物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things） 通過組建“物-物”網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)萬物高效、安全、便捷的連接，能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理各種設(shè)備的目的。“物-物”網(wǎng)絡(luò)的組建需要借助有線或者無線通信技術(shù)。有線通信技術(shù)雖然安全可靠，但是布線成本很高且不便于移動(dòng)，所以無線通信在物聯(lián)網(wǎng)中逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。隨著各種無線通信業(yè)務(wù)需求的增加，無線電頻譜資源變得越來越擁擠，鄰頻干擾問題也越來越嚴(yán)重，因此必須拓展新的無線頻譜資源。太赫茲、可見光已經(jīng)成為 6G 通信的備選頻段。

可見光通信（Visible Light Communication）利用發(fā)光二極管發(fā)出明暗變化的信號(hào)來傳輸信息，它是一種新的無線光通信手段，具有速率高，安全性好，可以在電磁敏感區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)。2000 年，日本 KEIO 大學(xué)的 Tanaka、Komine、Sugiyama 等人提出基于室內(nèi)照明 LED 燈的可見光構(gòu)建無線家庭鏈路的概念。2008 年，歐盟啟動(dòng)了包含可見光通信的歐米伽計(jì)劃，美國成立了從事可見光通信技術(shù)研究的智能照明中心。 同年，中國科學(xué)院安排半導(dǎo)體

研究所基于可見光通信技術(shù)開展半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)研發(fā)。2013 年，國家 863 計(jì)劃和 973 計(jì)劃資助國內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)開始從事可見光通信技術(shù)研究，后來取得了一系列研究成果。2019 年，歐洲地平線計(jì)劃 H2020 資助了可見光通信的物聯(lián)網(wǎng)研究。預(yù)計(jì)，可見光通信技術(shù)的商用化將進(jìn)一步加快。

現(xiàn)在商用的智能家居系統(tǒng)源于 WHL（Wireless Home Link）的概念，多使用紅外（IR） 或射頻（RF）通信技術(shù)。隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，被譽(yù)為“綠色照明”的白光 LED 已經(jīng)占據(jù)了主要市場(chǎng)，由于燈光信號(hào)具備室內(nèi)全覆蓋的特點(diǎn)，其控制范圍遠(yuǎn)大于手持紅外遙控器。本文作者所在研究團(tuán)隊(duì)從 2008 年開始從事可見光智能家居系統(tǒng)的研究，希望將 LED 照明燈具的價(jià)值最大化。現(xiàn)有可見光智能家居系統(tǒng)的研究多使用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)技術(shù)，接收終端抗低頻噪聲干擾能力差，本文提出將紅外協(xié)議應(yīng)用于可見光智能家居領(lǐng)域，能使帶有紅外遙控接收功能的家用電器和物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行終端在保留原有紅外遙控功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)紅外和可見光的雙模控制。根據(jù)國家照明標(biāo)準(zhǔn)，建筑物內(nèi)照度要求最低的環(huán)境是車庫，為30Lux，加上燈光閃爍條件的限制，LED 燈具發(fā)送低頻信號(hào)時(shí)的照度變化將極小。可見光智能家居系統(tǒng)能夠檢測(cè)微弱光信號(hào)的變化，意味著它支持受控終端大范圍的移動(dòng)，能真正實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的萬物光互連，有望解決工業(yè)電磁環(huán)境下工業(yè)機(jī)器人無線操控的技術(shù)難題。

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，建立了可見光智能家居系統(tǒng)的信道模型，并進(jìn)行理論分析及數(shù)據(jù)仿真，得到了該可見光智能家居系統(tǒng)在防閃爍前提下正確操控的最大通信范圍；使用研制的可見光、紅外雙模光接收器搭建了兼容紅外的可見光智能家居控制系統(tǒng)；測(cè)試了家用LED 燈具對(duì)可見光智能家居系統(tǒng)控制的范圍與正確率，驗(yàn)證了新技術(shù)方案的可行性和理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.理論推導(dǎo)

紅外通信和可見光通信系統(tǒng)都包括光的調(diào)制、光電的轉(zhuǎn)換和電信號(hào)的解調(diào)這三個(gè)主要部分。常用紅外遙控器是“亮-滅”調(diào)制，雖然常用載波頻率是 38KHz，但紅外協(xié)議中信號(hào)頻率最低為 25Hz 左右，為了不影響可見光 LED 的照明效果，在 LED 發(fā)送紅外協(xié)議格式的信號(hào)時(shí)， 需要使用“明-暗”的調(diào)制方式，即限制其調(diào)制深度。調(diào)制深度的定義為：光信號(hào)最大值與最小值的差除以光信號(hào)最大值與最小值的和。因此調(diào)制深度越小，LED 燈發(fā)送信號(hào)時(shí)造成的“閃爍”現(xiàn)象就越不明顯，但是其通信范圍也越小。因此本文將通過公式推導(dǎo)和軟件仿真去計(jì)算在調(diào)制深度為閃爍臨界值的時(shí)候，可見光智能家居系統(tǒng)的信號(hào)有效覆蓋范圍，以驗(yàn)證其實(shí)用性。

1.1 光功率模型

圖 1 是朗伯光源的信道模型示意圖，其中 d 為光源與接收器的直線距離；? 為 LED 和接收器連線與 LED 光軸的夾角；?1 2 為 LED 輻射強(qiáng)度半角； ? 為接收器表面法線與入射光線的夾角。可見光智能家居系統(tǒng)傳輸?shù)氖堑退傩盘?hào)（載波頻率為 38KHz），因此可見光多徑效應(yīng)引起的碼間干擾可以忽略。假設(shè)墻壁反射系數(shù)為 0.81，則平均接收光功率中四側(cè)墻反射光貢獻(xiàn)率為 27.58%。因?yàn)榉瓷涔夤β逝c墻壁的反射系數(shù)成正比，本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境為長過道，只需考慮兩側(cè)墻壁的發(fā)射，該墻壁反射系數(shù)為 0.5，所以反射光功率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于 27.58%。為了充分證明可見光智能家居系統(tǒng)信號(hào)大范圍覆蓋的能力，將在不考慮反射光對(duì)光信號(hào)的增益的前提下來計(jì)算信號(hào)有效覆蓋范圍。

圖1 朗伯光源的信道模型示意圖

已知朗伯光源模型的輻射公式為：

式中： R（θ）為輻射強(qiáng)度； Ps 為發(fā)射光功率； m 為 LED 的輻射方向性指數(shù)：

由表 1 可知LED 的半功率角為 60°，因此 m=1。

表 1 仿真參數(shù)

圖2 LED燈板

由于 LED 是非相干光源，所以 LED 陣列光源可以采用朗伯模型。建立一個(gè)長、寬、高為30m×2.1m×2.6m 的室內(nèi)走廊空間模型（由于普通房間無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)試，所以選用走廊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)），將 LED 燈板的位置設(shè)為（5，1.05，2.5），接收器水平放置在距離地面 0.25m 的高度。光源如圖 2 所示，為一個(gè) 20×12 陣列的 LED 燈板，LED 的間距為 20mm，燈具的工作電流為260mA，工作電壓為37.2V，故LED 燈的電功率約為9.7W。每顆LED 的位置為（xn ，yn ，2.5），接收器的中心位置為（x ，y ，zh）， zh 表示接收器到地面的距離，則 LED 到接收器中心的距離可表示為：

接收器接收到單顆 LED 發(fā)射的光功率可表示為：

式中： PT 為發(fā)射光功率； S 為接收器的面積； Gf （φ） 為光學(xué)濾波器的增益； G（φ） 為光學(xué)集中器的增益；φFOV 為接收器視場(chǎng)角。圖 3 為接收器的相對(duì)輻射特性曲線，可以看出其接近于余弦的二分之三次方，因此光學(xué)集中器的增益G（φ） 可以表示為：

式中： A 為光學(xué)集中器 0°所對(duì)應(yīng)的增益。

圖 3 接收器相對(duì)輻射特性曲線

由于 LED 光源為非相干光源，且Cosθ=cosφ （2.5 - zh ）/dn，所以接收器接收 LED 燈具發(fā)射的光功率可以表示為：

1.2最小接收光功率

照明最常用熒光型 LED 的光譜主要覆蓋藍(lán)光和黃光兩個(gè)波段。圖 2 所示 LED 陣列使用的 LED 是 GT3528，圖 4（a）是其光譜分布曲線，其光譜分布覆蓋 380-780nm。本文設(shè)計(jì)的一體化光接收器 GT59438R 光譜響應(yīng)特性曲線如圖 4（b）所示，其光譜響應(yīng)范圍在 350nm 到1100nm，不僅可以響應(yīng)可見光波段的光信號(hào)，還可以響應(yīng)紅外波段的光信號(hào)。

圖4 LED光譜分布曲線與接收器光譜響應(yīng)曲線。（a）LED；（b）光接收器

由公式7：

式中：Ee min （λ） 為使接收器正常工作的最小輻射照度； Pth （λ） 為通量閾；imin 為使接收器正常工作的最小光生電流； S 為接收器的有效面積； R（λ） 為接收器的光譜響應(yīng)曲線。設(shè)：

其中K 為接收器接收到的 LED 光束峰值波長對(duì)應(yīng)的光功率。因此對(duì)于 LED-GT3528 光源，該接收器至少需要接收到的光功率為：

1.3閃爍融合條件

設(shè)計(jì)閃爍感知實(shí)驗(yàn)：邀請(qǐng) 10 位被試人員（5 男 5 女），在不同環(huán)境亮度條件下分別測(cè)試被試人員非直視和直視時(shí)對(duì)閃爍的感知情況，每種條件下發(fā)送 10 次遙控信號(hào)。其中環(huán)境亮度條件 1：晴天開燈，室內(nèi)測(cè)試燈具下 1m 處的照度為 300Lux-400Lux；環(huán)境亮度條件 2：晴朗白天，室內(nèi)測(cè)試燈具下 1m 處的照度為 160Lux-200Lux；環(huán)境亮度條件 3：白天拉上窗簾，室內(nèi)測(cè)試燈具下 1m 處的照度為 0Lux-1Lux。被試人員認(rèn)為感覺不到閃爍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 2 和表 3 所示，其中調(diào)制深度的計(jì)算：取 LED 燈具不發(fā)送信號(hào)時(shí)的照度作為光信號(hào)最大值；取發(fā)送 38KHz 方波時(shí)的照度作為光信號(hào)最小值。測(cè)量位置位于 LED 燈具下 1m，不發(fā)送信號(hào)時(shí)照度固定為 364.3Lux。

表 2 非直視條件下被試人員對(duì)閃爍的感知

表 3 直視條件下被試人員對(duì)閃爍的感知

根據(jù) IEEE 2015 年發(fā)布的 LED 調(diào)制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng) LED 的閃爍頻率 f ? 90Hz 時(shí)，調(diào)制深度應(yīng)小于 f ? 0.025% 。已知紅外協(xié)議 NEC 格式的信號(hào)最低頻率為 25Hz，則調(diào)制深度應(yīng)小于25Hz? 0.025=0.625% ，符合閃爍感知實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因此可將LED 燈具的調(diào)制深度設(shè)為0.46% 。

1.4控制范圍分析

經(jīng)測(cè)試計(jì)算，實(shí)驗(yàn)用 LED 燈具調(diào)制深度為0.46% 時(shí)，單顆LED 光功率變化約為 9mW。圖 5 是發(fā)射光功率為 9mW、 zh 為 0.25m 條件下室內(nèi)模型的光功率分布圖，可以看出光功率等于13nW 的點(diǎn)與燈具的水平距離為 14m，即該套可見光智能家居系統(tǒng)的有效控制范圍是一個(gè)半徑為 14m 的圓，面積約為 616m2。

圖5 zh =0.25m 時(shí)接收功率分布圖

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1調(diào)制電路與接收器設(shè)計(jì)

調(diào)制模塊的原理框圖如圖 6（a）所示，聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)將控制指令發(fā)送給 Wi-Fi 模塊，然后傳遞給 STM32 單片機(jī)，STM32 單片機(jī)將接收到的控制指令進(jìn)行編碼，最后經(jīng)過調(diào)制電路加載到 LED 燈具上轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)。

圖 6 調(diào)制模塊。（a）原理框圖（b）實(shí)物圖

一體化光接收器 GT59438R 實(shí)物圖見圖 7（b），主要使用金絲球焊技術(shù)將光電探測(cè)器和電路芯片連接在一起，然后采用雙酚 A 型透明環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行封裝。原理框圖如圖 7（a） 所示，電路芯片中的放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為較大的電壓信號(hào)，經(jīng)過帶通濾波器濾除噪聲后傳給解調(diào)電路恢復(fù)出控制指令。

圖 7 一體化光接收器。（a）原理框圖（b）實(shí)物圖

2.2系統(tǒng)搭建

為了測(cè)試該智能家居系統(tǒng)對(duì)可見光及紅外控制指令的響應(yīng)情況和上述計(jì)算仿真的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖 8 所示的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，其中實(shí)驗(yàn)選用的遙控機(jī)器人型號(hào)為雄勝星寶戰(zhàn)士 3。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試圖。（a）基于大功率LED照明燈的可見光智能家居系統(tǒng)；（b）遙控機(jī)器人

3.系統(tǒng)測(cè)試與分析

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，令 LED 燈具發(fā)送紅外協(xié)議格式的遙控指令，通過測(cè)試接收終端對(duì)控制指令的正確響應(yīng)率，表征基于可見光通信的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的誤碼率。

對(duì)于如圖 8 所示基于 LED 燈具的智能家居系統(tǒng)，點(diǎn)擊手機(jī)遙控器面板——機(jī)器人的“前進(jìn)”和“后退”按鈕各 10 次，重復(fù) 10 次并記錄測(cè)試結(jié)果。然后，使用機(jī)器人原裝的紅外遙控器進(jìn)行相同的測(cè)試步驟，并記錄測(cè)試結(jié)果。如表 4 所示，兩個(gè)機(jī)器人均能響應(yīng) LED 照明燈的遙控信號(hào)，正確率為 100%；同時(shí)，對(duì)紅外遙控器的響應(yīng)正確率也為 100%。

表 4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中，可見光控制系統(tǒng)的直線控制距離比紅外遙控器的略大，并且由于紅外遙控器的控制角度比較小，所以可見光智能家居系統(tǒng)的控制范圍比紅外遙控器大很多。該可見光智能家居系統(tǒng) 9.7W 燈具的最大有效控制距離的測(cè)試結(jié)果是 14.3m（對(duì)應(yīng)圓形有效控制范圍 642m2），與仿真結(jié)果 14m 間的相對(duì)誤差為 2%。分析原因，2%的相對(duì)誤差是忽略反射光的信號(hào)增益等因素造成的。

由于實(shí)際生活中電器一般放置于房間的邊角處，此時(shí)墻壁的反射光會(huì)使得實(shí)際控制距離比仿真結(jié)果更大，因此實(shí)際使用時(shí)該可見光智能家居系統(tǒng) 9.7W 燈具的的控制范圍會(huì)大于616m2。

4.結(jié) 論

通過計(jì)算與仿真，獲得了 20×12 陣列、功率為 9.7W 的 LED 燈具發(fā)送低速紅外協(xié)議格式信號(hào)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)控制終端的最大控制距離和范圍分別為 14m 和 616m2。在實(shí)驗(yàn)室搭建了可見光智能家居系統(tǒng)的實(shí)物平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)際最大控制距離為 14.3m，與理論計(jì)算的結(jié)果 14m 間相對(duì)誤差為 2%，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)的調(diào)制深度限制在 0.46%，滿足IEEE 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，證明了在不影響照明功能的前提下，用功率為 9.7W 的 LED 燈具搭建物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，在 642m2 范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)兼容紅外的可見光有效控制。