基于智能燈桿的可見光通信和亮度調(diào)節(jié)的集成化研究

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430035）

隨著智慧城市的高速發(fā)展，智能燈桿不僅能應(yīng)用在城市照明中，而且集成了多種智能的設(shè)備。這些設(shè)備和外部的媒介之間需要通過通信的方式實現(xiàn)信息的交互?；诳梢姽獾耐ㄐ欧绞骄哂锌闺姶鸥蓴_能力強、不受時間地點限制等優(yōu)勢，因此在該領(lǐng)域受到廣泛的研究。其中可見光通信實施的重要組成部分是LED照明設(shè)備。

LED照明由于不僅具有使用壽命長、節(jié)能等優(yōu)勢，還具有快速的開關(guān)和切換特性[1-2]，因而被大量應(yīng)用在可見光的照明系統(tǒng)中。文獻[3]中有關(guān)LED亮度的方法主要有調(diào)節(jié)LED的輸入電壓，然而LED工作在額定狀態(tài)時表現(xiàn)為恒流的負載。另一方面，當LED出現(xiàn)過流的情況極易導(dǎo)致其光衰和使用壽命縮短的問題。為了保證其限定恒流的輸出特性，相關(guān)的芯片制造商推出了多種LED驅(qū)動的方案[4-6]。

智能燈桿的一項主要指標是必須節(jié)能環(huán)保，即LED需要根據(jù)外界的光照強度對自身的亮度進行自動調(diào)節(jié)[7]?？梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N新型的戶內(nèi)或戶外的通信方式，具有較大的傳輸帶寬[8-10]?，F(xiàn)有的可見光通信方案中沒有考慮到LED亮度的調(diào)節(jié)，使得在通信的過程中出現(xiàn)亮度的變化。

本文提出了一種利用反激變換器和并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成智能燈桿的亮度調(diào)節(jié)和可見光通信的集成系統(tǒng)。在不影響LED工作的情況下，使用頻移鍵控（frequency shift keying，F(xiàn)SK）的調(diào)制方式對功率變換器的工作頻率進行切換。同時，在不影響通信的前提下對功率變換器的占空比進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)。最終實現(xiàn)了一種集成化的可見光通信和LED亮度調(diào)節(jié)的方案。最后搭建了一個實驗平臺，通過實驗驗證所提出方法的可行性和有效性。

1 集成化系統(tǒng)的工作原理

本文所提出的LED亮度調(diào)節(jié)和可見光通信集成化的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 集成化的LED亮度調(diào)節(jié)和可見光通信系統(tǒng)Fig.1 Brightness adjustment of integrated LED and communication system of visible light

圖1中，工作電源UDC為直流電源，它是經(jīng)過交流整流之后或通過直流電網(wǎng)得到的。為了減少開關(guān)器件的數(shù)量和同時實現(xiàn)隔離的要求，由MOS管Q1、隔離變換器和全橋整流器（D1～D4）構(gòu)成的反激變換器被使用。由于LED具有恒流的工作特性，本文使用并聯(lián)諧振式的補償網(wǎng)絡(luò)，不僅具有恒流輸出的特性，而且具有多個工作特性相同的諧振點。LED1～LEDn為串聯(lián)的照明燈的陣列，為了避免出現(xiàn)閃爍的問題，C3用于濾除諧振變換器產(chǎn)生的高頻電壓波動。

諧振變換器具有傳輸?shù)墓β蚀蟆⑷菀讓崿F(xiàn)軟開關(guān)、功率密度大等優(yōu)勢，在DC-DC變換器中得到了大規(guī)模的使用。由圖1可知，本文所選取的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)是由L1，L2，C1和C2構(gòu)成的。由于耦合變壓器之間存在互感M，它和兩側(cè)耦合變壓器的自感之間滿足如下關(guān)系：

式中：k為耦合變壓器的耦合系數(shù)。

并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Parallel resonant network

補償網(wǎng)絡(luò)耦合電感的等效電路如圖2a所示。在圖2a中，根據(jù)基爾霍夫電壓定理（KVL），原邊線圈電壓U1和副邊線圈上的電壓U2表示為

式中：ω為系統(tǒng)工作的角頻率；I1，I2分別為流過原邊、副邊線圈的電流。

其中副邊電流可用下面簡化的方程表示：

式中：Zs為副邊的阻抗。

當補償網(wǎng)絡(luò)使用T型等效的電路時（如圖2b所示），Zs表示為

式中：R為從整流器看進去的交流等效電阻。

R和實際的負載電阻RL之間的關(guān)系為

聯(lián)立式（2）～式（4），并對輸出的電流I2進行求導(dǎo)，在?I2/?R=0時，存在兩個頻率點（fh和f1），都能實現(xiàn)恒定的電流輸出：

電路參數(shù)設(shè)置為：線圈自感Lp=Ls=70.2 μH；補償電容Cp=Cs=0.35 μH；輸入電壓Uin=48 V；工作頻 率 fl，fh分 別 為 28 kHz，38 kHz；控 制 器 為STM32F407。

采用交流掃描方法，對輸出電流I2在不同的頻率f和負載RL下的傳輸特性進行數(shù)值計算分析。其中頻率的變化范圍為10～60 kHz，負載電阻的變化范圍為10～50 Ω，得到如圖3所示的頻率特性曲線。

圖3 輸出的電流和頻率之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between output current and frequency

從以上的數(shù)值計算結(jié)果可以得到：隨著頻率的變化，出現(xiàn)了兩個對稱的負載特性曲線的交叉點，在這兩點輸出電流I2和負載的大小無關(guān)，即表現(xiàn)為恒流的輸出特性。這兩個交叉點和上面的理論分析部分得到的fh和fl是一致的。

2 LED亮度的控制

當系統(tǒng)工作在上面所設(shè)計的兩個頻率后，流過LED的電流為恒定值。

在實際的應(yīng)用中LED需要根據(jù)外界的光照強度大小對輸出的亮度進行調(diào)節(jié)，同時調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)該盡量控制在線性的工作區(qū)域。在這里，反激變換器原邊的占空比D的調(diào)節(jié)范圍滿足下面的等式：

式中：n為隔離變壓器匝比；Uin，Uout分別為輸入、輸出的電壓。

LED輸出功率P的表達式為

式中：Ton，Ts分別為反激變換器開通的時間和整個開關(guān)的周期。

為了實現(xiàn)對LED的亮度進行精確的控制，需要引入閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制框圖如圖4所示。設(shè)定的光照電流Iref和實際的反饋電流Ifb進行比較得到誤差信號，經(jīng)過一個并聯(lián)的PI調(diào)節(jié)器（其中，Kp和Ki分別為比例增益和積分增益）和一個限幅器之后，得到控制LED亮度調(diào)節(jié)的指令I(lǐng)*。

圖4 LED亮度調(diào)節(jié)的控制框圖Fig.4 Control block diagram of LED brightness adjustment

3 可見光通信的設(shè)計

3.1 調(diào)制器的設(shè)計

在第2節(jié)中設(shè)計了一個LED亮度的控制方法，為了和本節(jié)中所設(shè)計的可見光調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行集成，使用如圖5所示的方法。

圖5 可見光通信和LED亮度調(diào)節(jié)的混合調(diào)制Fig.5 Mixed modulation of visible light communication and LED brightness adjustment

在圖5a電路中，有兩個不同頻率的時鐘。當需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為“1”時，fh的通道被選通。反之，當需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為“0”時，fl通道被選通。由于每次有且僅有一個通道被選通，完整的數(shù)據(jù)序列可通過或門得到。本文選取FSK的調(diào)制方式，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”用下面的方程表示：

式中：s（t）為一個數(shù)據(jù)序列；A為載波信號的幅值；φh，φl分別為數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”的初始相位角，為了保證在頻率切換的過程中相位的連續(xù)性，φh和φl的值都設(shè)置為0。

式（9）的方波信號經(jīng)過一個可復(fù)位的積分器之后得到一個連續(xù)的三角波信號。再將LED的亮度調(diào)節(jié)指令信號I*通過比較器之后，得到了一個頻率和占空比都可調(diào)的信號PWM。最后將該信號經(jīng)過驅(qū)動電路之后送至反激式變換器的開關(guān)管Q1，具體的波形如圖5b所示。

3.2 解調(diào)器的設(shè)計

在可見光的通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的設(shè)計是必不可少的。當高速的光敏二極管接收到被調(diào)制的光信號之后，將含有信息的光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號；經(jīng)過R1之后將該電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過同相放大器之后得到增強的電壓信號，其中增益的大小可通過Rx進行調(diào)節(jié)。由于在前面的轉(zhuǎn)換和放大的過程中，頻率fl和fh的光調(diào)制信號以及噪聲信號都被引入至后級的電路中。為了避免這些信號之間的串擾，并將噪聲信號濾除。在這里，選取了一個帶通的濾波器，其帶通濾波器所對應(yīng)的頻率為fh，即數(shù)字“1”所對應(yīng)的頻率。最后經(jīng)過比較器就得到了數(shù)字信號，如圖6所示。

圖6 可見光通信的解調(diào)電路Fig.6 Demodulation circuit of visible light communication

4 實驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的通信特性和光照的調(diào)節(jié)特性，對現(xiàn)有的智能燈桿的試點進行改造，將反激變換器、通信調(diào)制電路和亮度調(diào)節(jié)電路集成至智能燈桿中，如圖7a所示。光照信號的接收電路以及解調(diào)電路則使用單體分離的結(jié)構(gòu)，如圖7b所示。

圖7 實驗裝置圖Fig.7 The photograph of prototype

實驗裝置中的主要實驗參數(shù)見第1節(jié)中的電路參數(shù)設(shè)置，耦合變壓器的原邊和副邊線圈自感值相同，且兩側(cè)的補償電容值也相同。直流輸入電壓的取值為48 V。在通信的調(diào)制過程中一共使用了兩個頻段，它們分別是28 kHz和38 kHz。為了實現(xiàn)集成化控制的可見光通信和LED亮度調(diào)節(jié)，智能燈桿中使用STM32F407作為中心的控制器。

圖8為一幀凱撒序列碼（CH1）從智能燈桿中發(fā)出來，經(jīng)過200 μs的延時之后，在解調(diào)器（CH2）中被完整地恢復(fù)出來的可見光通信的測試波形。此時，光通信系統(tǒng)的信號傳輸速率為10 kb/s。

圖8 可見光通信的測試波形Fig.8 The waveforms of visible light communication

為了驗證光照調(diào)節(jié)的性能，反激式變換器的占空比D的范圍設(shè)定為5%～45%，定義智能燈桿中的LED在額定功率工作時的亮度為100%，它們之間的關(guān)系如圖9所示。實驗的結(jié)果表明LED的亮度和反激變換器的占空比D近似正比的關(guān)系；但到達一定值之后，亮度值逐漸趨于飽和。

圖9 LED的亮度和占空比之間的關(guān)系Fig.9 The relationship between light brightness of LED and duty cycle

圖10為不同接收器的偏轉(zhuǎn)角度和不同距離d與通信的誤碼率的關(guān)系曲線。實驗的結(jié)果表明隨著可見光通信距離的增加，誤碼率隨之增大。接收器的偏移角度增大也會使得誤碼率上升。因此，為了減少傳輸?shù)恼`碼率，可以從優(yōu)化設(shè)計接收器的相對距離和偏轉(zhuǎn)角度著手，將誤碼率控制在可行的范圍之內(nèi)。另外，為了增加數(shù)據(jù)解析的正確率，可以引入奇偶校驗、求和校驗和CRC冗余校驗等多種方式。

圖10 誤碼率與接收器的距離、偏移角之間的關(guān)系Fig.10 The relationship among bit error rate，distance and offset angle of the receiver

5 結(jié)論

為了解決應(yīng)用在智能燈桿中的可見光通信和LED亮度調(diào)節(jié)之間的相互兼容的問題，本文利用并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的恒流的特性，在反激變換器的原邊實現(xiàn)了FSK調(diào)制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，占空比調(diào)節(jié)LED亮度的方案。理論分析和數(shù)值計算結(jié)果說明了這種方案的可行性。

實驗結(jié)果表明LED的亮度能在較大的范圍內(nèi)被調(diào)制，滿足實際的光照控制需求；在不同的距離和偏移角下，接收器能接收到可見光的通信信號，且誤碼率在可接受的范圍內(nèi)。因此，本文提出的集成化的可見光通信和LED亮度調(diào)節(jié)具有一定的可行性和實用價值。