基于藍(lán)光led可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。
[0003]隨著人類向海洋以及水下領(lǐng)域的探索逐漸深入，諸如海洋勘探、水環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖、捕撈等科研、生產(chǎn)活動對水下信息互聯(lián)的需求也更為迫切，水下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，且越來越受到重視。
[0004]構(gòu)建水下物聯(lián)網(wǎng)亟需解決的主要技術(shù)問題之一是水下無線通信。目前主要的水下無線通信技術(shù)包括水聲通信、水下電磁波通信以及水下光通信:水聲通信傳輸速率最高只能達(dá)到150kb/s，且傳播時延大、誤碼率高、發(fā)散角極大，容易導(dǎo)致信息泄露，不利于通信安全;電磁波在水下會急速衰減并產(chǎn)生多徑效應(yīng)，傳播距離短且信道模型復(fù)雜;對于水下光通信來說，普通光波在水下會發(fā)生反射、折射及散射現(xiàn)象，無法適合水中的長距離傳播，而藍(lán)綠激光通信則成本較高。
[0005]構(gòu)建水下物聯(lián)網(wǎng)需要解決的另一個主要技術(shù)問題是水下的組網(wǎng)互聯(lián)問題，包括物-物互聯(lián)、物-人互聯(lián)、萬維網(wǎng)接入及移動互聯(lián)等問題。與陸地物聯(lián)網(wǎng)主要采用基于電磁波的近距通信組網(wǎng)技術(shù)不同，水對電磁波的衰減作用決定了水下物聯(lián)網(wǎng)不適合采用電磁波作為互聯(lián)組網(wǎng)技術(shù)的核心。
[0006]因?yàn)?50?570nm波段內(nèi)的藍(lán)綠光到藍(lán)光在水中的衰減比其他光波段的衰減要小很多，以藍(lán)光LED為核心器件的可見光通信具有發(fā)光效率高、水下衰減小、通信可靠性高、高速和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，不僅可節(jié)省水下通信所需的線纜，并且可與水下照明系統(tǒng)相集成，是一種最具潛力的水下綠色現(xiàn)代高速信息通信技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可為水下活動、水下作業(yè)的設(shè)備及終端提供高速信息互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]—種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水下設(shè)備、水下傳感器、水下終端或水下網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)單元，多個節(jié)點(diǎn)單元按照一定的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，
[0010]所述節(jié)點(diǎn)單元之間以基于藍(lán)光LED可見光通信作為信息傳遞手段；
[0011]所述節(jié)點(diǎn)單元包括雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊、核心處理模塊、外部接口模塊，其中，所述外部接口模塊用于與其它外圍設(shè)備相連從而使得節(jié)點(diǎn)單元具備特定的應(yīng)用功能;所述核心處理模塊用于為應(yīng)用功能提供運(yùn)算處理并驅(qū)動雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊以實(shí)現(xiàn)水下通信與組網(wǎng)功能;所述雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊用于實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的發(fā)射和接收，完成加載信息的藍(lán)光信號的調(diào)制解調(diào)功能。
[0012]優(yōu)選的，所述水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)鏈?zhǔn)健⒕真準(zhǔn)交蛘逜dHoc網(wǎng)絡(luò)。
[0013]優(yōu)選的，所述水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還包括水面基站，所述水面基站用于接收各節(jié)點(diǎn)單元傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測或者預(yù)測功能，所述水面基站遠(yuǎn)程接入互聯(lián)網(wǎng)。
[0014]優(yōu)選的，所述雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊包括光發(fā)射單元與光接收單元，所述光發(fā)射單元包括數(shù)字信號輸入端口、前置放大電路、可見光LED光源高速驅(qū)動電路、藍(lán)光LED燈珠和會聚光學(xué)裝置，所述光接收單元包括光電二極管、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、差分放大電路和穩(wěn)壓電路。
[0015]優(yōu)選的，所述光發(fā)射單元的工作過程為:由所述數(shù)字信號輸入端口輸入的數(shù)字調(diào)制信號經(jīng)所述前置放大電路進(jìn)行信號整形與放大，經(jīng)整形與放大后的調(diào)制電壓信號饋入所述可見光LED光源高速驅(qū)動電路產(chǎn)生并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動LED光源的高碼率電流信號，該電流信號用于對所述藍(lán)光LED燈珠進(jìn)行開關(guān)鍵控調(diào)制從而產(chǎn)生藍(lán)光亮滅信號，對該藍(lán)光信號采用會聚光學(xué)裝置進(jìn)一步改善LED光束質(zhì)量并輸出。
[0016]優(yōu)選的，所述可見光LED光源高速驅(qū)動電路包括MAX16832芯片，用于實(shí)現(xiàn)高速LED光源調(diào)制驅(qū)動。
[0017]優(yōu)選的，所述光接收單元的工作過程為:
[0018]所接收的藍(lán)光信號首先經(jīng)過所述光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，然后經(jīng)所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將上述模擬電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，所產(chǎn)生的差分電壓信號經(jīng)過所述濾波電路過濾雜訊干擾信號并經(jīng)過所述差分放大電路恢復(fù)得到數(shù)字解調(diào)信號。
[0019]優(yōu)選的，所述穩(wěn)壓電路采用ASMl117-5變壓芯片與ASMl 117-3.3變壓芯片，為所述光接收單元中的芯片提供5V及3.3V的電源電壓。
[0020]優(yōu)選的，所述光電二極管為硅PIN光電二極管S5971。
[0021]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0022]I)本發(fā)明提出的基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括集成雙向藍(lán)光LED可見光通信模塊的水下設(shè)備及基于基礎(chǔ)鏈?zhǔn)?、菊鏈?zhǔn)胶虯d Hoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能夠靈活地運(yùn)用于各種水下活動、水下作業(yè)的領(lǐng)域。
[0023 ] 2)本發(fā)明提出的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的雙向藍(lán)光LED可見光通信模塊中藍(lán)光光源采用高亮度藍(lán)光LED，相比激光光源其成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，而且LED具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，適合高頻調(diào)制。其調(diào)制速度最高可達(dá)50MHz的調(diào)制速度，比傳統(tǒng)的聲波調(diào)制速度快了 300倍有多，并且還有很大的提升空間。
[0024]3)本發(fā)明提出的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的雙向藍(lán)光LED可見光通信模塊中光接收模塊采用在可見光波段具有高靈敏度的硅PIN光電二極管，具有高速響應(yīng)，低價格，高可靠性的特點(diǎn)。
[0025]4)基于雙向藍(lán)光LED可見光通信模塊的水下物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式采用基礎(chǔ)鏈?zhǔn)健⒕真準(zhǔn)芥溄优cAd Hoc網(wǎng)絡(luò)，具有負(fù)載均衡、鏈路可靠的優(yōu)勢，為水下通信領(lǐng)域提供了一種新的解決方案。
【附圖說明】
[0026]圖1是本實(shí)施例中公開的一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系中節(jié)點(diǎn)單元的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0027]圖2是本實(shí)施例中雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊的光發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0028]圖3是本實(shí)施例中雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊的光接收單元的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0029]圖4是本實(shí)施例中構(gòu)成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)單元的示意圖；
[0030]圖5是本實(shí)施例中公開的一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)菊鏈?zhǔn)酵負(fù)溥B接的示意圖；
[0031]圖6是本實(shí)施例中公開的一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意圖；
[0032]圖7是基于藍(lán)光LED可見光通信的水下作業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]實(shí)施例
[0035]本實(shí)施例公開了一種基于藍(lán)光LED可見光通信的水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以搭載雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊的水下設(shè)備、終端、水下網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)單元，多個節(jié)點(diǎn)單元按照一定的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
[0036]上述節(jié)點(diǎn)單元之間以藍(lán)光通信作為信息傳遞手段。450?570nm波段內(nèi)的藍(lán)綠光到藍(lán)光在水中的衰減比其他光波段的衰減要小很多，以藍(lán)光LED為核心器件的可見光通信具有發(fā)光效率高、水下衰減小、通信可靠性高、高速和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，不僅可節(jié)省水下通信所需的線纜，并且可與水下照明系統(tǒng)相集成，是水下綠色現(xiàn)代高速信息通信技術(shù)。
[0037]其中，水下設(shè)備、終端、水下網(wǎng)關(guān)為水下物聯(lián)網(wǎng)信息交互的主體，是信息產(chǎn)生、交換、處理的節(jié)點(diǎn)單元。主要由雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊、核心處理模塊、外部接口模塊組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。外部接口模塊用于與其它外圍設(shè)備相連從而使得節(jié)點(diǎn)單元具備特定的應(yīng)用功能，核心處理模塊用于為應(yīng)用功能提供運(yùn)算處理并驅(qū)動雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊以實(shí)現(xiàn)水下通信與組網(wǎng)功能。
[0038]雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊由光發(fā)射單元與光接收單元組成，其中光發(fā)射單元由數(shù)字信號輸入端口、前置放大電路、可見光LED光源高速驅(qū)動電路、藍(lán)光LED燈珠及會聚光學(xué)裝置所構(gòu)成，用于為可見光接收器提供可見光信號，是雙向藍(lán)光LED可見光通信技術(shù)的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0039]在光發(fā)射單元中，由數(shù)字信號輸入端口所輸入的數(shù)字調(diào)制信號經(jīng)前置放大電路進(jìn)行信號整形與放大，經(jīng)整形與放大后的調(diào)制電壓信號饋入高速LED光源調(diào)制驅(qū)動芯片MAX16832產(chǎn)生并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動LED光源的高碼率電流信號，該信號進(jìn)一步用于對高亮度藍(lán)光LED CREE燈珠進(jìn)行開關(guān)鍵控調(diào)制從而產(chǎn)生藍(lán)光亮滅信號，對該光信號采用會聚光學(xué)裝置進(jìn)一步改善LED光束質(zhì)量并輸出。
[0040]雙向藍(lán)光LED收發(fā)模塊的光接收單元主要由用于接收可見光信號的光電二極管、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和差分放大電路以及相應(yīng)穩(wěn)壓電路所構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在光接收單元中，所接收的藍(lán)光信號首先經(jīng)過在可見光波段具有高靈敏度的硅PIN光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，本發(fā)明中所采用的光電二極管為光電二極管S5971。
[0041]所產(chǎn)生的模擬電流信號經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，所產(chǎn)生的差分電壓信號進(jìn)一步經(jīng)過濾波電路過濾雜訊干擾信號并經(jīng)過差分放大電路恢復(fù)得到數(shù)字解調(diào)信號。光接收單元中使用了穩(wěn)壓電路給芯片提供相應(yīng)的電源電壓。本發(fā)明中采用了 ASMl 117-5變壓芯片與ASMl 117-3.3變壓芯片分別提供5V跟3.3V電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路。
[0042]進(jìn)一步的，多個節(jié)點(diǎn)單元按照一定的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成水下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。圖4所示為本發(fā)明一種基礎(chǔ)的鏈