一种可见光无线导览系统的设计方案

于正永

(淮安信息职业技术学院 计算机与通信工程学院，江苏 淮安 223003)



一种可见光无线导览系统的设计方案

于正永

(淮安信息职业技术学院 计算机与通信工程学院，江苏 淮安 223003)

摘要提出一种新型可见光无线导览系统的设计方案，综合运用了可见光通信技术、软件技术、单片机、FPGA微处理器和数字信号处理(DSP)等技术，使得现有的LED(Light Emitting Diode)照明系统兼有照明和通信双重功能，最终实现无线导览功能。对可见光发射机、接收机、编解码器等硬件设计和系统软件设计等方面进行了具体阐述，并对系统所采用的关键技术、系统特性等进行了分析。

关键词可见光；LED；无线导览；通信前端；设计方案

0引言

作为“绿色光源”的半导体LED照明技术近年来发展十分迅速。相比于传统的照明光源，白光LED不仅功耗低、使用寿命长、电路尺寸小、绿色环保，而且还具有良好的信号调制性能和较高的响应灵敏度。利用LED的上述特性，它既能用作照明，又可以将信号调制到LED可见光束上进行数据信号的传输，同时实现通信和照明的双重功能[1]，实现了一种使用可见光作为信息载体的新型无线光通信方式，即为可见光通信技术。目前也有很多作者就可见光通信系统及导览系统进行了设计与研究，文献[2]介绍了近年来全球可见光通信的研究现状，针对可见光通信研究中存在的问题进行了分析，并阐述其发展趋势；也有很多作者基于ARM[3]、RFID[4]和Android[5]等开发平台对无线导览系统进行了研究和分析；文献[6,7]设计了室内可见光通信系统，并进行了实际应用；还有作者就可见光图像拼接技术、多载波调制技术等方面进行了研究[8,9]。与传统射频无线技术[10]相比，本文采用可见光通信技术的系统具有较大的传输带宽、更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰和电磁辐射，无需相应频段资源的许可授权，在发射功率方面有很大优势，能以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。同时，具有很好的空间复用性，极大地拓展了网络的覆盖面，是对现有射频技术的很好补充。

1总体设计方案

系统设计主要包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分主要是进行可见光发射机、接收机、编码器和解码器等模块设计，软件部分主要是对编解码器和可编程MP4的软件设计。即在系统发送端，将编码器输出的数据信息调制成电信号，然后驱动LED光源发送光信号，通过自由空间光通路传送至系统接收端，在接收端通过光电二极管探测器(PD)检测出光信号并进行信号放大、滤波等处理转换为电信号，再经过解调电路模块、解码器以及识别码比对，实现无线导览功能。

1.1　硬件设计

1.1.1可见光通信前端设计

可见光通信前端设计主要包括发射机设计和接收机设计，硬件组成如图1所示。

图1　可见光通信前端的硬件组成

本无线导览系统采用光强度调制(Intensity Modulation,IM)和直接检测(Direct Detection,DD)技术。可见光发射机采用大功率LED阵列作为可见光发射源，接收机使用PIN-PD和跨阻放大器。发射端采用脉宽调制技术调节LED的亮度以灵活的配置LED的发射功率。系统采用直射式视距链路，可见光接收机中PIN-PD直接指向LED光源。电源模块必须滤除电力线上的电压波动和浪涌等对可见光通信系统产生潜在干扰的因素，保障LED驱动信号的稳定性，提高整个可见光通信系统的信噪比。

将无线通信和照明控制2种技术有机结合起来，对LED光源进行调制，使LED发射出带调制信号的可见光；LED采用电流驱动方式，通过调节三极管静态工作点和基极交流小信号摆幅，使其处于最大额定电流状态，同时也保证三极管、运算放大器有合适的增益带宽。在带有PD的可见光接收机上接收此类光信号之后，进行前置放大、滤波、自适应放大和解调等处理，最终通过电平判决器生成数字信号驱动后级微处理器。当参观者使用的移动终端进入LED有效光照区域后，在区域内不同位置接收到的光信号强度会有很大的差别，该系统通过设计一个电平判决器对电压信号进行修正，从而有效控制光强。

1.1.2编解码器设计

选用FPGA数字信号处理器作为可见光识别(Visible Light Identification,VLID)编解码器。本系统采用Manchester编解码方式[11]，可充分满足通信需求。LED作为照明设备，一是必须考虑能保证照明的稳定性，故编码器需要产生一组连续的、稳定的和0、1比例恒定的编码序列，使其不会出现明显的闪烁；二是发射机上的编码器需要产生冗余码以保证系统有一定的错误检查能力，有效避免误码情况。当终端接收到识别码序列后，只要在事先约定的识别码表中对比冗余位是否与标签位(被识别物的有效编号)匹配，即可有效减少错误码元的发生。系统所采用的可见光识别编码器、解码器的原理框图分别如图2和图3所示。

图2　可见光识别编码器原理

图3　可见光识别解码器原理

1.2　软件设计

该无线导览系统的软件设计主要包括编解码器和可编程MP4两大部分。其中编解码器需要通过FPGA来实现，而可编程MP4使用C语言环境，因此本系统需要同时使用Verilog HDL和C语言共同开发。Verilog HDL是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能[12]。

该系统软件设计的程序流程图如图4所示。解码器的数字信号处理器接口收到信号后，先通过曼彻斯特解码器恢复为原码，为了有效避免码间串扰，解码器通过内部设定的编码表以及冗余码检验，最终生成正确的识别码并通过串行总线发送给多媒体移动终端。而多媒体播放器则基于软件系统实时的侦听和FPGA之间的通信接口，一旦接收到可见光识别码便自动查找数据库，进而根据接收到的识别码播放对应的音视频、地图、图片和文档等多媒体资料。

图4　系统软件设计的程序流程

2系统关键技术

为了较好地实现上述设计方案，在系统设计过程中采用了可见光通信技术、连续调制技术和可配置的脉宽调制等核心技术。

2.1　可见光无线通信技术

现有的无线信号传输多数采用红外、蓝牙、移动网络和传感网络等射频信号，而该系统以可见光光束作为载体来实现无线信号的传输，其通信光源是与自然光完全相似的非相干可见光，对人眼、人体无害的绿色光源，无需限制发射功率，无电磁干扰，且技术实现成本较低，是一种具有很大发展潜力的新型无线通信技术。特别是在室内空间结合既有的LED照明系统，可快速布置并实现基于该技术的自动导览功能。

2.2　连续调制技术

大多数可见光无线通信系统中，收发电路对光信号的调制基本都采用OOK调制方式，即通断式的调制方式。但采用OOK调制方式，在系统带宽增加的情况下，符号间的干扰较为严重，信道均衡困难；本项目采用连续调制方式，很好地克服以上问题。

2.3　脉宽调制技术

采用可配置的脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)方式控制LED发射功率，从而灵活的调节光源亮度，适应不同场景下照明亮度的需求。

3系统特性分析

相比于传统的RFID、传感网和红外等射频导览系统，所设计的可见光无线导览系统具有以下优势：

① 革新现有无线导览系统的传输方式，促进可见光通信技术的发展及产业化推广进程，进一步提升各类场馆的对外信息化服务水平，优化人力资源短缺问题。

② 本系统可与现存的照明电力线相结合，电气布线方便快捷，节约经济成本。系统布局中几乎不需要增加额外的电力供应线路，通过简便改造现有的照明系统即可建立发射机基站，达到充分利用现有资源、节约经济成本、低碳环保的目的。

③ 本系统兼有照明和无线通信双重功能，是一种节能低碳环保的绿色通信技术，其信号光源的辐射光谱位于对人体无害的可见光波段，不存在额外的电磁辐射，十分安全、绿色环保。

本系统可以实现在大功率LED(无光学透镜)的照明场景下，光接收机有效探测距离不小于3 m；数据转换误码率低于10-12，且经编解码以及可见光链路传输后，输出信号应与原码保持一致。

4结束语

论述了一种可见光无线导览系统的设计方案，并对系统的硬件设计和软件设计2个部分进行了详细的介绍和分析，该系统可广泛地部署在各类室内场馆展区中，如纪念馆、博物馆和展览馆等，为参观人员提供自动导览服务，而且从设备投入成本角度来说，经济成本较低，且不存在额外的电磁辐射，安全性高，绿色环保，无电磁干扰，将对目前采用的RFID射频通信技术形成强有力的竞争，是未来室内导览领域产品的发展方向。

参考文献

[1]刘宏展,吕晓旭,王发强,等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展[J].光通信技术,2009,33(7):53-56.

[2]陈特,刘璐,胡薇薇.可见光通信的研究[J].中兴通讯技术,2013,19(1):49-52.

[3]顾元培,何宁,郭求实,等.基于ARM平台的LED光辐射导览系统[J].光电子技术,2013,33(2):126-130.

[4]辛鑫,王东.基于RFID的智能终端导览系统[J].微计算机信息,2008,24(5-2):199-200,284.

[5]张莹,张崎.基于Android平台的智能景区导览系统的研究[J].信息技术,2013,(4):121-123,131.

[6]徐子轩,梁海莲,钟镇,等.基于VLC的无线导览系统的设计和实现[J].光通信技术,2012(3):56-59.

[7]贾倩,宋志群,郎磊.基于光线追踪的室内可见光通信链路研究[J].无线电工程,2015,45(1):5-8.

[8]夏小霞,刘欣.基于改进ASIFT的可见光图像拼接研究[J].无线电通信技术,2014,40(5):73-75.

[9]罗亚赛,梁进波,郎磊.可见光通信中多载波调制技术比较分析[J].无线电工程,2015,45(1):72-75.

[10]刘涛,何宁,杨艺敏.RFID在便携式智能导览系统中的应用[J].计算机工程与科学,2011,33(6):168-172.

[11]陈新坤,周东,余敬东.Manchester编码器的FPGA设计与实现[J].电子科技大学学报,2003,32(3):324-327.

[12]侯伯亨,刘凯,顾新,等.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社,2009.

于正永男，(1982—)，工学硕士，博士在读，讲师，工程师。主要研究方向：电磁理论与数值分析、微波电路设计和电磁兼容等。

A Design Scheme of Visible Light Wireless Navigation System

YU Zheng-yong

(SchoolofComputerandCommunicationEngineering,Huai’anCollegeofInformationTechnology,

Huai’anJiangsu223003,China)

AbstractThis paper presents a novel design scheme of visible light wireless navigation system.In system design,such technologies as visible light communication,software,single chip microcomputer,FPGA microprocessor and digital signal processing(DSP)technology are used to make the existing LED lighting system have double function of lighting and communication and realize wireless navigation function ultimately.This paper elaborates in detail such aspects of system as visible light transmitter,receiver,encoder and decoder hardware design and software design.Finally the key technologies and system characteristics of system are analyzed.

Key wordsvisible light;LED;wireless navigation;communication fore-end;design scheme

作者简介

基金项目：江苏省高校“青蓝工程”资助项目(苏教师(2014)23号)；淮安信息职业技术学院科研基金资助项目(hxyq2013006)。

收稿日期：2015-03-04

中图分类号TN929.1

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0009-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.03

引用格式：于正永.一种可见光无线导览系统的设计方案[J].无线电工程，2015，45(6)：9-11，37.