一種室內(nèi)無線ccd控制智能控制裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，包括：橋接電路，用于連接計算機(jī)USB接口和光收發(fā)電路，接受或發(fā)射自計算機(jī)USB數(shù)據(jù)信號進(jìn)行變換處理的信號；中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊；所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路；所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路。該系統(tǒng)實現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，收、發(fā)均采用相對較小的接收、發(fā)射角度，使用時只需手動粗對準(zhǔn)即可，應(yīng)用于室內(nèi)短距離無線通信，可以達(dá)到10Mbps以上的數(shù)據(jù)通信速率，傳輸距離達(dá)到5米左右，基本滿足辦公室、實驗室、家庭等室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)通信要求。
【專利說明】
一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是由太陽內(nèi)部氫原子發(fā)生氫氦聚變釋放出巨大核能而產(chǎn)生的，來自太陽的福射能量。
[0003]人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，并把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代演變形成的一次能源。地球本身蘊(yùn)藏的能量通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。
[0004]可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。相比于其他無線電通信方式，可見光通信的主要優(yōu)點(diǎn)是:
(I)光通信的直線定向傳播方式使它的發(fā)射光束窄，方向性好，光束的發(fā)散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數(shù)據(jù)傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截取，否則數(shù)據(jù)不易外泄。由于這些波束非常的定向，是對準(zhǔn)某一接收機(jī)的，如想截接，就需要用另一部接收機(jī)在視距內(nèi)對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，還需要知道如何接收信號，這是很難做到的。如果被裁接，那么原來鏈路就被中斷了，用戶就會發(fā)現(xiàn)信息被截接。
[0005](2)無須進(jìn)行昂貴的管道工程施工，其施工成本約為光纜的20 %。組網(wǎng)方便、迅速，光通信組網(wǎng)速度快，只須在通信點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，適合臨時使用和復(fù)雜地形中的緊急組網(wǎng)，對于重新撤換部署也很方便。
[0006](3)由于光波波長短(可見光的約零點(diǎn)幾微米)，所以在完成同樣功能的情況下，光收發(fā)端的尺寸要比微波、毫米波通信天線的尺寸小很多，具有功耗小、體積小、重量輕等特點(diǎn)，相應(yīng)的器件成本也較低。
[0007]雖然光通信有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著一些弊端，譬如:光波不能穿透墻壁等障礙物，易受太陽光、白熾燈、熒光燈等背景光噪聲的干擾等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的發(fā)明目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供了一種點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，收、發(fā)均采用相對較小的接收、發(fā)射角度，使用時只需手動粗對準(zhǔn)即可，應(yīng)用于室內(nèi)短距離無線通信，可以達(dá)到1Mbps以上的數(shù)據(jù)通信速率，傳輸距離達(dá)到5米左右，基本滿足辦公室、實驗室、家庭等室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)通信要求的室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)。
[0009]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，提出了如下技術(shù)方案:
一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，包括:
中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路；
所述智能加濕器還包括水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器、聲光報警器以及顯示電路，當(dāng)所述智能加濕器根據(jù)控制指令開始工作時，微控制器向所述水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器發(fā)出執(zhí)行指令，獲得加濕器內(nèi)的水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號，微處理器對所述水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號進(jìn)行放大、測量、A/D轉(zhuǎn)換之后傳送到加濕判斷電路，控制加濕器按設(shè)定參數(shù)工作，同時把數(shù)據(jù)反饋給所述顯示電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理，最終達(dá)到對環(huán)境進(jìn)行智能加濕的目的。當(dāng)環(huán)境的相對濕度值高于設(shè)定值時或者加濕器水量不足時，所述聲光報警器發(fā)出報警信號；
所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路;所述信號調(diào)制設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)制生成原始的電信號;所述LED燈是單色的LED;所述光探測器是可見光波段響應(yīng)較好的CCD光電轉(zhuǎn)換器件;所述智能加濕器是可變倍數(shù)的光學(xué)鏡頭;所述信號處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號的處理，以及確定接收光斑的形狀、大小和平均接收光功率;所述探照燈和所述智能加濕器之間是大氣信道，光源發(fā)出的光通過大氣信道進(jìn)行傳輸;所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路;所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送；
所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)射端和接收端;發(fā)射端可使用00Κ、ΡΡΜ等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進(jìn)行發(fā)射，采用大功率低束散角陣列LED作為光源，由于調(diào)制速率在一百比特量級，可以采用單片機(jī)配合C++軟件編程進(jìn)行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)字符串的發(fā)送；接收端，采用CCD作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻10fps以上、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機(jī);相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現(xiàn)字符串的接收;所述充電插口設(shè)置于閉合門的側(cè)端；
橋接電路:連接計算機(jī)USB接口和光收發(fā)電路，將來自計算機(jī)USB數(shù)據(jù)信號進(jìn)行變換處理成適合發(fā)射電路調(diào)制的信號，同時將接收電路送來的信號進(jìn)行變化處理成USB數(shù)據(jù)信號送給計算機(jī)，實現(xiàn)高速率的無線雙工通信;所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出;所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送；
光發(fā)射機(jī):將經(jīng)過USB接口電路處理過的信號進(jìn)行編碼調(diào)制，調(diào)制過的信號再經(jīng)過放大后送去調(diào)制光源一一可見光LED，使其發(fā)出被編碼電信號調(diào)制的可見光光脈沖信號(這個過程稱之為電光轉(zhuǎn)換，即E/Ο轉(zhuǎn)換)，最后經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射到大氣信道中。
[0010]光接收機(jī):通過光學(xué)天線把發(fā)送端發(fā)送來的光脈沖信號會聚到光電檢測器PIN，將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號(這個過程稱之為光電轉(zhuǎn)換，即0/E轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)換過來的微弱電信號經(jīng)過放大解調(diào)后送給USB接口電路。
[0011]所述光發(fā)射機(jī)包括光源和驅(qū)動器以及輔助電路。所述輔助電路包括光監(jiān)測器、無光報警電路、自動功率控制電路(APC)和自動溫度控制電路(ATC);使用時，電信號輸入到驅(qū)動器，所述驅(qū)動器與光源連接，自動溫度控制電路調(diào)控光源溫度，所述光監(jiān)測器設(shè)置在光源照射范圍內(nèi)，并與無光報警電路連接，所述光監(jiān)測器與一自動功率控制電路連接后與驅(qū)動器構(gòu)成反饋電路。
[0012]所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊;FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。
[0013]為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進(jìn)行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電；
在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進(jìn)行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進(jìn)行供電，達(dá)到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0014]待發(fā)送密鑰為TTL電平信號，即+5V表示高電平T，0V表示低電平“O”；所述LED驅(qū)動模塊包括PNP型貼片三極管S8550及其相關(guān)外圍器件，用于實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換;所述光鑰匙模塊一個一對多的裝置;光鑰匙是基于單片機(jī)STC12C2052AD設(shè)計的一種發(fā)送端。
[0015]
所述光源工作波段為紅光650nm，與綠光和藍(lán)光相比較，紅光在大氣信道中傳輸時，在對背景噪聲中的熒光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優(yōu)勢。
[0016]所述發(fā)射機(jī)電路中采用650nm的紅光發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)射機(jī)的光源。用于室內(nèi)的便攜無線光傳輸設(shè)備，光源必須滿足以下幾個基本的要求:滿足人眼安全要求;調(diào)制速率滿足設(shè)計要求(多l(xiāng)OMb/s);使用壽命長;價格低，降低成本。所述LED驅(qū)動電路采用差分電路。
[0017]所述光接收機(jī)電路包括光電探測器、放大電路和信號處理電路，對于強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號，在接收端采用直接檢測方式時，主要由光電檢測器、低噪前置放大器、主放大器、AGC電路等構(gòu)成光接收機(jī)的線性通道，以完成光/電轉(zhuǎn)換，把信號放大到判決電路所需的信號電平。
[0018]在光通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的作用是把接收到光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｊ紫扔晒怆娞綔y器(可以是PIN光電二極管，也可以是PAD雪崩光電二極管)將光發(fā)射機(jī)送出的經(jīng)信道傳輸后的微弱的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電探測器的輸出信號電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電探測器和前置放大器構(gòu)成光接收機(jī)前端，其噪聲性能將是決定接收靈敏度的主要因家。主放大器、均衡器及AGC電路對信號進(jìn)行高增益的放大并對信號進(jìn)行補(bǔ)償、整形，以提高信噪比、減少誤碼率，使輸出的脈沖適合判決的要求。
[0019]所述低噪前置放大器為寬帶、低噪聲放大器，因為電路工作速率比較高，優(yōu)選為，LNA采用跨阻放大器。
[0020]該發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明的室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)主要包括USB橋接電路、光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，硬件電路小巧，使用便捷，工作性能良好，智能加濕器可以根據(jù)室內(nèi)的溫度來自動調(diào)節(jié)濕度，當(dāng)空氣中的水氣量一定時，提高溫度，濕度則會降低;可以自行設(shè)定相對濕度值，當(dāng)環(huán)境的相對濕度值低于設(shè)定值時，系統(tǒng)將自動加濕；當(dāng)環(huán)境的相對濕度值高于設(shè)定值時，聲光報警器發(fā)出報警信號。用戶可以根據(jù)所在環(huán)境自行設(shè)置濕度限值，采集的相對濕度值、溫度值和濕度限值，都可以在液晶顯示屏上顯示。有高中低水位開關(guān)，在沒有水的情況下，則LED亮，提示用戶加水，以防止干燒。
[0021 ]另外，智能加濕器能夠通過GSM通信模塊實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，用戶可以在回家之前啟動智能加濕器，改善室內(nèi)空氣濕度，在離開家以后關(guān)閉，即使忘記出門之前關(guān)閉智能加濕器，也可以通過手機(jī)發(fā)出控制指令，關(guān)閉智能加濕器，這樣能夠合理規(guī)劃智能加濕器的使用時間，延遲使用壽命以及節(jié)約能源。
[0022]所述濕度采集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器;該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，濕度精度±2%(相對濕度20%?80%)，溫度精度±0.3°C (環(huán)境溫度25?42°C)。傳感器經(jīng)過標(biāo)定，既能提供I2C數(shù)字接口，也能提供PffM模擬輸出模式。因為數(shù)字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態(tài)下，功耗可在3yW以內(nèi)，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進(jìn)一步降低。使用SHT21過程中，A/D電路進(jìn)行數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換。除此之外，SHT21的分辨率還可以通過指令進(jìn)行8/12bit到12/14bit的改變，便于檢測電量狀態(tài)，同時輸出校驗和，有助于提高通信的可靠性。
[0023]所述微控制器是采用單片機(jī)，其CPU由控制器和運(yùn)算器組成，主要進(jìn)行運(yùn)算及指令識別。存儲器為8K可擦寫閃存，工作電源為+5V。其內(nèi)部有振蕩器的反相放大器，石英晶體和陶瓷諧振器共同構(gòu)成自激振蕩器。引腳簡單可靠，功能強(qiáng)大，使用方便，并具有低功耗空閑和掉電模式。
[0024]所述溫度傳感器是DS18B20傳感器，DS18B20傳感器具有一線接口，使用簡單方便，在實際使用中無需外部元件，直接利用數(shù)據(jù)總線供電，測量溫度范圍較大。因此，使用范圍較廣，用途較大。
[0025]
應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法和技術(shù)，進(jìn)行智能化、集成化、協(xié)調(diào)化、設(shè)計和實現(xiàn)的新一代的計算機(jī)管理系統(tǒng)。WIFI容易被電磁干擾，傳輸?shù)姆较虿豢煽?，密碼容易被截獲。然而可見光通信是一種點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸模式，具有保密性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0026]光鑰匙和智能移動終端相結(jié)合，可以很好的運(yùn)用Android系統(tǒng)開發(fā)手機(jī)AAP光密鑰軟件，Android系統(tǒng)是基于Linux的一個開源的操作系統(tǒng)，主要是使用在移動終端(手機(jī)和平板)中。Android系統(tǒng)和其他的系統(tǒng)平臺相比，有很大的優(yōu)勢。它的優(yōu)勢最主要的體現(xiàn)在它的開放性。Android系統(tǒng)是完全開源的系統(tǒng)，所有的愛好者和廠商都可以參與到Android系統(tǒng)的開發(fā)中來，這就為Android系統(tǒng)的發(fā)展打下了很好基礎(chǔ)。Android系統(tǒng)已經(jīng)成為了全球裝機(jī)量第一大的系統(tǒng)。Android系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢就是基于谷歌公司的平臺，谷歌公司的地圖、搜索、郵箱等服務(wù)產(chǎn)品，能夠無縫的應(yīng)用到Andr1d系統(tǒng)中去。
[0027]
為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進(jìn)行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電；
在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進(jìn)行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進(jìn)行供電，達(dá)到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)，在發(fā)射端采用了OOK調(diào)制方式，OOK帶寬需求低，而且硬件實現(xiàn)最為簡單，解碼時候只需要通過直接檢測的方法，通過判斷光的有無來確定接收到的信息時O或者I;使得發(fā)射端成本合理;在接收端，采用CCD作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻(10fps以上)、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機(jī);相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現(xiàn)字符串的接收。選擇CCD作為光探測器，其靈敏度和響應(yīng)度比傳統(tǒng)的PIN光電二極管高很多。對比于傳統(tǒng)光電二極管，采用CCD相機(jī)可以使光源的位置可以在圖像中清晰的顯示出來，這樣，只要能夠判斷出信號的位置，將來可以使用多個光源，在接收端的接受能力之內(nèi)，成倍的提高傳輸速率。并且CCD作為光探測器還可以同時用于APT通信系統(tǒng)當(dāng)中。
[0028]在計算機(jī)上支持熱插拔，充分體現(xiàn)了USB接口設(shè)備使用快速便捷的特點(diǎn)。在驅(qū)動程序的支持下，計算機(jī)之間實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的雙向無線光通信，通信速率可達(dá)到11Mbps，實現(xiàn)了計算機(jī)之間基于USB接口的可見光(紅光)無線點(diǎn)對點(diǎn)通信。該系統(tǒng)主要是應(yīng)用于室內(nèi)短距離的視距范圍內(nèi)的，采用650nm作為工作波長，短波長中的可見光波段在安裝調(diào)試上可以目視對準(zhǔn)，省去了紅外波段價值昂貴的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)系統(tǒng)；而可見光波段的光器件價格僅為850/1550nm器件的幾十甚至幾百分之一，大大降低了系統(tǒng)成本。LED光源驅(qū)動電路采用的是差分電路;差分電路由于恒流源的作用，即使出現(xiàn)大電流飄移，該種電路也可以保證相對穩(wěn)定的供電電流，從而保證電路的工作穩(wěn)定性；即使高電壓輸出時出現(xiàn)電壓飄移現(xiàn)象，只要信號仍然保持平衡，此電路引起的交叉干擾也相對較小;對于存在容易產(chǎn)生寄生現(xiàn)象的前級電路的情況下，鑒于該電路共模增益較低，所以它對前級引入寄生振蕩的可能性很小。
【附圖說明】
[0029]圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是光發(fā)射機(jī)電路框圖；
圖3是LED光源驅(qū)動電路；
圖4是光收機(jī)電路框圖；
圖5是跨阻放大器電路圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的11作進(jìn)一步詳盡描述:
1、如圖1所示，包括:
中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路;所述智能加濕器包括微控制器、加濕器開關(guān)以及光接收模塊，所述光接收模塊從LED燈組中接收LED通信信號，對所述LED通信信號處理后獲得控制指令，并將所述控制指令輸送到微控制器，所述微控制器根據(jù)所述控制指令生成加濕器開關(guān)的執(zhí)行指令，所述加濕器開關(guān)是電磁繼電器，所述電磁繼電器與加濕器的加濕裝置連接；
所述智能加濕器還包括水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器、聲光報警器以及顯示電路，當(dāng)所述智能加濕器根據(jù)控制指令開始工作時，微控制器向所述水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器發(fā)出執(zhí)行指令，獲得加濕器內(nèi)的水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號，微處理器對所述水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號進(jìn)行放大、測量、A/D轉(zhuǎn)換之后傳送到加濕判斷電路，控制加濕器按設(shè)定參數(shù)工作，同時把數(shù)據(jù)反饋給所述顯示電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理，最終達(dá)到對環(huán)境進(jìn)行智能加濕的目的。當(dāng)環(huán)境的相對濕度值高于設(shè)定值時或者加濕器水量不足時，所述聲光報警器發(fā)出報警信號；
所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路;所述信號調(diào)制設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)制生成原始的電信號;所述LED燈是單色的LED;所述光探測器是可見光波段響應(yīng)較好的CCD光電轉(zhuǎn)換器件;所述智能加濕器是可變倍數(shù)的光學(xué)鏡頭;所述信號處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號的處理，以及確定接收光斑的形狀、大小和平均接收光功率;所述探照燈和所述智能加濕器之間是大氣信道，光源發(fā)出的光通過大氣信道進(jìn)行傳輸;所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路;所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送；
通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)射端和接收端;發(fā)射端可使用00Κ、ΡΡΜ等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進(jìn)行發(fā)射，采用大功率低束散角陣列LED作為光源，由于調(diào)制速率在一百比特量級，可以采用單片機(jī)配合C++軟件編程進(jìn)行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)字符串的發(fā)送;接收端，采用CCD作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻10fps以上、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機(jī);相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現(xiàn)字符串的接收；所述充電插口設(shè)置于閉合門的側(cè)端；
橋接電路:連接計算機(jī)USB接口和光收發(fā)電路，將來自計算機(jī)USB數(shù)據(jù)信號進(jìn)行變換處理成適合發(fā)射電路調(diào)制的信號，同時將接收電路送來的信號進(jìn)行變化處理成USB數(shù)據(jù)信號送給計算機(jī)，實現(xiàn)高速率的無線雙工通信。
[0031]光發(fā)射機(jī):將經(jīng)過USB接口電路處理過的信號進(jìn)行編碼調(diào)制，調(diào)制過的信號再經(jīng)過放大后送去調(diào)制光源一一可見光LED，使其發(fā)出被編碼電信號調(diào)制的可見光光脈沖信號(這個過程稱之為電光轉(zhuǎn)換，即E/0轉(zhuǎn)換)，最后經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射到大氣信道中。
[0032]光接收機(jī):通過光學(xué)天線把發(fā)送端發(fā)送來的光脈沖信號會聚到光電檢測器PIN，將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號(這個過程稱之為光電轉(zhuǎn)換，即0/E轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)換過來的微弱電信號經(jīng)過放大解調(diào)后送給USB接口電路。
[0033]所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊;FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。
[0034]為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進(jìn)行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。
[0035]待發(fā)送密鑰為TTL電平信號，S卩+5V表示高電平“1”，0V表示低電平“O”；所述LED驅(qū)動模塊包括PNP型貼片三極管S8550及其相關(guān)外圍器件，用于實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換;所述光鑰匙模塊一個一對多的裝置;光鑰匙是基于單片機(jī)STC12C2052AD設(shè)計的一種發(fā)送端。
[0036]在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內(nèi)，而出現(xiàn)太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進(jìn)行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內(nèi)，對中央處理器及現(xiàn)場可編程門陣列電路進(jìn)行供電，達(dá)到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0037]所述濕度采集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器;該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，濕度精度±2%(相對濕度20%?80%)，溫度精度±0.3°C (環(huán)境溫度25?42°C)。傳感器經(jīng)過標(biāo)定，既能提供I2C數(shù)字接口，也能提供PffM模擬輸出模式。因為數(shù)字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態(tài)下，功耗可在3yW以內(nèi)，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進(jìn)一步降低。使用SHT21過程中，A/D電路進(jìn)行數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換。除此之外，SHT21的分辨率還可以通過指令進(jìn)行8/12bit到12/14bit的改變，便于檢測電量狀態(tài)，同時輸出校驗和，有助于提高通信的可靠性。
[0038]所述微控制器是采用單片機(jī)，其CPU由控制器和運(yùn)算器組成，主要進(jìn)行運(yùn)算及指令識別。存儲器為8K可擦寫閃存，工作電源為+5V。其內(nèi)部有振蕩器的反相放大器，石英晶體和陶瓷諧振器共同構(gòu)成自激振蕩器。引腳簡單可靠，功能強(qiáng)大，使用方便，并具有低功耗空閑和掉電模式。
[0039]所述溫度傳感器是DS18B20傳感器，DS18B20傳感器具有一線接口，使用簡單方便，在實際使用中無需外部元件，直接利用數(shù)據(jù)總線供電，測量溫度范圍較大。因此，使用范圍較廣，用途較大。
[0040]所述濕度采集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器;該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，濕度精度±2%(相對濕度20%?80%)，溫度精度±0.3°C (環(huán)境溫度25?42°C)。傳感器經(jīng)過標(biāo)定，既能提供I2C數(shù)字接口，也能提供PffM模擬輸出模式。因為數(shù)字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態(tài)下，功耗可在3yW以內(nèi)，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進(jìn)一步降低。使用SHT21過程中，A/D電路進(jìn)行數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換。除此之外，SHT21的分辨率還可以通過指令進(jìn)行8/12bit到12/14bit的改變，便于檢測電量狀態(tài)，同時輸出校驗和，有助于提高通信的可靠性。
[0041]所述微控制器是采用單片機(jī)，其CPU由控制器和運(yùn)算器組成，主要進(jìn)行運(yùn)算及指令識別。存儲器為8K可擦寫閃存，工作電源為+5V。其內(nèi)部有振蕩器的反相放大器，石英晶體和陶瓷諧振器共同構(gòu)成自激振蕩器。引腳簡單可靠，功能強(qiáng)大，使用方便，并具有低功耗空閑和掉電模式。
[0042]所述溫度傳感器是DS18B20傳感器，DS18B20傳感器具有一線接口，使用簡單方便，在實際使用中無需外部元件，直接利用數(shù)據(jù)總線供電，測量溫度范圍較大。因此，使用范圍較廣，用途較大。
[0043]
如圖2所示，所述光發(fā)射機(jī)包括光源和驅(qū)動器以及輔助電路。所述輔助電路包括光監(jiān)測器、無光報警電路、自動功率控制電路(APC)和自動溫度控制電路(ATC);使用時，電信號輸入到驅(qū)動器，所述驅(qū)動器與光源連接，自動溫度控制電路調(diào)控光源溫度，所述光監(jiān)測器設(shè)置在光源照射范圍內(nèi)，并與無光報警電路連接，所述光監(jiān)測器與一自動功率控制電路連接后與驅(qū)動器構(gòu)成反饋電路。
[0044]優(yōu)選地，所述光源工作波段為紅光650nm，與綠光和藍(lán)光相比較，紅光在大氣信道中傳輸時，在對背景噪聲中的熒光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優(yōu)勢。
[0045]優(yōu)選地，所述發(fā)射機(jī)電路中米用650nm的紅光發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)射機(jī)的光源。用于室內(nèi)的便攜無線光傳輸設(shè)備，光源必須滿足以下幾個基本的要求:滿足人眼安全要求;調(diào)制速率滿足設(shè)計要求(多l(xiāng)OMb/s);使用壽命長;價格低，降低成本。如圖3所示，所述LED驅(qū)動電路米用差分電路。
[0046]如圖4所示，所述光接收機(jī)電路包括光電探測器、放大電路和信號處理電路，對于強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號，在接收端采用直接檢測方式時，主要由光電檢測器、低噪前置放大器、主放大器、AGC電路等構(gòu)成光接收機(jī)的線性通道，以完成光/電轉(zhuǎn)換，把信號放大到判決電路所需的信號電平。
[0047]在光通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的作用是把接收到光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。首先由光電探測器(可以是PIN光電二極管，也可以是PAD雪崩光電二極管)將光發(fā)射機(jī)送出的經(jīng)信道傳輸后的微弱的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電探測器的輸出信號電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電探測器和前置放大器構(gòu)成光接收機(jī)前端，其噪聲性能將是決定接收靈敏度的主要因家。主放大器、均衡器及AGC電路對信號進(jìn)行高增益的放大并對信號進(jìn)行補(bǔ)償、整形，以提高信噪比、減少誤碼率，使輸出的脈沖適合判決的要求。
[0048]所述低噪前置放大器為寬帶、低噪聲放大器，因為電路工作速率比較高，優(yōu)選為，LNA采用跨阻放大器。
[0049]如圖5所示，其中，Iin為光電探測器的光生電流，Ay為理想放大器。其中的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)Rf檢測到輸出端電壓并以電流的形式反饋到輸入端。這種形式的放大器一方面保證了其具有較小的輸入阻抗，從而可以最大幅度地攝取光電探測器產(chǎn)生的光電流;另一方面，具有很好的帶負(fù)載的能力。它是一種通過反饋電阻Rf給放大器輸入端提供負(fù)反饋的高增益高阻抗放大器，基本上是一個電流-電壓轉(zhuǎn)換器，噪聲低、頻帶寬和動態(tài)范圍大。
【主權(quán)項】
1.一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，包括: 中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路;所述智能加濕器包括微控制器、加濕器開關(guān)以及光接收模塊，所述光接收模塊從LED燈組中接收LED通信信號，對所述LED通信信號處理后獲得控制指令，并將所述控制指令輸送到微控制器，所述微控制器根據(jù)所述控制指令生成加濕器開關(guān)的執(zhí)行指令，所述加濕器開關(guān)是電磁繼電器，所述電磁繼電器與加濕器的加濕裝置連接； 所述智能加濕器還包括水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器、聲光報警器以及顯示電路，當(dāng)所述智能加濕器根據(jù)控制指令開始工作時，微控制器向所述水位傳感器、溫度傳感器、濕度采集傳感器發(fā)出執(zhí)行指令，獲得加濕器內(nèi)的水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號，微處理器對所述水量數(shù)據(jù)信號、室溫信號以及室內(nèi)濕度信號進(jìn)行放大、測量、A/D轉(zhuǎn)換之后傳送到加濕判斷電路，控制加濕器按設(shè)定參數(shù)工作，同時把數(shù)據(jù)反饋給所述顯示電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理，最終達(dá)到對環(huán)境進(jìn)行智能加濕的目的； 當(dāng)環(huán)境的相對濕度值高于設(shè)定值時或者加濕器水量不足時，所述聲光報警器發(fā)出報警信號； 所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調(diào)制控制設(shè)備、LED燈、智能加濕器、光探測器、信號處理電路;所述信號調(diào)制設(shè)備負(fù)責(zé)調(diào)制生成原始的電信號;所述LED燈是單色的LED;所述光探測器是可見光波段響應(yīng)較好的CCD光電轉(zhuǎn)換器件;所述智能加濕器是可變倍數(shù)的光學(xué)鏡頭;所述信號處理電路與光探測器相適應(yīng)，用于視頻電信號的處理，以及確定接收光斑的形狀、大小和平均接收光功率;所述探照燈和所述智能加濕器之間是大氣信道，光源發(fā)出的光通過大氣信道進(jìn)行傳輸;所述電源電路分別連接中央處理器和現(xiàn)場可編程門陣列電路;所述電源電路內(nèi)設(shè)置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;所述光鑰匙模塊內(nèi)設(shè)置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設(shè)計基于虛擬串口的秘鑰發(fā)送智能移動終端的軟件模塊，通過智能移動終端的軟件模塊發(fā)送出秘鑰信息，秘鑰信息由智能移動終端的min-USB 口輸出；所輸出的秘鑰信息，基于智能移動終端OTG功能，經(jīng)過外部驅(qū)動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送； 橋接電路，用于連接計算機(jī)USB接口和光收發(fā)電路，將來自計算機(jī)USB數(shù)據(jù)信號進(jìn)行變換處理成適合發(fā)射電路調(diào)制的信號，同時將接收電路送來的信號進(jìn)行變化處理成USB數(shù)據(jù)信號送給計算機(jī)； 光發(fā)射機(jī)，用于將經(jīng)過USB接口電路處理過的信號進(jìn)行編碼調(diào)制，調(diào)制過的信號再經(jīng)過放大后送去調(diào)制光源，使其發(fā)出被編碼電信號調(diào)制的可見光光脈沖信號，最后經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射到大氣信道中； 光接收機(jī)，通過光學(xué)天線把發(fā)送端發(fā)送來的光脈沖信號會聚到光電檢測器PIN，將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換過來的微弱電信號經(jīng)過放大解調(diào)后送給USB接口電路； 所述光發(fā)射機(jī)包括光源和驅(qū)動器以及輔助電路;所述輔助電路包括光監(jiān)測器、無光報警電路、自動功率控制電路和自動溫度控制電路;使用時，電信號輸入到驅(qū)動器，所述驅(qū)動器與光源連接，自動溫度控制電路調(diào)控光源溫度，所述光監(jiān)測器設(shè)置在光源照射范圍內(nèi)，并與無光報警電路連接，所述光監(jiān)測器與一自動功率控制電路連接后與驅(qū)動器構(gòu)成反饋電路； 所述光接收機(jī)電路包括光電探測器、放大電路和信號處理電路，所述信號處理電路包括低噪前置放大器、主放大器、均衡器、AGC電路;使用時，所述經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號，光電檢測器在接收端采用直接檢測方式接收光信號，低噪前置放大器、主放大器、均衡器構(gòu)成光接收機(jī)的線性通道，AGC電路連接主放大器和均衡器之間，完成光/電轉(zhuǎn)換，把光信號放大到判決再生電路所需的信號電平。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述遠(yuǎn)距離可見光通信系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)射端和接收端;發(fā)射端可使用OOK、PPM等調(diào)制方式，光源將調(diào)制好的光信號以高速、明暗變化的規(guī)律進(jìn)行發(fā)射，采用大功率低束散角陣列LED作為光源，由于調(diào)制速率在一百比特量級，可以采用單片機(jī)配合C++軟件編程進(jìn)行發(fā)射端的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)字符串的發(fā)送;接收端，采用CCD作為光探測器，硬件設(shè)備使用高幀頻10fps以上、高靈敏度、高響應(yīng)度CCD相機(jī);相機(jī)以與光源相同幀頻進(jìn)行拍攝，并且設(shè)計軟件對CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，將調(diào)制信號的規(guī)律呈現(xiàn)出來，得到相應(yīng)的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現(xiàn)字符串的接收;所述充電插口設(shè)置于閉合門的側(cè)端;所述的現(xiàn)場可編程門陣列電路，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內(nèi)部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動1/0，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊;FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述光源工作波段為紅光650nm;待發(fā)送密鑰為TTL電平信號，S卩+5V表示高電平“1”，0V表示低電平“O”；所述LED驅(qū)動模塊包括PNP型貼片三極管S8550及其相關(guān)外圍器件，用于實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換；所述光鑰匙模塊一個一對多的裝置；光鑰匙是基于單片機(jī)STC12C2052AD設(shè)計的一種發(fā)送端。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述發(fā)射機(jī)電路中米用650nm的紅光發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)射機(jī)的光源。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述LED驅(qū)動電路米用差分電路。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述低噪前置放大器為寬帶、低噪聲放大器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種室內(nèi)無線CCD控制智能控制裝置，其特征在于，所述低噪前置放大器是跨阻放大器。
【文檔編號】G05B15/02GK106094537SQ201610393642
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610393642.1, CN 106094537 A, CN 106094537A, CN 201610393642, CN-A-106094537, CN106094537 A, CN106094537A, CN201610393642, CN201610393642.1
【發(fā)明人】朱明德
【申請人】朱明德