基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法研究

邓健志，程小辉

(桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林 541004)

桂林有“桂林山水甲天下”的美誉，溶洞游览是桂林旅游的一个重要组成，其主要是“游洞、观石”。溶洞游览，灯光照明非常重要，只有通过各式彩灯、射灯的照明，才能衬托出形态各异的奇石。

溶洞景区的灯光照明由两部分组成:一是用于游览通道的道路照明的路灯;二是用于洞内景观照明的景观灯。传统的游览方式是团队游览，由导游带领游客进入溶洞，沿着游览通道逐一观赏景观。在这种方式下，景区的照明管理控制主要由导游手动完成，即导游走在游客前面，首先开启前方路灯，每到一处景观，再开启景观灯为游客讲解。待此处景观观赏完毕时，再关闭景观灯和后方路灯。

由于自由行的兴起，传统溶洞游览的不足就显现出来:游客不可能自己开关景区内的各种灯光照明，所以景区内的各种照明设施就要保持开启，当游客少、分散的时候，造成电能的浪费［1］。

为了实现溶洞景区灯光的智能化控制，本文设计了一个基于可见光通信的溶洞景区照明控制系统，提出一个可见光通信照明控制方法。

1 可见光通信

由于溶洞内湿度大，岩石成分和游览路径都很复杂，通信线路架设、维护困难;无线电波通信易受岩壁吸收和反射，衰减快，传输距离短。为了保证照明和通信质量，溶洞内通信系统可采用无线可见光通信。

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)有别于无线电磁波通信，是用照明设备发出人眼察觉不到的高速调制光作为信息载体，在自由空间传输光信号，然后利用光电感应器件接收光载波信号。

VLC技术抗电磁干扰、功耗小，在溶洞内可以实现通信的同时，还能提供高效的环境照明。本设计的照明控制系统运用可见光通信技术实现［2－3］。

2 系统结构和工作原理

2.1 系统结构

照明控制系统分为无线控制器和照明端。无线控制器端由光发射模块、微控制模块、调制驱动模块、通信接口组成。光发射模块采用大功率白光LED发送高频闪烁光;调制驱动模块将要发送的电信号，调制成高速闪烁的光信号，并驱动LED点亮;通信接口用于连接外部设备更新数据。按键用于选择切换照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明开启和关闭两种状态。

照明端由光接收模块、微控制模块、继电器组、通信接口、判决解调模块组成。光接收模块采用光电二极管感应接收光信号;判决解调模块对接收的光信号进行放大、整形、滤波、解调。照明设备的开启和关闭通过继电器组控制。通信接口用于通过有线、无线等方式连接其他外部设施。

2.2 工作原理

用户手持无线控制器进入景区，将按键设置为照明模式，就可以开启LED，实现普通的照明。当用户途经景点时，将无线控制器切换至照明控制模式的开启控制状态，无线控制器就控制LED发送高频调制的闪烁光信号。此时，将控制器的照明区域朝向照明端的光接收模块，光接收模块可以感应到闪烁光，并将其转换成对应的电信号。经过判决解调处理后，由微控制模块处理验证开启信号的有效性，并通过控制继电器组，点亮景点的照明设施。系统基本工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理

此景点游览结束后，将无线控制器切换至照明控制模式的关闭控制状态，控制LED发送关闭灯光的控制光信号，并将照明区域朝向照明端的光接收模块，光接收模块感应到光信号，并经过判决解调处理后，由微控制模块处理验证关闭信号的有效性，并通过控制继电器组，关闭景点的照明设施。

3 硬件设计

照明控制系统电路原理框图如图2所示，分为无线控制器、照明端两部分［4］。无线控制器由光发射模块、微控制模块、调制驱动模块、通信接口组成。照明端由光接收模块、微控制模块、继电器组、通信接口、判决解调模块组成。

3.1 无线控制器

在无线控制器端为了简化手持设备的设计，直接由ST公司的Cortex－M3内核32位微控制器STM32F107完成数据的编码，并用数据编码输出电信号控制三极管驱动模块，以控制光发射模块。光发射模块采用单个或多个大功率白光LED，LED在三极管驱动下高速闪烁，以可见白光发送高频光信号。按键用于在切换照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明灯的开启、关闭两种状态。其中，各模块的连接关系如图2，STM32F107微控制器的通用管脚PB6～PB7用于连接串口;PB10～PB13用于连接以太网口;PD0～PD1用于连接两个功能按键;PD2连接三极管驱动。

图2 系统电路原理框图

3.2 照明端

在照明端，光接收模块用BPX21光电二极管完成光信号的接收和光电信号转换。接收判决电路采用TI公司的可编程12位并行高速A/D转换芯片THS1206，可实现采样速率6 MSample/s(兆采样/s)的4通道同步采样，并可由内部控制实现差分模拟信号输入。微控制器模块用STM32F107完成接收信号解调、数据帧读取以及照明控制等功能。各模块的连接关系如图2，STM32F107微控制器的PB12～PB15和PD8～PD15与TH1206的12位A/D转换输出连接，PA0～PA4连接TH1206的时钟、中断等控制信号;管脚PB6～PB7连接串口;PB10～PB13连接以太网口;PD0～PD7和PE7～PE15连接继电器组。TH1206的模拟输入管脚连接BPX21管。

4 软件设计

4.1 调制与编码

为了实现数据的有效发送和接收，控制数据采用数据帧格式。数据帧包括:引导码、用户ID、数据类型、操作码。引导码是一串固定的标识码，用以标志一个数据帧的开始。在本设计中，采用的标识码为“10101100”。每个无线控制器都有一个唯一的用户ID，用于标识使用者的身份类别:管理员、导游员、游客。数据类型用于表示帧数据的类型:开启、关闭、测试、管理。操作码在测试、管理帧时使用，用于给测试人员和管理人员提供照明端的功能测试与调整等功能。

4.2 差分曼彻斯特码

曼彻斯特码是一种相位编码，属于2PSK信号，每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，用电平的跳变来表示1或0，即在一个周期里，0码和1码为相位正好相反的方波。曼彻斯特码是一种带同步的编解码方法，码元中的跳变既作为0和1的识别，也作为时钟同步信号。在本设计中采用曼彻斯特码实现［5－6］。

4.3 收发流程

无线控制器发送流程:首先，将根据预定的曼彻斯特编码规则对数据帧进行编码，转换成相应的1或0。然后再由此1或0输出控制电平，调制驱动电路，将编码数据由光信号循环发送。

照明端接收控制流程如图3所示:照明控制启动后，首先根据发射信号的频率对接收信号进行采样，并循环扫描检测引导码;当检测到引导码后，开始记录数据帧直到扫描到数据帧结束的指示电平;然后，根据预定的曼彻斯特解码规则对记录的数据进行解码，将其还原成原始数据帧;接着，根据数据帧格式依次读取用户识别ID、数据类型字段、操作码;最后，再根据操作码完成相应的开、关、测试等功能操作。

图3 接收控制流程

5 实验与分析

5.1 收发实验效果与分析

为验证系统有效性，用图2中系统模型对收发功能进行测试。其中，用1 W白光LED做发送，BPX21管接收，收发电路距离为5 cm，LED驱动电压为3 V或5 V，用100 MHz的示波器观察收发波形。

用无线控制器电路给LED两端加载不同频率的方波，如图4a～图4d所示，光发射频率分别为10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz时的波形。其中，CH2(下波形)为LED发射波形，CH1(上波形)为未做滤波时的接收波形。图4e为LED发射500 kHz方波(下波形)和光接收模块滤波输出后的波形(上波形)，图4f为发送500 kHz频率的曼彻斯特编码信号，发送的信号为引导码“10101100”，光接收模块滤波输出的波形。

图4 实验测试波形(截图)

由实验可知，随着LED闪烁频率越高，PD的响应波形毛刺越多、失真越大。当发射频率达到500 kHz时，接收毛刺多，失真大，但接收波形的规则依然明显。经过滤波器后，仍可以得到500 kHz规则的方波。在本系统中采用信号频率为500 kHz的曼彻斯特编解码方式发送信号，可以得到较好的接收效果。

5.2 实验室测试

在溶洞中对光信号的干扰，主要是50 Hz的灯光照明干扰。因此，测试选择在晚上的实验室进行，测试环境干扰照明为4盏40 W白炽灯。无线控制器、照明控制电路的工作电压及LED驱动电压为3.3 V，采用的传输速率为500 kHz，示波器采用100 MHz的数字示波器。

实验室内功能测试情况如图5，实验采用图2中的系统完成，用1 W白光LED作为无线控制光发射模块，用BPX21作为照明端光接收模块。照明端设置一个16×64点阵和一台示波器观察接收的控制信号。由于测试场地限制，无线控制器和照明端的距离为3.6 m，如图5a。点阵显示的内容“第一景”为接收的光信号解码信息，示波器测量显示的是经整形滤波后的波形，如图5b。如图可知，系统可以实现所需要的灯光控制。

图5 实地测试情况

6 结论

溶洞照明是展现溶洞内各种景观最好也是唯一的方法。为了实现溶洞景区灯光的智能化控制，本文设计了一个溶洞景区照明控制系统用于可见光通信灯光控制方法的验证，照明端灯光的控制，由无线控制器采用无线可见光通信技术实现。文中给出了硬件设计架构、软件控制流程和采用的调制编码方法，并给出了无线控制器在发送10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz等频率信号时，照明端的接收效果。经过实验测试证明，照明端的接收效果较好。

作为一种用“灯光控制灯光”的方法，本文的方法能有效地用于溶洞内照明设施的控制，很好地克服了有线控制和无线电波控制的不足，具有很好的应用研究意义和实际推广价值。

:

［1］邓健志，程小辉.基于超高频RFID的音视频溶洞电子导游系统设计［J］.电视技术，2012，36(10):89－91.

［2］KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible－light communication system using LED lights［J］.IEEE Trans.Consumer E－lectronics，2004，50(2):100－107.

［3］DENG Jianzhi，CHENG Xiaohui.Cave lighting control system based on IOT location［C］//Proc.International Conference on Computer Networks and Communication Engineering. ［S.l.］:ATLANTIS Press，2013:17－20.

［4］邓健志.可见光通信复用调制天线，中国:201310129552.8［P］.2013－07－10.

［5］SON Y H，KIM H S，WON Y Y.Bidirectional visible light wireless transmission supported by reflective semiconductor optical amplifier based optical access network［J］.Microwave and Optical Technology Letter，2011，53(5):1032－1036.

［6］崔炜，陈磊.吉比特室内无线光通信系统研究［J］.半导体光电，2011(8):553－555.