CN104184519B - 一种能量自给的可见光无线通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量自给的可见光通信***，其包括：计算机、信号发送调制模块、LED光源、硅光电池、第一滤波电路、数据存储器、第二滤波电路、放大解调电路、终端设备；其中，所述计算机输出传送信号，所述信号发送调制模块用于将所述传送信号加载到所述LED光源，由所述LED光源发出变化的光强度信号；所述硅光电池接收所述变化的光强度信号，并将其转换成对应的电压信号；所述第一滤波电路滤除其中的交流分量，所述第二滤波电路滤除其中的直流分量；所述直流分量用于对所述数据存储器和放大解调电路供电，所述交流分量由所述放大解调电路解调后恢复原始信号；所述终端设备用于从所述放大解调电路和所述数据存储器中接收所述原始信号。

Description

一种能量自给的可见光无线通信***
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种能量自给的可见光无线通信***。
背景技术
基于LED的可见光通信(VLC)***将照明与通信融合，是一种新兴的光无线通信技术。LED光源具有响应速度快，寿命长，低功耗的特点。近年来，随着LED发光效率的不断提高，LED正在逐渐取代白炽灯成为下一代照明光源。VLC具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，是射频通信之外的另一种无线通信方式。VLC正在成为国内外研究的热点(参见文献：Aleksandar Jovicic et al，“Visible LightCommunication：Opportunities，Challenges and the Path to Market”，IEEECommunications Magazine，Vol.51，no.12，p.26-32(2013))。
硅光电池用于可见光通信的研究还很少。韩国的科研人员首先研究了硅光电池接收可见光信号的可行性和频率响应特性(参见文献：Sung-Man Kim et al.，“Simultaneousreception of solar power and visible light”，Optical Engineering，Vol.53，no.4(2014))。
目前，可见光通信***中，多用PIN或APD等光电转换元件做光接收器，经过后端电路实现信号的放大、滤波、解调等。接收机的工作电流由外部电源提供。这就限制了接收机的自由移动性。而用电池供电又不能长时间持续供电，因此在实现自由移动通信方面产生了很大的阻碍。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提出了一种能量自给的可见光通信***，其用硅光电池作为可见光接收机探测器，在接收信号的同时实现光电转换，给蓄电池充电，为工作电路提供电源，实现能量自给型接收机。
(二)技术方案
本发明提供了一种能量自给的可见光通信***，其包括：
计算机、信号发送调制模块、LED光源、硅光电池、第一滤波电路、数据存储器、第二滤波电路、放大解调电路、终端设备；
其中，所述计算机输出传送信号，所述信号发送调制模块用于将所述传送信号加载到所述LED光源，由所述LED光源发出变化的光强度信号；
所述硅光电池接收所述变化的光强度信号，并将其转换成对应的电压信号；所述第一滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的交流分量而输出直流分量，所述第二滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的直流分量，而输出交流分量；所述第一滤波电路输出的直流分量用于对所述数据存储器和放大解调电路供电，所述第二滤波电路输出的交流分量由所述放大解调电路解调后恢复原始信号，并将所述原始信号输出至数据存储器存储；所述终端设备用于从所述放大解调电路和所述数据存储器中接收所述原始信号。
(三)有益效果
本发明提供了一种能量自给的可见光无线通信***，用硅光电池作为可见光接收机，在接收信号的同时实现光电转换，给蓄电池充电，为工作电路提供电源。同时用存储器存储电池充电过程中的数据，以保证数据不会丢失。也可以先将电池充电，达到一定电量时再恢复***通信。此过程由单片机控制，可以根据实际需要控制充电和通信过程。本发明充分利用了光能量，实现接收机的能量自给。并且使真正意义的自由移动通信成为可能。
附图说明
图1示出了本发明提出的一种能量自给的可见光无线通信***的结构框架示意图；
图2示出了本发明中一种能量自给的可见光无线通信的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明提出的能量自给可见光无线通信***的结构框架示意图。如图1所示，该***包括：计算机1、信号发送调制模块2、LED直流驱动电源3、LED光源4、硅光电池阵列5、用于滤除交流电压的第一滤波电路6、第一升压变换器7、锂电池8、第二升压变换器9、由单片机控制的数据存储器10、用于滤除直流电压的第二滤波电路12、放大解调电路13、终端设备14；所述终端设备为用于智能控制的电子设备，如计算机、手机打印机等。
所述可见光无线通信***的发送端，所述计算机1输出传送信号，并通过所述信号发送调制模块2将传送信号加载到LED上，所述传送信号为数字信号，所述信号发送调制模块2用于将所述数字信号中的0和1对应转换成光强的变化，由所述LED4通过自由空间传输。
在接收端，所述硅光电池阵列5做为探测器，基于光电转换原理，将LED4输出的变化的光强度信号转换成对应的电压信号。后端通过所述第一滤波电路6和第二滤波电路12，将所述电压信号的直流分量和交流分量分离，即所述第一滤波电路6和第二滤波电路12分别从所述硅光电池阵列接收所述电压信号，所述第一滤波电路6滤除所述电压信号中的交流电压而输出直流分量，所述第二滤波电路12滤除所述电压信号中的直流电压而输出交流分量。所述第一滤波电路6输出的直流分量经过第一升压变换器7升压后为所述锂电池8充电，同时锂电池8对所述由单片机控制的存储器10和放大解调电路13供电，所述锂电池8输出的电压经过第二升压变换器9升压后再输出至数据存储器10和放大解调电路13。另外锂电池8也可以通过图中如11的连接方式，而直接为所述数据存储器10和放大解调电路13。所述第二滤波电路12输出的交流分量通过所述放大解调电路13后恢复原始信号。所述放大解调电路13与所述数据存储器10连接，用于将恢复后的原始信号数据存储及读取，以保障电池充电过程中不会有数据丢失。也可以先将电池充电，达到一定电量时再恢复***通信。此过程由单片机控制，可以根据实际需要控制充电和通信过程。最后所述数据传输到终端设备，完成通信。
基于图1所示的能量自给的可见光无线通信***，本发明还提出了一种能量自给的可见光无线通信方法，如图2所示，其包括：
步骤1：计算机1通过串口发出传送信号，所述传送信号为数字信号。
步骤2：信号发送调制模块，用于对编码后的所述数字信号做开关键控调制后传送至LED光源4，使得所述LED光源根据所述信号发送调制模块输出的开关键控信号输出光强度变化的光信号。
步骤3：LED直流驱动电源3，为LED光源4供电。
步骤4：LED信号光源4，为大功率光源，不仅是照明光源，也是通信光源和供能光源。作为通信光源，所述数字信号通过所述信号发送调制模块加载到LED光源4上，即数字信号中的0和1对应转换成光强的变化，并且光通过自由空间传输，实现无线通信。作为供能光源，大功率LED发出的一定功率的光，通过自由空间达到硅光电池阵列5表面，通过光电转换，将光能量转换为电能量。
步骤5：硅光电池阵列5，用于接收可见光信号并将光能转换成电能。所述硅光电池阵列由串联和并联的硅光电池组成，目的在于增大光强探测面积，使硅光电池接收到足够的光能量。基于光电转换原理，硅光电池可以将变化的光强度信号转换成对应的电压信号，此电压信号与硅光电池探测到的光强度值成正相关。通过提取交变的电压信号，可以恢复原始信号。
步骤6：第一滤波电路6，滤除所述电压信号中的交变电压，提取直流电压。
步骤7：所述第一升压变换器7，用于提高第一滤波电路6输出的直流电压值，并对锂电池充电。
步骤8：锂电池8，用于存储硅光电池光电转换输出的电能。锂电池有一定的初始电量，使***能够工作。有光照后，由硅光电池阵列5对其充电的同时，对外供电。
步骤9：第二升压变换器9，在提高锂电池8输出的电压后，为所述数据存储器10和放大解调电路13提供满足工作要求的电压。
步骤10：数据存储器10，其由单片机控制，并存放放大解调电路13解调输出的数据，电池充电完成开始读取数据。以保障电池充电过程中不会有数据的丢失。
上述步骤中，还可以采用另一种供电方式，即利用硅光电池阵列输出的电压经过第一升压变换器7后直接对所述数据存储器10和放大解调电路13供电，而不经过所述锂电池8的充放电过程。这样可以简化***结构，直接利用光转换的电能。
步骤11：第二滤波电路12，用于滤除硅光电池输出电压中的直流成分，提取交变电压信号。
步骤13：放大解调电路从第二滤波电路12接收所述交变电压信号，并从其中恢复出原始电信号，即将硅光电池输出的交变电压信号进行放大、滤波和整形，恢复出原始信号。所述放大解调电路的输出与所述数据存储器10连接，其在解调得到原始信号后将其存储至数据存储器10，并在需要时从所述数据存储器10中读取出来，以保障电池充电过程中不会有数据丢失。也可以先将电池充电，达到一定电量时再恢复***通信。此过程由单片机控制。
步骤14：所述放大解调电路13解调得到的原始信号可以直接输出至终端设备14，或者从数据存储器10中读取存储的原始数据，完成整个通信过程；所述终端设备可以是计算机，手机，打印机等。。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能量自给的可见光通信***，其包括：
计算机、信号发送调制模块、LED光源、硅光电池、第一滤波电路、数据存储器、第二滤波电路、放大解调电路、终端设备；
其中，所述计算机输出传送信号，所述信号发送调制模块用于将所述传送信号加载到所述LED光源，由所述LED光源发出变化的光强度信号；
所述硅光电池接收所述变化的光强度信号，并将其转换成对应的电压信号；所述第一滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的交流分量而输出直流分量，所述第二滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的直流分量，而输出交流分量；所述第一滤波电路输出的直流分量用于对所述数据存储器和放大解调电路供电，所述第二滤波电路输出的交流分量由所述放大解调电路解调后恢复原始信号，并将所述原始信号输出至数据存储器存储；所述终端设备用于从所述放大解调电路和所述数据存储器中接收所述原始信号；
所述第一滤波电路输出的直流分量用于为储能设备充电，所述储能设备用于为所述数据存储器和放大解调电路供电。
2.如权利要求1所述的***，其中，所述储能设备为锂电池。
3.如权利要求1所述的***，其中，所述信号发送调制模块用于对所述传送信号做开关键控调制后传送至LED光源，以控制所述LED光源输出变化的光强度信号。
4.如权利要求1所述的***，其中，所述硅光电池为多个硅光电池组成的阵列。
5.如权利要求4所述的***，其还包括：
第一升压变换器，其用于提升第一滤波电路输出的直流分量的电压值，以为所述数据存储器和放大解调电路供电。
6.如权利要求1所述的***，其中，所述终端设备为计算机、手机、打印机。
7.一种能量自给的可见光通信方法，其包括：
计算机输出传送信号；
信号发送调制模块用于将所述传送信号加载到LED光源，由所述LED光源发出变化的光强度信号；
硅光电池接收所述变化的光强度信号，并将其转换成对应的电压信号；
第一滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的交流分量而输出直流分量；所述第一滤波电路输出的直流分量用于对数据存储器和放大解调电路供电；
第二滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的直流分量，而输出交流分量；
放大解调电路解调所述第二滤波电路输出的交流分量并恢复原始信号，并将所述原始信号输出至数据存储器存储；
终端设备从所述放大解调电路和所述数据存储器中接收所述原始信号；
在所述第一滤波电路接收所述电压信号，并滤除其中的交流分量而输出直流分量后还包括：
将所述直流分量输出至储能设备，为储能设备供电；
储能设备为所述数据存储器和所述放大解调电路供电。
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