LED除了照明还能做些什么

LED除了照明还能做些什么

最开始出现时，荧光灯是以可360°旋转的白光细长管呈现给客户的，并且能源效率高、价格低廉。80年代，它已经被广泛地应用于商业用途中，影响着标识行业的发展，特别是对大型广告灯箱、超薄海报框、宣传板、遮篷照明以及采用最新经济型解决方案中照明产品的选用。而随着LED的发展，客户对其的应用越来越多，市场上LED照明产品大行其道。位于美国加利福尼亚州文图拉的风尚标识设计制作公司老板罗伯特·曼格罗表示，和传统的荧光照明系统相比，LED照明解决方案的优势更加明显。

其实除了照明优势外，LED还具备响应时间短和高速调制等特性。和无线电波相比，可见光通信有很多优势：1)信息量在以摩尔法则发展，无线电频谱很多频段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚属于空白频谱的可见光频谱，不受使用许可证限制；2)可见光不能穿透建筑墙，相互邻近封闭单元中VLC信号不会相互干扰，安全性高，保密性好；3)可见光收发器件设备简单，价格低廉；4)可见光波长属于亚微米级，在准确方向定位上具有明显优势；5)VLC能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用。

1、室内定位

室内定位系统采用的RF、蓝牙以及超声等方式存在系统稳定性不高、响应时间长、电磁干扰大、精度和准确度较低等问题。VLC不受电磁干扰，可以通过室内固定光源实现快速准确定位和导航。未来的大商场、地下购物中心等地方可以通过基于VLC的智能行人自动支持系统的目标定位和引导，减少由于顾客找不到商品具体位置而带来的损失。类似的应用可拓展到机场、博物馆以及其他数字定位广播场合。VLC室内定位系统根据需求不同，其定位精度也不同。对于室内行人或者智障者导航类的定位，中等精度即可。但对于机器人等定位精度要求会更高。

（1）室内行人导航

帮助视觉障碍者识别位置的室内导航系统，如下图所示，LED安装在天花板上，带有地磁传感器的智能手机挂在使用者脖子上，智能手机和耳机相连。手机通过可见光通信接收LED传来的ID信息，获取光源方向及定位信息；路径优化后并将结果传送到耳机引导行人。测试结果表明在1～2m范围内测试者能够准确定位和导航，并能在-59°～66°的范围内实现方向矫正。

结合墙上标牌面板LED光源开发的VLC定位导航系统：该系统设计了滤波器以减少背景光的干扰。通过VLC，使用者手机接收标牌面板LED传来的导航信息。导航信息包括标牌面板位置信息以及视觉障碍者达到可下载的数据信息的最佳光强点。在该系统中导航信号的数据传输速率为62.5kb/s，而数据信息传输速率为1Mb/s。测试中，视觉障碍者可通过耳机接收约5m远处标牌面板上LED光传来的导航信号，当走到距离标牌面板约1m远时，由于光强度足够，所以视觉障碍者接收器能自动进行文本信息下载和存储。

（2）室内准确定位

在机器人及无人机(UVA)控制系统等很多应用中都需要精确定位。如何在保证系统复杂度不高的前提下获得高的定位精度是人们研究的热点。获取目标位置方法有很多，如测量信号到达角度(AOA)、到达时间(TOA)、到达时差(TDoA)以及接收到信号强度(RSS)等。有一种无需同步的基于RRS室内定位系统。测试结果表明在5.9cm内以95%的准确率实现精确定位。还有一种基于接收到信号强度/时分复用模式(RSS/TDM)的比特填充法的室内定位系统。比特填充法可不受各种光信号干扰实现瞬时信号强度的测量。在该系统中16个相互间距为40cm的LED灯组成正方形阵列固定在天花板上，VLC接收器安装在距离天花板170cm的机器人上。测试结果表明机器人在低于3cm的误差内，成功实现了5个目标点规划路径的自主导航。

图像传感器除了可同时实现图像捕获和数据接收之外，由于外界干扰光源聚焦像素和VLC理想信号聚焦像素有所区别，所以比光电二极管作为接收器具有更好的抗干扰能力。图像传感器在VLC中进行准确定位的应用越来越受到人们重视。无线个人区域网(WPAN)的IEEE标准化组织P802.15工作组已经在考虑如何将定位融入到相机通信标准中。

关于图像传感器几种应用研究。下图(a)显示屏上显示了接收端对图像及位置信息的同时获取。(b)是图像传感器在机器人上的应用。两个固定在机器人上的图像传感器通过LED发送的信息检测机器人位置。其中一个图像传感器捕获入射光方向，另外一个图像传感器连续捕获高速帧图像并解析可见光传来的数据。测试结果显示机器人能够在厘米范围内实现精确定位。(c)是利用图像捕获和可见光通信来实现50m远外水箱准确定位，定位精度达到毫米级。

2、智能交通系统(ITS)的信息传输

智能交通系统(ITS)通过及时获取并传输有关交通状况等方面的信息来减少交通事故、交通堵塞以及燃油消耗。图像处理可用来帮助驾驶员进行交通灯识别、障碍物检测、车辆和车辆以及车辆和道路设施之间信息的捕获，是ITS的一个关键技术。高速数据图像传感器结合VLC在ITS上具有广阔应用前景。文献记录了运用LED光以及安装在汽车上的具有1000frame/s帧速和1024pixel×1024pixel分辨力的摄像机进行路边装置与车辆之间的通信。实车测试验证了该系统能在车辆以30km/h的速度下，在35m范围内实现来自256个LEDs阵列组成光源传输来的数据的准确接收。

目前，在VLC中运用高速图像传感器存在一些技术问题需要解决：如安装设施价格昂贵，需要复杂的实时图像处理技术，摄像机帧速率低于发光二极管的反应速度从而限制了通信速度等。文献报道了最新研发的光通信图像传感器(OCI)在无线光通信(OWC)系统中的应用。运用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感技术最新开发的OCI具有两个特点：用于高速信号接收的通信像素(CPx)以及用于快速和精确LED检测的1bit标志图像输出功能。该OWC系统被誉为当前世界上第一个仅有16.6ms延迟、20Mb/s传输速率的像素传输通信系统。

3、VLC高速数据传输

大数据量如高清(HD)视频流传输、高速信息流下载及高速数据备份等信息获取成为当代生活中不可或缺的部分。可见光可以运用发散角度很小的光柱进行数据传输，而其路径传输损耗较低的特点使高速带宽

的安全数据流下载和传输成为可能。如下图所示，欧洲OMEGA工程开发了一种具有100Mb/s的4个高清数据流的VLC数据传输。运用正交频分多路复用(OFDM)技术，通过16个LED光源向10m2面积范围内的光电二极管探测器上进行数据传输。

通过在VLC接收器和发送器之间增添聚焦透镜来实现5m×5m×3m室内视频和音频高质量广播传输的演示系统：和视距(LOS)链路相比，Nd-LOS链路具有网络节点可移动性好、跟踪性强等特点，但其链路损耗导致传输速率不高。针对这一问题开展研究，实现了在2m范围、400Mb/s传输速率以及误码率RBE＜10-8的典型室内双向光无线通信系统研究(可见光LED作为下行链发送光源，IR是上行链路数据发送光源)。RGBLEDs采用波分多路复用技术(WDM)可以获得更高的数据传输速率。文献记录了第一个基于波分复用/离散多音调(WDM/DMT)调制技术的VLC系统，实现了对单个白光RGB-LED进行调制并获得803Mb/s速率的数据通信。

4、VLC在航空中应用

VLC在航空中优势明显。可见光LED已经在新一代商用飞机上得到推广应用，通过可见光替代光缆或电缆进行通信能够减少体积和重量、减少电磁干扰(EMI)及降低成本等，波音商用飞机平台也在开展未来无线光网络方案研究。基于VLC通信的乘客阅读灯服务单元(PSUs)、娱乐系统以及机舱对讲机的应用：下图(a)中阅读灯照亮乘客座位区，同时阅读灯作为光通信源向乘客笔记本电脑或其他终端接收机传输数据。乘客娱乐系统是通过座位整列之间的可见光相互通信而构成了高速网状网络，实现机内娱乐(iFE)信息的传输。来自LED灯的光信号也可以用来作为低带宽的语音通信，实现机内对讲，如(b)所示。

5、水下VLC

水下通信在军事、工业以及科学领域都具有重要地位。水下通信速率需求在几兆到几十兆甚至更高范围内。无线电波中海水会受到高度衰减。声波在海洋中传输速度为1500m/s，延迟时间长，带宽受限，误码率高，声波也会对海豚和鲸鱼等海洋动物产生干扰等。VLC在水下可以很好地克服衰减和电磁干扰等问题。关于操控者与水下远程运输车之间的VLC通信系统开发：该系统中发送器由70个LED光源组成，支持120°视角范围的数据传输，传输速率高达20Mb/s。文献记录了水下可见光通信系统在核发电站机器检测中的具体应用。水下的远程运输车装备摄像机与20m远处站点之间进行视频和控制信号的传输。目前水下光无线通信系统面临主要挑战是由于受到水下性质尤其是浑浊度的影响而难以实现长距离通信。针对这一问题，新加坡国立大学和麻省理工学院开展了在30m的距离内实现1.2Mb/s的水下光通信系统研究和论证。