CN110868255A - 基于可见光通信的手电筒音频通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，包括：手电筒本体，包括外壳、第一灯罩、第二灯罩以及位于所述外壳上的音频输入端口，所述第一灯罩内具有第一光源；发送模块，用于接收用户输入的第一音频信息并将所述第一音频信息转换为第一电信号，以驱动所述第一光源发射所述第一光信号；接收模块，用于接收来自于外界的第二光信号并将其转换为第二电信号，以获取来自于外界的第二音频信息；控制模块，用于调整手电筒音频通信装置的工作模式。本发明一方面扩展了手电筒的功能，另一方面减小了可见光通信装置的体积，实现了可见光通信与手电筒照明的集成，并具有携带方便、通信顺畅、成本低廉、可实现短时间内大规模生产等优势。

Description

基于可见光通信的手电筒音频通信装置

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于可见光通信的手电筒音频通信装置。

背景技术

白光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有高亮度、低功耗、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为***节能环保型的照明光源。通过改变LED发光强度，可以进行信息的传输，即可见光通信。与传统的射频通信以及微波通信方法相比，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频道、无电磁干扰、无电磁辐射、节约能源等优点，在物联网、车联网、工业4.0、安全支付、智慧城市、航空、航海、地铁、高铁、智能家居(含室外)、井下作业、国防通信、武器装备、电磁敏感区域等领域具有广阔应用前景和创新空间。

但是，现有的可见光通信装置大多体积较大、功能单一、不便于携带，因此，如何减小可见光通信装置的体积，扩展可见光通信装置的功能，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于可见光通信的手电筒音频通信装置，用于解决现有的可见光通信装置功能单一、体积庞大的问题，以扩展可见光技术的应用领域。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于可见光通信的手电筒音频通信装置，包括：

手电筒本体，包括外壳、第一灯罩、第二灯罩以及位于所述外壳上的音频输入端口，所述第一灯罩内具有第一光源；

发送模块，连接所述第一光源，所述发送模块用于接收用户输入的第一音频信息并将所述第一音频信息转换为第一电信号，以驱动所述第一光源发射所述第一光信号；

接收模块，包括位于所述第二灯罩内的光电探测器，所述接收模块用于接收来自于外界的第二光信号并将其转换为第二电信号，以获取来自于外界的第二音频信息；

控制模块，连接所述发送模块、所述接收模块和所述第一光源，用于调整手电筒音频通信装置的工作模式，所述工作模式包括发送模式、接收模式和照明模式。

优选的，所述音频输入端口包括均位于所述外壳上的麦克风端口和耳机端口；

所述接收模块还包括位于所述外壳上的扬声器，所述扬声器用于播放所述第二音频信息。

优选的，所述发送模块还包括：

输入信号选择电路，输入端连接所述麦克风端口和所述耳机端口、输出端连接双路并联放大器，用于选择所述第一音频信息的来源；

双路并联放大器，连接驱动电路，用于对所述第一音频信息进行双路并联放大；

驱动电路，连接所述第一光源，用于驱动所述第一光源发射携带有所述第一音频信息的所述第一光信号。

优选的，所述接收模块还包括：

光电转换电路，连接所述光电探测器，用于将所述第二光信号转换为第二电信号；

高通滤波电路，连接所述光电转换电路，用于对所述第二电信号进行高通滤波处理；

压控放大器，连接所述高通滤波电路，用于对经高通滤波处理的所述第二电信号进行放大；

输出选择电路，连接所述压控放大器、所述扬声器和所述耳机端口，用于选择经放大的所述第二电信号的输出方式。

优选的，所述接收模块还包括：

防削顶失真电路，位于所述压控放大器和所述输出选择电路之间，用于对经放大的所述第二电信号进行防削顶失真处理。

优选的，所述控制模块包括：

单片机，连接所述输入信号选择电路的控制端、输出信号选择电路的控制端、按键电路和USB转串口电路，用于分别控制所述输入信号选择电路、输出信号选择电路是否导通；

按键电路，包括位于所述外壳上的选择按键，所述选择按键用于用户选择手电筒音频通信装置的工作模式；

USB转串口电路，用于连接外部设备。

优选的，所述耳机端口用于与三节耳机和四节耳机连接；

所述单片机还连接所述耳机端口，用于检测***所述耳机端口的耳机节数，并根据检测结果切换手电筒音频通信装置的工作模式。

优选的，所述第二灯罩内还具有第二光源，所述第二光源环绕所述光电探测器的外周设置。

优选的，所述第一光源为白光发光二极管。

优选的，所述第一灯罩位于所述外壳的端部，且与所述外壳围绕而成的腔体同轴设置；所述外壳上具有一把手，所述第二灯罩连接于所述把手的端部。

本发明基于可见光通信的手电筒音频通信装置，通过在手电筒中增设发送模块、接收模块和控制模块，使得手电筒音频通信装置不仅能够进行照明，而且能够以可见光的形式发送、接收音频信息，以提高音频信息传递的隐蔽性以及便捷性。本发明一方面扩展了传统手电筒的功能，另一方面减小了可见光通信装置的体积，实现了可见光通信与手电筒照明的集成，并具有携带方便、通信顺畅、成本低廉、可实现短时间内大规模生产等优势。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中基于可见光通信的手电筒音频通信装置的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中基于可见光通信的手电筒音频通信装置的结构框图；

附图3是本发明具体实施方式中发送模块的电路结构示意图；

附图4是本发明具体实施方式中接收模块的电路结构示意图；

附图5是本发明具体实施方式中控制模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于可见光通信的手电筒音频通信装置的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种基于可见光通信的手电筒音频通信装置，附图1是本发明具体实施方式中基于可见光通信的手电筒音频通信装置的结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中基于可见光通信的手电筒音频通信装置的结构框图。如图1、图2所示，本具体实施方式提供的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，包括：

手电筒本体，包括外壳10、第一灯罩11、第二灯罩12以及位于所述外壳10上的音频输入端口21，所述第一灯罩11内具有第一光源13；

发送模块20，连接所述第一光源13，所述发送模块20用于接收用户输入的第一音频信息并将所述第一音频信息转换为第一电信号，以驱动所述第一光源13发射所述第一光信号；

接收模块22，包括位于所述第二灯罩12内的光电探测器14，所述接收模块22用于接收来自于外界的第二光信号并将其转换为第二电信号，以获取来自于外界的第二音频信息；

控制模块23，连接所述发送模块20、所述接收模块22和所述第一光源13，用于调整手电筒音频通信装置的工作模式，所述工作模式包括发送模式、接收模式和照明模式。

具体来说，所述发送模式是指所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置向外界以可见光的形式发送携带有所述第一音频信息的所述第一光信号，即所述发送模块20的可见光通信发送功能开启；所述接收模式是指基于可见光通信的手电筒音频通信装置接收以可见光形式传输的、来自于外界的、且携带有第二音频信息的所述第二光信号，即所述接收模块22的可见光通信接收功能开启；所述照明模式是指基于可见光通信的手电筒音频通信装置不发送所述第一音频信息、也不接收所述第二音频信息，即所述发送模块20的可见光通信发送功能与所述接收模块22的可见光通信接收功能均关闭，所述第一光源13用于照明。本具体实施方式中的所述发送模块20和/或所述接收模块22可以采用OOK调制方式。

在其他具体实施方式中，所述控制模块23可以控制所述发送模块20的可见光通信发送功能与所述接收模块22的可见光通信接收功能同时开启，以实现音频信息的发送与接收同步进行的全双工可见光通信。

本具体实施方式通过对传统的手电筒进行改进，在手电筒中增设所述发送模块20、所述接收模块22和所述控制模块23，利用手电筒原有的用于照明的所述第一光源13发射携带有所述第一音频信息的所述第一光信号，确保了所述第一音频信息发送的隐蔽性、顺畅性和安全性。同时，通过在所述第二灯罩12内增设所述光电探测器14，实现了对外界以可见光形式传输的所述第二音频信息的接收，确保了所述第二音频信息接收的隐蔽性和安全性；而且，本具体实施方式将所述光电探测器14设置于所述第二灯罩12内，减少了外界环境对所述光电探测器14的影响，提高了所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置的使用寿命。本具体实施方式提供的基于可见光通信的手电筒音频通信装置具有多种工作模式，一方面扩展了手电筒的功能，另一方面通过集成工艺，减小了可见光通信装置的体积，从而扩展了可见光通信技术的应用领域。

优选的，所述第二灯罩12内还具有第二光源，所述第二光源环绕所述光电探测器14的外周设置。

具体来说，通过在所述第二灯罩12内设置所述第二光源，一方面可以使得所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置在照明模式时，可以使用所述第一光源13、所述第二光源中的任一个或者两个发光，使得能够以不同的亮度进行照明；另一方面，还可以使得所述第二光源也与所述发送模块20连接，从而使得所述第二光源也能够以可见光的形式发送所述第一音频信息(例如所述第一光源13发生故障时)，从而进一步确保了所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置的性能稳定性。

优选的，所述第一光源13为白光发光二极管。更优选的，所述第一光源13为发射白光的量子阱发光二极管。所述量子阱发光二极管的材料优选为氮化镓基材料。

优选的，所述第一灯罩11位于所述外壳10的端部，且与所述外壳10围绕而成的腔体同轴设置；所述外壳10上具有一把手15，所述第二灯罩12连接于所述把手15的端部。

具体来说，所述腔体沿X轴方向延伸的轴线与所述第一灯罩11沿X轴方向延伸的轴线重合。所述外壳10上的所述把手15用于用户抓握，以便于移动所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置。在沿Z轴方向上，所述第二灯罩12位于所述第一灯罩11上方，且所述第一光源13沿X轴正方向发射光信号，来自于外界的所述第二光信号沿X轴负方向传输至所述光电探测器14。本领域技术人员还可以根据实际需要在所述第一灯罩11和/或所述第二灯罩12上设置聚焦透镜，以提高光信号传输的准直性。

优选的，所述音频输入端口21包括均位于所述外壳10上的麦克风端口16和耳机端口17；

所述接收模块22还包括位于所述外壳10上的扬声器18，所述扬声器18用于播放所述第二音频信息。

所述麦克风端口16、所述耳机端口17和所述扬声器18在所述外壳10上的相对位置关系，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本具体实施方式对此不作限定。

附图3是本发明具体实施方式中发送模块的电路结构示意图。优选的，如图2、图3所示，所述发送模块20还包括：

输入信号选择电路201，输入端连接所述麦克风端口16和所述耳机端口17、输出端连接双路并联放大器202，用于选择所述第一音频信息的来源；

双路并联放大器202，连接驱动电路203，用于对所述第一音频信息进行双路并联放大；

驱动电路203，连接所述第一光源13，用于驱动所述第一光源13发射携带有所述第一音频信息的所述第一光信号。

具体来说，在发送模式下时，用户可以通过所述麦克风端口16连接的麦克风或者与所述耳机端口17连接的带有麦克风功能的耳机(例如四节耳机)向所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置传输所述第一音频信息。其中，所述麦克风端口16的型号可以为MAX98131，所述耳机端口17的型号可以为3.5mm phone。所述输入信号选择电路201可以采用SGM3157单路模拟开关，以判断所述第一音频信息的来源，即所述第一音频信息是来自于所述麦克风端口16、还是来自于所述耳机端口17。可以采用AD828放大器作为所述双路并联放大器202，以对输入的所述第一音频信息进行放大，从而提高电流驱动所述第一光源13的能力。之后，所述驱动电路203以加载有所述第一音频信息的驱动电流调制所述第一光源13向外发射所述第一光信号。在所述发送模块20运行时，采用TPS65133双路输出电源为所述发送模块20中的各元器件供电，并采用LP38502低压差线性稳压器对是整个所述发送模块20进行稳压。

附图4是本发明具体实施方式中接收模块的电路结构示意图。优选的，如图2、图4所示，所述接收模块22还包括：

光电转换电路221，连接所述光电探测器14，用于将所述第二光信号转换为第二电信号；

高通滤波电路222，连接所述光电转换电路221，用于对所述第二电信号进行高通滤波处理；

压控放大器223，连接所述高通滤波电路222，用于对经高通滤波处理的所述第二电信号进行放大；

输出选择电路225，连接所述压控放大器223、所述扬声器18和所述耳机端口17，用于选择经放大的所述第二电信号的输出方式。

具体来说，以包括AD828双路运算放大器的高通滤波电路222对经所述光电转换电路221转换而来的所述第二电信号进行高通滤波处理，以滤除背景光干扰和工频噪声。采用VCA810高增益的压控放大器对经过高通滤波处理的所述第二电信号进行放大。之后，以包括SGM3157模拟开关的所述输出选择电路225对经过放大后的所述第二电信号的输出形式进行选择，即选择所述第二电信号是自所述扬声器18向外界直接输出、还是自所述耳机端口17通过耳机向用户输出。为了进一步提高所述的第二电信号的真实性，还可以在所述高通滤波电路222与所述压控放大器223之间设置数字AGC电路。

优选的，所述接收模块22还包括：

防削顶失真电路224，位于所述压控放大器223和所述输出选择电路225之间，用于对经放大的所述第二电信号进行防削顶失真处理。

具体来说，所述防削顶失真在所述输出选择电路225将所述第二电信号经所述扬声器18或者所述耳机端口17输出之前，所述防削顶失真电路对所述第二电信号进行防削顶失真处理。所述防削顶失真电路224可以包括HT6872防削顶失真音频功放。

附图5是本发明具体实施方式中控制模块的电路结构示意图。优选的，如图2、图5所示，所述控制模块23包括：

单片机231，连接所述输入信号选择电路201的控制端、输出信号选择电路225的控制端、按键电路232和USB转串口电路233，用于分别控制所述输入信号选择电路201是否导通、以及所述输出信号选择电路225是否导通；

按键电路232，包括位于所述外壳上的选择按键19，所述选择按键用于用户选择手电筒音频通信装置的工作模式；

USB转串口电路233，用于连接外部设备。

具体来说，所述按键电路232包括位于所述外壳10上的多个选择按键19，用户通过按压所述选择按键19中的一个，可以实现对所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置的工作模式的切换。所述单片机231可以为STC单片机。所述USB转串口电路233可以包括CP2102 USB转串口模块，用于与外部设备连接，实现所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置中软件程序的下载以及代码的调试。所述控制模块23中还可以包括TP4057锂电池充电器，用于为所述控制模块23中的各个电子元件供电。

此外，所述外壳10上还可以设置有与所述单片机231连接的开启按键和关闭按键，所述开启按键用于启动所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置，所述关闭按键用于关闭所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置。

优选的，所述耳机端口17用于与三节耳机和四节耳机连接；

所述单片机231还连接所述耳机端口17，用于检测***所述耳机端口17的耳机节数，并根据检测结果切换手电筒音频通信装置的工作模式。

举例来说，当***所述耳机端口17的耳机为三节耳机时，所述单片机231控制所述输出信号选择电路225导通，所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置自动切换为接收模式；当***所述耳机端口17的耳机为四节耳机时，所述单片机231控制所述输入信号选择电路201导通，所述基于可见光通信的手电筒音频通信装置自动切换为发送模式。

在其他具体实施方式中，所述单片机231还可以通过检测***所述耳机端口17的耳机节数，判断所述第二音频信号的输出方式。例如，当***所述耳机端口17的耳机为三节耳机时，采用所述扬声器18输出所述第二电信号中携带的所述第二音频信息；当***所述耳机端口17的耳机为四节耳机时，采用所述四节耳机输出所述第二电信号中携带的所述第二音频信息。

举例来说：在图3中，J_DET：默认低电平，耳机***后为高电平，触发中断；中断触发后，所述单片机检测MIC脚电平，脚电平为低代表是三节耳机***，***的为音频源；MIC脚电平为高代表MIC耳机(即四节耳机)接入，切换为全双工模式；P4用于外接耳机插座，便于对手电筒进行改装；基于可见光通信的手电筒装置默认采用扬声器输出，三节耳机***则切换为外部音频源输出，四节耳机***则切换为耳机的MIC输出；双路并联放大器提高电流驱动能力至200mA；VCC_EN默认高，检测到手电筒音频通信装置关闭后，设为低；T6可接LED驱动电压V_LED(不焊Q1)，兼容两级调光；输入防反接，S1可开关作首次单片机程序下载使用，R81不焊接。

在图4中，第一级兼容反向输入和TIA用法，第二级做高通滤波，以滤除背景光干扰和工频噪声；接收音频(即第二音频信号)输出通道默认选择扬声器，当四节耳机输入时、送耳机输出。VCA810：数字VGC(U13第二级运放做整流滤波送入单片机，单片机根据值大小控制数字电位器U11输出对应控制电压)。扬声器功放驱动兼容SSM2211芯片。

在图5中，KEY0：接手电筒开关(即选择按键)，上升沿触发中断，并记录中断次数；无耳机***时，用于发送和接收模式切换，含MIC耳机(四节耳机)接入时，用于全双工通信和总电源开关控制。OLED_DISPLAY(OLED屏)用于频谱显示。J_DET默认低电平，耳机***变为高电平，触发中断。所述控制模块支持USB接口电池充电。

本具体实施方式基于可见光通信的手电筒音频通信装置，通过在手电筒中增设发送模块、接收模块和控制模块，使得手电筒音频通信装置不仅能够进行照明，而且能够以可见光的形式发送、接收音频信息，以提高音频信息传递的隐蔽性以及便捷性。本发明一方面扩展了传统手电筒的功能，另一方面减小了可见光通信装置的体积，实现了可见光通信与手电筒照明的集成，并具有携带方便、通信顺畅、成本低廉、可实现短时间内大规模生产等优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，包括：

手电筒本体，包括外壳、第一灯罩、第二灯罩以及位于所述外壳上的音频输入端口，所述第一灯罩内具有第一光源；

发送模块，连接所述第一光源，所述发送模块用于接收用户输入的第一音频信息并将所述第一音频信息转换为第一电信号，以驱动所述第一光源发射所述第一光信号；

接收模块，包括位于所述第二灯罩内的光电探测器，所述接收模块用于接收来自于外界的第二光信号并将其转换为第二电信号，以获取来自于外界的第二音频信息；

控制模块，连接所述发送模块、所述接收模块和所述第一光源，用于调整手电筒音频通信装置的工作模式，所述工作模式包括发送模式、接收模式和照明模式。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述音频输入端口包括均位于所述外壳上的麦克风端口和耳机端口；所述接收模块还包括位于所述外壳上的扬声器，所述扬声器用于播放所述第二音频信息。

3.根据权利要求2所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述发送模块还包括：

输入信号选择电路，输入端连接所述麦克风端口和所述耳机端口、输出端连接双路并联放大器，用于选择所述第一音频信息的来源；

双路并联放大器，连接驱动电路，用于对所述第一音频信息进行双路并联放大；

驱动电路，连接所述第一光源，用于驱动所述第一光源发射携带有所述第一音频信息的所述第一光信号。

4.根据权利要求2所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述接收模块还包括：

光电转换电路，连接所述光电探测器，用于将所述第二光信号转换为第二电信号；

高通滤波电路，连接所述光电转换电路，用于对所述第二电信号进行高通滤波处理；

压控放大器，连接所述高通滤波电路，用于对经高通滤波处理的所述第二电信号进行放大；

输出选择电路，连接所述压控放大器、所述扬声器和所述耳机端口，用于选择经放大的所述第二电信号的输出方式。

5.根据权利要求4所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述接收模块还包括：

防削顶失真电路，位于所述压控放大器和所述输出选择电路之间，用于对经放大的所述第二电信号进行防削顶失真处理。

6.根据权利要求4所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述控制模块包括：

单片机，连接所述输入信号选择电路的控制端、输出信号选择电路的控制端、按键电路和USB转串口电路，用于分别控制所述输入信号选择电路、输出信号选择电路是否导通；

按键电路，包括位于所述外壳上的选择按键，所述选择按键用于用户选择手电筒音频通信装置的工作模式；

USB转串口电路，用于连接外部设备。

7.根据权利要求6所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述耳机端口用于与三节耳机和四节耳机连接；

所述单片机还连接所述耳机端口，用于检测***所述耳机端口的耳机节数，并根据检测结果切换手电筒音频通信装置的工作模式。

8.根据权利要求1所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述第二灯罩内还具有第二光源，所述第二光源环绕所述光电探测器的外周设置。

9.根据权利要求1所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述第一光源为白光发光二极管。

10.根据权利要求1所述的基于可见光通信的手电筒音频通信装置，其特征在于，所述第一灯罩位于所述外壳的端部，且与所述外壳围绕而成的腔体同轴设置；所述外壳上具有一把手，所述第二灯罩连接于所述把手的端部。

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