汪 廣 業(yè)，　高 英 明，　王 金 鵬，　陳 艾 琳，　李 　 萍，　鄒 念 育

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連　116034 )

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基于白光LED光源的地下停車場(chǎng)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)

汪 廣 業(yè)，高 英 明，王 金 鵬，陳 艾 琳，李 萍，鄒 念 育

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連116034 )

針對(duì)地下停車場(chǎng)易造成車輛違停、摩擦、車位浪費(fèi)等問(wèn)題，給出了一種基于白光LED可見(jiàn)光通信技術(shù)的語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)方案。根據(jù)光源特性設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路和前置放大電路，并以51單片機(jī)控制器和ADAU1361音頻編解碼器為核心部件，組建了基于白光LED光源的語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將地下停車場(chǎng)整體模型劃分為多個(gè)空間單元，在空間單元內(nèi)分別對(duì)照度均勻度和光功率分布進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果達(dá)到了照明和通信的基本要求。結(jié)果表明，使用功率為3 W的白光LED光源，有效通信距離可達(dá)3.4 m，終端利用音頻播放器可將語(yǔ)音信息清晰還原，信號(hào)傳輸波形無(wú)失真，實(shí)現(xiàn)了空間語(yǔ)音信號(hào)的單向通信，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。

地下停車場(chǎng)；語(yǔ)音服務(wù)；可見(jiàn)光通信；白光LED

0　引　言

隨著社會(huì)上有車一族的增多，地下停車場(chǎng)的面積在逐漸增大，層數(shù)也在逐漸增多，這就可能導(dǎo)致在地下停車場(chǎng)內(nèi)不僅容易造成車輛違停、摩擦、擁堵等問(wèn)題，還會(huì)困擾著眾多車主難尋停車位，甚至出現(xiàn)車主找不到車的狀況。當(dāng)?shù)叵峦＼噲?chǎng)中出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)，語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)情況傳達(dá)語(yǔ)音服務(wù)信息至車輛，短時(shí)間內(nèi)將問(wèn)題解決?？紤]到地下停車場(chǎng)的特殊環(huán)境，主要配有照明和通信系統(tǒng)，在滿足地下停車場(chǎng)內(nèi)照明需求的同時(shí)，還要利用通信手段提供必要的服務(wù)功能。LED光源具有響應(yīng)時(shí)間短，調(diào)制速率高等特性，使得采用白光LED光源作為通信系統(tǒng)中的信號(hào)源進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成為可能[1]。相對(duì)于現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)，可見(jiàn)光通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，可在滿足照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信，因此是一種綠色環(huán)保的新興的無(wú)線通信技術(shù)。

目前關(guān)于白光LED可見(jiàn)光通信技術(shù)應(yīng)用的研究已經(jīng)逐漸涉及煤礦井下、景區(qū)溶洞等場(chǎng)所，但在相對(duì)這些場(chǎng)所更加注重照明與通信質(zhì)量的地下停車場(chǎng)環(huán)境而言，可見(jiàn)光通信技術(shù)具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。馬秀萍[4]和徐魯輝[5]等分別給出了應(yīng)用于煤礦井下的可見(jiàn)光通信技術(shù)設(shè)計(jì)方案以及調(diào)制技術(shù)的研究；鄧健志等[6]研究了基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的溶洞景區(qū)照明控制的方法；吳貴才等[7]測(cè)試及驗(yàn)證了在LED路燈上實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信的可行性。本文是針對(duì)地下停車場(chǎng)環(huán)境給出了一種基于白光LED可見(jiàn)光通信技術(shù)的語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)方案，根據(jù)系統(tǒng)方案研究了空間單元內(nèi)的照度均勻度和光功率分布，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)。

1　停車場(chǎng)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)

停車場(chǎng)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)由停車場(chǎng)通信基站與車載移動(dòng)終端以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成。通信基站將相應(yīng)的語(yǔ)音服務(wù)信息經(jīng)處理后加載到指定的LED燈具驅(qū)動(dòng)電路上。通過(guò)高頻閃爍的LED光源將載有服務(wù)信息的光波發(fā)射出去，則燈具照明區(qū)域內(nèi)的車輛會(huì)及時(shí)地探測(cè)到光信號(hào)，車載移動(dòng)終端將探測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后還原成語(yǔ)音信息，獲取到通信基站根據(jù)實(shí)時(shí)需求發(fā)射的服務(wù)信息，整個(gè)過(guò)程利用LED可見(jiàn)光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音服務(wù)信息的傳遞。

在對(duì)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先保證停車場(chǎng)內(nèi)的照度需符合照明標(biāo)準(zhǔn)，并使空間內(nèi)的照度均勻度應(yīng)盡可能地接近于1(空間內(nèi)最小照度與平均照度的比值即為照度均勻度)。為方便問(wèn)題研究，將地下停車場(chǎng)的整體空間模型劃分為若干個(gè)局部空間單元模型，如圖1所示，在尺寸為4 m×4 m×3 m的空間單元中，其頂端布局4盞白光LED光源采取中心對(duì)稱的方式均勻布置，以此空間單元為光環(huán)境來(lái)研究地下停車場(chǎng)的照度均勻度與光功率分布情況。

2　兼顧照明與通信的光環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1照度水平

地下停車場(chǎng)的照明與其他建筑室內(nèi)照明相比具有特殊性。由于在地下，很難進(jìn)行自然采光，不管白天黑夜都需要持續(xù)照明，因此在地下停車場(chǎng)照明系統(tǒng)中，LED光源首先應(yīng)滿足地下停車場(chǎng)的照明標(biāo)準(zhǔn)。白光LED在空間單元中的照射模型可以用Lambert輻射模型來(lái)模擬[8]，當(dāng)LED照射到接收平面時(shí)，該平面上的照度分布為

圖1　地下停車場(chǎng)整體模型和局部空間單元

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)為L(zhǎng)ED燈在接收面任意一點(diǎn)(x，y，z)處的光照度；(X，Y，Z)為天花板上LED光源的空間坐標(biāo)；(x，y，z)為接收面上任意一點(diǎn)坐標(biāo)。

白光LED光源的發(fā)射功率為3 W，發(fā)光角為60°，中心發(fā)光強(qiáng)度為120 cd。利用公式(2)仿真得到的地面水平照度分布，如圖2所示?？梢钥闯?，光源垂直位置下的照度較高，空間四角的照度偏低，地面各點(diǎn)照度在30～40 lx，照度均勻度為0.91，根據(jù)地下建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，以地面為參考面，地下停車場(chǎng)內(nèi)的平均照度應(yīng)在30～50 lx，因此符合規(guī)定的照明標(biāo)準(zhǔn)。

2.2光功率分布

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，固定在空間單元頂端的LED燈在提供照明的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，因此足夠的信號(hào)強(qiáng)度和良好的分布穩(wěn)定性會(huì)減弱對(duì)接收端探測(cè)性能的要求，從而降低探測(cè)器成本和接收系統(tǒng)復(fù)雜度[10]。

圖2　空間單元內(nèi)的照度分布

空間單元內(nèi)某點(diǎn)接收功率的示意圖如圖3所示，該點(diǎn)的接收功率可表示為：

Pr=H(0)Pt

(3)

(4)

式中：A為探測(cè)器接收面積，d是發(fā)射端與接收端之間的距離，ψ是入射角，φ為發(fā)射角，θ是接收機(jī)的最大可接收視角，m為L(zhǎng)ambert模數(shù)。

因此，信道的信噪比為：

(5)

式中：Rb為數(shù)字鏈路比特率，N0為高斯噪聲N(t) 的雙邊功率譜密度，信道的信噪比取決于接收功率的平方，因此室內(nèi)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)要提高信噪比須有較高發(fā)射功率的同時(shí)，應(yīng)減少由于多光源布局產(chǎn)生的多徑效應(yīng)的影響。

圖3　可見(jiàn)光通信鏈路模型

將接收平面劃分為對(duì)應(yīng)于光源LED-1、LED-2、LED-3、LED-4的4個(gè)面積相等的子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的LED光源作為該區(qū)域內(nèi)的主光源，其他3盞光源作為該區(qū)域內(nèi)的次光源。為研究可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中多光源布局對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的光功率分布的影響，本文以光源LED-1所在的子區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)仿真計(jì)算得到了各光源在該區(qū)域內(nèi)的光功率分布，如表1所示。

表1　各光源在同一子區(qū)域內(nèi)的接收功率

從表1中可以看出，在光源LED-1正常進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，對(duì)應(yīng)子區(qū)域內(nèi)的接收平面上的光功率分布在1.8 dBm左右，可滿足接收端的探測(cè)器靈敏度要求。次光源LED-2與LED-3在該子區(qū)域內(nèi)的光功率分布為0.2 dBm，而LED-4在該子區(qū)域內(nèi)光功率分布僅為0.1 dBm。說(shuō)明對(duì)于同一子區(qū)域，次光源對(duì)該區(qū)域的功率干擾較小，不易引起多徑效應(yīng)。因此該空間單元內(nèi)的光源布局可同時(shí)滿足照明與通信的雙重要求。

3　語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)

單向語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。使用51單片機(jī)作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主控制器，為減少外部電路元器件的數(shù)量和電路體積，系統(tǒng)選用了低功耗、高保真的ADAU1316音頻編解碼器。單片機(jī)控制器通過(guò)I2C接口控制音頻芯片的放大倍數(shù)、音量、采樣率等參數(shù)配置和執(zhí)行采樣、編碼的操作。音頻編解碼器通過(guò)DCI接口與單片機(jī)控制器傳輸音頻數(shù)據(jù)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到LED驅(qū)動(dòng)電路，利用LED光源高頻閃爍的調(diào)制特性，將語(yǔ)音信息加載到光波中輻射到自由空間。利用光電二極管接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)前置放大器將信號(hào)進(jìn)一步去噪放大后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)控制器，最后經(jīng)語(yǔ)音芯片解碼輸出。

圖4　語(yǔ)音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1光源特性

實(shí)驗(yàn)中，選用功率為3 W的白光LED作為信號(hào)源以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的空間傳輸。LED光源的額定照明參數(shù)為(9 V，330 mA)，為了確保在實(shí)際通信系統(tǒng)中盡量不影響燈具正常工作的前提下實(shí)現(xiàn)可靠的通信，實(shí)驗(yàn)時(shí)選用略低于額定工作電流的300 mA作為直流偏置點(diǎn)。測(cè)量了LED光源的功率隨電流的變化關(guān)系，如圖5(a)所示，在最大工作電流范圍內(nèi)，LED光源的功率隨著電流的變化而呈線性變化，因此實(shí)驗(yàn)選用的光源具有良好的調(diào)制特性。使用積分球測(cè)量了白光LED光源的發(fā)光光譜，如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，白光LED光源發(fā)出的光譜主要包括峰值在442 nm處的由LED自身發(fā)出的藍(lán)光和峰值在561 nm的由熒光粉受激發(fā)產(chǎn)生的黃光，而實(shí)驗(yàn)選用的光電二極管的光譜最大響應(yīng)靈敏度在516 nm 處，位于藍(lán)光和黃光的峰值波長(zhǎng)之間，且光譜響應(yīng)范圍涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段。

(a) P-I曲線

(b) 光譜分布

圖5白光LED光源特性

Fig.5Characteristics of white LED light source

3.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路除了應(yīng)提供足夠?qū)挿秶拈_(kāi)關(guān)電流以保證白光LED正常工作，還須提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使光源能輸出足夠的功率并具有良好的線性度，使信號(hào)經(jīng)調(diào)制后可以線性輸出。本文設(shè)計(jì)了一種以LM358運(yùn)算放大器為核心器件的驅(qū)動(dòng)電路，如圖6所示，將輸入信號(hào)Vi進(jìn)行放大的同時(shí)給予一定的偏置，進(jìn)而供LED光源正常工作，該電路可根據(jù)使用光源的特性通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻Rf即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的改變。

圖6　LED光源驅(qū)動(dòng)電路

3.3前置放大電路的設(shè)計(jì)

接收端的前置放大器是信號(hào)恢復(fù)的關(guān)鍵部分之一，直接影響接收端的靈敏度，進(jìn)而影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了基于ICL7650運(yùn)算放大器為核心器件的前置放大電路，如圖7所示，ICL7650除了具有普通運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移低等特點(diǎn)。將ICL7650放在RC網(wǎng)絡(luò)的前面，這樣運(yùn)算放大器自身的噪聲就可以濾除。電路中的R1和C1的作用是提供頻率補(bǔ)償。另外電容Cc可以很好地保持低輸出阻抗，直至上限頻率范圍，將C2的數(shù)值等于Cc，則微調(diào)Cc和R1就可以兼顧噪聲特性和響應(yīng)特性。

圖7　光電轉(zhuǎn)換前置放大器

3.4調(diào)制與編碼方式

實(shí)驗(yàn)中LED光通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)采用開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)，通過(guò)“1”“0”高低脈沖編碼控制LED燈的明暗閃爍發(fā)送數(shù)據(jù)。通常當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率大于60 Hz時(shí)，白光LED燈不會(huì)出現(xiàn)明顯閃爍現(xiàn)象[11]，但是如果調(diào)制過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)“1”或長(zhǎng)“0”碼時(shí)就可能導(dǎo)致LED發(fā)光亮度的變化，進(jìn)而影響照明效果。因此，為解決上述問(wèn)題采用曼徹斯特編碼方式，如圖8所示。它是一種數(shù)字雙極性非歸零碼，編碼容易，且沒(méi)有直流分量，在每個(gè)碼元間隔的中心點(diǎn)都存在著電平跳變，其位定時(shí)信息豐富，有效地避免了由于出現(xiàn)長(zhǎng)“1”或長(zhǎng)“0”碼時(shí)導(dǎo)致的照明問(wèn)題。

圖8　曼徹斯特編碼方式

4　結(jié)果與討論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)白光LED直射到光電探測(cè)器上時(shí)，信號(hào)還原效果最好且通信距離最遠(yuǎn)達(dá)到了3.4 m。在該距離內(nèi)，信號(hào)波形可無(wú)失真輸出，通過(guò)音頻播放器可清新收聽(tīng)。圖9為信號(hào)傳輸過(guò)程中，利用數(shù)字示波器檢測(cè)并截留產(chǎn)生的收發(fā)兩端的語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)波形，接收到的波形與截取到的發(fā)射波形信號(hào)除幅值被放大外波形幾乎一致。

圖9　截取到的發(fā)射波形與接收波形

根據(jù)圖9所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，信號(hào)能夠完整地傳輸并還原，因此實(shí)現(xiàn)了單向語(yǔ)音通信的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)白光LED直射光電探測(cè)器時(shí)，信號(hào)還原效果最好且通信距離最遠(yuǎn)，達(dá)到了3.4 m的通信距離。當(dāng)白光LED沒(méi)有直射到光電探測(cè)器時(shí)，通信質(zhì)量隨著LED光源偏移探測(cè)器中心的程度逐漸變差，說(shuō)明收發(fā)端的對(duì)準(zhǔn)程度對(duì)信號(hào)的恢復(fù)影響較大，因此在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)注重對(duì)系統(tǒng)接收端的光學(xué)設(shè)計(jì)，以保證自由空間光通信的傳輸質(zhì)量。

5　結(jié)　論

基于白光LED的光通信技術(shù)，在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信，特別適用于地下停車場(chǎng)等地下場(chǎng)所。本文給出一種基于白光LED光源的地下停車場(chǎng)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合方案研究了空間單元的照度均勻度和光功率分布以及組建了語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)射端采用3 W的白光LED光源，有效通信距離可達(dá)3.4 m，終端利用音頻播放器可將語(yǔ)音信息清晰還原，實(shí)現(xiàn)了單向語(yǔ)音通信，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。為進(jìn)一步研究特定場(chǎng)所內(nèi)的白光LED通信技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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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.

遼寧省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題(JG16DB037)；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A11GX017，2014A11GX052，2014A11GX050).

汪廣業(yè)(1990-)，男，碩士研究生；通信作者：鄒念育(1964-)，女，教授.

TN929.1

A

1674-1404(2016)05-0378-05

汪廣業(yè)，高英明，王金鵬，陳艾琳，李萍，鄒念育.基于白光LED光源的地下停車場(chǎng)語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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.