基于STM32的室内可见光通信系统

封蔚鸿 葛 冬 吴远兮 张而弛



基于STM32的室内可见光通信系统

封蔚鸿 葛 冬 吴远兮 张而弛

东南大学，江苏 南京 211189

提出了一种室内LED可见光通信系统。该系统利用STM32通过编程从端口产生编码调制后的电信号，该电信号驱动LED发送高速变化的光信号。在接收端，光信号被PIN二极管转换为电信号，电信号在经过解码之后还原出信源信息。

可见光通信；LED；STM32

引言

新世纪以来随着人们对无线通信的需求呈激增之势，无线频谱资源短缺的问题逐步显现出来，而可见光作为尚未被利用的电磁波频段正是解决此问题的理想途径。同时，在照明领域，白光LED具有功耗小，寿命长，高光效，易于高速调制与响应的优点，从而使得其可以实现通信与照明的融合[1]。

LED可见光通信技术（VLC）利用了可见光LED作为照明光源，在其发射端将信源进行电信号调制，调制后的信号加载到LED上，驱动LED发射高于人眼分辨频率的光载波信号。经过自由空间的传输后，接收端通过光电二极管等光电转换器件将收到的光信号转化为电信号，随后经过均衡，判断，解码等过程还原出原信息，从而完成数据的传输。本文重点考察VLC技术在室内定位中的应用。

1 编码调制

在发射端，本文首先考虑的是编码问题，本次实验采取将编码数据通过开关键控编码调制从而控制发射信号。首先考虑用ASCII的二进制形式作为信源，给每盏灯一个不同的字母数字组合编号，然后通过对应ASCII码表将其转换成二进制01序列进行信息调制，然后通过LED灯发射出来。考虑到这是一个循环发送的过程，接收端还需要判断这串ASCII码序列的起始位和终止位，对解码要求较高，在外界干扰较大的情况下，容易产生误码现象，还可能遇到循环移位后相等的编码情况；而且按位发送等间隔的光脉冲信号，光的强度与方波的占空比相关，不同的灯会因为编码中0所占的比例不同而光强不同，不符合现实情况，于是改进了编码方案。现在采取的方式是根据灯的数量和所需的光强，通过软件编程求得循环不相同的等长01序列，其中0所占的比例固定，然后通过脉冲幅度调制将其转化为电信号从而控制LED发送信号。这样，每盏灯按照相同的频率循环发送各自的编码，接收端截取任意等长序列可以通过循环移位的方式判断是哪盏灯的序列，从而既统一了光强又简化了接收端的解码过程。

比如该系统模型有四盏灯，当发射方波平均占空比为77.8%时（此时光强较强），可以采取如下编码方式见表1。

显然当灯的数量增加，光强增加时，编码长度不断增加，由于发射每位编码的频率远高于肉眼可分辨的频率，所以这种编码并不影响照明。考虑到日光或者其他照明灯光的影响，本文采用光强较强的九位编码方式进行编码。本系统采取二进制启闭键控的调制方式（OOK），没有在编码信号头尾加起始位和结束符也没有加校验位，如果传输中发生误码，即采取最大似然估计的方式进行译码。二进制启闭键控是脉冲幅度调制的一种，本文将一个幅度设为0，另一个幅度设为5V，以单极性不归零方式对编码进行调制，这种调制方式实现技术较为简单，在光通信中振幅键控调制方式获得广泛应用。

表1 77.8%发射占空比的编码 灯编号1234 主编码111111100111111010111110110111101110 循环移位011111110011111101011111011011110111 循环移位001111111101111110101111101101111011 循环移位100111111010111111110111110110111101 循环移位110011111101011111011011111111011110 循环移位111001111110101111101101111011101111 循环移位111100111111010111110110111101110111 循环移位111110011111101011111011011110111011 循环移位111111001111110101111101101111011101

2 功率放大模块

LED是一个将电流变化转化为光功率变化的电流驱动元件。由于本文所使用的STM32ARM开发板管脚输出功率最大值仅为5W，若输出功率不足，则无法完全反应LED的电流变化。因而若要完全驱动LED灯珠，则需要将STM32开发板管脚输入信号功率通过功率放大电路进行放大，将通过功率放大电路后的电信号连接LED灯珠进行驱动。

3 驱动电路

通过LED灯珠的发光伏安特性曲线可以得到，当且仅当LED灯珠正向电压导通并且处于线性工作区时才能发光。所以当调制信号功率较小时，LED灯珠正向电压并不处于线性工作区，使得LED无法发光。但若通过功率放大器将信号放大的足够大时，LED将超出线性工作区，在这个情况下，对整个电路添加一个偏置电流或者偏置电压便能较好的解决这一情况，再将该偏置电压或电流叠加到适当放大后的调制信号，通过该信号驱动LED[2]。

4 聚光模块

LED光通信系统中，发射端的主要作用是通过驱动和调制装置将所要传输的信号加载到LED信号上，接收端利用利用光电转换器件将光载波上的信号进行处理。由于收发装置点对点通信技术要求较高，因此需要聚光模块。本文采用的LED是CREE公司的XPGWHT-L1-1D0-R5-0-05，工作功率为5W，工作电压2.9～3.25V，工作电流1500mA，由于发光角度为125度，所以传输距离较短，只能有10cm左右的有效传输距离，并且两个距离比较近的LED容易互相干扰。因此需要在LED之后安装聚光器，安装聚光器之后，可以把传输距离增加到60～80cm。

5 光电转化模块

光电转化模块主要利用光电转换器件通过光电效应将光信号转化为电信号。常用的光电转换器件有光敏电阻和PIN光电二极管等。相比于其他光电二极管，PIN光电二极管有反向电压小，渡越时间短，灵敏度高，温度敏感性低，廉价，尺寸小等优势，因此本文使用的是PIN光电二极管。

图1 光电转换模块的电路连接图

图1是本文使用的光电转换模块的电路连接图，该模块使用LM393芯片，并用6V的直流电压源对其供电。在该电路中，利用电位器和一个保护电路的电阻分压作为LM393的反向输入，即为图中的比较电压，通过调节可以使得比较电压大于在自然光条件下的PIN光电二极管输出，且小于PIN光电二极管接收到发射部分光信号之后的输出电压。电源接通之后，当PIN光电二极管输出电压大于比较电压时，LM393输出高电平；反之，LM393输出低电平。并且输出可以保持发射端发送信号的波形。

6 接收机解调

在接收端，通过引脚将光电转换模块的电信号输入STM32单片机，按照信号编码调制模块所规范的传输协议来进行解调该电信号[3]。当引脚接收到电信号，本文以三倍于信号发射频率对接收信号进行采样，将采样信号每27位为一个数组，通过每三位的平均值判断发送信号是“0”还是“1”，以降低采样中的误码率并防止发射信号与接收采样因时钟不同步或者多径延迟导致的相位不一致而造成的边缘无法准确采集的问题。然后将每组采样信号解调成9位编码，与存储在单片机中的LED编号编码数据库进行移位循环匹配，因为编码码本都是循环不相同的，所以无需判断起始位置便可以唯一译码。通过移位比对出原码，从而判断出该信号来源LED编号，进而知晓接收装置所处于的位置，这样本文就能根据客户所在位置更为准确地发送相应的推送信息。

7 结论

本文建立了用基于STM32单片机的室内光通信系统，在发射部分根据灯的数量和所需的光强，通过软件求得循环不相同的等长01序列，单片机输出的信号经过放大后驱动LED产生带有编码信息的光信号。接收部分使用BPX61光电管作为光电转换的核心装置，通过光电管将LED所发射的光信号（此信号已通过滤光镜使其满足BPX61的感光特性）转换为电信号，最终将此电信号输回单片机经过抽样，判断，解码等过程还原出原信息。至此本文以超市通信定位为例具体阐述了可见光VLC通信技术的应用。由于LED灯拥有高效，节能，环保等不可替代的优势，在能源紧缺的当下，LED灯将更多地应用于室内照明中，同时以此为基础的可见光通信系统也会在室内智能化领域占有一席之地。

[1]王一妹，李欢.LED照明通信系统[J].电子制作，2014（16）：44-45.

[2]王宇，冯进良，段靖远.VLC信号的时频域分析算法及实现研究[J].中国新通信，2016，18（1）：54-55.

[3]杨林.基于STM32的电梯并联群控CAN通信系统的设计[J].中国电子商情：科技创新，2014（5）：8.

STM32 Indoor Visible Light Communication System Based on

Feng Weihong Ge Dong Wu Yuanxi Zhang Erchi

Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189

This paper presents a indoor LED visible light communication system. The system uses an electrical signal generated code modulation from STM32 ports programmed after the electrical signal driving the light signal transmitting LED rapidly changing. At the receiving end, the optical signal is converted into an electrical signal PIN diode, the electrical signal after an information source decode the information.

visible light communication; LED; STM32

TN929.1

A

1009-6434(2016)07-0077-03

封蔚鸿（1995—），男，汉族，南京，本科在读，研究方向为通信，单位为东南大学。