基于智能灯杆的可见光通信和亮度调节的集成化研究

2021-05-25

电气传动 2021年10期

（湖北省电力装备有限公司，湖北武汉 430035）

随着智慧城市的高速发展，智能灯杆不仅能应用在城市照明中，而且集成了多种智能的设备。这些设备和外部的媒介之间需要通过通信的方式实现信息的交互。基于可见光的通信方式具有抗电磁干扰能力强、不受时间地点限制等优势，因此在该领域受到广泛的研究。其中可见光通信实施的重要组成部分是LED照明设备。

LED照明由于不仅具有使用寿命长、节能等优势，还具有快速的开关和切换特性[1-2]，因而被大量应用在可见光的照明系统中。文献[3]中有关LED亮度的方法主要有调节LED的输入电压，然而LED工作在额定状态时表现为恒流的负载。另一方面，当LED出现过流的情况极易导致其光衰和使用寿命缩短的问题。为了保证其限定恒流的输出特性，相关的芯片制造商推出了多种LED驱动的方案[4-6]。

智能灯杆的一项主要指标是必须节能环保，即LED需要根据外界的光照强度对自身的亮度进行自动调节[7]。可见光通信作为一种新型的户内或户外的通信方式，具有较大的传输带宽[8-10]。现有的可见光通信方案中没有考虑到LED亮度的调节，使得在通信的过程中出现亮度的变化。

本文提出了一种利用反激变换器和并联谐振网络构成智能灯杆的亮度调节和可见光通信的集成系统。在不影响LED工作的情况下，使用频移键控（frequency shift keying，FSK）的调制方式对功率变换器的工作频率进行切换。同时，在不影响通信的前提下对功率变换器的占空比进行调节，实现LED亮度的调节。最终实现了一种集成化的可见光通信和LED亮度调节的方案。最后搭建了一个实验平台，通过实验验证所提出方法的可行性和有效性。

1 集成化系统的工作原理

本文所提出的LED亮度调节和可见光通信集成化的系统如图1所示。

图1 集成化的LED亮度调节和可见光通信系统Fig.1 Brightness adjustment of integrated LED and communication system of visible light

图1中，工作电源UDC为直流电源，它是经过交流整流之后或通过直流电网得到的。为了减少开关器件的数量和同时实现隔离的要求，由MOS管Q1、隔离变换器和全桥整流器（D1～D4）构成的反激变换器被使用。由于LED具有恒流的工作特性，本文使用并联谐振式的补偿网络，不仅具有恒流输出的特性，而且具有多个工作特性相同的谐振点。LED1～LEDn为串联的照明灯的阵列，为了避免出现闪烁的问题，C3用于滤除谐振变换器产生的高频电压波动。

谐振变换器具有传输的功率大、容易实现软开关、功率密度大等优势，在DC-DC变换器中得到了大规模的使用。由图1可知，本文所选取的并联谐振网络是由L1，L2，C1和C2构成的。由于耦合变压器之间存在互感M，它和两侧耦合变压器的自感之间满足如下关系：

式中：k为耦合变压器的耦合系数。

并联谐振网络如图2所示。

图2 并联谐振网络Fig.2 Parallel resonant network

补偿网络耦合电感的等效电路如图2a所示。在图2a中，根据基尔霍夫电压定理（KVL），原边线圈电压U1和副边线圈上的电压U2表示为

式中：ω为系统工作的角频率；I1，I2分别为流过原边、副边线圈的电流。

其中副边电流可用下面简化的方程表示：

式中：Zs为副边的阻抗。

当补偿网络使用T型等效的电路时（如图2b所示），Zs表示为

式中：R为从整流器看进去的交流等效电阻。

R和实际的负载电阻RL之间的关系为

联立式（2）～式（4），并对输出的电流I2进行求导，在∂I2/∂R=0时，存在两个频率点（fh和f1），都能实现恒定的电流输出：

电路参数设置为：线圈自感Lp=Ls=70.2 μH；补偿电容Cp=Cs=0.35 μH；输入电压Uin=48 V；工作频率 fl，fh分别为 28 kHz，38 kHz；控制器为STM32F407。

采用交流扫描方法，对输出电流I2在不同的频率f和负载RL下的传输特性进行数值计算分析。其中频率的变化范围为10～60 kHz，负载电阻的变化范围为10～50 Ω，得到如图3所示的频率特性曲线。

图3 输出的电流和频率之间的关系Fig.3 The relationship between output current and frequency

从以上的数值计算结果可以得到：随着频率的变化，出现了两个对称的负载特性曲线的交叉点，在这两点输出电流I2和负载的大小无关，即表现为恒流的输出特性。这两个交叉点和上面的理论分析部分得到的fh和fl是一致的。

2 LED亮度的控制

当系统工作在上面所设计的两个频率后，流过LED的电流为恒定值。

在实际的应用中LED需要根据外界的光照强度大小对输出的亮度进行调节，同时调节的范围应该尽量控制在线性的工作区域。在这里，反激变换器原边的占空比D的调节范围满足下面的等式：

式中：n为隔离变压器匝比；Uin，Uout分别为输入、输出的电压。

LED输出功率P的表达式为

式中：Ton，Ts分别为反激变换器开通的时间和整个开关的周期。

为了实现对LED的亮度进行精确的控制，需要引入闭环控制系统，控制框图如图4所示。设定的光照电流Iref和实际的反馈电流Ifb进行比较得到误差信号，经过一个并联的PI调节器（其中，Kp和Ki分别为比例增益和积分增益）和一个限幅器之后，得到控制LED亮度调节的指令I*。

图4 LED亮度调节的控制框图Fig.4 Control block diagram of LED brightness adjustment

3 可见光通信的设计

3.1 调制器的设计

在第2节中设计了一个LED亮度的控制方法，为了和本节中所设计的可见光调节系统进行集成，使用如图5所示的方法。

图5 可见光通信和LED亮度调节的混合调制Fig.5 Mixed modulation of visible light communication and LED brightness adjustment

在图5a电路中，有两个不同频率的时钟。当需要传输的数据为“1”时，fh的通道被选通。反之，当需要传输的数据为“0”时，fl通道被选通。由于每次有且仅有一个通道被选通，完整的数据序列可通过或门得到。本文选取FSK的调制方式，被传输的数据“1”和数据“0”用下面的方程表示：

式中：s（t）为一个数据序列；A为载波信号的幅值；φh，φl分别为数据“1”和数据“0”的初始相位角，为了保证在频率切换的过程中相位的连续性，φh和φl的值都设置为0。

式（9）的方波信号经过一个可复位的积分器之后得到一个连续的三角波信号。再将LED的亮度调节指令信号I*通过比较器之后，得到了一个频率和占空比都可调的信号PWM。最后将该信号经过驱动电路之后送至反激式变换器的开关管Q1，具体的波形如图5b所示。

3.2 解调器的设计

在可见光的通信系统中，解调器的设计是必不可少的。当高速的光敏二极管接收到被调制的光信号之后，将含有信息的光信号转换为微弱的电流信号；经过R1之后将该电流信号转换为电压信号，再经过同相放大器之后得到增强的电压信号，其中增益的大小可通过Rx进行调节。由于在前面的转换和放大的过程中，频率fl和fh的光调制信号以及噪声信号都被引入至后级的电路中。为了避免这些信号之间的串扰，并将噪声信号滤除。在这里，选取了一个带通的滤波器，其带通滤波器所对应的频率为fh，即数字“1”所对应的频率。最后经过比较器就得到了数字信号，如图6所示。

图6 可见光通信的解调电路Fig.6 Demodulation circuit of visible light communication

4 实验结果

为了验证所设计系统的通信特性和光照的调节特性，对现有的智能灯杆的试点进行改造，将反激变换器、通信调制电路和亮度调节电路集成至智能灯杆中，如图7a所示。光照信号的接收电路以及解调电路则使用单体分离的结构，如图7b所示。

图7 实验装置图Fig.7 The photograph of prototype

实验装置中的主要实验参数见第1节中的电路参数设置，耦合变压器的原边和副边线圈自感值相同，且两侧的补偿电容值也相同。直流输入电压的取值为48 V。在通信的调制过程中一共使用了两个频段，它们分别是28 kHz和38 kHz。为了实现集成化控制的可见光通信和LED亮度调节，智能灯杆中使用STM32F407作为中心的控制器。

图8为一帧凯撒序列码（CH1）从智能灯杆中发出来，经过200 μs的延时之后，在解调器（CH2）中被完整地恢复出来的可见光通信的测试波形。此时，光通信系统的信号传输速率为10 kb/s。

图8 可见光通信的测试波形Fig.8 The waveforms of visible light communication

为了验证光照调节的性能，反激式变换器的占空比D的范围设定为5%～45%，定义智能灯杆中的LED在额定功率工作时的亮度为100%，它们之间的关系如图9所示。实验的结果表明LED的亮度和反激变换器的占空比D近似正比的关系；但到达一定值之后，亮度值逐渐趋于饱和。

图9 LED的亮度和占空比之间的关系Fig.9 The relationship between light brightness of LED and duty cycle

图10为不同接收器的偏转角度和不同距离d与通信的误码率的关系曲线。实验的结果表明随着可见光通信距离的增加，误码率随之增大。接收器的偏移角度增大也会使得误码率上升。因此，为了减少传输的误码率，可以从优化设计接收器的相对距离和偏转角度着手，将误码率控制在可行的范围之内。另外，为了增加数据解析的正确率，可以引入奇偶校验、求和校验和CRC冗余校验等多种方式。