基于光通信的室内多传感器数据传输装置、系统及方法与流程

本发明涉及无线传感网领域，尤其涉及一种基于光通信的室内多传感器数据传输装置、系统及方法。

背景技术：

无线传感器网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点通过无线通信技术组成的可自组织，多跳的无线分布式网络，传感器节点是网络的基本单元，而节点的稳定运行是整个网络可靠运行的基本保证。无线传感器网络主要具有传感器节点数量多、动态拓扑结构、多跳路由、自组织网络、以数据为中心等特点。目前，主流的无线传感器网络技术包括zigbee、wifi和bluetooth等。

zigbee协议在ieee802.154标准的基础上制定了网络层、应用层及安全层，是一个完整的标准协议，已经成为无线传感器网络的国际标准协议。zigbee作为一种具有统一技术标准的无线网络通信技术，具有以下鲜明的特点：低能耗、节点容量大、安全性高。

wifi是一种无线局域网数据传输的技术与规格，也就是ieee所定义的无线通信标准ieee802.11。基于ip的联网技术能够非常方便地实现与已经安装在企业和家庭中的网络进行无缝连接，而且还具有一定的安全性。此外，wifi的传输速度很快，最高可达54mb/s，并且覆盖范围广。

bluetooth（蓝牙）技术采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，其数据速率为1mbps左右，采用时分双工传输方案实现全双工传输。bluetooth技术致力于在10~100m的空间内使所有支持该技术的移动或非移动设备可以方便地建立网络联系、进行语音和数据通信。

综上所述：zigbee技术适合低速传感应用，通信距离较短，成本最低，功耗也相对最小；wifi技术目前已经批量使用，主要在家庭和办公室环境用于pc等设备的局域网络，其信号传输速度最快，通信距离远，使用成本相对较高；bluetooth无线技术是在两个设备之间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法，其信息传递安全性高、功耗较低、成本低、应用范围广泛。

可见光通信（vlc）技术是一种利用可见光光波作为信号载体进行无线高速通信的无线光通信技术。vlc利用的可见光光谱是一种无监管的、自由使用的频谱资源，最重要的是vlc与现有的射频（radiofrequency，rf）通信互不干涉。狭义而言，vlc采用现有的半导体照明器件（lightemittingdiodes，led）作为通信的发射机，利用led光源高速的亮灭传递信号。可见光照明与数字通信一体化的vlc技术推动着下一代照明与接入网技术的进步。通照一体也使vlc系统迅速发展成为一种可行并且富有吸引力的通信技术，进而成为一种发展最快的无线光通信技术。在过去几年时间里，vlc技术得到了更多的关注，有更多的研究人员投入到vlc技术的研究事业中，特别是室内可见光通信领域。

针对目前无线传感网中通信技术的研究，还普遍存在以下几点不足：、通信速率低；、存在电磁污染；、通信距离受限；、频谱资源紧张等。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于光通信的室内多传感器数据传输装置、系统及方法，以使提高传感网节点的接口兼容性、节点布设的简洁性、传感网通信的可靠性以及提高传感网布设环境的安全性，降低传感网布设的电磁污染。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于光通信的室内多传感器数据传输装置，包括光发射模块、光接收模块，光发射模块包括发光二极管，光接收模块包括光感应器，所述传输装置还包括处理器、内存、内控制寄存器、外部接口，处理器与内存、内控制寄存器、外部接口、光发射模块及光接收模块电连接，外部接口用于连接外部对应的多个传感器；发射时，处理器通过外部接口接收传感器采集的数据，将与外部接口对应的串口协议转换为光通信协议，再采用预设的调制技术和电光转换技术通过光发射模块将传感器采集的数据发射出去；接收时，处理器通过光接收模块接收外部的光信息，然后通过预设的解调技术解调并将光通信协议转换为对应的串口协议，使接收到的光信息采用对应的串口协议通过外部接口控制外部对应的传感器。

相应地，本发明实施例还提供了一种基于光通信的室内多传感器数据传输系统，包括上述的基于光通信的室内多传感器数据传输装置，还包括led中转节点及服务器，所述传输装置均连接各自对应的一个或多个传感器，所述led中转节点包括led灯模块及光电检测模块；所述led中转节点轮流发送针对不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的使能信号，按顺序触发不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的发光二极管，使各个基于光通信的室内多传感器数据传输装置按顺序向led中转节点反馈所采集的相应数据，所述led中转节点收集到数据后，再通过可见光通信技术将数据发送至服务器进行保存。

相应地，本发明实施例还提供了一种基于光通信的室内多传感器数据传输方法，应用于上述的基于光通信的室内多传感器数据传输系统中，包括：

发射步骤：接收并处理传感器采集的数据，将处理后的数据存入内存中，然后将内存中的数据复制到内控制寄存器中进行处理得到对应的发射数据包，最后将发射数据包进行按序组合，并对每帧的数据位进行记录，然后将发射数据包进行拆包，设计物理层帧格式，将拆包后的数据长度调整为适合rs编码的长度得到调整后的数据，再采用预设的调制技术和电光转换技术通过光发射模块将调整后的数据发射出去；

接收步骤：通过光接收模块接收外部的光信息，对光信息的数据帧进行组合得到对应的接收数据包，然后将接收数据包存放在内控制寄存器中进行处理，并将处理后的数据存入内存中，下载处理后的数据并通过光通信协议转换为对应的串口协议，使处理后的数据通过对应的外部接口控制外部对应的传感器。

本发明实施例通过提出一种基于光通信的室内多传感器数据传输装置、系统及方法，所述传输装置包括光发射模块、光接收模块、处理器、内存、内控制寄存器、外部接口，通过采用光通信代替无线射频通信以及通过协议转换使串口协议与光通信协议兼容，使所述传输装置作为传感网的节点，进而提高了传感网节点的接口兼容性、节点布设的简洁性、传感网通信的可靠性以及提高传感网布设环境的安全性，降低了传感网布设的电磁污染。

附图说明

图1是本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的光发射模块的电路图。

图3是本发明实施例的光接收模块的电路图。

图4是本发明实施例的协议转换示意图。

图5是本发明实施例的发射控制电路的电路图。

图6是本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输系统的结构示意图。

图7是本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1，本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输装置主要包括光发射模块、光接收模块、处理器、内存、内控制寄存器（firstinputfirstoutput，fifo）、外部接口。

如图2所示，光发射模块包括发光二极管，如图3所示，光接收模块包括光感应器（光感应器优选为光敏二极管）。光发射模块发射的光可以为可见光，也可以为红外光、紫外光等不同频段的光线。光感应器为与外部光信息对应的光感应器。本发明实施例采用光作为信号载体（光通信代替电磁波通信），提高了传感网通信的可靠性以及传感网布设环境的安全性，降低了传感网布设的电磁污染。

处理器与内存、内控制寄存器、外部接口、光发射模块及光接收模块电连接。内存优选为ddr（doubledatarate）内存。外部接口用于连接外部对应的多个传感器（传感器包括多种不同类型的传感器，探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象）或其他外接设备等。发射时，处理器通过外部接口接收传感器采集的数据，将与外部接口对应的串口协议转换为光通信协议，再采用预设的调制技术和电光转换技术通过光发射模块将传感器采集的数据发射出去；接收时，处理器通过光接收模块接收外部的光信息，然后通过预设的解调技术解调并将光通信协议转换为对应的串口协议，使接收到的光信息采用对应的串口协议通过外部接口进行发送。如图4所示，本发明实施例通过将多种低速串口通信协议（rs232、rs485、spi、i2c、usb2.0/3.0等串口协议）与光通信协议（vlc协议）相互转换，提高了传感网节点的接口兼容性、节点布设的简洁性。

作为一种实施方式，基于光通信的室内多传感器数据传输装置还包括发射模块及接收模块。

发射模块将传感器采集的数据通过处理器进行处理，并将处理后的数据存入内存中，然后将内存中的数据复制到内控制寄存器中进行处理得到对应的发射数据包，最后将发射数据包进行按序组合，并对每帧的数据位进行记录，然后将发射数据包进行拆包，设计物理层帧格式，将拆包后的数据长度调整为适合rs编码的长度得到调整后的数据，再采用预设的调制技术和电光转换技术通过光发射模块将调整后的数据发射出去。

接收模块通过光接收模块接收外部的光信息，对光信息的数据帧进行组合得到对应的接收数据包，然后将接收数据包存放在内控制寄存器中进行处理，并将处理后的数据存入内存中，处理器下载处理后的数据并通过光通信协议转换为对应的串口协议，使处理后的数据通过对应的外部接口控制外部对应的传感器。

作为一种实施方式，基于光通信的室内多传感器数据传输装置还包括与处理器及光发射模块电连接的发射控制电路；处理器通过光接收模块感应外部的光信息的光强度，并根据光强度触发发射控制电路，通过发射控制电路控制发光二极管的开/关。如图5所示，发射控制电路包括三极管、电感、电容，三极管的基极连接处理器接收控制信号，三极管的射极连接电感一端，电感另一端连接光发射模块的发光二极管与电容。本发明实施例的处理器只有检测到使能信号时，才触发发光二极管发光：当基于光通信的室内多传感器数据传输装置与外界的光信号之间的通信被阻挡，使能信号无法被接收时，处理器接收到的光强将急剧降低，此时将关闭发光二极管，即当外部发送使能信号时，主要通过检测所接收光信息光强的变化程度来控制发光二极管的开与关，当检测到光强急剧变低时，关闭发光二极管，当检测到光强急剧变高时，打开发光二极管。所以，当工作人员检查基于光通信的室内多传感器数据传输装置时，将阻挡基于光通信的室内多传感器数据传输装置的光信息接收通道（光感应器），造成接收的光信息光强的急剧降低，此时，基于光通信的室内多传感器数据传输装置将关闭发光二极管，避免了发光二极管发光直接照射人眼（当采用对人眼有害的频段光线作为信号载波时，光信号不能对人眼照射，容易对人眼造成损伤）以及在一定程度上减少功耗损失，提高了本发明实施例的安全性和便捷性，降低了本发明实施例的功耗。

作为一种实施方式，外部接口包括rs232接口、rs485接口、spi接口、i2c接口及usb接口中的一种或多种。

作为一种实施方式，处理器可采用arm处理器并通过axi总线与内控制寄存器电连接。本发明实施例使用axi总线（axi总线可以传递地址和数据）与内控制寄存器（fifo）连接，可以实现arm处理器对内控制寄存器的寻址访问以及内控制寄存器通过axi总线直接读取与arm处理器连接的内存中的数据。

请参照图6，本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输系统主要包括led中转节点、服务器及多个基于光通信的室内多传感器数据传输装置。

基于光通信的室内多传感器数据传输装置均连接各自对应的一个或多个传感器，接收传感器采集的数据。每个基于光通信的室内多传感器数据传输装置对应一个唯一的地址。led中转节点包括led灯模块及光电检测模块，例如，led中转节点可以做成吸顶灯的形式，在提供照明的同时能够进行通信。led灯模块发射光信号，光电检测模块接收光信号。本发明实施例的led中转节点和基于光通信的室内多传感器数据传输装置之间采用光通信技术，避免了电磁干扰。

led中转节点轮流发送针对不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的使能信号，按顺序（例如，可根据基于光通信的室内多传感器数据传输装置的地址按顺序）触发不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的发光二极管，使各个基于光通信的室内多传感器数据传输装置按顺序向led中转节点反馈所采集的相应数据，所述led中转节点收集到数据后，再通过可见光通信技术将数据发送至服务器进行保存。

请参照图7，本发明实施例的基于光通信的室内多传感器数据传输方法，应用于基于光通信的室内多传感器数据传输系统中，包括发射步骤及接收步骤。

发射步骤：接收并处理传感器采集的数据，将处理后的数据存入内存中，然后将内存中的数据复制到内控制寄存器中进行处理得到对应的发射数据包，最后将发射数据包进行按序组合，并对每帧的数据位进行记录，然后将发射数据包进行拆包，设计物理层帧格式，将拆包后的数据长度调整为适合rs编码的长度得到调整后的数据，再采用预设的调制技术和电光转换技术通过光发射模块将调整后的数据发射出去。

接收步骤：通过光接收模块接收外部的光信息，对光信息的数据帧进行组合得到对应的接收数据包，然后将接收数据包存放在内控制寄存器中进行处理，并将处理后的数据存入内存中，下载处理后的数据并通过光通信协议转换为对应的串口协议，使处理后的数据通过对应的外部接口控制外部对应的传感器。

作为一种实施方式，基于光通信的室内多传感器数据传输方法的接收步骤后还包括轮询步骤：将对应不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的使能信号通过光信号轮流发送，按顺序触发不同的基于光通信的室内多传感器数据传输装置的发光二极管，使各个基于光通信的室内多传感器数据传输装置按顺序反馈所采集的相应数据，接收所述相应数据并通过可见光通信技术将数据发送至服务器进行保存。本发明实施例通过采用轮流发送的方式，提高了通信的可靠性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。