基于白光LED光源的地下停车场语音服务系统

汪 广 业，　高 英 明，　王 金 鹏，　陈 艾 琳，　李 　 萍，　邹 念 育

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连　116034 )



基于白光LED光源的地下停车场语音服务系统

汪 广 业，高 英 明，王 金 鹏，陈 艾 琳，李 萍，邹 念 育

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连116034 )

针对地下停车场易造成车辆违停、摩擦、车位浪费等问题，给出了一种基于白光LED可见光通信技术的语音服务系统方案。根据光源特性设计了驱动电路和前置放大电路，并以51单片机控制器和ADAU1361音频编解码器为核心部件，组建了基于白光LED光源的语音通信实验系统。将地下停车场整体模型划分为多个空间单元，在空间单元内分别对照度均匀度和光功率分布进行了仿真测试，结果达到了照明和通信的基本要求。结果表明，使用功率为3 W的白光LED光源，有效通信距离可达3.4 m，终端利用音频播放器可将语音信息清晰还原，信号传输波形无失真，实现了空间语音信号的单向通信，验证了系统方案的可行性。

地下停车场；语音服务；可见光通信；白光LED

0　引　言

随着社会上有车一族的增多，地下停车场的面积在逐渐增大，层数也在逐渐增多，这就可能导致在地下停车场内不仅容易造成车辆违停、摩擦、拥堵等问题，还会困扰着众多车主难寻停车位，甚至出现车主找不到车的状况。当地下停车场中出现上述问题时，语音服务系统可以根据实时情况传达语音服务信息至车辆，短时间内将问题解决。考虑到地下停车场的特殊环境，主要配有照明和通信系统，在满足地下停车场内照明需求的同时，还要利用通信手段提供必要的服务功能。LED光源具有响应时间短，调制速率高等特性，使得采用白光LED光源作为通信系统中的信号源进行无线数据传输成为可能[1]。相对于现有的无线通信技术，可见光通信技术具有抗干扰能力强、传输速率高、保密性能好等优点[2-3]，可在满足照明的同时实现通信，因此是一种绿色环保的新兴的无线通信技术。

目前关于白光LED可见光通信技术应用的研究已经逐渐涉及煤矿井下、景区溶洞等场所，但在相对这些场所更加注重照明与通信质量的地下停车场环境而言，可见光通信技术具有更显著的优势。马秀萍[4]和徐鲁辉[5]等分别给出了应用于煤矿井下的可见光通信技术设计方案以及调制技术的研究；邓健志等[6]研究了基于可见光通信技术的溶洞景区照明控制的方法；吴贵才等[7]测试及验证了在LED路灯上实现可见光通信的可行性。本文是针对地下停车场环境给出了一种基于白光LED可见光通信技术的语音服务系统方案，根据系统方案研究了空间单元内的照度均匀度和光功率分布，设计并进行了语音通信实验。

1　停车场语音服务系统

停车场语音服务系统由停车场通信基站与车载移动终端以及信号处理模块构成。通信基站将相应的语音服务信息经处理后加载到指定的LED灯具驱动电路上。通过高频闪烁的LED光源将载有服务信息的光波发射出去，则灯具照明区域内的车辆会及时地探测到光信号，车载移动终端将探测到的光信号经过信号处理后还原成语音信息，获取到通信基站根据实时需求发射的服务信息，整个过程利用LED可见光通信技术实现了语音服务信息的传递。

在对语音服务系统设计时，应先保证停车场内的照度需符合照明标准，并使空间内的照度均匀度应尽可能地接近于1(空间内最小照度与平均照度的比值即为照度均匀度)。为方便问题研究，将地下停车场的整体空间模型划分为若干个局部空间单元模型，如图1所示，在尺寸为4 m×4 m×3 m的空间单元中，其顶端布局4盏白光LED光源采取中心对称的方式均匀布置，以此空间单元为光环境来研究地下停车场的照度均匀度与光功率分布情况。

2　兼顾照明与通信的光环境设计

2.1照度水平

地下停车场的照明与其他建筑室内照明相比具有特殊性。由于在地下，很难进行自然采光，不管白天黑夜都需要持续照明，因此在地下停车场照明系统中，LED光源首先应满足地下停车场的照明标准。白光LED在空间单元中的照射模型可以用Lambert辐射模型来模拟[8]，当LED照射到接收平面时，该平面上的照度分布为

图1　地下停车场整体模型和局部空间单元

E(r,α)=(I0/r2)(cosα)m

(1)

E(x，y，z)=zmI0/[(x-X)2+(y-Y)2+

(z-Z)2](m+2)/2

(2)

式中：E(x，y，z)为LED灯在接收面任意一点(x，y，z)处的光照度；(X，Y，Z)为天花板上LED光源的空间坐标；(x，y，z)为接收面上任意一点坐标。

白光LED光源的发射功率为3 W，发光角为60°，中心发光强度为120 cd。利用公式(2)仿真得到的地面水平照度分布，如图2所示。可以看出，光源垂直位置下的照度较高，空间四角的照度偏低，地面各点照度在30～40 lx，照度均匀度为0.91，根据地下建筑照明设计标准[9]，以地面为参考面，地下停车场内的平均照度应在30～50 lx，因此符合规定的照明标准。

2.2光功率分布

在室内可见光通信系统中，固定在空间单元顶端的LED灯在提供照明的同时进行数据信号传输，因此足够的信号强度和良好的分布稳定性会减弱对接收端探测性能的要求，从而降低探测器成本和接收系统复杂度[10]。

图2　空间单元内的照度分布

空间单元内某点接收功率的示意图如图3所示，该点的接收功率可表示为：

Pr=H(0)Pt

(3)

(4)

式中：A为探测器接收面积，d是发射端与接收端之间的距离，ψ是入射角，φ为发射角，θ是接收机的最大可接收视角，m为Lambert模数。

因此，信道的信噪比为：

(5)

式中：Rb为数字链路比特率，N0为高斯噪声N(t) 的双边功率谱密度，信道的信噪比取决于接收功率的平方，因此室内的可见光通信系统要提高信噪比须有较高发射功率的同时，应减少由于多光源布局产生的多径效应的影响。

图3　可见光通信链路模型

将接收平面划分为对应于光源LED-1、LED-2、LED-3、LED-4的4个面积相等的子区域，每个子区域内的LED光源作为该区域内的主光源，其他3盏光源作为该区域内的次光源。为研究可见光通信系统中多光源布局对指定区域内的光功率分布的影响，本文以光源LED-1所在的子区域为研究对象，通过仿真计算得到了各光源在该区域内的光功率分布，如表1所示。

表1　各光源在同一子区域内的接收功率

从表1中可以看出，在光源LED-1正常进行数据发送时，对应子区域内的接收平面上的光功率分布在1.8 dBm左右，可满足接收端的探测器灵敏度要求。次光源LED-2与LED-3在该子区域内的光功率分布为0.2 dBm，而LED-4在该子区域内光功率分布仅为0.1 dBm。说明对于同一子区域，次光源对该区域的功率干扰较小，不易引起多径效应。因此该空间单元内的光源布局可同时满足照明与通信的双重要求。

3　语音通信实验

单向语音通信实验系统结构如图4所示。使用51单片机作为实验系统的主控制器，为减少外部电路元器件的数量和电路体积，系统选用了低功耗、高保真的ADAU1316音频编解码器。单片机控制器通过I2C接口控制音频芯片的放大倍数、音量、采样率等参数配置和执行采样、编码的操作。音频编解码器通过DCI接口与单片机控制器传输音频数据，单片机将采集到的数据通过串口发送到LED驱动电路，利用LED光源高频闪烁的调制特性，将语音信息加载到光波中辐射到自由空间。利用光电二极管接收光信号并转换为电信号，通过前置放大器将信号进一步去噪放大后通过串口将数据发送给单片机控制器，最后经语音芯片解码输出。

图4　语音通信系统结构

3.1光源特性

实验中，选用功率为3 W的白光LED作为信号源以实现语音信号的空间传输。LED光源的额定照明参数为(9 V，330 mA)，为了确保在实际通信系统中尽量不影响灯具正常工作的前提下实现可靠的通信，实验时选用略低于额定工作电流的300 mA作为直流偏置点。测量了LED光源的功率随电流的变化关系，如图5(a)所示，在最大工作电流范围内，LED光源的功率随着电流的变化而呈线性变化，因此实验选用的光源具有良好的调制特性。使用积分球测量了白光LED光源的发光光谱，如图5(b)所示。由图5(b)可知，白光LED光源发出的光谱主要包括峰值在442 nm处的由LED自身发出的蓝光和峰值在561 nm的由荧光粉受激发产生的黄光，而实验选用的光电二极管的光谱最大响应灵敏度在516 nm 处，位于蓝光和黄光的峰值波长之间，且光谱响应范围涵盖整个可见光波段。

(a) P-I曲线

(b) 光谱分布

图5白光LED光源特性

Fig.5Characteristics of white LED light source

3.2驱动电路的设计

LED驱动电路除了应提供足够宽范围的开关电流以保证白光LED正常工作，还须提供合适的静态工作点，使光源能输出足够的功率并具有良好的线性度，使信号经调制后可以线性输出。本文设计了一种以LM358运算放大器为核心器件的驱动电路，如图6所示，将输入信号Vi进行放大的同时给予一定的偏置，进而供LED光源正常工作，该电路可根据使用光源的特性通过调节可变电阻Rf即可实现对输出量的改变。

图6　LED光源驱动电路

3.3前置放大电路的设计

接收端的前置放大器是信号恢复的关键部分之一，直接影响接收端的灵敏度，进而影响信号的传输质量。本文设计了基于ICL7650运算放大器为核心器件的前置放大电路，如图7所示，ICL7650除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点。将ICL7650放在RC网络的前面，这样运算放大器自身的噪声就可以滤除。电路中的R1和C1的作用是提供频率补偿。另外电容Cc可以很好地保持低输出阻抗，直至上限频率范围，将C2的数值等于Cc，则微调Cc和R1就可以兼顾噪声特性和响应特性。

图7　光电转换前置放大器

3.4调制与编码方式

实验中LED光通信系统的数字信号采用开关键控调制(OOK)，通过“1”“0”高低脉冲编码控制LED灯的明暗闪烁发送数据。通常当传输信号的频率大于60 Hz时，白光LED灯不会出现明显闪烁现象[11]，但是如果调制过程中出现长“1”或长“0”码时就可能导致LED发光亮度的变化，进而影响照明效果。因此，为解决上述问题采用曼彻斯特编码方式，如图8所示。它是一种数字双极性非归零码，编码容易，且没有直流分量，在每个码元间隔的中心点都存在着电平跳变，其位定时信息丰富，有效地避免了由于出现长“1”或长“0”码时导致的照明问题。

图8　曼彻斯特编码方式

4　结果与讨论

经实验测试，当白光LED直射到光电探测器上时，信号还原效果最好且通信距离最远达到了3.4 m。在该距离内，信号波形可无失真输出，通过音频播放器可清新收听。图9为信号传输过程中，利用数字示波器检测并截留产生的收发两端的语音数字信号波形，接收到的波形与截取到的发射波形信号除幅值被放大外波形几乎一致。

图9　截取到的发射波形与接收波形

根据图9所示的实验测试结果可知，信号能够完整地传输并还原，因此实现了单向语音通信的功能。实验结果表明：当白光LED直射光电探测器时，信号还原效果最好且通信距离最远，达到了3.4 m的通信距离。当白光LED没有直射到光电探测器时，通信质量随着LED光源偏移探测器中心的程度逐渐变差，说明收发端的对准程度对信号的恢复影响较大，因此在可见光通信系统的设计中应注重对系统接收端的光学设计，以保证自由空间光通信的传输质量。

5　结　论

基于白光LED的光通信技术，在照明的同时实现通信，特别适用于地下停车场等地下场所。本文给出一种基于白光LED光源的地下停车场语音服务系统的设计方案，结合方案研究了空间单元的照度均匀度和光功率分布以及组建了语音通信实验系统。实验结果表明发射端采用3 W的白光LED光源，有效通信距离可达3.4 m，终端利用音频播放器可将语音信息清晰还原，实现了单向语音通信，验证了系统方案的可行性。为进一步研究特定场所内的白光LED通信技术的应用奠定了基础。

[1] 汪广业,王金鹏,杨娜,等.LED光通信中高聚光性菲涅尔透镜的设计[J].光通信技术,2015,39(8):12-15.[2] WANG J Y, ZOU N Y, WANG D, et al. Experimental study on visible light communication based on LED[J]. Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2012, 10(19): 197-200.

[3] 叶玮琳,郑传涛,张红伟,等.便携式点对点可见光通信终端的实验研究[J].光电子·激光,2013,24(8):1500-1506.

[4] 马秀萍,刘伟,张申,等.煤矿井下可见光通信系统的设计[J].工矿自动化,2014,40(1):16-19.

[5] 徐鲁辉,张言明,刘运真.白光LED煤矿工作面可见光通信调制技术研究[J].工矿自动化,2014,40(2):73-75.

[6] 邓健志,程小辉.基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法的研究[J].电视技术,2013,38(9):193-196.

[7] 吴贵才,陈逸铭,杨彤.可见光通信在室外LED路灯上的实现[J].照明工程学报,2013,24(4):71-75.

[8] 王俊波,谢秀秀,曹玲玲,等.室内可见光通信中的分数间隔均衡技术[J].光学精密工程,2012,20(1):24-30.[9] 黎明,杨绍文,李书明.空间光通信中的分布式检测算法[J].半导体光电,2012,33(1):106-109.

[10] 汪广业，邹念育，王金鹏，等.基于波分复用技术的LED可见光通信的研究[J].光通信研究，2016(2)：67-70.

[11] 熊飞峤,敖邦乾.白光LED可见光无线通信系统的研究[J].光通信技术,2013,37(1)：60-62.

Voice service system of underground parking based on white LED light source

WANGGuangye,GAOYingming,WANGJinpeng,CHENAilin,LIPing,ZOUNianyu

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Avoiceservicesystembasedonvisiblelightcommunication(VLC)wasproposedtoresolveillegalparking,scratchandparkingspacewasteinundergroundparking.Lightsourcedriverandamplifierweredesignedaccordingtoitscharacteristics,andVLCsystemwasconstructedwith51micro-controllerandADAU1361audiodecoder.Thewholemodeloftheundergroundparkinglotwasdividedintoanumberofspatialunits,wherethesimulationtestsofilluminanceuniformityandopticalpowerwerecarriedout.Theresultsshowedthateffectivecommunicationdistancecouldreachto3.4mwhenpowerconsumptionwas3W,indicatingthatvoicewasrestoredclearlywithoutdistortionandone-wayvoicecommunicationbasedonVLCwasrealizedandfeasibility.

underground parking; voice service; visible light communication; white LED

2015-09-28.

辽宁省教育科学“十三五”规划立项课题(JG16DB037)；大连市科技计划项目(2015A11GX017，2014A11GX052，2014A11GX050).

汪广业(1990-)，男，硕士研究生；通信作者：邹念育(1964-)，女，教授.

TN929.1

A

1674-1404(2016)05-0378-05

汪广业，高英明，王金鹏，陈艾琳，李萍，邹念育.基于白光LED光源的地下停车场语音服务系统[J].大连工业大学学报,2016,35(5):378-382.

WANG Guangye, GAO Yingming, WANG Jinpeng, CHEN Ailin, LI Ping, ZOU Nianyu.Voice service system of underground parking based on white LED light source[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 378-382.