基于白光LED通信的可视化电子导览系统研究

喻 欢，何 宁，顾剑飞

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004）

基于白光LED通信的可视化电子导览系统研究

喻 欢，何 宁，顾剑飞

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004）

设计了一套应用于室外光通信环境下的基于大功率照明LED的移动电子导览系统，介绍了系统功能模型组成原理，详细分析了白光LED发射模块的技术组成特点，描述了照明LED通信调制、移动导览器位置跟踪和无线光双向数据传输技术的实现过程。采用A RM系统构建用户终端的电子地图,并进行了导览系统测试实验。

移动光通信；脉冲调制；可视化；电子导览

0 引言

随着旅游业的迅速发展，人们出游的热情与日递增，相关的电子产品也变得多样化，景区导览系统应运而生。国内外关于导览技术的研究有很多，目前较常见的导览系统主要有基于射频、WiFi、蓝牙和卫星定位技术的景区导览系统。景区内常用的导览装置是按照景点位置设定编号进行手动操作的，一般以语音导览为主，这种方式存在导览信息量少、电磁干扰、系统稳定性差和景点信息提供不准确等问题[1,2]。为解决以上问题，本文提出一种基于白光LED通信的可视化电子导览系统。

1 景区导览系统功能实现原理

本文设计的景区自主式移动电子导览系统功能模型如图1所示，导览系统分为LED收发装置和手持移动光收发终端（导览器）。照明LED收发装置按照一定路径位置被安装在各景点内（每个装置设置了唯一的编号）。当游客手持导览器进入某照明LED发射模块的光辐射区域后，由红外感应触发单片机控制驱动LED阵列，发送相应位置的景点编号。若是晚上或阴天，当游客到达某景点时，LED发射模块中的光传感器识别到手持移动导览器即启动照明LED，作为照明使用，并向导览器发送数据。只要有游客进入景点区域，LED发射模装置将不断发送景点编号，所有移动导览器都能同时接收到该编码信号。

图1 移动电子导览系统功能模型

移动导览器对景点编码信息进行译码，恢复发射景点编号,通过串口传送至ARM系统。依据当前编号，从存储的数据库中调出该编号对应的景点相关信息资料。游客可以在导览器的触摸屏上通过点击对应控件，查看景点的文字介绍、景点图片、路径信息,聆听语音解说。

2 无线光LED调制与编解码原理

2.1 LED发射模块组成与导览系统的通信控制原理

照明LED发射模块的硬件部分如图2所示。电力线载波电路主要负责上位机和通信基站的信息传送，光传感电路依据环境光变化控制LED的照明状态，热释电红外传感器用于识别景点区域内是否有导览器，并控制单片机输出景点编码信号，同时强制光电传感器驱动LED进行数据通信发射。当环境光减弱时，光电传感电路控制单片机输出频率为43.2kHz，占空比为70%的PWM信号，直接驱动LED阵列作为照明路灯使用。

图2 照明LED发射模块框图

2.2 光信号调制电路设计与数据编解码实现

由于频移键控（FSK）的频带窄，信号可以在时域中持续较长时间，因此短时间脉冲噪声对调制信号的影响较小，具有一定的抗干扰性[3]。虽然FSK的传输速率相对不高，频带利用率低，但是完全能满足本系统传输景点编号信息的要求，因此本文采用FSK调制。FSK调制是利用调制信号“0”或“1”的变化，控制两个不同的载波频率交替输出[4]，其调制原理图如图3所示。芯片CD4069BD为6反向器，其中晶振CY2、电容C1与C2、电阻R2和2个非门组成455kHz载波振荡电路。晶振CY1、电容C3与C4、电阻R1和另2个非门组成38kHz载波振荡电路。SEND接收单片机输出的景点码元信号，通过74LS02或非门芯片对载波实施控制输出和叠加，已调制信号（SINGNAL）为FSK调制信号输出。

由于系统对光传输速率和距离要求不高，因此利用FSK调制电路产生的FSK信号可直接对LED进行开关键控（OOK）光调制。OOK调制方式的每一比特时间T（单位为s）内光脉冲处于开或关的状态，信息“1”表示光发射器输出光脉冲，信息“0”表示无光脉冲输出。当采用非归零（NRZ）码时，若码元宽度为Tb，则信号带宽Rb=1/Tb[5]。

图3 FSK调制电路图

OOK编码方式简单，传输容量大，但在传输数据时，0与1随机分布。为解决LED工作时的闪烁问题，需对OOK编码进行改善。由于白光LED通信与红外通信技术类似，故系统编码仿照了红外遥控的编码方式[6]，数据帧格式如图4所示。

图4中，数据包含3部分：引导码、8位数据码和8位数据反码。引导码由宽度为9ms的高电平和4.5ms低电平脉冲构成，它是数据收发的标志。数据反码的数据位“1”对应数据码的数据位“0”，数据位“0”用1ms宽度（占空比50%）的归零码表示，数据位“1”用2ms宽度（占空比25%）的归零码表示。数据反码的主要作用是对数据位进行校验[7]。

图4 数据编码格式

移动导览器对收到的脉冲信号进行定时采样，先识别出引导码，再恢复出相应数据的码元信号，把收到的数据码取反，与数据反码对比，若一致，则表示接收到的数据正确。这种编解码方式简单，便于在单片机中实现。

2.3 大功率白光LED发射电路

LED发射光源为24W，采用串联驱动方式[8]，因此，驱动电路需要提供一定的功率，电路图如图5所示。MOS管型号为P75NF75B，其极限电流为75A，耐压为75V。滤波电路用来滤除电源噪声。当FSK信号控制MOS管时，恒流源输出72V直流电压、300mA输出电流加载到LED上，可实现稳定的光调制与信息发送。

图5 大功率LED驱动电路图

3 无线光双向数据传输原理与移动终端监控

本文设计的导览系统采用两个不同波长的光实现景点基站（LED收发装置）和下位机（导览器）之间的无线光双向通信，下行数据传输（景点基站到下位机）是利用波长为380～760nm的LED白光为传输媒介，上行数据传输（下位机到景点基站）是利用波长为940nm的红外光作为传输媒介，上行与下行互不干扰且独立运行。无线光双向传输原理框图如图6所示。

图6 无线光双向通信

图6中，导览器将景点基站发送的编号数据通过RS232串口送到ARM导览系统，以便实时显示游客所处景点的导览信息，同时将导览器的编号、进入此景点的时间上传给景点基站保存，并定期上传到监控中心保存在数据库中，监控中心可实时查询移动导览器的位置信息,便于监控各手持终端和统计景区流量。

4 系统测试与分析

为了验证系统信号传输和导览功能的实现，我们在室外环境中架设了高度为10m的照明LED收发模块（景点基站），测试人员手持移动导览器在设定路径上的3个景点（模拟）间进行实验测试。

4.1 无线光数据收发测试

图7 白光收发模块收发波形图

LED收发模块的无线光收发波形如图7所示。按照编码规则，发射模块发射的数据码为“01100100”，数据反码为“10011011”。实验测试所得结果为：移动导览器距LED发射端的最大接收距离为11m，接收角度为±14.5°，此时测得光照度为13勒克斯（Lux），背景光照度为8Lux。图7（b）中我们使用38kHz（稀疏部分）和455kHz（密集部分）两个不同载波频率表示基带信号的“0”和“1”，移动导览器对接收信号波形进行定时采样，依据发射端编码规则，识别不同频率（周期）的持续时间，恢复码元基带信号。

4.2 ARM导览界面测试

采用slicingtool工具制作导览地图，由层和对象作为基本元素，层用来存放地图对象，地图对象可以添加到任意一层，对象的坐标单位为像素，地图底层坐标与被切割前图像的像素坐标保持一致，地图底层左上角的坐标为（0,0）。自定义地图实际上可以看作是由许多的小图像（图阵元）组成，导览地图能实现大小比例缩放、上下左右移动、嵌套查询、位置图标提示等功能[9]，实验测试景区不同景点可视化导览示意图如图8所示。

图8 七星公园导览地图

景点基站编号规则是：前4位表示景区，后4位表示景点。若前4位在0001到0006之间切换，移动导览器将自动切换不同景区。图8中，景点编号显示为00020001，表示当前游客所处位置为七星公园（景区2）的七星岩入口（景点1）。在地图上，游览过的景点标示为圆形，当前正在游览的景点标示为锥形。如果要聆听语音介绍，选择“点击播放导览语音”可进行语音播放。

4.3 上位机数据监控

本文采用Visual Studio 2012的MFC进行景区导览系统的监控终端（上位机）开发，上位机监控界面的主要功能有：

①串口参数设置。设置上位机和基站串口的全双工通信帧格式参数，这些参数包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位和接收数据格式。

②景点基站时间的初始化。保证景区内各景点基站时间的一致性和移动终端进入和离开景点时间的准确性。

③收发数据。显示基站上传的移动终端编号、进入和离开景点的时间数据，同时这些数据也会被保存到“shujuku.adb”数据库中。

④状态查询。点击“显示景点”，每个景点基站的数据上传给上位机保存并清空基站数据。点击“查看保存数据的表格”，将弹出Excel形式的“数据表格”子窗口，显示景点编号、导览器编号、进入和离开景点的时间，数据每隔1s刷新一次。

5 结束语

本文设计了一款基于移动光通信的可视化电子导览系统,并详细介绍了相应的软硬件技术实现方案。我们对导览系统进行了室外场地测试，测试结果表明，本系统可以提供自主式可视化的图、文、声服务，满足景区自动导览的需求。本文的研究为实现旅游景区智能管理和游客监控提供了一种新的技术途径。

[1]张晨亮,苏学军,王文,等.基于白光LED的可见光通信系统研究[J]，无线光通信，2015，39(5)：44-46.

[2]KIM Sung-Man,KIM Seong-Min.Wireless visible light communication technology using optical beamforming[J].Optical Engineering,2013,52 (10)：101-106.

[3]苏文盛.软件无线电下4FSK调制解调的研究及实现[D].北京：北京邮电大学，2013.

[4]霍畅.基于声光调制的无线通讯应用技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[5]崔殿栋.无线激光通信中偏振调制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6]黄海阳，吴锤红.一种基于单片机的红外遥控信号解码新方法[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（7）：30-33.

[7]蔡燕玲.一种基于单片机的智能红外遥控系统的解码方法 [J].潍坊学院学报，2010,10(6)：25-29.

[8]徐佐，徐宁，马正北.大功率白光LED室内可见光通信系统研究[J].无线光通信，2015，39(10)：39-40.

[9]张燕兵.Android手机定位与地图设计与实现[D].长春：吉林大学，2013.

Research on visual electronic navigation system based on the white LED communication

YU Huan,HE Ning,GU Jian-fei
(School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper designs a mobile electronic navigation system which is based on the high power illumination LED under the circumstance of outdoor optical communication,introduces the composition principle of system function model,analyzes the technology and composition trait of transmitting module based on white LED in detail,describes the communication and modulation based on illumination LED,position trailing of mobile navigator and technology implementation of two-way data transmission based on wireless optical communication.The paper establishes electronic map on the user's terminal based on the ARM,carries out the experiment with navigation system.

mobile optical communication,impulse modulation,visualization,electronic navigation

TN915.62

A

1002-5561（2016）04-0044-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.015

2015-12-11。

广西科技开发项目(桂科攻14124005-2-5)资助。

喻欢（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为光通信。