一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，包括、中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光電檢測模塊、開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器；所述電源電路分別連接中央處理器和現場可編程門陣列電路；所述電源電路內設置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路?？梢姽馔ㄐ攀且环N點對點的傳輸模式，具有保密性好的優(yōu)點。光鑰匙和智能移動終端相結合，可以很好的運用Android系統(tǒng)開發(fā)手機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（手機和平板）中。
【專利說明】
一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及智能家居技術領域，尤其是一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]智能家居是在物聯網的影響之下物聯化體現。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備(如音視頻設備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調控制、安防系統(tǒng)、數字影院系統(tǒng)、網絡家電以及三表抄送等)連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W絡通信、信息家電、設備自動化，集系統(tǒng)、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。
[0003]智能管理(Intelligent Management,簡稱IM)是人工智能與管理科學、知識工程與系統(tǒng)工程、計算技術與通信技術、軟件工程與信息工程等多學科、多技術相互結合、相互滲透而產生的一門新技術、新學科。它研究如何提高計算機管理系統(tǒng)的智能水平，以及智能管理系統(tǒng)的設計理論、方法與實現技術。智能管理是現代管理科學技術發(fā)展的新動向。智能管理系統(tǒng)是在管理信息系統(tǒng)(Management Informat1n System,簡稱MIS)、辦公自動化系統(tǒng)(Offece Au-tomat1n System簡稱0AS)、決策支持系統(tǒng)(Decis1n Support System,簡稱DSS)的功能集成、技術集成的基礎上，應用人工智能專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、人工神經網絡等方法和技術，進行智能化、集成化、協調化、設計和實現的新一代的計算機管理系統(tǒng)。WIFI容易被電磁干擾，傳輸的方向不可控，密碼容易被截獲。然而可見光通信是一種點對點的傳輸模式，具有保密性好的優(yōu)點。
[0004]可見光通信技術，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。利用這種技術做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內燈光達到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的是，克服現有技術方法的不足，提供了一種將可見光通信技術運用到智能家居系統(tǒng)控制中，將智能家居控制系統(tǒng)與照明系統(tǒng)融為一體，通過控制LED照明燈的通斷來實現對家用電器設備進行實時控制的LED照明智能控制系統(tǒng)的光接收裝置。
[0006]為實現上述發(fā)明目的，提出了如下技術方案:
一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，包括光電檢測模塊、開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器、中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路;所述手中央處理器連接光鑰匙模塊;所述光鑰匙模塊內設置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設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，經過外部驅動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述電源電路分別連接中央處理器和現場可編程門陣列電路;所述電源電路內設置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;LED燈根據信號指令快速通斷，所述光電檢測模塊快速響應，對每一次接通都接收并將其轉換為電信號，即為高電平，而每次斷開即為低電平，然后由后端的開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器處理，輸出穩(wěn)定的方波信號用于控制家用電器。
[0007]
所述的現場可編程門陣列電路，內部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動1/0，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現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的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來實現的，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間的聯接方式，并最終決定了 FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。
[0008]所述光電檢測模塊為利用井屏蔽襯底載流子的雙光電二極管DPD結構；CMOS工藝中用來實現源漏區(qū)的離子注入被用來形成的Dro陰陽極;制作方法為在N井內制作P+叉指排列電極，并利用N+擴散引出井電極，N井周圍被P+保護環(huán)包圍。P+叉指結構排列是為了增加耗盡區(qū)寬度且使耗盡區(qū)電場更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運動。
[0009]所述光電檢測模塊輸出電流在1.5μΑ至3.5μΑ之間，而在關閉頂棚光源且窗簾打開的自然光照射下有約0.2μΑ的輸出。所發(fā)送密鑰為TTL電平信號，S卩+5V表示高電平“I”，OV表示低電平“O”；基于TTL信號電平特點，選用低成本、小體積PNP型貼片三極管S8550及其相關外圍器件，構成了LED驅動電路;光鑰匙是基于單片機STC12C2052AD設計的一種發(fā)送端;光鑰匙可以發(fā)送不同的密鑰，所述光鑰匙模塊不是一個簡單的一對一的裝置，而是一個一對多的裝置。
[0010]在所述光電檢測模塊與放大電路之間加入了一個開關電路。
[0011]所述開關電路包括P溝道增強型MOS管Ml與N溝道增強型MOS管M2組成第一反相器；P溝道增強型MOS管M3與N溝道增強型MOS管Μ4組成第二反相器;N溝道增強型MOS管115與卩溝道增強型MOS管Μ6組成CMOS傳輸門；a端連接光電檢測模塊輸出、b端連接后端放大電路輸入。
在可見光接收機中，探測器感應光信號，輸出量級的電流脈沖信號。而前置放大器，用于將此電流信號轉化為電壓信號，并進行放大;所述前置放大器是跨阻放大器，所述跨阻放大器通過跨接在輸入端和輸出端的反饋電阻構成電壓并聯負反饋結構。其具有輸入電阻小、引入噪聲小、波形失真小、帶寬較大、動態(tài)范圍較大和穩(wěn)定性高等優(yōu)點且不需要均衡電路。
[0012]所述跨阻放大器由Ml、M2、R1、R2、R3構成了 RGC結構，然后為三級共源放大器級聯，最后輸出使用了一級共漏級放大器(源跟隨器)作為緩沖級;跨阻Rf連接于LINEl與LINE2之間。
[0013]在跨阻放大電路上串上跨阻R與開關電路，其中的開關電路與跨阻放大器前的開關電路一樣。而為了滿足穩(wěn)定的電壓輸出，同時設計有六組不同阻值R與所述開關電路并聯，它們分別為I ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、20ΚΩ、50ΚΩ、100 K Ω ;當要選用其中一個跨阻時，將這個電阻開關電路的SEL接電源，其余5組開關電路都接地即可實現。所述六個跨阻能保證跨阻放大器在IyA至20μΑ的寬輸入范圍內皆可獲得理想的輸出。
[0014]所述主放大器由4個基本差分單元直接耦合組成，并在輸出至輸入端連接有失調補償回路，以彌補CMOS器件之間和電阻器件之間的不匹配，保證電路的正常工作。
[0015]所述主放大器還包括一差分單元，所述差分單元，為雙端輸入雙端輸出。由于集成電路的元器件對稱性相對較好，所以雙端輸出的信號近似于大小相等反向相反的理想差模信號，對下一級放大器的是理想旳輸入。但是對于第一級放大器而言，之前跨阻放大器是單端輸出，在兩極連接時采用了簡單的高通濾波電路，一是為了濾除直流分量，二是將跨阻放大器與主放大器獨立開來，使一些在跨阻放大器中引入的低頻噪聲分量不會在主放大器中被放大。而濾波后的交流分量接入差分單元的其中一端輸入，另一端提供相同的直流偏置，使兩個管子達到對稱，并同時開啟，因為差動放大器在雙端輸入的情況下放大器的輸出只與兩個輸入信號的差值成正比，而與輸入電壓本身大小無關，所以這樣就將跨阻放大器的單端輸出經一級差分后轉為了一組較好的差動信號供后端差分單元繼續(xù)放大。
[0016]所述光接收裝置還包括失調補償回路，所述失調補償回路是RC低通濾波負反饋，在輸出與輸入端接入RC低通濾波負反饋，消除交流信號，同時利用負反饋對輸入進行補償，盡量減小電路對工藝偏差及環(huán)境變化的敏感度。
[0017]所述輸出端還包括一個反相器，首先信號經主放大器放大后，最終為雙端輸出，選擇其中一端輸出連接一耦合電容將直流分量濾出，保留放大后的高頻信號，然后將此信號連接一反相器再進行輸出。
[0018]—種利用上述光接收裝置的LED照明智能家居網絡系統(tǒng)，包括一個接入控制器，連接于外部網絡；多個白光LED照明光源連接于接入控制器;多個光學探測器，連接于接入控制器;個適配器；以及多個用戶設備，連接于多個適配器，并通過所述多個適配器進行數據的發(fā)送和接收。所述接入控制器和適配器中均包含有一個光學無線通信協議模塊，該光學無線通信協議模塊控制數據幀在自白光LED照明光源到適配器的下行鏈路以及自適配器到光學探測器的上行鏈路中進行傳輸。所述接入控制器用于驅動白光LED照明光源和光學探測器，實現電學信號與光學信號相互轉換，且所述接入控制器具備與外部網絡數據通信接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議。所述適配器具有發(fā)射光源和光學探測器，且能夠驅動自身具有的發(fā)射光源和光學探測器，具備與不同用戶設備交換數據的接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議。所述適配器具有的發(fā)射光源是符合人眼安全標準的LED或激光器。所述適配器具有的發(fā)射光源，其發(fā)射的光學信號至少覆蓋到一個與接入控制器連接的光學探測器。所述適配器具有的光學探測器至少在一個白光LED照明光源光學信號的覆蓋范圍內。
[0019]在下行鏈路中，接入控制器通過外部網絡接收遠端用戶的指令，并根據指令產控制信號。控制信號編碼后經由USB-RS485轉換模塊得到RS-485信號，再通過調制電路將信號加載到照明光源上實現可見光廣播。在接收解調端，由適配器光電探測器實現光電信號轉換，光電信號經過信號的放大、濾波、整形、解調再生還原為信號，該信號可以直接被單片機讀取，還原成控制信號，完成對各種電器的控制。而在上行鏈路中，當設備有數據要發(fā)送時，其數據經過連接的適配器處理，按照一定規(guī)則，在某一時間通過適配器的光源發(fā)射出去。受限于功耗及人眼安全性問題，適配器的光源功率較小、方向性較強。設備的發(fā)射不能被設備和感知監(jiān)聽，只能被接入控制器連接的光學探測器接收到。接入控制器捕獲到信號后，立即將數據通過其連接的白光照明光源轉發(fā)，這時設備和收到該轉發(fā)信號，于是知道上行信道被占用。接入控制器連接的照明光源和光學探測器有較大的覆蓋范圍，和接入控制器的接收轉發(fā)機制保證了網內各接入用戶設備的信道監(jiān)聽。
[0020]該發(fā)明的有益效果:
在半導體照明智能家居系統(tǒng)中，光接收機是一個不可或缺并會大量使用的模塊。
[0021]應用人工智能專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、人工神經網絡等方法和技術，進行智能化、集成化、協調化、設計和實現的新一代的計算機管理系統(tǒng)。WIFI容易被電磁干擾，傳輸的方向不可控，密碼容易被截獲。然而可見光通信是一種點對點的傳輸模式，具有保密性好的優(yōu)點。
[0022]光鑰匙和智能移動終端相結合，可以很好的運用Android系統(tǒng)開發(fā)手機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。Android系統(tǒng)已經成為了全球裝機量第一大的系統(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、郵箱等服務產品，能夠無縫的應用到Andr1d系統(tǒng)中去。
[0023]所述的現場可編程門陣列電路，內部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動1/0，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現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1/0模塊;FPGA的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來實現的，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1/0間的聯接方式，并最終決定了 FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程;為更好的實現本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進行供電
在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內，而出現太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內，對中央處理器及現場可編程門陣列電路進行供電，達到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0024]現有的探測器以及放大電路足以構成簡單的光接收機并支撐智能家居系統(tǒng)的運行，但由于多個模塊組裝的體積較大，且穩(wěn)定性較差，會導致安裝時的不便以及信號傳輸時的高誤碼率，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低。本發(fā)明的光接收裝置釆用了0.1SlImCMOS工藝，將光電檢測模塊、跨阻放大器、主放大器集成于一片芯片;并且為了適應不同高度的用電器可能接收到的不同強度的光，將跨阻放大器設計為擁有6種不同跨阻的可變增益放大器。針對智能家居系統(tǒng)特殊的要求，電路設計中在整個光接收機的輸出端大膽的采用了反相器輸出，大大降低了放大電路需要放大的倍數，使電路的復雜程度大大減小。
【附圖說明】
[0025]圖1是光接收裝置結構示意圖； 圖2是開關電路結構不意圖；
圖3是跨阻放大電路圖；
圖4是RGC電路結構圖；
圖5是跨阻連接電路圖；
圖6是主放大器結構示意圖；
圖7是差分單元電路圖；
圖8是反相器電路圖；
圖9是LED照明智能家居網絡系統(tǒng)結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)作進一步詳盡描述:
如圖1所示，一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，包括光電檢測模塊、開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器、中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路；所述手中央處理器連接光鑰匙模塊;所述光鑰匙模塊內設置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設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，經過外部驅動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述電源電路分別連接中央處理器和現場可編程門陣列電路;所述電源電路內設置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;LED燈根據信號指令快速通斷，所述光電檢測模塊快速響應，對每一次接通都接收并將其轉換為電信號，即為高電平，而每次斷開即為低電平，然后由后端的開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器處理，輸出穩(wěn)定的方波信號用于控制家用電器。
[0027]所述的現場可編程門陣列電路，內部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動1/0，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現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的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來實現的，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間的聯接方式，并最終決定了 FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程;為更好的實現本發(fā)明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發(fā)電或夜間時候依然滿足對整個系統(tǒng)進行供電
在使用時，多余的電能將被存儲在蓄電池組內，而出現太陽能光照不夠或陰雨天氣或夜間時，蓄電池組將進行釋電，并通過電源控制器的輸出電路輸送至直流供電電路內，對中央處理器及現場可編程門陣列電路進行供電，達到24小時全天候的使整個系統(tǒng)工作。
[0028]優(yōu)選地，所述光電檢測模塊為利用井屏蔽襯底載流子的雙光電二極管DPD結構；CMOS工藝中用來實現源漏區(qū)的離子注入被用來形成的DH)陰陽極;制作方法為在N井內制作P+叉指排列電極，并利用N+擴散引出井電極，N井周圍被P+保護環(huán)包圍。P+叉指結構排列是為了增加耗盡區(qū)寬度且使耗盡區(qū)電場更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運動。
[0029]所述光電檢測模塊至光源距離不同，必然導致輸出電流不同。從最低的網絡媒體播放器到最高的臺式空調頂部，所述光電檢測模塊輸出電流在1.5μΑ至3.5μΑ之間，而在關閉頂棚光源且窗簾打開的自然光照射下有約0.2μΑ的輸出。
[0030]由于光電檢測模塊在只要有光的環(huán)境下，都會有光生電流輸出，本技術方案是采用的單片集成的，若將探測器直接與后端放大電路連接，則將始終有電流輸出至后端電路，雖然沒有直流電源的連接管不會工作，但長時間且不均勻的小電流難免會對管的參數產生影響，當第一個管參數發(fā)生微小變化，經過后端電路放大產生的誤差可能是巨大的;所以為了避免這種情況的發(fā)生，在所述光電檢測模塊與放大電路之間加入了一個開關電路。
[0031]如圖2所示，所述開關電路包括P溝道增強型MOS管Ml與N溝道增強型MOS管M2組成第一反相器;P溝道增強型MOS管M3與N溝道增強型MOS管Μ4組成第二反相器;N溝道增強型MOS管Μ5與P溝道增強型MOS管Μ6組成CMOS傳輸門；a端連接光電檢測模塊輸出、b端連接后端放大電路輸入。
當SEL接一低電平，經反相器I后會變?yōu)殡娫措妷篤DD并直接連接到M6管的基極，同時該高平再經過反相器2變?yōu)榈碗娖浇尤隡5管的基極。只要a端輸入在O-VDD間變化，則M5、M6都截止，傳輸門關閉，即幵關電路斷開，無電流流入后端放大電路。而當SEL接一高電平，經反相器I后會變?yōu)榈碗娖讲⒅苯舆B接到M6管的基極，同時該低電平再經過反相器2變?yōu)殡娫措妷篤DD接入M5管的基極。此時設a端的輸入電壓為Vl，M5的開啟電壓為Vn的開啟電壓為M6。當0〈V1〈VDD-Vn時，將M5導通;而當\Vp\〈Vl〈VDD時，M6導通。因此，當Vl在O-VDD之間變化時，M5、M6至少有一個是導通的，使a與b之間呈現為低阻態(tài)，傳輸門導通，即開關電路開啟。
[0032]所述開關電路目的是防止電流源源不斷的沖擊后端放大電路，但對于高速通信電路，每一個小模塊的加入都必須考慮他對整體電路的影響。由于CMOS的導通電阻本就不大(通常小于1ΚΩ，加之M5、M6的對稱結構，會進一步降低傳輸門的導通電阻，所以傳輸門對電路的傳輸特性不會有大的影響，而無論是傳輸門還是反相器的頻域特性較之后端的放大電路都要好的多，所以也不必擔心開關電路的加入影響電路的整體速度。
[0033]由于一般居室內不可避免的會有一定自然光的存在，所以在光源發(fā)送信號時斷開的瞬間也會有微弱的電流輸出，所以必須嚴格控制放大器的放大倍數于合理的范圍，既要滿足高電平的放大足以驅動外部電路對家用電器的控制，也要避免低電平放大后同樣在輸出端達到開啟電壓而使信號錯亂。
[0034]在可見光接收機中，探測器感應光信號，輸出量級的電流脈沖信號。而前置放大器，用于將此電流信號轉化為電壓信號，并進行放大;如圖3所示，所述前置放大器是跨阻放大器，所述跨阻放大器通過跨接在輸入端和輸出端的反饋電阻構成電壓并聯負反饋結構。其具有輸入電阻小、引入噪聲小、波形失真小、帶寬較大、動態(tài)范圍較大和穩(wěn)定性高等優(yōu)點且不需要均衡電路。
[0035]如圖4所示，所述跨阻放大器由肌、12、1?1、1?2、1?3構成了1^(:結構，然后為三級共源放大器級聯，最后輸出使用了一級共漏級放大器(源跟隨器)作為緩沖級；跨阻Rf連接于LINEl 與 LINE2 之間。
[0036]因為現在的可見光傳輸速率還比較低，遠不如運用激光的光纖傳輸等其他光通信的速率，而在單片集成及可變增益，并非高速通道所述跨阻放大器的主要放大單元是最簡單最直接的共源級放大器的級聯。
[0037]如圖5所示，在跨阻放大電路上串上跨阻R與開關電路，其中的開關電路與跨阻放大器前的開關電路一樣。而為了滿足穩(wěn)定的電壓輸出，同時設計有六組不同阻值R與所述開關電路并聯，它們分別為I ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、20ΚΩ、50ΚΩ、100 ΚΩ;當要選用其中一個跨阻時，將這個電阻開關電路的SEL接電源，其余5組開關電路都接地即可實現。所述六個跨阻能保證跨阻放大器在IyA至20μΑ的寬輸入范圍內皆可獲得理想的輸出。
[0038]接收機的前置放大器雖然已經起到了放大電壓的作用，但其主要功能是將電流信號轉化為電壓信號，放大倍數相對還是較小，輸出電壓還遠不能滿足驅動終端負載。所以這時就要有專門用于放大的主放大器來進一步對電壓進行放大，以達到輸出要求。
[0039]如圖6所示，所述主放大器由4個基本差分單元直接耦合組成，并在輸出至輸入端連接有失調補償回路，以彌補CMOS器件之間和電阻器件之間的不匹配，保證電路的正常工作。
[0040]在這種各級之間直接耦合的放大方式中，各級放大器的狀態(tài)不是相互獨立互不影響的，而是相互牽制的，這不僅使各級的狀態(tài)難以調整，也存在級間電子配置的問題。但這個問題一般來說還是比較好解決的，而難解決的問題是零點漂移問題。所謂零點漂移，是指在輸入端不加信號的時候，由于溫度、電源電壓等外界因素的影響，使輸出電壓不為零，而是在零值上下漂移的現象。在零點漂移中，尤以溫度引起的漂移現象最為嚴重，被稱為溫漂。溫漂在這種直接稱合放大器中，前一級產生的漂移會被帶入下一級中并被放大，特別是第一級放大器所產生的溫漂對電路的影響最大，而且放大器的增益越大的話，影響將會越大。尤其在低電壓環(huán)境下，信號強度本身就不大，零點漂移的影響就更加明顯。所以減小零點漂移是為了保證設計電路輸出的正常而必須要考慮的問題。而差動放大器正是解決零點漂移問題最有效的方案。特別是由于集成電路中元器件的匹配性相當好，更適用于這種電路形式。
[0041]如圖8所示，所述基本差分單元，為雙端輸入雙端輸出。由于集成電路的元器件對稱性相對較好，所以雙端輸出的信號近似于大小相等反向相反的理想差模信號，對下一級放大器的是理想旳輸入。但是對于第一級放大器而言，之前跨阻放大器是單端輸出，在兩極連接時采用了簡單的高通濾波電路，一是為了濾除直流分量，二是將跨阻放大器與主放大器獨立開來，使一些在跨阻放大器中引入的低頻噪聲分量不會在主放大器中被放大。而濾波后的交流分量接入差分單元的其中一端輸入，另一端提供相同的直流偏置，使兩個管子達到對稱，并同時開啟，因為差動放大器在雙端輸入的情況下放大器的輸出只與兩個輸入信號的差值成正比，而與輸入電壓本身大小無關，所以這樣就將跨阻放大器的單端輸出經一級差分后轉為了一組較好的差動信號供后端差分單元繼續(xù)放大。
[0042]而M3管的存在是作為固定偏壓的電流源，為差動放大器提供比較恒定的電流，因為CMOS作為電流源穩(wěn)定性很好，能使差動放大器有更高的共模抑制比，更好的抑制共模信號。
[0043]由于溫漂，以及工藝產生的誤差、環(huán)境等諸多因素的存在，會使電路的直流電壓產生偏移，經過逐級放大之后，很可能使后端差動放大電路的管子進入截止區(qū)或者飽和區(qū)，使整個主放大器乃至整個光接收機無法正常工作。所以對失調電壓的補償十分的重要。失調補償回路是利用簡單RC低通濾波負反饋。其原理是在輸出與輸入端接入RC低通濾波負反饋，消除交流信號，同時利用負反饋對輸入進行補償，盡量減小電路對工藝偏差及環(huán)境變化的敏感度。
[0044]所述輸出端還包括一個反相器，首先信號經主放大器放大后，最終為雙端輸出，選擇其中一端輸出連接一耦合電容將直流分量濾出，保留放大后的高頻信號，然后將此信號連接一反相器再進行輸出。
[0045]在雙端輸出中選擇正確的一端，不是任意一端都可以，因為兩個輸出信號是大小相等方向相反的信號，也就是相位差為180°，后端反相器會額外提供180°的相位差，所以這里選擇的輸出端口應與最開始光電檢測模塊感應的信號相位相一致，否則反相信號輸出到終端電器，可能會完成不同的指令或者根本毫無反應。
[0046]其中Ml為P溝道增強型MOS管，M2為N溝道增強型MOS管。當輸入為高電平時，Ml截止，M2導通，輸出近似為O;當輸入為低電平時，M2截止，Ml導通，輸出近似為VDD，但是當輸入電平為VDD\2上下一定范圍時，可能會導致兩管都開啟，輸出電壓為介于O與VDD之間的一個值，這是不利的，所以在前端的電路的設計上必須保證合理的放大倍數，既不能讓自然光等因素在傳輸數據時產生的電流經放大后達到M2的開啟電壓，也不能讓傳輸數據O時的信號經放大后達不到一定值使得I開啟。因此，最后設置了一反相器。
[0047]當接入反相器后，可以對前端電路放大倍數的要求大大降低，只要高電平放大到約1.3V以上，即可以保證反相器工作在理想狀態(tài)，可以輸出理想的低電平。而放大倍數的降低也使低電平經放大后會比較小，不會使管M2開啟，經反相器后輸出較為理想的接近電源電壓的高電平。反相器的接入使得電路不需要很大的放大倍數，就能輸出比較平滑的接近于0V、1.8V的方波，使電路的設計復雜程度大大降低。
[0048]如圖9所示，一種利用上述光接收裝置的LED照明智能家居網絡系統(tǒng)，包括一個接入控制器I，連接于外部網絡6;多個白光LED照明光源2連接于接入控制器I;多個光學探測器3，連接于接入控制器I;以及多個用戶設備5，連接于多個適配器4，并通過所述多個適配器進行數據的發(fā)送和接收。所述接入控制器和適配器中均包含有一個光學無線通信協議模塊，該光學無線通信協議模塊控制數據幀在自白光LED照明光源到適配器的下行鏈路以及自適配器到光學探測器的上行鏈路中進行傳輸。所述接入控制器用于驅動白光LED照明光源和光學探測器，實現電學信號與光學信號相互轉換，且所述接入控制器具備與外部網絡數據通信接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議。所述適配器具有發(fā)射光源和光學探測器，且能夠驅動自身具有的發(fā)射光源和光學探測器，具備與不同用戶設備交換數據的接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議。所述適配器具有的發(fā)射光源是符合人眼安全標準的LED或激光器。所述適配器具有的發(fā)射光源，其發(fā)射的光學信號至少覆蓋到一個與接入控制器連接的光學探測器。所述適配器具有的光學探測器至少在一個白光LED照明光源光學信號的覆蓋范圍內。
[0049]在下行鏈路中，接入控制器通過外部網絡接收遠端用戶的指令，并根據指令產控制信號?？刂菩盘柧幋a后經由USB-RS485轉換模塊得到RS-485信號，再通過調制電路將信號加載到照明光源上實現可見光廣播。在接收解調端，由適配器光電探測器實現光電信號轉換，光電信號經過信號的放大、濾波、整形、解調再生還原為信號，該信號可以直接被單片機讀取，還原成控制信號，完成對各種電器的控制。而在上行鏈路中，當設備有數據要發(fā)送時，其數據經過連接的適配器處理，按照一定規(guī)則，在某一時間通過適配器的光源發(fā)射出去。受限于功耗及人眼安全性問題，適配器的光源功率較小、方向性較強。設備的發(fā)射不能被設備和感知監(jiān)聽，只能被接入控制器連接的光學探測器接收到。接入控制器捕獲到信號后，立即將數據通過其連接的白光照明光源轉發(fā)，這時設備和收到該轉發(fā)信號，于是知道上行信道被占用。接入控制器連接的照明光源和光學探測器有較大的覆蓋范圍，和接入控制器的接收轉發(fā)機制保證了網內各接入用戶設備的信道監(jiān)聽。光鑰匙和智能移動終端相結合，可以很好的運用Android系統(tǒng)開發(fā)手機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。Android系統(tǒng)已經成為了全球裝機量第一大的系統(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、郵箱等服務產品，能夠無縫的應用到Andr1d系統(tǒng)中去。
[0050]上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
【主權項】
1.一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，包括中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光電檢測模塊、開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器;所述手中央處理器連接光鑰匙模塊;所述光鑰匙模塊內設置有智能移動終端，基于智能移動終端操作系統(tǒng)，設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，經過外部驅動模塊加載到LED燈上，通過LED來完成秘鑰信息的傳送;所述電源電路分別連接中央處理器和現場可編程門陣列電路;所述電源電路內設置有太陽能電池板、穩(wěn)壓電路、電源控制器及直流供電電路;LED燈根據信號指令快速通斷，所述光電檢測模塊快速響應，對每一次接通都接收并將其轉換為電信號，即為高電平，而每次斷開即為低電平，然后由后端的開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器處理，輸出穩(wěn)定的方波信號用于控制家用電器。2.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述的現場可編程門陣列電路，內部包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊1B和內部連線三個部分;FPGA利用小型查找表(16 X 1RAM)來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動1/0，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現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的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來實現的，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間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。3.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述光電檢測模塊輸出電流在1.5μΑ至3.5μΑ之間，而在關閉頂棚光源且窗簾打開的自然光照射下有約0.2μΑ的輸出；所發(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”；基于TTL信號電平特點，選用低成本、小體積PNP型貼片三極管S8550及其相關外圍器件，構成了LED驅動電路;光鑰匙是基于單片機STC12C2052AD設計的一種發(fā)送端;光鑰匙可以發(fā)送不同的密鑰，所述光鑰匙模塊不是一個簡單的一對一的裝置，而是一個一對多的裝置。4.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述開關電路包括P溝道增強型MOS管Ml與N溝道增強型MOS管M2組成第一反相器;P溝道增強型MOS管M3與N溝道增強型MOS管M4組成第二反相器;N溝道增強型MOS管M5與P溝道增強型MOS管M6組成CMOS傳輸門;a端連接光電檢測模塊輸出、b端連接后端放大電路輸入。5.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述前置放大器是跨阻放大器，所述跨阻放大器通過跨接在輸入端和輸出端的反饋電阻構成電壓并聯負反饋結構。6.根據權利要求5所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，在跨阻放大電路上設置有六組不同阻值R與所述開關電路并聯，分別為I ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、20KΩ、50ΚΩ、100 ΚΩ ;當要選用其中一個跨阻時，將這個電阻開關電路的SEL接電源，其余5組開關電路都接地即可實現;所述六個跨阻能保證跨阻放大器在ΙμΑ至20μΑ的寬輸入范圍內皆可獲得理想的輸出。7.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述主放大器由四個基本差分單元直接耦合組成，并在輸出至輸入端連接有失調補償回路。8.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述主放大器還包括一差分單元，所述差分單元，為雙端輸入雙端輸出。9.根據權利要求1所述的一種基于移動端光控智能控制家居系統(tǒng)，其特征在于，所述失調補償回路是RC低通濾波負反饋，在輸出與輸入端接入RC低通濾波負反饋，消除交流信號;所述輸出端還包括一個反相。10.—種利用上述1-9任一項所述的LED照明智能控制系統(tǒng)的光接收裝置的LED照明智能家居網絡系統(tǒng)，其特征在于，包括一個接入控制器，連接于外部網絡;多個白光LED照明光源連接于接入控制器;多個光學探測器，連接于接入控制器;個適配器；以及多個用戶設備，連接于多個適配器，并通過所述多個適配器進行數據的發(fā)送和接收;所述接入控制器和適配器中均包含有一個光學無線通信協議模塊，該光學無線通信協議模塊控制數據幀在自白光LED照明光源到適配器的下行鏈路以及自適配器到光學探測器的上行鏈路中進行傳輸；所述接入控制器用于驅動白光LED照明光源和光學探測器，實現電學信號與光學信號相互轉換，且所述接入控制器具備與外部網絡數據通信接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議;所述適配器具有發(fā)射光源和光學探測器，且能夠驅動自身具有的發(fā)射光源和光學探測器，具備與不同用戶設備交換數據的接口，執(zhí)行數據傳輸控制協議;所述適配器具有的發(fā)射光源是符合人眼安全標準的LED或激光器;所述適配器具有的發(fā)射光源，其發(fā)射的光學信號至少覆蓋到一個與接入控制器連接的光學探測器;所述適配器具有的光學探測器至少在一個白光LED照明光源光學信號的覆蓋范圍內。
【文檔編號】G05B19/418GK106054628SQ201610413657
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】楊定寬
【申請人】蘇州邁奇杰智能技術有限公司