具有可见光通信和基于ip的射频连接的多功能智能led系统的制作方法
【专利摘要】一种通信设备包括：发光二极管(LED)或LED阵列(24)；基于网际协议(IP)的射频(RF)无线单元(20)，配置为通过RF无线通信网络传输和接收数据；可见光通信(VLC)单元(23)，配置为对LED或LED阵列进行驱动并且借助于数据对由LED或LED阵列(24)产生的光进行调制；控制单元(21)，连接到基于IP的RF无线单元(20)和VLC单元(23)，配置为便于在VLC单元(23)与基于IP的RF无线单元(20)之间进行通信。
【专利说明】具有可见光通信和基于IP的射频连接的多功能智能LED系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年3月18日提交的61/967，423号U.S.临时专利申请的利益，该临时专利申请通过引用合并于本文。
技术领域
[0003]本发明的实施例涉及多功能智能LED系统架构，且具体地涉及具有若干集成的能力的智能LED系统，集成的能力包括照明、基于网际协议(IP)的射频(RF)连接和可见光通信(VLC)0
【背景技术】
[0004]发光二极管(LED)代表生态环境友好型的照明技术，其特征在于发光效率高、使用寿命长以及可靠性高。LED由于性能的提高和成本的降低而流行起来，LED经常用于照明、显示和标识应用。
[0005]此外，LED的高响应速度使它们适合于电子调制，允许它们用于可见光通信(VLC)应用中。用于LED的调制频率可设为足够高以实现有意义的数据速率并且大大超过人类的闪光融合阈值，以使得LED的基本照明功能不被调制所影响。与传统的无线射频(RF)通信相比，VLC在更高的安全性、没有RF辐射、宽的可用频谱和收发器的简单性方面是有利的。例如，对于下行链路通信，VLC能够达到Gb/s级的数据速率，以及对于室内定位，VLC能够实现亚米级的精度。
[0006]然而，传统的VLC系统也存在缺点。例如，传统的VLC系统缺乏有效的方式以将用于数据输送的回程系统集成到VLC下行链路的源。对于在下行链路通信中使用的VLC，将要通过可见光传输的数据需要被输送到照明装置。假定LED总是连接到电力线，电力线通信(PLC)已被认为是用于提供回程系统的可能的机构。然而，PLC设备昂贵并且会显著增加与这样的LED VLC系统相关联的成本。进一步地，在性能方面，PLC设备对来自电力网的噪声是敏感的，这引起数据速率上的可能的下降和通信中断。还存在对一个电力网内允许的PLC设备的数量的限制，这是对使用用于回程的PLC技术的LED VLC系统发展的另一障碍。
[0007]有关VLC系统的另一缺点在于传统的VLC系统缺少用于VLC接收器的机构以经由上行链路连接来请求数据或请求其它服务。
【发明内容】
[0008]本发明的实施例提供了用于多种应用的多功能、智能LED设备，多种应用包括但不限于固态照明、显示和标识应用。LED设备提供集成有基于IP的RF无线连接的VLC能力，并且包括例如VLC单元、基于IP的RF无线单元、具有存储器(例如，非易失性存储器)的控制单元和LED阵列。
[0009]对于VLC能力，以高频率对来自LED阵列的LED的光进行调制，以使得与其相关的任何闪烁对人眼而言都是察觉不到的。因此，经调制的信号可由附近的VLC接收器捕捉并解码，而没有造成对LED的照明功能的任何降低。
[0010]基于IP的RF无线连接提供了用于基于VLC的通信的数据回程和/或上行链路，且进一步允许将基于VLC的通信用作桥接，以扩展用于RF无线通信网络的RF信号覆盖。
[0011 ]因此，本文所讨论的多功能、智能LED设备的实施例提供集成有RF无线连接的VLC通信，而与此同时提供用于多个应用的照明(例如，照明、显示、标识等)。进一步地，基于LED的VLC和基于IP的RF无线连接的协同和交织使用允许实现附加的优势，包括但不限于高功率效率、高可靠性和低成本(包括整个系统的成本以及安装成本)。
【附图说明】
[0012]虽然所附的权利要求特别地阐明了本发明的特征，但从以下结合附图进行的详细描述中可最佳地理解本发明连同其目标和优势，在附图中:
[0013I图1A至图1B是示出示例性智能LED系统的示意图。
[0014]图2是示出示例性智能LED设备的组件的框图。
[0015]图3A至图3B是示出用于图2中绘出的示例性智能LED设备的在多种情况下的数据路径的框图。
[0016]图4是示出另一示例性智能LED设备的组件的框图。
[0017]图5A至图5C是示出用于图4中绘出的示例性智能LED设备的在多种情况下的数据路径的框图。
[0018]图6至图8是示出由示例性智能LED设备所执行的操作的流程图。
【具体实施方式】
[0019]本发明的实施例提供了用于多种应用的多功能、智能LED设备，多种应用包括但不限于固态照明、显示和标识应用。LED设备提供集成有基于IP的RF无线连接的VLC能力，并且包括例如VLC单元、基于IP的RF无线单元、具有存储器(例如，非易失性存储器)的控制单元和LED阵列。
[°02°]在示例性实施例中，经由基于IP的RF无线单元的基于IP的RF无线连接接口所接收的信息用于对VLC单元进行编程、控制和监视(例如，包括设置VLC单元的工作频率、设置VLC单元的光强度以及确定/传输VLC单元的工作状态)。一个设备的VLC单元与另一设备的VLC之间的通信用于扩展RF无线通信网络的信号覆盖(S卩，允许设备用作到RF无线通信网络的基于VLC的接入点以及/或者允许设备经由VLC链路提供桥接以扩展RF无线通信网络的覆盖)。替代地或附加地，基于IP的RF无线单元可提供用于VLC的回程以及用于VLC的上行链路连接。这允许基于IP的RF无线单元用作到VLC网络的基于RF的接入点以及/或者允许RF链路用作对VLC网络的覆盖进行扩展的桥接。此外，基于IP的RF无线单元自身可用作RF接入点以与RF客户端通信以及/或者与其它基于IP的RF无线单元通信以扩展RF信号覆盖。因此，将理解的是，通过利用根据本发明实施例的多功能、智能LED设备，可形成混合VLC和基于IP的RF系统，该系统利用智能LED设备以提供VLC通信并且扩展基于IP的RF无线通信网络，以及提供用于两个网络的附加的接入方式。系统可进一步包括同样提供照明、双向VLC和基于IP的RF无线连接的智能LED服务器。
[0021]图1A是提供多功能智能LED系统的结构的示例性图示的示图，具有集成的VLC和基于IP的RF能力的智能LED设备10用于照明应用。一个或多个智能LED设备10附近的终端11(例如，具有VLC和基于IP的RF通信能力的计算设备)可经由多个不同的路径通过RF网关12与服务器13进行通信，这可包括例如终端11与智能LED设备10之间的VLC或基于IP的RF通信，以及智能LED设备10之间的RF通信和智能LED设备10与RF网关12之间的RF通信。
[0022]图1B是提供多功能智能LED系统的结构的示例性图示的示图，智能LED设备10具有集成的VLC和基于IP的RF能力并且用于显示应用或标识应用。在示例性显示应用中，来自多功能智能LED设备10的照明被用作用于显示面板(例如LCD)的背光14。在示例性标识应用中，来自多功能智能LED设备10的照明被用作用于指示牌(例如广告板)的背光14。与上文关于图1A的讨论类似，智能LED设备10附近的终端11可经由多个不同的路径通过RF网关12与服务器13进行通信，这可包括例如终端11与智能LED设备10之间的VLC或基于IP的RF通信，以及智能LED设备10与RF网关12之间的RF通信。
[0023]图2是示出示例性实施例中的多功能智能LED设备200的组件的框图。智能LED设备200包括用于提供基于IP的无线连接功能的基于IP的RF无线单元20、具有VLC单元23的LED或LED阵列24和控制单元21，VLC单元23用于利用用于VLC的LED或LED阵列24，控制单元21用于将由基于IP的RF无线单元20所进行的基于RF的通信与由VLC单元23借助于LED或LED阵列24所进行的基于VLC的通信相集成。
[0024]基于IP的RF无线单元20包括例如无线收发器(例如，支持WiFi的收发器)，并且其能够以RF级频率来接收和传输信号。网际协议(IP)是负责确保通过因特网传输的数据包被路由到它们预期的目的地的标准的集合。VLC单元23包括例如，LED驱动器，以使LED通电；VLC调制器，以相应于其输入数据来打开/关闭LED(这可如LED驱动器的数字调光端口那样或类似于LED驱动器的数字调光端口来实施)。控制单元21包括例如处理器(例如，微控制器)，以处理RF无线单元20、VLC单元23和其它设备之间所通信的命令和数据并且调整它们的操作。存储器22，例如非易失性存储器(例如，闪存存储器或EEPR0M)，用于存储用于控制单元21的程序和数据。一旦整个智能LED系统通电，控制单元21就会读取存储器22中的程序和数据。LED或LED阵列24可以是适合于多个应用的单个LED或多个LED的布置，多个应用例如是照明、显示和标识应用。取决于VLC单元23中的LED驱动器，LED可串联连接或并联连接或两者都有。
[0025]图3A是示出用于图2中绘出的示例性智能LED设备的通信路径在下述情况下的框图，该情况是智能LED设备的VLC功能被用于信息广播或数据传输(例如，包括广播地址、位置和/或识别信息)。控制单元21对基于IP的RF无线单元20进行控制(例如，将其设置为处于传输模式或处于接收模式)。存储器22存储用于控制单元21来执行的指令(例如，处理器可执行指令、程序的一部分)。存储器22还可用于存储将要在VLC信息广播中使用的或将要经由VLC传输的数据(例如，可经由基于IP的RF无线单元20来接收用于广播或传输的数据以及与其相关的命令，控制单元21使数据和/或命令存储在存储器22处)。控制单元21(例如，按照所接收命令)进一步控制VLC单元23，从而利用LED或LED阵列24用于VLC信息广播或VLC数据传输(例如，通过指示VLC单元23的LED驱动器借助于用于来自存储器22的广播或传输的数据对来自LED或LED阵列24的光进行调制)。
[0026]将理解的是，LED光被调制以广播或传输信息，而不会明显地影响由LED或LED阵列24所执行的照明功能。还将理解的是，上文描述的以及图3A中绘出的具体路径仅是示例性的，并且在不脱离发明原理的情况下，这些路径和智能LED设备组件的其它实施是可实现的(例如，通过在VLC单元23与存储器22之间设置直接的连接以使VLC单元23直接地获取用于广播的数据;或者通过使用用于待广播的数据的单独的缓存以使用于广播的数据无需存储在存储器22处)。这同样适用于以下将进一步讨论的应用的其它附图，它们同样仅是示例性的并且不旨在将本发明的范围仅仅限制于所绘出的路径和结构。
[0027]图3B是示出用于图2中绘出的示例性智能LED设备的通信路径在下述情况下的框图，该情况是智能LED设备的VLC功能被用于双向通信。根据图3B的智能LED设备200的操作与上文讨论的图3A类似，除了图3B进一步示出还可经由控制单元21将信息和/或命令从VLC单元23传送至基于IP的RF无线单元20。这样的信息和/或命令可经由VLC单元23的VLC接收器来接收。像图3A中那样，控制单元21缓存数据、执行VLC单元23和基于IP的RF无线单元20所需的重新格式化以交互、以及在传输模式或接收模式下独立地设置VLC单元23和基于IP的RF无线单元20的操作。图3B进一步绘出基于IP的RF无线单元20能够用作用于由VLC单元23所建立的VLC链路的上行链路回程(除了成为如图3A和图3B中所绘出的下行链路回程之外)。在该示例中，VLC单元23包括LED驱动器、VLC调制器和VLC接收器。
[0028]图4是示出另外的示例性实施例中的多功能智能LED设备400的组件的框图。图4的智能LED设备400类似于图2的智能LED设备200，除了其进一步包括图像传感器25(例如，CMOS图像传感器)之外。图像传感器25设备可以是例如相机，通过该相机可捕捉图片或视频。
[0029]图5A是示出用于图4中绘出的示例性智能LED设备400的通信路径在下述情况下的框图，该情况是智能LED设备的VLC功能被用于信息广播或数据传输。如图5A中所示的智能LED设备400的操作类似于如上文所描述的以及图3A中所绘出的智能LED设备200的操作，除了智能LED设备400进一步提供由图像传感器25所捕捉的、将要通过基于IP的RF无线单元20发送至服务器的图像和/或视频信息，以及提供能够控制图像传感器25的控制单元21。
[0030]图5B示出用于图4中绘出的示例性智能LED设备400的通信路径在下述情况下的框图，该情况是智能LED设备的VLC功能被用于双向通信。如图5A中所示的智能LED设备400的操作类似于如上文所描述的以及图3B中所绘出的智能LED设备200的操作，除了智能LED设备400进一步提供由图像传感器25所捕捉的、将要通过基于IP的RF无线单元20发送至服务器的图像和/或视频信息，以及提供能够控制图像传感器25的控制单元21。
[0031]图5C是示出另一示例性实施例中的用于图4中所绘出的示例性智能LED设备400的通信路径的框图，在该另一示例性实施例中图像传感器25替代地连接至VLC单元23，以使得由图像传感器25所捕捉的图像/数据经由VLC单元23被中继转发至控制单元。
[0032]图6至图8是示出上文所讨论的示例性智能LED设备支持的功能的示例性流程图。图6示出这样的过程，通过该过程，包含有由智能LED设备经由智能LED设备的基于IP的RF无线单元所接收的数据和/或命令(阶段601)的通信由控制单元来处理(阶段603)，并且经由智能LED设备的VLC单元广播或传输至其它智能LED设备和/或网络化设备(阶段605)。在阶段603处经由控制单元处理数据和/或命令进一步包括确定数据和/或命令的目的地(例如，命令是否旨在由VLC单元、基于IP的RF无线单元来执行，或者用于其它设备)、按照需要对数据和/或命令重新格式化、以及将数据和/或命令路由/传输至合适的目的地。
[0033]图7示出这样的过程，通过该过程，包含有由智能LED设备经由智能LED设备的VLC单元所接收的数据和/或命令(阶段701)的通信由控制单元来处理(阶段703)，并且经由智能LED设备的基于IP的RF无线单元传输至其它智能LED设备和/或网络化设备(阶段705)。在阶段703处经由控制单元处理数据和/或命令进一步包括确定数据和/或命令的目的地(例如，命令是否打算由VLC单元、基于IP的RF无线单元来执行，或者用于其它设备)、按照需要对数据和/或命令重新格式化、以及将数据和/或命令路由/传输至合适的目的地。
[0034]图8示出用于对智能LED设备的图像传感器进行使用的过程，其包括经由智能LED设备的基于IP的RF无线单元或智能LED设备的VLC单元接收用于图像传感器的命令(阶段801)、经由控制单元和/或图像传感器来执行这些命令(阶段803)以引起图像传感器捕捉图像或视频信息、以及经由智能LED设备的基于IP的RF无线单元或智能LED设备的VLC单元将数据从图像传感器传输至其它智能LED设备和/或其它网络化设备(阶段805)。在示例性实施中，发送至图像传感器以进行控制的命令和从图像传感器接收的用于传输的数据通过智能LED设备的控制单元(例如，如图5A和图5B中所绘出的)被路由。
[0035]进一步地，在本发明的示例性实施例中，经由VLC单元和基于IP的RF无线单元所通信的数据可包括与多个终端有关的地址信息、位置信息和/或验证信息。因此上文所描述的智能LED设备可用于“位置感知”应用中，例如室内定位和/或基于位置的广播，其中与终端相对应的地址、位置和/或验证信息被调换。
[0036]将理解的是，虽然上文所讨论的示例性实施例利用基于IP的RF无线连接和VLCJS本发明的原理不限于此。其它非视距(NLOS)接入协议和视距(LOS)接入协议可集成到网络设备中，该网络设备能够扩展所使用的相应的NLOS和LOS协议中的每个的覆盖和功能。
[0037]本文所引用的包括出版物、专利申请和专利的所有引用通过引用以与如下相同的程度据此合并，就像分别地且具体地指出每个引用以通过引用来合并，以及整体地阐述于本文中一样。
[0038]除非本文另外指出或上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其在随附的权利要求的上下文中)对术语“一个(a)”和“一个(an)”和“该”和“至少一个”以及类似指示物的使用将被解释为既涵盖单数又涵盖复数。除非本文另外指出或上下文明显矛盾，否则对一列一个或多个选项之后的术语“至少一个”的使用(例如，“A和B中的至少一个”)将被解释为意指从所列出的选项中选择的一个选项(A或B)或者所列出的选项中的两个或多个的任意组合(A和B)。除非另有说明，否则术语“包括(comprising)”、“具有”、“包括(including)”以及“包含”将被解释为开放式的术语(S卩，意指“包括，但不限于”)。除非本文另外指出，否则本文中对数值范围的列举仅打算用作分别指出落入该范围内的每个单独的值的便捷方式，并且将每个单独的值并入说明书中，就像其在本文中单独地引用一样。除非本文另外指出或上下文明显矛盾，否则本文所描述的所有方法可以以任意合适的顺序来执行。除非另外声明，否则对本文中所提供的任意示例和所有示例、或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅欲更好地阐明本发明，而不对本发明的范围构成限制。说明书中的所有语言均不应被解释为将任意未被要求的元素指示为对本发明的实践必不可少。
[0039]本文描述了本发明的优选实施例，包括为发明人所知晓的用于执行本发明的最佳实施方式。通过阅读前述的说明，这些优选实施例的变体对本领域普通技术人员而言可变得显而易见。发明人希望本领域技术人员适当地应用这样的变体，并且发明人期望不同于本文具体描述地那样来实践本发明。相应地，正如适用的法律所允许的，本发明包括随附的权利要求中所列举的主题的所有修改体和等同体。此外，除非本文另外指出或上下文明显矛盾，否则本发明包含所有可能的变体中的上述元件的任意组合。
【主权项】
1.一种通信设备，包括: 发光二极管(LED)或LED阵列； 基于网际协议(IP)的射频(RF)无线单元，配置为通过RF无线通信网络传输和接收数据； 可见光通信(VLC)单元，配置为对所述LED或LED阵列进行驱动并且借助于数据对由所述LED或LED阵列产生的光进行调制；以及 控制单元，连接到所述基于IP的RF无线单元和所述VLC单元，配置为便于在所述VLC单元与基于IP的RF无线单元之间进行通信。2.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述基于IP的RF无线单元利用WiFi协议。3.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述通信设备配置为使用所述LED或LED阵列来广播所述LED设备的地址、位置或验证信息。4.根据权利要求3所述的通信设备，其中所述通信设备被用于室内定位或基于位置的广播应用。5.根据权利要求1所述的通信设备，进一步包括非易失性存储器。6.根据权利要求1所述的通信设备，进一步包括: 图像传感器，配置为将所捕捉的图像或视频信号发送至所述控制单元。7.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述通信设备配置为使用所述VLC单元和LED或LED阵列经由VLC来广播数据。8.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述通信设备配置为使用所述VLC单元和LED或LED阵列经由VLC来传输数据。9.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述通信设备配置用于使用所述VLC单元和LED或LED阵列的双向VLC。10.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述控制单元包括微控制器。11.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述控制单元进一步配置为利用从所述RF无线通信单元接收的数据来对所述VLC单元进行编程或控制。12.根据权利要求11所述的通信设备，其中所述控制单元进一步配置为利用从所述RF无线通信单元接收的数据来设置用于所述VLC单元的工作频率。13.根据权利要求11所述的通信设备，其中所述控制单元进一步配置为利用从所述RF无线通信单元接收的数据来设置用于所述VLC单元的光强度。14.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述VLC单元进一步包括LED驱动器和VLC调制器。15.根据权利要求14所述的通信设备，其中所述VLC单元进一步包括VLC接收器。16.一种通信设备，包括: 第一通信单元，配置为通过非视距(NLOS)通信网络来传输和接收数据； 第二通信单元，配置为通过视距(LOS)无线通信网络来传输数据；以及 控制单元，连接到所述第一通信单元和所述第二通信单元，配置为便于在所述第一通信单元与所述第二通信单元之间进行通信，并且进一步配置为利用从所述NLOS通信网络接收的数据来对所述第二通信单元进行编程或控制。17.如权利要求16所述的通信设备，其中所述第一通信单元是基于网际协议(IP)的射频(RF)无线单元，配置为通过RF无线通信网络传输和接收数据；以及所述第二通信单元是可见光通信(VLC)单元，配置为对发光二极管(LED)或LED阵列进行驱动并且借助于数据对由所述LED或LED阵列产生的光进行调制。18.—种对通信设备进行操作的方法，所述通信设备包括控制单元、基于网际协议(IP)的射频(RF)无线单元和可见光通信(VLC)单元，所述方法包括: 通过所述通信设备的所述基于IP的RF无线单元从RF无线通信网络接收数据； 通过所述通信设备的所述控制单元来处理所接收的数据以对所述通信设备的所述VLC单元的操作进行控制；以及 基于所述所接收的数据通过所述通信设备的所述VLC单元来执行VLC传输。19.如权利要求18所述的方法，进一步包括: 通过与所述通信设备相对应的图像传感器来获取图像数据；以及 由所述通信设备经由所述通信设备的所述基于IP的RF无线单元或所述通信设备的所述VLC单元来传输所述图像数据。20.如权利要求18所述的方法，其中所述VLC传输经由所述通信设备的发光二极管(LED)或LED阵列来执行，所述LED或LED阵列用于提供照明或显示。
【文档编号】H04B10/116GK106031055SQ201480075606
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年11月5日
【发明人】俞捷, 吴亮
【申请人】香港科技大学