鄧健志，程小輝

(桂林理工大學廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心，廣西桂林 541004)

桂林有“桂林山水甲天下”的美譽，溶洞游覽是桂林旅游的一個重要組成，其主要是“游洞、觀石”。溶洞游覽，燈光照明非常重要，只有通過各式彩燈、射燈的照明，才能襯托出形態(tài)各異的奇石。

溶洞景區(qū)的燈光照明由兩部分組成:一是用于游覽通道的道路照明的路燈;二是用于洞內景觀照明的景觀燈。傳統(tǒng)的游覽方式是團隊游覽，由導游帶領游客進入溶洞，沿著游覽通道逐一觀賞景觀。在這種方式下，景區(qū)的照明管理控制主要由導游手動完成，即導游走在游客前面，首先開啟前方路燈，每到一處景觀，再開啟景觀燈為游客講解。待此處景觀觀賞完畢時，再關閉景觀燈和后方路燈。

由于自由行的興起，傳統(tǒng)溶洞游覽的不足就顯現(xiàn)出來:游客不可能自己開關景區(qū)內的各種燈光照明，所以景區(qū)內的各種照明設施就要保持開啟，當游客少、分散的時候，造成電能的浪費［1］。

為了實現(xiàn)溶洞景區(qū)燈光的智能化控制，本文設計了一個基于可見光通信的溶洞景區(qū)照明控制系統(tǒng)，提出一個可見光通信照明控制方法。

1 可見光通信

由于溶洞內濕度大，巖石成分和游覽路徑都很復雜，通信線路架設、維護困難;無線電波通信易受巖壁吸收和反射，衰減快，傳輸距離短。為了保證照明和通信質量，溶洞內通信系統(tǒng)可采用無線可見光通信。

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)有別于無線電磁波通信，是用照明設備發(fā)出人眼察覺不到的高速調制光作為信息載體，在自由空間傳輸光信號，然后利用光電感應器件接收光載波信號。

VLC技術抗電磁干擾、功耗小，在溶洞內可以實現(xiàn)通信的同時，還能提供高效的環(huán)境照明。本設計的照明控制系統(tǒng)運用可見光通信技術實現(xiàn)［2－3］。

2 系統(tǒng)結構和工作原理

2.1 系統(tǒng)結構

照明控制系統(tǒng)分為無線控制器和照明端。無線控制器端由光發(fā)射模塊、微控制模塊、調制驅動模塊、通信接口組成。光發(fā)射模塊采用大功率白光LED發(fā)送高頻閃爍光;調制驅動模塊將要發(fā)送的電信號，調制成高速閃爍的光信號，并驅動LED點亮;通信接口用于連接外部設備更新數(shù)據(jù)。按鍵用于選擇切換照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明開啟和關閉兩種狀態(tài)。

照明端由光接收模塊、微控制模塊、繼電器組、通信接口、判決解調模塊組成。光接收模塊采用光電二極管感應接收光信號;判決解調模塊對接收的光信號進行放大、整形、濾波、解調。照明設備的開啟和關閉通過繼電器組控制。通信接口用于通過有線、無線等方式連接其他外部設施。

2.2 工作原理

用戶手持無線控制器進入景區(qū)，將按鍵設置為照明模式，就可以開啟LED，實現(xiàn)普通的照明。當用戶途經(jīng)景點時，將無線控制器切換至照明控制模式的開啟控制狀態(tài)，無線控制器就控制LED發(fā)送高頻調制的閃爍光信號。此時，將控制器的照明區(qū)域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊可以感應到閃爍光，并將其轉換成對應的電信號。經(jīng)過判決解調處理后，由微控制模塊處理驗證開啟信號的有效性，并通過控制繼電器組，點亮景點的照明設施。系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

此景點游覽結束后，將無線控制器切換至照明控制模式的關閉控制狀態(tài)，控制LED發(fā)送關閉燈光的控制光信號，并將照明區(qū)域朝向照明端的光接收模塊，光接收模塊感應到光信號，并經(jīng)過判決解調處理后，由微控制模塊處理驗證關閉信號的有效性，并通過控制繼電器組，關閉景點的照明設施。

3 硬件設計

照明控制系統(tǒng)電路原理框圖如圖2所示，分為無線控制器、照明端兩部分［4］。無線控制器由光發(fā)射模塊、微控制模塊、調制驅動模塊、通信接口組成。照明端由光接收模塊、微控制模塊、繼電器組、通信接口、判決解調模塊組成。

3.1 無線控制器

在無線控制器端為了簡化手持設備的設計，直接由ST公司的Cortex－M3內核32位微控制器STM32F107完成數(shù)據(jù)的編碼，并用數(shù)據(jù)編碼輸出電信號控制三極管驅動模塊，以控制光發(fā)射模塊。光發(fā)射模塊采用單個或多個大功率白光LED，LED在三極管驅動下高速閃爍，以可見白光發(fā)送高頻光信號。按鍵用于在切換照明模式和照明控制模式，照明控制模式可以提供照明燈的開啟、關閉兩種狀態(tài)。其中，各模塊的連接關系如圖2，STM32F107微控制器的通用管腳PB6～PB7用于連接串口;PB10～PB13用于連接以太網(wǎng)口;PD0～PD1用于連接兩個功能按鍵;PD2連接三極管驅動。

圖2 系統(tǒng)電路原理框圖

3.2 照明端

在照明端，光接收模塊用BPX21光電二極管完成光信號的接收和光電信號轉換。接收判決電路采用TI公司的可編程12位并行高速A/D轉換芯片THS1206，可實現(xiàn)采樣速率6 MSample/s(兆采樣/s)的4通道同步采樣，并可由內部控制實現(xiàn)差分模擬信號輸入。微控制器模塊用STM32F107完成接收信號解調、數(shù)據(jù)幀讀取以及照明控制等功能。各模塊的連接關系如圖2，STM32F107微控制器的PB12～PB15和PD8～PD15與TH1206的12位A/D轉換輸出連接，PA0～PA4連接TH1206的時鐘、中斷等控制信號;管腳PB6～PB7連接串口;PB10～PB13連接以太網(wǎng)口;PD0～PD7和PE7～PE15連接繼電器組。TH1206的模擬輸入管腳連接BPX21管。

4 軟件設計

4.1 調制與編碼

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收，控制數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀包括:引導碼、用戶ID、數(shù)據(jù)類型、操作碼。引導碼是一串固定的標識碼，用以標志一個數(shù)據(jù)幀的開始。在本設計中，采用的標識碼為“10101100”。每個無線控制器都有一個唯一的用戶ID，用于標識使用者的身份類別:管理員、導游員、游客。數(shù)據(jù)類型用于表示幀數(shù)據(jù)的類型:開啟、關閉、測試、管理。操作碼在測試、管理幀時使用，用于給測試人員和管理人員提供照明端的功能測試與調整等功能。

4.2 差分曼徹斯特碼

曼徹斯特碼是一種相位編碼，屬于2PSK信號，每個碼元均用兩個不同相位的電平信號表示，用電平的跳變來表示1或0，即在一個周期里，0碼和1碼為相位正好相反的方波。曼徹斯特碼是一種帶同步的編解碼方法，碼元中的跳變既作為0和1的識別，也作為時鐘同步信號。在本設計中采用曼徹斯特碼實現(xiàn)［5－6］。

4.3 收發(fā)流程

無線控制器發(fā)送流程:首先，將根據(jù)預定的曼徹斯特編碼規(guī)則對數(shù)據(jù)幀進行編碼，轉換成相應的1或0。然后再由此1或0輸出控制電平，調制驅動電路，將編碼數(shù)據(jù)由光信號循環(huán)發(fā)送。

照明端接收控制流程如圖3所示:照明控制啟動后，首先根據(jù)發(fā)射信號的頻率對接收信號進行采樣，并循環(huán)掃描檢測引導碼;當檢測到引導碼后，開始記錄數(shù)據(jù)幀直到掃描到數(shù)據(jù)幀結束的指示電平;然后，根據(jù)預定的曼徹斯特解碼規(guī)則對記錄的數(shù)據(jù)進行解碼，將其還原成原始數(shù)據(jù)幀;接著，根據(jù)數(shù)據(jù)幀格式依次讀取用戶識別ID、數(shù)據(jù)類型字段、操作碼;最后，再根據(jù)操作碼完成相應的開、關、測試等功能操作。

圖3 接收控制流程

5 實驗與分析

5.1 收發(fā)實驗效果與分析

為驗證系統(tǒng)有效性，用圖2中系統(tǒng)模型對收發(fā)功能進行測試。其中，用1 W白光LED做發(fā)送，BPX21管接收，收發(fā)電路距離為5 cm，LED驅動電壓為3 V或5 V，用100 MHz的示波器觀察收發(fā)波形。

用無線控制器電路給LED兩端加載不同頻率的方波，如圖4a～圖4d所示，光發(fā)射頻率分別為10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz時的波形。其中，CH2(下波形)為LED發(fā)射波形，CH1(上波形)為未做濾波時的接收波形。圖4e為LED發(fā)射500 kHz方波(下波形)和光接收模塊濾波輸出后的波形(上波形)，圖4f為發(fā)送500 kHz頻率的曼徹斯特編碼信號，發(fā)送的信號為引導碼“10101100”，光接收模塊濾波輸出的波形。

圖4 實驗測試波形(截圖)

由實驗可知，隨著LED閃爍頻率越高，PD的響應波形毛刺越多、失真越大。當發(fā)射頻率達到500 kHz時，接收毛刺多，失真大，但接收波形的規(guī)則依然明顯。經(jīng)過濾波器后，仍可以得到500 kHz規(guī)則的方波。在本系統(tǒng)中采用信號頻率為500 kHz的曼徹斯特編解碼方式發(fā)送信號，可以得到較好的接收效果。

5.2 實驗室測試

在溶洞中對光信號的干擾，主要是50 Hz的燈光照明干擾。因此，測試選擇在晚上的實驗室進行，測試環(huán)境干擾照明為4盞40 W白熾燈。無線控制器、照明控制電路的工作電壓及LED驅動電壓為3.3 V，采用的傳輸速率為500 kHz，示波器采用100 MHz的數(shù)字示波器。

實驗室內功能測試情況如圖5，實驗采用圖2中的系統(tǒng)完成，用1 W白光LED作為無線控制光發(fā)射模塊，用BPX21作為照明端光接收模塊。照明端設置一個16×64點陣和一臺示波器觀察接收的控制信號。由于測試場地限制，無線控制器和照明端的距離為3.6 m，如圖5a。點陣顯示的內容“第一景”為接收的光信號解碼信息，示波器測量顯示的是經(jīng)整形濾波后的波形，如圖5b。如圖可知，系統(tǒng)可以實現(xiàn)所需要的燈光控制。

圖5 實地測試情況

6 結論

溶洞照明是展現(xiàn)溶洞內各種景觀最好也是唯一的方法。為了實現(xiàn)溶洞景區(qū)燈光的智能化控制，本文設計了一個溶洞景區(qū)照明控制系統(tǒng)用于可見光通信燈光控制方法的驗證，照明端燈光的控制，由無線控制器采用無線可見光通信技術實現(xiàn)。文中給出了硬件設計架構、軟件控制流程和采用的調制編碼方法，并給出了無線控制器在發(fā)送10 kHz，50 kHz，100 kHz，500 kHz等頻率信號時，照明端的接收效果。經(jīng)過實驗測試證明，照明端的接收效果較好。

作為一種用“燈光控制燈光”的方法，本文的方法能有效地用于溶洞內照明設施的控制，很好地克服了有線控制和無線電波控制的不足，具有很好的應用研究意義和實際推廣價值。

:

［1］鄧健志，程小輝.基于超高頻RFID的音視頻溶洞電子導游系統(tǒng)設計［J］.電視技術，2012，36(10):89－91.

［2］KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible－light communication system using LED lights［J］.IEEE Trans.Consumer E－lectronics，2004，50(2):100－107.

［3］DENG Jianzhi，CHENG Xiaohui.Cave lighting control system based on IOT location［C］//Proc.International Conference on Computer Networks and Communication Engineering. ［S.l.］:ATLANTIS Press，2013:17－20.

［4］鄧健志.可見光通信復用調制天線，中國:201310129552.8［P］.2013－07－10.

［5］SON Y H，KIM H S，WON Y Y.Bidirectional visible light wireless transmission supported by reflective semiconductor optical amplifier based optical access network［J］.Microwave and Optical Technology Letter，2011，53(5):1032－1036.

［6］崔煒，陳磊.吉比特室內無線光通信系統(tǒng)研究［J］.半導體光電，2011(8):553－555.