基于蓝光led可见光通信的水下物联网系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水下物联网系统的技术领域，尤其涉及一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统。
【背景技术】
[0002]物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。
[0003]随着人类向海洋以及水下领域的探索逐渐深入，诸如海洋勘探、水环境监测、养殖、捕捞等科研、生产活动对水下信息互联的需求也更为迫切，水下物联网应运而生，且越来越受到重视。
[0004]构建水下物联网亟需解决的主要技术问题之一是水下无线通信。目前主要的水下无线通信技术包括水声通信、水下电磁波通信以及水下光通信:水声通信传输速率最高只能达到150kb/s，且传播时延大、误码率高、发散角极大，容易导致信息泄露，不利于通信安全;电磁波在水下会急速衰减并产生多径效应，传播距离短且信道模型复杂;对于水下光通信来说，普通光波在水下会发生反射、折射及散射现象，无法适合水中的长距离传播，而蓝绿激光通信则成本较高。
[0005]构建水下物联网需要解决的另一个主要技术问题是水下的组网互联问题，包括物-物互联、物-人互联、万维网接入及移动互联等问题。与陆地物联网主要采用基于电磁波的近距通信组网技术不同，水对电磁波的衰减作用决定了水下物联网不适合采用电磁波作为互联组网技术的核心。
[0006]因为450?570nm波段内的蓝绿光到蓝光在水中的衰减比其他光波段的衰减要小很多，以蓝光LED为核心器件的可见光通信具有发光效率高、水下衰减小、通信可靠性高、高速和节约能源等优点，不仅可节省水下通信所需的线缆，并且可与水下照明系统相集成，是一种最具潜力的水下绿色现代高速信息通信技术。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，可为水下活动、水下作业的设备及终端提供高速信息互联的物联网系统。
[0008]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0009]—种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，该系统以水下设备、水下传感器、水下终端或水下网关作为节点单元，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系统，
[0010]所述节点单元之间以基于蓝光LED可见光通信作为信息传递手段；
[0011]所述节点单元包括双向蓝光LED收发模块、核心处理模块、外部接口模块，其中，所述外部接口模块用于与其它外围设备相连从而使得节点单元具备特定的应用功能;所述核心处理模块用于为应用功能提供运算处理并驱动双向蓝光LED收发模块以实现水下通信与组网功能;所述双向蓝光LED收发模块用于实现蓝光的发射和接收，完成加载信息的蓝光信号的调制解调功能。
[0012]优选的，所述水下物联网系统的网络互连拓扑结构包括基础链式、菊链式或者AdHoc网络。
[0013]优选的，所述水下物联网系统还包括水面基站，所述水面基站用于接收各节点单元传输的信息数据，实现数据处理、监测或者预测功能，所述水面基站远程接入互联网。
[0014]优选的，所述双向蓝光LED收发模块包括光发射单元与光接收单元，所述光发射单元包括数字信号输入端口、前置放大电路、可见光LED光源高速驱动电路、蓝光LED灯珠和会聚光学装置，所述光接收单元包括光电二极管、电流-电压转换电路、滤波电路、差分放大电路和稳压电路。
[0015]优选的，所述光发射单元的工作过程为:由所述数字信号输入端口输入的数字调制信号经所述前置放大电路进行信号整形与放大，经整形与放大后的调制电压信号馈入所述可见光LED光源高速驱动电路产生并转换为驱动LED光源的高码率电流信号，该电流信号用于对所述蓝光LED灯珠进行开关键控调制从而产生蓝光亮灭信号，对该蓝光信号采用会聚光学装置进一步改善LED光束质量并输出。
[0016]优选的，所述可见光LED光源高速驱动电路包括MAX16832芯片，用于实现高速LED光源调制驱动。
[0017]优选的，所述光接收单元的工作过程为:
[0018]所接收的蓝光信号首先经过所述光电二极管转换为模拟电流信号，然后经所述电流-电压转换电路将上述模拟电流信号转化为电压信号，所产生的差分电压信号经过所述滤波电路过滤杂讯干扰信号并经过所述差分放大电路恢复得到数字解调信号。
[0019]优选的，所述稳压电路采用ASMl117-5变压芯片与ASMl 117-3.3变压芯片，为所述光接收单元中的芯片提供5V及3.3V的电源电压。
[0020]优选的，所述光电二极管为硅PIN光电二极管S5971。
[0021]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0022]I)本发明提出的基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统包括集成双向蓝光LED可见光通信模块的水下设备及基于基础链式、菊链式和Ad Hoc网络的组网结构，该系统能够灵活地运用于各种水下活动、水下作业的领域。
[0023 ] 2)本发明提出的水下物联网系统中的双向蓝光LED可见光通信模块中蓝光光源采用高亮度蓝光LED，相比激光光源其成本较低，容易实现，而且LED具有响应速度快的特点，适合高频调制。其调制速度最高可达50MHz的调制速度，比传统的声波调制速度快了 300倍有多，并且还有很大的提升空间。
[0024]3)本发明提出的水下物联网系统中的双向蓝光LED可见光通信模块中光接收模块采用在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管，具有高速响应，低价格，高可靠性的特点。
[0025]4)基于双向蓝光LED可见光通信模块的水下物联网的组网方式采用基础链式、菊链式链接与Ad Hoc网络，具有负载均衡、链路可靠的优势，为水下通信领域提供了一种新的解决方案。
【附图说明】
[0026]图1是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系中节点单元的结构组成框图；
[0027]图2是本实施例中双向蓝光LED收发模块的光发射单元的结构组成框图；
[0028]图3是本实施例中双向蓝光LED收发模块的光接收单元的结构组成框图；
[0029]图4是本实施例中构成水下物联网系统的节点单元的示意图；
[0030]图5是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统菊链式拓扑连接的示意图；
[0031]图6是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统AdHoc网络平面拓扑结构的示意图；
[0032]图7是基于蓝光LED可见光通信的水下作业通信网络的示意图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]实施例
[0035]本实施例公开了一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，该水下物联网系统以搭载双向蓝光LED收发模块的水下设备、终端、水下网关作为节点单元，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系统。
[0036]上述节点单元之间以蓝光通信作为信息传递手段。450?570nm波段内的蓝绿光到蓝光在水中的衰减比其他光波段的衰减要小很多，以蓝光LED为核心器件的可见光通信具有发光效率高、水下衰减小、通信可靠性高、高速和节约能源等优点，不仅可节省水下通信所需的线缆，并且可与水下照明系统相集成，是水下绿色现代高速信息通信技术。
[0037]其中，水下设备、终端、水下网关为水下物联网信息交互的主体，是信息产生、交换、处理的节点单元。主要由双向蓝光LED收发模块、核心处理模块、外部接口模块组成。其结构示意图如图1所示。外部接口模块用于与其它外围设备相连从而使得节点单元具备特定的应用功能，核心处理模块用于为应用功能提供运算处理并驱动双向蓝光LED收发模块以实现水下通信与组网功能。
[0038]双向蓝光LED收发模块由光发射单元与光接收单元组成，其中光发射单元由数字信号输入端口、前置放大电路、可见光LED光源高速驱动电路、蓝光LED灯珠及会聚光学装置所构成，用于为可见光接收器提供可见光信号，是双向蓝光LED可见光通信技术的基础。其结构示意图如图2所示。
[0039]在光发射单元中，由数字信号输入端口所输入的数字调制信号经前置放大电路进行信号整形与放大，经整形与放大后的调制电压信号馈入高速LED光源调制驱动芯片MAX16832产生并转换为驱动LED光源的高码率电流信号，该信号进一步用于对高亮度蓝光LED CREE灯珠进行开关键控调制从而产生蓝光亮灭信号，对该光信号采用会聚光学装置进一步改善LED光束质量并输出。
[0040]双向蓝光LED收发模块的光接收单元主要由用于接收可见光信号的光电二极管、电流-电压转换电路、滤波电路和差分放大电路以及相应稳压电路所构成。其结构示意图如图3所示。在光接收单元中，所接收的蓝光信号首先经过在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管转换为模拟电流信号，本发明中所采用的光电二极管为光电二极管S5971。
[0041]所产生的模拟电流信号经电流-电压转换电路将电流信号转化为电压信号，所产生的差分电压信号进一步经过滤波电路过滤杂讯干扰信号并经过差分放大电路恢复得到数字解调信号。光接收单元中使用了稳压电路给芯片提供相应的电源电压。本发明中采用了 ASMl 117-5变压芯片与ASMl 117-3.3变压芯片分别提供5V跟3.3V电压转换及稳压电路。
[0042]进一步的，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系统。图4所示为本发明一种基础的链