物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things） 通過組建“物-物”網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)萬物高效、安全、便捷的連接，能達到實時監(jiān)控、管理各種設(shè)備的目的?！拔?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，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。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，歐盟啟動了包含可見光通信的歐米伽計劃，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 計劃和 973 計劃資助國內(nèi)的科研團隊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，歐洲地平線計劃 H2020 資助了可見光通信的物聯(lián)網(wǎng)研究。預(yù)計，可見光通信技術(shù)的商用化將進一步加快。

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，被譽為“綠色照明”的白光 LED 已經(jīng)占據(jù)了主要市場，由于燈光信號具備室內(nèi)全覆蓋的特點，其控制范圍遠大于手持紅外遙控器。本文作者所在研究團隊從 2008 年開始從事可見光智能家居系統(tǒng)的研究，希望將 LED 照明燈具的價值最大化?，F(xiàn)有可見光智能家居系統(tǒng)的研究多使用強度調(diào)制和直接檢測技術(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，實現(xiàn)紅外和可見光的雙?？刂?。根據(jù)國家照明標準，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)送低頻信號時的照度變化將極小?？梢姽庵悄芗揖酉到y(tǒng)能夠檢測微弱光信號的變化，意味著它支持受控終端大范圍的移動，能真正實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、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)機器人無線操控的技術(shù)難題。

本文針對物聯(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)；測試了家用LED 燈具對可見光智能家居系統(tǒng)控制的范圍與正確率，驗證了新技術(shù)方案的可行性和理論計算的準確性。

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)換和電信號的解調(diào)這三個主要部分。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)議格式的信號時， 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：光信號最大值與最小值的差除以光信號最大值與最小值的和。因此調(diào)制深度越小，LED 燈發(fā)送信號時造成的“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)和軟件仿真去計算在調(diào)制深度為閃爍臨界值的時候，可見光智能家居系統(tǒng)的信號有效覆蓋范圍，以驗證其實用性。

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)氖堑退傩盘枺ㄝd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)墻反射光貢獻率為 27.58%。因為反射光功率與墻壁的反射系數(shù)成正比，本文實驗環(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遠小于 27.58%。為了充分證明可見光智能家居系統(tǒng)信號大范圍覆蓋的能力，將在不考慮反射光對光信號的增益的前提下來計算信號有效覆蓋范圍。

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行遠距離測試，所以選用走廊進行實驗），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 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 為接收器視場角。圖 3 為接收器的相對輻射特性曲線，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°所對應(yīng)的增益。

圖 3 接收器相對輻射特性曲線

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 的光譜主要覆蓋藍光和黃光兩個波段。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，還可以響應(yīng)紅外波段的光信號。

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 光束峰值波長對應(yīng)的光功率。因此對于 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)計閃爍感知實驗：邀請 10 位被試人員（5 男 5 女），在不同環(huán)境亮度條件下分別測試被試人員非直視和直視時對閃爍的感知情況，每種條件下發(fā)送 10 次遙控信號。其中環(huán)境亮度條件 1：晴天開燈，室內(nèi)測試燈具下 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)測試燈具下 1m 處的照度為 0Lux-1Lux。被試人員認為感覺不到閃爍的統(tǒng)計結(jié)果如表 2 和表 3 所示，其中調(diào)制深度的計算：取 LED 燈具不發(fā)送信號時的照度作為光信號最大值；取發(fā)送 38KHz 方波時的照度作為光信號最小值。測量位置位于 LED 燈具下 1m，不發(fā)送信號時照度固定為 364.3Lux。

表 2 非直視條件下被試人員對閃爍的感知

表 3 直視條件下被試人員對閃爍的感知

根據(jù) IEEE 2015 年發(fā)布的 LED 調(diào)制相關(guān)標準，當 LED 的閃爍頻率 f ? 90Hz 時，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% ，符合閃爍感知實驗的結(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)測試計算，實驗用 LED 燈具調(diào)制深度為0.46% 時，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半徑為 14m 的圓，面積約為 616m2。

圖5 zh =0.25m 時接收功率分布圖

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1調(diào)制電路與接收器設(shè)計

調(diào)制模塊的原理框圖如圖 6（a）所示，聯(lián)網(wǎng)的手機將控制指令發(fā)送給 Wi-Fi 模塊，然后傳遞給 STM32 單片機，STM32 單片機將接收到的控制指令進行編碼，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。

圖 6 調(diào)制模塊。（a）原理框圖（b）實物圖

一體化光接收器 GT59438R 實物圖見圖 7（b），主要使用金絲球焊技術(shù)將光電探測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轉(zhuǎn)換為較大的電壓信號，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）實物圖

2.2系統(tǒng)搭建

為了測試該智能家居系統(tǒng)對可見光及紅外控制指令的響應(yīng)情況和上述計算仿真的準確性，在實驗室搭建了如圖 8 所示的實驗驗證系統(tǒng)，其中實驗選用的遙控機器人型號為雄勝星寶戰(zhàn)士 3。

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

3.系統(tǒng)測試與分析

利用上述實驗系統(tǒng)，令 LED 燈具發(fā)送紅外協(xié)議格式的遙控指令，通過測試接收終端對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。

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

表 4 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試中，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試結(jié)果是 14.3m（對應(yīng)圓形有效控制范圍 642m2），與仿真結(jié)果 14m 間的相對誤差為 2%。分析原因，2%的相對誤差是忽略反射光的信號增益等因素造成的。

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

4.結(jié) 論

通過計算與仿真，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)議格式信號時，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。在實驗室搭建了可見光智能家居系統(tǒng)的實物平臺，測試結(jié)果表明系統(tǒng)實際最大控制距離為 14.3m，與理論計算的結(jié)果 14m 間相對誤差為 2%，驗證了模型的準確性。該系統(tǒng)的調(diào)制深度限制在 0.46%，滿足IEEE 的相關(guān)標準，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)可以實現(xiàn)兼容紅外的可見光有效控制。