可见光通信与WiFi融合下的智能控制技术研究_李室昆.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|173通信技术及基础设施建设可见光通信与WiFi融合下的智能控制技术研究李室昆，王强（通信作者）黑龙江大学物理科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150080摘要：随着社会的不断进步，通过射频或者微波信号的作用进行信息的传递收取的无线通信系统已经逐渐落伍，其作用和发展都受到了限制。当前绝大部分对于照明需求和光信号的传递的使用都是采用白色LED光源。而可见光通信在能够提供稳定的室内照明的同时，还可以进行快速的信息传递收取，其频谱丰富，带宽广泛且消耗低的优点使其迅速成为室内照明的主要材料，也被大众称之为新代信息传递介质。本次研究以短距离无线通信技术发展作为研究背景，通过蓝牙技术、语音交互技术和智能控制技术的相互作用结合以实现技术的创新和实用，在整体的研究过程中蓝牙作为信息接收块及信息源板块，智能家居作为信息输出作用，通过手机和语音进行智能控制，其信息无线传输的核心是视觉通信，从而探究可见光通信技术于WiFi融合下的智能控制技术。关键词：智能控制；可见光通信；WiFi中图分类号:TP212.6 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.040 0引言近代以来随着物联网的不断使用和发展，群众也逐渐认可和利用物联网。未来所有智能设备将以不同的方式连接，以实现智能控制。目前，根据连接方式的不同，通信方式通常分为有线和无线。有线通信采用有线光媒体进行信息传输，但是会进行物理布线，除了会给日常生活造成困扰之外还会影响到城市的整洁规划。但是无线通信则完全弥补了这一缺陷，因为无线通信的传播媒介不是线而是电磁波，所以完全避免了因为布线的问题而影响到城市和日常生活的问题1。随着用户对智能设备的要求越来越高，间接推动了无线通信技术的快速发展，促进了诸如ZigBee（ZigBee技术）、蓝牙低能耗（BluetoothLow Energy,BLE）、无线保真（WirelessFidelity,WiFi）和第三代/第四代通信技术（3G/4G）等无线通信技术的迅速发展。上述无线传输方式主要采用高频（RF）/微波通信技术2。但是随着使用而导致资源的日益减少问题又逐渐困扰着群众，为了能够节约资源选择节约无害的新能源，在不使用稀缺的频带资源的情况下，通过使用无线短距离资源通信新技术实现物联网为人类造福的宗旨。所以新的近距离无线通信系统：可见光通信（Visble light communication,VLC）被研发出来。从此宗旨出发，VLC光通信逐渐融入使用，同时人们希望VLC以后能够像WiFi那样方便生活，所以又称其为LiFi。此名来自light，希望带来光的同时也带来WiFi的方便和实用。1研究意义由于通信技术的不同特点，其应用情况也不同。室外或者大范围环境中，无线通信系统的信号设备必须具有较高的性能和比较低的频率，从而能够实现更大范围性的使用，因为人们的活动范围是比较大的。目前，WiFi的主要特点是体积小、使用方便，能够实现高速通信。但是随着日常生活以及使用者对于通信速率的要求逐渐提高，使用Mbit/s下行速率单元的WiFi已经不能满足于人们的生活和生产；而LiFi又拥有极高的下作者简介：李室昆，男，黑龙江大庆，硕士，研究方向：光学；王强，男，黑龙江青冈，硕士，教授，研究方向：光学。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术174|行速率，所以LiFi迅速成为通信技术的热门。最新调查数据显示，LiFi在一定的条件下可以达到Gbit/s范围内的速度。每个家庭都对照明有一定的要求，而大部分家庭照明使用的工具是LED，如果LED可以连接到互联网，那么每个家庭就不需要再花费一定经济和精力去处理路由器等问题。随着近年来信息技术的不断升级，半导体技术也逐渐变成熟，所产生的LED光源不仅反应快质量高，并且其使用寿命长3。在室内照明不受影响的情况下，通过可见光通信技术实现通过LED光源完成通信过程。而LED在高速情况下能够打开并发送数据。并且我们可以使用的可见光波长范围是380nm780nm，所以可见光技术和LED光源之间的融合是可行的。2可见光通信技术2.1可见光通信技术的优点（1）可见光通信系统的光谱丰富，其频谱范围广，并且其自由频带是3.9THz。（2）传播速度快，与传统的射频通信相比，当前特殊的LED的通信速率可达数百Gbps，其通信速率方面有大幅度提成。因此，对可见光通信的进一步研究是非常有前景的。（3）节能环保。以前我们使用的传统光源同时通过机械能、电能等转化为光能和热能，但是实际上其大部分能量都转变为了热能，所以其能源的利用率很低，而带来的后果就是因为高温而导致光源寿命剪短，降低能源效率，缩短高温光源的寿命，在生产过程中也会造成寿命减短，同时在过程中还会产生一定的污染气体或者材料，也会对我们的环境造成一定的污染。（4）生产制备简单。以往的射频通信设备不仅生产成本多，更是对于后期的维护需要大量的人力和物力，但是可见光通信设备其成本消耗不高且维护量比较小，但是带来的通信速度是更快的，而且可见光通信设备的适用方位更广，比如说在地下室射频信号是无法传递的，但是可见光通信技术可以实现信息的传递。（5）高度安全。因为可见光频率高并且波长短，所以其衍射作用就相对较弱，对于不透明的物体的穿透性也比较低。因为可见光通信的传播距离比较短，所以不仅可以进行对室内进行定位，还可以在室内进行短距离的信息传递。而且因为其衍射效果低，所以其在各个房间的不同可见光通信设备之间是互不影响的。（6）可见光所产生的电磁波是没有辐射伤害的，对我们的身体来说没有任何危害，但是传统的射频技术产生的电磁辐射则会对我们的身体产生一些负担和危害。（7）电磁之间无相互干扰。可见光通信设备之间不会相互影响，在传统的射频技术里面中如果出现对个技术同时在想听频带上使用则很可能产生一定的电磁干扰问题。在可见光通信中，因为使用的白色光是LED，所以不会产生电磁辐射问题，当然你也不会出现磁场干扰问题，所以可见光通信可以广泛应用于飞机、医院、办公楼等信息比较繁琐的地方。2.2可见光通信技术的不足（1）其传输距离受到限制。可见光的信号衰减速度比传统得快，所以其输出的距离只有几十厘米。所以也造成了可见光通信技术的局限性。（2）到目前为止对于可见光通信技术的发展和研究都需要通过大量昂贵的机械设备，其经济压力大并且携带不方便。（3）不适用于移动通信。可见光通信顾名思义需要可见的光。所以在黑暗环境中其发挥不了作用，只能在有光的条件下进行。除此之外，可见光通信在上行链路的使用中，在功率变大的情况，其使用者会因为光照变强而导致眼睛受伤，至少会刺到眼睛引起不适。3WiFi的发展和前景随着物联网的不断发展，人们对于物联网的依靠程度也越来越深，对于通信技术和安全成 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|175通信技术及基础设施建设本问题的要求也越来越严格。可见光通信技术发展到可以进入到人们的生活的方方面面的时候，那将是通信技术发展的重大里程碑。市场上有许多便携式电子设备，如智能手机和平板电脑。为了实现一般意义上的可见光无线通信（即通过“LiFi”），用户终端设备必须配备包含电源的无线传输和接收模块，以及使得光可以通过向上游传输数据的LED灯。实现这样的应用程序需要时间，考虑到WiFi是另一种无线通信技术，它可以无线连接多个终端设备。该技术基于IEEE 802.11系列的IEEE 802.11a、802.11b、802.11g和802.11n标准。如果是无线的。该设备配备了WiFi终端，用户可以随时从内置的WiFi热点访问网络，进行网页浏览、电子邮件和其他活动。因此，只要WiFi与可见光无线通信相结合，就可以为多个用户提供稳定的无线接入，实现高效的大规模接入4。目前，WiFi技术的研发已经达到了相当成熟的阶段，所以本次研究的主题是可见光通信技术于WiFi融合下的智能控制技术。4智能控制系统的研究运用成熟VLC系统，研究和设计系统的应用流程和应用场景。本章从通信系统的输入输出设备的角度，建立了电话、蓝牙通信等系统方法，并通过指令输入为VLC系统的实际应用奠定了基础。4.1语言交互技术如今的智能手机进行的信息传递较广，摄像头、麦克风、听筒等的信息输入输出装置能够进行丰富又具体的信息传递和交流，在不存在文本的时候，语言的沟通方式往往成为了最自然也是最有效的沟通方式。通过语音合成技术、语音识别以及其他技术等才能完成信息语音交互。语音对话技术在教育、健康、家庭领域有很大的应用前景。通过语音交互技术与短距离无线通信技术的结合，可以促进实现多个物联网项目，促进更高级的计算机交互技术的研究。本文中语音交互模块由如图1所示的五个部分完成，该模块的核心芯片采用IC路由提供的LD3320，可以完成非指定人员的语音信息的识别和转换，并且在LD3320之前和之后添加支持电路以获得目标声音模块。本次通过语音模块完成语音交互模块的建立，其核心芯片为IC路由提供的LD3320，可以准确完成语音信息的识别和转换工作，同时在LD3320的前后分别通过电路的加持实现、声音模块的建立，其工作流程图如图1所示。图 1语音交互模块在语音模块中，相关的语音传递到麦克风处，然后麦克风将语音信号传遍了模拟信号之后再通过前置处理电路把信息转变为AD，之后LD3320获取信息，并对进行识别。然后通过单片机将其转化为一定的数字信息。在单片机的范永忠可以根据实验的需求进行关系的确立。例如，像“Ke Jian Guang”这样的音节被输入麦克风，然后经过微处理器再将其出输出为“可见光”所以。语音面板用作系统信息源5。管理节点中，WiFi模块的作用是接收通过上行链路从设备节点发出的信号，然后通过串行端口通信从而向信号传递到管理节点出的MCU。然后通过GPIO向可见光传输电路发送高低电平，可见光传输电路识别高低电平，完成加载和传输。在设备节点中，WiFi模块和音频模块通过串口（UART）与MCU通信。声音模块充当信息源，通过串行端口向微控制器发送信息。WiFi模块将微控制器接收到的数据透明地发送到管理节点。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术176|PIN-PD将受到的光信号转变为电信号，然后再通过可见光接收器向微控制器发送高电平信号和低电平信号。4.2蓝牙通信输入设计当前可以选择的无线媒体主要是WiFi和蓝牙，因为这两个软件都存在于手机中，可以满足智能控制的要求，需要对两个进行比较以确定最佳选择，本次研究中WiFi已经成为双工VLC系统的上行链路了，所以在信息源选择中如果还是选择WiFi可能会影响到通信。所以选择蓝牙通信协议作为信息源。而此时，蓝牙可以将音频模板的信息传递给VLC系统作为信息源。当信息源本身就是银屏的时候可以直接进行串行通信的也就是可以直接连接。TX音频模块与设备节点A上的RX相连接，RX音频模块连接到设备节点A的TX以实现通信。选择蓝牙通信时。当选择蓝牙进行通信时，将蓝牙模块简介到设备节点A，这样做的原因是为了保证移动电话与VLC之间的顺利通信6。本文采用B0001蓝牙模块进行无线连接。B0001模块的蓝牙芯片为TI提供的CC2541芯片，与BLE4.0和2.0兼容，Ios设备需要BLE4.0协议，RAID设备需要BLE2.0协议，因此该模块可以与Android和iPhone手机兼容。图 3网蜂 B0001 蓝牙模块实物图手机通过蓝牙连接到VLC系统，VLC系统可以通过级手机进行控制，如图4.4，早基本的准备工作做完之后，WiFi模块、PIN-PD、微控制器芯片（MCU)、可见光接收电路、蓝牙模块及其他支持电路构成设备节点A和B。WiFi模块、蓝牙模块和LiFi接收电路通过串行端口（UART）与微控制器通信。在设备节点A中，蓝牙将数据传输给MCU，然后MCU的数据通过WiFi发送到管理节点，之后管理节点对信息进行OOK调试，然后从LED发出为光信号，PIN-PD在接收信号操