。
[0017]所述的恒流驱动电路包括整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路，所述整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路依次连接，所述整流滤波电路为与市电电源依次连接的保险丝、整流桥和滤波电容;所述LED串联驱动电路为多个串联的发光二极管和与发光二级管并联的稳压二极管;所述互补型两端恒流源电路包括依次串联的稳压二极管Vz 1、三极管VQ2、电阻R2，和依次串联的稳压二极管Vz2、三极管VQl、电阻Rl，所述稳压二极管Vzl正极与三极管VQ2集电极连接，所述三极管VQ2射极与电阻R2连接;在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及恒流驱动电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0018]远距离可见光通信系统，在发射端采用了OOK调制方式，OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时O或者I;使得发射端成本合理;在接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(10fps以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。选择CCD作为光探测器，其灵敏度和响应度比传统的PIN光电二极管高很多。对比于传统光电二极管，采用CCD相机可以使光源的位置可以在图像中清晰的显示出来，这样，只要能够判断出信号的位置，将来可以使用多个光源，在接收端的接受能力之内，成倍的提高传输速率。并且CCD作为光探测器还可以同时用于APT通信系统当中。
[0019]无线控制器将按键设置为照明模式，就可以开启LED，实现普通的照明；无线控制器切换至照明控制模式的关闭控制状态，控制LED发送关闭灯光的控制光信号，并将照明区域朝向照明端的光接收模块，光接收模块感应到光信号，并经过判决解调处理后，由微控制模块处理验证关闭信号的有效性，并通过控制继电器组，关闭照明设施。基于上述硬件结构，结合软件控制流程和采用的调制编码方法，可以验证得知无线控制器在发送1kHz，50kHz，10kHz，500kHz等频率信号时，照明端的接收效果。该系统能够达到线路简单，安装方便，易于维护，节省大量原材料，降低能耗的一种LED恒流远程照明通信系统。可见光通信照明控制，推动了可见光通信的发展和应用，具有巨大的市场前景。
【附图说明】
:
[0020]图1是本发明的系统结构图；
[0021]图2是本发明的太阳能光子通信照明装置的工作原理图；
[0022]图3是本发明的恒流驱动电路图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的一种LED恒流远程照明通信系统作进一步详尽描述:
[0024]图1所示，一种LED恒流远程照明通信系统，包括通信接口、中央处理器、恒流驱动电路、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、无线控制器、照明端、光钥匙模块；
[0025]所述中央处理器连接光钥匙模块、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED 灯；
[0026]所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用00K、PPM等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送;接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频10f ps以上、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收;所述充电插口设置于闭合门的侧端；
[0027]所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号;所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；
[0028]所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的min-USB口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送;所述电源电路分别连接中央处理器和恒流驱动电路;所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路组成。光发射模块采用大功率白光LED发送高频闪烁光;调制驱动模块将要发送的电信号，调制成高速闪烁的光信号，并驱动LED点亮;通信接口用于连接外部设备更新数据。按键用于选择切换照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明开启和关闭两种状态。照明端由光接收模块、微控制模块、继电器组、通信接□、判决解调模块组成。光接收模块采用光电二极管感应接收光信号；判决解调模块对接收的光信号进行放大、整形、滤波、解调。照明设备的开启和关闭通过继电器组控制。通信接口用于通过有线、无线等方式连接其他外部设施。待发送密钥为TTL电平信号，S卩+5V表示高电平“I”，0V表示低电平“O”；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换；所述光钥匙模块一个一对多的装置；光钥匙是基于单片机STCl 2C2052AD设计的一种发送端。
[0029]如图2所示，所述太阳能光子通信照明装置，其工作原理是无线控制器将按键设置为照明模式，就可以开启LED，实现普通的照明。当用户途经照明设备时，将无线控制器切换至照明控制模式的开启控制状态，无线控制器就控制LED发送高频调制的闪烁光信号。此时，将控制器的照明区域朝向照明端的光接收模块，光接收模块可以感应到闪烁光，并将其转换成对应的电信号。经过判决解调处理后，由微控制模块处理验证开启信号的有效性，并通过控制继电器组，点亮的照明设施。
[0030]进一步地，太阳能光子通信照明装置的无线控制器端由ST公司的Cortex—M3内核32位微控制器STM32F107完成数据的编码，并用数据编码输出电信号控制三极管驱动模块，以控制光发射模块。
[0031]进一步地，太阳能光子通信照明装置的照明端光接收模块用BPX21光电二极管完成光信号的接收和光电信号转换。电路采用TI公司的可编程12位并行高速A/D转换芯片THS1206，实现采样速率6MSample/S(兆采样/s)的4通道同步采样，由内部控制实现差分模拟信号输入。微控制器模块用STM32F107完成接收信号解调、数据帧读取以及照明控制等功能。STM32F107微控制器的roi2?PB15和Η)8?Η)15与TH1206的12位A/D转换输出连接，PAO?PA4连接TH1206的时钟、中断等控制信号；管脚?连接串口；PBlO?roi3连接以太网口 ；PD0?PD7和PE7?PE15连接继电器组。TH1206的模拟输入管脚连接BPX21管。
[0032]所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用00K、PPM等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送;接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(10f PS以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。
[0033]所述调制方式是OOK调制方式;OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时O或者I。其中，“亮”状态用“I”表示，“灭”状态用“O”表示，
[0034]所述发射模块采用白光LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到4W，束散角为5.3度。
[0035]所述接收端采用CXD相机接收，以10fps为例，相机在I秒钟之内等间距拍摄100张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。
[0036]所述光接收天线是一组光学镜头，与CCD相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。
[0037]所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对LED发来的信号光的采集处理。该程序以MFC为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的
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[0038]所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1Τ，保护间隔2Τ;速率识别码发送时间3Τ;保护间隔4Τ;数据同步时间；最后进行数据传输。
[0039]所述远距离可见光通信系统具体包括:
[0040]调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如OOK调制、PPM调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的51单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择FPGA等。[0041 ] LED驱动，用于将电信号转化为光信号。LED驱动模块用于完成对LED光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到LED光源上。如51单片机，其触发方式是TTL触发，完成对LED光源驱动。
[0042]LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光LED光源。此外，选择阵列形式LED光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。
[0043]LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。
[0044]大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。
[0045]相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。
[0046]CXD相机，CXD是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。
[0047]CXD相机需能够匹配光源的速率，CXD相机能够完成高帧频采集。CXD相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。
[0048]成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。
[0049]如图3所示，所述的恒流驱动电路包括整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路，所述整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路依次连接，所述整流滤波电路为与市电电源依次连接的保险丝、整流桥和滤波电容;所述LED串联驱动电路为多个串联的发光二极管和与发光二级管并联的稳压二极管;所述互补型两端恒流源电路包括依次串联的稳压二极管Vzl、三极管VQ2、电阻R2，和依次串联的稳压二极管Vz2、三极管VQ1、电阻R1，所述稳压二极管Vzl正极与三极管VQ2集电极连接，所述三极管VQ2射极与电阻R2连接。
[0050]在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及恒流驱动电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0051]上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种LED恒流远程照明通信系统，其特征在于，包括通信接口、中央处理器、恒流驱动电路、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯、无线控制器、照明端、光钥匙模块;所述中央处理器连接光钥匙模块、接收天线、光探测器、信号处理电路、电源电路、LED灯。 所述的恒流驱动电路包括整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路，所述整流滤波电路、LED串联驱动电路和互补型两端恒流源电路依次连接，所述整流滤波电路为与市电电源依次连接的保险丝、整流桥和滤波电容;所述LED串联驱动电路为多个串联的发光二极管和与发光二级管并联的稳压二极管;所述互补型两端恒流源电路包括依次串联的稳压二极管Vzl、三极管VQ2、电阻R2，和依次串联的稳压二极管Vz2、三极管VQl、电阻Rl，所述稳压二极管Vzl正极与三极管VQ2集电极连接，所述三极管VQ2射极与电阻R2连接； 所述系统还包括发射端和接收端;发射端可使用OOK、PPM等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送;接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频10fps以上、高灵敏度、高响应度CCD相机;相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收;所述充电插口设置于闭合门的侧端； 所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED灯是单色的LED;所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件;所述接收天线是可变倍数的光学镜头;所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率;所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输。2.根据权利要求1所述的一种可见光通信的控制系统，其特征在于，所述照明端的光接收模块完成光信号的接收和光电信号转换;所述微控制器模块完成接收信号解调、数据帧读取以及照明控制等功能;待发送密钥为TTL电平信号，S卩+5V表示高电平“I”，0V表示低电平“O”；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换;所述光钥匙模块一个一对多的装置;光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端。3.根根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述无线控制器端由32位微控制器STM32F107完成数据的编码，并用数据编码输出电信号控制三极管驱动模块，以控制光发射丰旲块。 所述照明端光接收模块用BPX21光电二极管完成光信号的接收和光电信号转换;采用可编程12位并行高速A/D转换芯片THS1206，实现采样速率6MSample/s(兆采样/s)的4通道同步采样，由内部控制实现差分模拟信号输入;微控制器模块用STM32F107完成接收信号解调、数据帧读取以及照明控制等功能;所述STM3 2F1 7微控制器的I3B12?I3B15和TO8?H) 15与THl 206的12位A/D转换输出连接，PAO?PA4连接THl 206的时钟、中断等控制信号；管脚PB6?PB7连接串口 ；PB10?PB13连接以太网口 ；PD0?PD7和PE7?PE15连接继电器组。TH1206的模拟输入管脚连接BPX21管。
【文档编号】H05B33/08GK106061011SQ201610383724
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】廉玉生
【申请人】北京印刷学院