2016, Vol. 31
由于电脑和手机等智能设备的快速崛起，使得移动数字终端范畴发生革命性巨变。同时，光缆的最后影响、无线频谱的减少、可见光加载技术和电子辐射等问题都在影响着无线通信的进步，所以更需一种新型网络接入方式。2000年，日本研究者提出了可见光通信(Visible Light Communication, VLC)的概念[1-3]，即把传输信息加载在照明发光二极管LED上，使其在照明的同时可以高速地通信。2008年，日本研究者在日本九十九里海滩利用灯塔上的LED作为发射机，在实验上实现了可见光通信传输。2011年，英国研究者制作了实物，并创立了“Li-Fi”。这种设计的范围只要是室内照明能覆盖到的，不需要布线就可以连接，所以更具有开发使用前景[4]。
目前，一些研究机构已经进行VLC系统的多种设计性研究[5-8]，但都在实验性阶段，距离最终的实际投产使用还有一段路要走。本研究在家用照明系统的白光LED基础上，设计了一种以可见光为载波构成的集发射、传输、接收、还原为一体的信号传输系统。测试结果表明，设计的VLC短距离通信传输系统运行比较稳定，实用性较高。
1 VLC系统方案设计 1.1 系统总体结构VLC系统设计为室内短距离可见光字符信息传输系统，由发射和接收两个模块组成，系统以两个52单片机为发射和接收模块的主要控制器。发射模块由字符输入键、控制器、信号发射调制模块、LED照明矩阵组成，接收模块由光电接收模块、控制器、信号转换部分和信息显示部分组成，如图 1所示。
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图 1 系统总设计图 |
VLC系统发射模块由字符按键组部分、控制部分、白光LED照明矩阵部分、信息调制部分、电源部分等组成，主要发送加载信息的白光，如图 2所示。
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图 2 系统发射模块电路原理图 |
系统发射模块的控制部分使用STC89C52芯片控制程序。当按下任意一个按键，向发射电路中输入该字符的进制地址数，电路中字符的进制地址数通过控制三极管的“开”与“关”来驱动LED灯的闪烁完成信号的发射。当按下“S1”按键，系统识别是字符数“A”，向电路传输“A”的进制数“01100001B”，输出“0”时，三极管导通，LED照明灯打开；输出“1”时，三极管截止，LED照明灯关闭，即利用LED光形成的高频闪烁完成信息的发射。
发射模块的电源和照明灯规格的大小组合决定了VLC系统通信距离的远近，电源部分用USB接口给LED照明灯和发射电路提供所需要的电压或电流。在LED灯大小确定时，电源电压的大小决定了LED照明距离和系统信号所能传播的距离。在保持电路中电压稳定时尽可能选择最大的电压以达到较大的传输距离，同时考虑电压供给和价格问题。所以，发射模块中选择白光LED照明灯由3颗5730贴片LED灯珠联合组成，这种贴片灯珠有体积小、亮度高、耗能小、衰减期长且长时间通电后亮度稳定等特点。
1.3 VLC接收模块设计VLC系统接收模块由光电接收转换部分、控制部分、调节指示部分、电源部分等组成，主要显示接收后加载信息的光信号的数据，如图 3所示。
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图 3 系统接收模块电路原理图 |
系统发射模块的控制部分使用STC89C52芯片控制程序。光敏二极管把接收到发射模块发送过来的光闪烁信号转换为电信号，亮则是高电平，输出为“1”；灭则是低电平，输出为“0”，即光敏二极管输出接收到信息的二进制数，通过解码获得原发送信息，经电路在显示屏中显示出原字符。系统接收模块的电源部分是一个4.5 V电源。主要提供显示屏幕、指示灯和接收电路所需要的电压电流，在打开电源后整个系统传输数据才能正常运行。当电源接通时，显示屏幕亮起来，开始准备接收信号数据。系统接收模块的信息显示部分由1块LCD1602a液晶显示屏幕和光敏二极管组成。液晶显示屏幕的程序在开始时对液晶显示功能进行了初始化，使得打开电源就固定显示了部分内容，在信息传输过来后可以显示并与之前显示的相对应。VO管脚连接着液晶对比度的调整电阻，可以适当调整以达到比较好的显示效果，为了方便调整，在电路中外接一个调节器。
为了判断通信区域是否有其他光源的影响，在接收模块上设计了调节指示部分。该部分由调节器、光敏二极管和指示灯组成，调节器由滑动变阻器、光敏二极管和电压比较器LM393N组合而成，通过调节滑动变阻器来调节光敏二极管的灵敏度，使外部环境光不干扰设备或者干扰很小。打开接收模块的电源，显示屏亮起来。首先需要检测是否有其他光源的影响，在未打开发射模块的LED照明灯时，如果指示灯亮起来，就是其他光源干扰接收模块的接收，那就调节调节器使指示灯不亮，这时接收模块正常运行，然后打开发射模块，信息就在发射模块和接收模块之间传输，传输的信息可以在显示屏幕上看到。
2 系统调试检测在整个VLC系统的搭建中，模块间的联系最为重要，所以更需要在整个系统运行前调试软硬件，以便更好地验证、了解系统的功能，也是为更好地升级系统做好准备。
2.1 VLC硬件调试检测由于完成的是室内短距离可见光通信设计，所以发射模块和接收模块直接的间距不会太长，实验测试中保持2米以内。而且由于是室内可见光通信，其他的光源都会对其产生影响的，所以在远离强光的环境下检测。
接通接收模块电源，显示屏亮，指示灯闪一下后灭，说明接收模块正常运行。接通发射模块电源，LED灯珠矩阵发光，同时接收模块指示灯亮，说明发射、接收模块通信传输通道正常运行。在发射模块上按下任一字符键时，LED灯珠闪烁，在接收模块显示屏上显示对应的字符，如图 4所示。
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图 4 实验测试图 |
系统设计软件主要是调试部分，在确保硬件正常的情况下，再调试软件程序。系统软件运行流程如图 5所示。
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图 5 系统运行流程图 |
先检查系统发射模块和接收模块电源是否正常，在室内观察其他光源是否影响接收模块(接收模块指示灯是否亮起)，把两个模块间距调整到一个合适的位置，打开两个模块的电源，观察发射模块的指示灯和LED照明灯亮起，观察接收模块的显示屏亮起来并在第一行显示“Received Data：”，按下任意一个按键，则显示屏的第二行显示“No.?:?”。
为了设计以及实用方便，预设6个按键为字母“A”到“F”。在系统软件中更改字符设定，就可以在显示屏显示不同的数字、字母、字符，即可以实现不同的目的。按键输入和字符显示如表 1所示。
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表 1 按键输入和字符显示 |
测试中整个系统运行良好，发射模块的LED灯珠与接收模块的光敏二极管没有正对情况下，甚至在两者沿模块的夹角达到60多度时也能比较快速地传输信息，通信距离可以达到2米。比较严重的问题是外部环境光的干扰，尤其是在室内强光干扰最为严重，所以在系统运行时应多注意干扰和调节接收模块的灵敏度。
3 结论本文设计了一种白光LED灯的VLC通信系统，用两个STC89C52芯片作为该系统发射和接收模块的控制器，以LED白光为载波，实现了字符信息的传输，而且信号传输比较稳定。设计的VLC系统检测结果表明：可见光亮度动态界限可变程度较大，实用性高，操作简单，防干扰能力强，LED达到较少资源的耗费而照明，同时实现了信号的传输。不足之处就是传输距离较短，要实现长距离、高输出通信，甚至实现可视高速通信，VLC通信还有很多困难，需要提高白光LED光源的调制带宽技术和信号编码的进一步优化等技术。
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