基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统
技术领域
本发明属于可见光通信技术技术领域，具体涉及一种基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统。
背景技术
由于当今信息科技水平的限制，人类开发和使用的频谱资源只有总资源的68％，并且10GHz的频谱由于其使用广泛，已接近枯萎，发展空间受限，用频矛盾十分突出，竞争日益激烈。英国政府在其颁布的《21世纪的频谱资源管理》白皮书中，明确提出引入频谱定价、频谱拍卖、频谱贸易等手段，据相关资料统计，在1995年至2011年间，美、英、德、法、韩等国为第三代和第四代移动通信网络，所拍卖的频谱价值高达1300亿美元。我国《物权法》的第46条至52条，规定电磁频谱具有国防资产的国有属性，列为稀缺的自然资源。为了缓解射频频谱资源严重紧缺的问题，使用无需授权认证且比无线频谱带宽高一万倍的可见光频谱，利用环保、低功耗的白光LED来传输信号的可见光通信技术越来越受到科研人员的青睐和重视。但是目前，室内可见光通信系统多采用固定接收方向的方式，移动性和灵活性较差，当接收方向改变时，接收机不能自动校准，从而使系统的通信质量受到影响。这种固定接收方向的通信方式有以下不足：
(1)该接收方式只能获取特定角度范围内的光信号，使用场景受到限制，无法对光源进行跟踪，不具备通信链路的主动选择能力，无法使系统的通信链路保持稳定。
(2)由于系统的通信性能与接收机和光源的有效接收面积呈正相关，当接收机与光源的相对角度发生变化时，会导致接收机接收到的光强信号变弱，导致系统的通信质量受到很大的影响，这种固定的接收方式也不能主动的调整接收方向，实现对准光源的跟踪和对准。
但对于室内VLC的实用性而言，不应单独注重通信速率，还应该考虑接收移动性和灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统，解决了现有技术中可见光不能自动调整接受方向的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统，包括有发射端、接收端和含有光敏电阻的白光LED的跟踪单元；
发射端是生成原始数据信号，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；
接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的定位与跟踪功能；
白光LED跟踪单元包括有依次连接的光敏电阻、运算放大电路、STM32单片机及舵机驱动单元；
光敏电阻用于接收发射端产生的白光LED光照强度，并输出电信号，经过运算放大电路输出到STM32单片机；STM32单片机接收运算放大电路输出的模拟电信号，并将其转换成数字信号，通过计算STM32单片机中的每一对通道对模数转换后的数字信号经过PID控制算法控制舵机驱动单元转动，实现对白光LED光源的跟踪。
本发明的特征还在于，
发射端包括有依次连接的模拟摄像头、视频编码器、第一以太网卡、第一FPGA、DAC电路、LED驱动电路和白光LED；
模拟摄像头获取原始的视频图像，然后传送到视频编码器将原始的视频图像数据转换成H.264格式的数字信号，转换好的H.264格式的数字信号接着通过网线传输到第一以太网卡，通过第一以太网卡将H.264格式的数字打包成数据帧格式，然后将打包后的数据帧传送给第一FPGA；第一FPGA从第一以太网卡中接收打包后的数据帧，并对其进行四进制差分相移键控调制；DAC电路接收到第一FPGA调制后的数字调制信号后将其转换成模拟调制信号，传送到LED驱动电路；LED驱动电路是将DAC电路输出的模拟调制信号转换为电流信号并用于驱动白光LED发光，生成调制光波信号；白光LED发出的光调制信号传送给接收端，白光LED产生的光照强度由光敏电阻接收，白光LED以灯亮灯灭的形式发送高速明暗闪烁的数据信息，由于闪烁频率高于人眼的分辨力，故肉眼无法察觉到闪烁现象，传输数据时灯亮表示二进制数据“1”，灯灭表示二进制数据“0”；其中，第一FPGA实现下行信号调制以及第一以太网卡和DAC电路驱动。
接收端包括有依次连接的PIN光电探测器、光电接收电路，ADC电路，第二FPGA，第二以太网卡以及信宿；
光电接收电路驱动PIN光电探测器接收白光LED发出的光调制信号，并将其转换成电流信号，经过光电接收电路的滤波和放大处理后转换成可识别的电压信号，ADC电路接收光电接收电路生成的电压信号，通过设置采样周期将其转换成数字信号，并发送到第二FPGA；第二FPGA对接收到的数字信号进行极性Costas环解调，恢复出原始的数据信号，由第二以太网卡通过网线发送给信宿，最终实现电信号-光信号-电信号的无线数据传输；其中，第二FPGA实现下行信号解调以及第二以太网卡和ADC电路驱动。
视频编码器为亿维锐创网络视频编码器，型号为YW6001D。
第一以太网卡及第二以太网卡的型号均为DM9000。
本发明的有益效果是：主动获取光源信息，不受接收的方向限定，当信号光源与接收机的相对角度发生变化时，可以通过调整接收方向对准光源，以确保能够及时建立新的通信链路，实现移动定向的接收。
附图说明
图1是本发明基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统的结构示意图；
图2是本发明自动对准系统使用时PIN光电探测器与光敏电阻的固定装置示意图。
图中，1.模拟摄像头，2.视频编码器，3.第一以太网卡，4.第一FPGA，5.DAC电路，6.LED驱动电路，7.白光LED，8.光电接收电路，9.ADC电路，10.第二FPGA，11.第二以太网卡，12.信宿，13.PIN光电探测器，14.光敏电阻，15.运算放大电路，16.STM32单片机，17.舵机驱动单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统，如图1所示，包括有发射端、接收端和含有光敏电阻的白光LED的跟踪单元；
发射端是生成原始数据信号，控制白光LED发出光调制信号传输给接收端；
接收端是接收发射端白光LED发出的光调制信号，并恢复出原始信号；
白光LED跟踪单元用于对发射端白光LED的定位与跟踪功能；
白光LED跟踪单元包括有依次连接的光敏电阻14、运算放大电路15、STM32单片机16及舵机驱动单元17；
光敏电阻14用于接收发射端产生的白光LED光照强度，并输出电信号，经过运算放大电路15输出到STM32单片机16；STM32单片机16接收运算放大电路15输出的模拟电信号，并将其转换成数字信号，通过计算STM32单片机16中的每一对通道对模数转换后的数字信号经过PID控制算法控制舵机驱动单元17转动，实现对白光LED光源的跟踪。其中使用C语言编写PID控制算法在STM32S单片机上实现对舵机驱动单元的控制。
发射端包括有依次连接的模拟摄像头1、视频编码器2、第一以太网卡3、第一FPGA4、DAC电路5、LED驱动电路6和白光LED7；
模拟摄像头1获取原始的视频图像，然后传送到视频编码器2将原始的视频图像数据转换成H.264格式的数字信号，转换好的H.264格式的数字信号接着通过网线传输到第一以太网卡3，通过第一以太网卡3将H.264格式的数字打包成数据帧格式，然后将打包后的数据帧传送给第一FPGA4；第一FPGA4从第一以太网卡3中接收打包后的数据帧，并对其进行四进制差分相移键控调制；DAC电路5接收到第一FPGA4调制后的数字调制信号后将其转换成模拟调制信号，传送到LED驱动电路6；LED驱动电路6是将DAC电路5输出的模拟调制信号转换为电流信号并用于驱动白光LED7发光，生成调制光波信号；白光LED7发出的光调制信号传送给接收端，白光LED7产生的光照强度由光敏电阻14接收，白光LED7以灯亮灯灭的形式发送高速明暗闪烁的数据信息，由于闪烁频率高于人眼的分辨力，故肉眼无法察觉到闪烁现象，传输数据时灯亮表示二进制数据“1”，灯灭表示二进制数据“0”；其中，第一FPGA4实现下行信号调制以及第一以太网卡3和DAC电路5驱动。
接收端包括有依次连接的PIN光电探测器19、光电接收电路8，ADC电路9，第二FPGA10，第二以太网卡11以及信宿12；
光电接收电路8驱动PIN光电探测器19接收白光LED7发出的光调制信号，并将其转换成电流信号，经过光电接收电路8的滤波和放大处理后转换成可识别的电压信号，ADC电路9接收光电接收电路8生成的电压信号，通过设置采样周期将其转换成数字信号，并发送到第二FPGA10；第二FPGA10对接收到的数字信号进行极性Costas环解调，恢复出原始的数据信号，由第二以太网卡11通过网线发送给信宿，最终实现电信号-光信号-电信号的无线数据传输；其中，第二FPGA10实现下行信号解调以及第二以太网卡11和ADC电路9驱动。
视频编码器2为亿维锐创网络视频编码器，型号为YW6001D。
第一以太网卡3及第二以太网卡11的型号均为DM9000。
基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统的工作原理：
在基于光敏电阻的室内可见光通信自动对准系统中，如图2所示，发射端的白光LED7可以放置于天花板上，在为室内提供照明的同时进行数据传输。接收端和白光LED7的跟踪部分位于各类信息终端上，可以捕获光源主动对通信链路进行选择，灵活调整接收端的接收方向对下行链路信息进行接收，实现高质量的可见光通信。使用光敏电阻14对光源的位置进行识别，通信使用PIN光电探测器，采用通信接收与方向判别相分离的方式，白光LED跟踪单元中使用四个光敏电阻(分别命名为1号光敏电阻、2号光敏电阻、3号光敏电阻及4号光敏电阻)，每对光敏电阻要完全对称的安装在光照接收面的两侧。通过光敏电阻14，进行光源位置变化的检测，通过控制舵机驱动单元实现对光源的及时跟踪。
该白光LED的跟踪方法采用闭环控制，可以通过反馈消除误差，在白光LED跟踪单元中使用四个光敏电阻，只有当发射端的白光LED照射的光垂直照射在接收面上时光敏电阻才会完全处于光照区，此时会输出大小相同的两个电信号，运算放大电路接收这两个电信号并经过STM32单片机16中模数转换功能，对称通道中会输出为零的信号差，将不会启动跟踪装置。当白光LED照射的光不垂直照射在接收面上时，接收面两侧的光敏电阻14所接受的白光LED的光照强度有所不同，此时运算放大电路会输出大小不同的两个电信号，再输入STM32单片机16中经过模数转换，对称通道中会输出信号差。当信号差达到一定的阈值时，PID控制器将会启动舵机驱动单元跟踪光源，减少信号差直至信号差在一定的阈值范围内时才停止舵机驱动单元，即完成对光源的跟踪，此时PIN光电探测器13接收到的光强信号最好，系统的通信质量也最好，通过对白光LED的跟踪使PIN光电探测器13始终处于对LED信号的最佳接收方向。该方法结构简单，并且不需要人为的操作便可以对白光LED进行自动跟踪，实现高质量的可见光通信。其中1号光敏电阻和4号光敏电阻将接收到发射端白光LED的光强信号转换成电信号经过运算放大电路输出的信号，再经过STM32单片机16内部转换成数字信号的信号差经过PID控制算法用于控制y轴方向的舵机驱动单元17。2号光敏电阻和3号光敏电阻将接收到发射端白光LED的光强信号转换成电信号经过运算放大电路输出的信号，再经过STM32单片机16内部转换成数字信号的信号差经过PID控制算法用于控制x轴方向的舵机驱动单元17。将接收端的PIN光电探测器13放置在中间，并平行固定在一起，让PIN光电接收器13与光敏电阻14一起同步运动，这样PIN光电接收器13就与光敏传感器是相对静止的，使接收端可以同时实现光电接收和目标光源的识别跟踪。实现了照明，下行链路的通信和光源的识别跟踪的功能。
