一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置的製作方法

2023-08-02 04:02:06 2

本發明涉及地下室 通信領域，尤其是一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置。

背景技術：

太陽能（solar energy），是指太陽的熱輻射能（參見熱能傳播的三種方式），主要表現就是常說的太陽光線。在現代一般用作發電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬乾物件，並作為製作食物的方法，如製鹽和曬鹹魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，並不斷得到發展。太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式，太陽能發電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風能、化學能、水能等。

太陽能是由太陽內部氫原子發生氫氦聚變釋放出巨大核能而產生的，來自太陽的輻射能量。

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，並把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。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過漫長的地質年代演變形成的一次能源。地球本身蘊藏的能量通常指與地球內部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。

隨著白光 LED 器件的發展，可見光通信技術得到了越來越多的重視。可見光無線通信系統主要由光信號發射端和光信號接收端組成。這種技術運用到構建地下室 無線網路通信的具有巨大的優越性，地下室 無線傳感器網絡由多個低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器節點組成，這些傳感器節點構成無線網絡，具有數據採集、無線通信和信息處理的能力，將多個此類傳感器節點布置在一個特定的區域內，可形成無線傳感器網絡,它們通過特定的協議，高效、穩定、準確的進行自組織，並通過各傳感器節點協作進行實時測量、感知和採集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術將觀測信息實時傳輸。

技術實現要素：

本發明的發明目的是，克服現有技術方法的不足，提供了一種低功耗、體積小、低成本，具有計算能力和通信能力的基於可見光通信的家用下水節點。

為實現上述發明目的，提出了如下技術方案：

一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置，一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置，包括處理器模塊、LED發送/接收模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、電源模塊、中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊；所述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，基於智能移動終端作業系統，設計基於虛擬串口的秘鑰發送智能移動終端的軟體模塊，通過智能移動終端的軟體模塊發送出秘鑰信息，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，基於智能移動終端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、穩壓電路、電源控制器及直流供電電路；所述處理器模塊控制LED光源發送和接收信息，並協調各外設單元工作；所述LED發送／接收模塊負責節點之間的通信；所述傳感器模塊負責目標區域信息的採集；所述串口通信模塊與計算機連接，實現數據的收發；所述電源模塊負責節點的能量供給。

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IOB和內部連線三個部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，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，並最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。

所述處理器模塊採用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節點的主控晶片，該晶片體積小、質量輕，計算能力能滿足系統要求，同時內部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊晶片以及簡單的外圍電路從而實現體積小、質量輕和計算能力的要求。

待發送密鑰為 TTL 電平信號，即+5V 表示高電平「1」，0V 表示低電平「0」；所述LED驅動模塊包括PNP 型貼片三極體 S8550 及其相關外圍器件，用於實現電信號到光信號的轉換；所述光鑰匙模塊一個一對多的裝置；光鑰匙是基於單片機 STC12C2052AD 設計的一種發送端。

所述LED發送/接收模塊中，選擇的光源是Luxeon III Enutter大功率藍光光源(3W)。該光源的特點主要為：光通量高；使用壽命可達5*104h；體積小；額定工作電流很大，大約為 350~700mA ；點亮時間小於100s。另外，本模塊將光源與鋁基板組合使用用以散熱，使用菲涅爾透鏡實現聚光。選用 ULN2803A作為LED的驅動晶片, ULN2803A是高壓大電流達林頓電晶體陣列電路，該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端導通。該晶片可以同時驅動８組負載工作，具有電流增益高、溫度範圍寬、帶負載能力強等特點，非常適合作為LED光源的驅動。所述可見光接收模塊將接受的光信號轉化為電信號，將採集數據提供至處理器。考慮微型化原則，所以採用藍光增強型光電二極體PIN-10DP/SB作為接收元件，該元件具有100m2以上的感光面積，對於400~600m的波長（藍綠光波段範圍）較敏感，用於家用下水節點的接收器。

所述串口通信模塊針對Sink節點，使用主控晶片上的串行通信口 USART-Tx、USART-Rx ， 輸出 TTL電平實現數據的收發。電源模塊負責節點的能量供給，Sink節點通過串口與計算機端相連， 能量可以認為是無限的，而普通節點則需要靠電池供電。

所述電源模塊採用電壓範圍為1.8V~3.6V的STM32F405RGT6為電源，採用２節五號電池來供電，並採用低噪聲、快速瞬態響應的LT1963EST-3.3為穩壓晶片。LT1963EST-3.3穩壓晶片的輸出電流在1.5V ， 輸出電壓為3.3V， 具有低噪聲、快速瞬態響應等特點。

該發明的有益效果：

應用人工智慧專家系統、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。WIFI容易被電磁幹擾，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，具有保密性好的優點。

光鑰匙和智能移動終端相結合，可以很好的運用Android系統開發手機AAP光密鑰軟體，Android系統是基於 Linux 的一個開源的作業系統，主要是使用在移動終端（手機和平板）中。Android系統和其他的系統平臺相比，有很大的優勢。它的優勢最主要的體現在它的開放性。Android系統是完全開源的系統，所有的愛好者和廠商都可以參與到 Android 系統的開發中來，這就為 Android 系統的發展打下了很好基礎。Android 系統已經成為了全球裝機量第一大的系統。Android 系統的另一大優勢就是基於谷歌公司的平臺，谷歌公司的地圖、搜索、郵箱等服務產品，能夠無縫的應用到 Andriod 系統中去。

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IOB和內部連線三個部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，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，並最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程；為更好的實現本發明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發電或夜間時候依然滿足對整個系統進行供電

在使用時，多餘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，並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工作。本發明中所述基於可見光通信的家用下水節點採用STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節點的主控晶片，該晶片體積小、質量輕，計算能力能滿足系統要求，同時內部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊晶片以及簡單的外圍電路從而實現體積小、質量輕和計算能力的要求。和傳統的水聲通信技術相比，可見光通信的家用下水節點具備低功耗、體積小、低成本，具有計算能力和通信能力，實用性廣泛，並且經濟效益高，有巨大的市場前景。

採用基於可見光通信的家用下水節點構成無線網絡，具有數據採集、無線通信和信息處理的能力，將多個此類節點布置在一個特定的區域內，可形成無線網絡,它們通過特定的協議，高效、穩定、準確的進行自組織，並通過各節點協作進行實時測量、感知和採集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術將觀測信息實時傳輸。

附圖說明

圖1是基於可見光通信的家用下水節點結構圖；

圖2是處理器模塊電路圖；

圖3是LED驅動器電路圖；

圖4是可見光接收模塊電路圖；

圖5是電源模塊電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置作進一步詳盡描述：

如圖1所示，一種地下室專用移動端控制的光通信裝置家用裝置，包括處理器模塊、LED發送/接收模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、電源模塊、中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊；所述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，基於智能移動終端作業系統，設計基於虛擬串口的秘鑰發送智能移動終端的軟體模塊，通過智能移動終端的軟體模塊發送出秘鑰信息，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，基於智能移動終端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、穩壓電路、電源控制器及直流供電電路；所述處理器模塊控制LED光源發送和接收信息，並協調各外設單元工作；所述LED發送／接收模塊負責節點之間的通信；所述傳感器模塊負責目標區域信息的採集；所述串口通信模塊與計算機連接，實現數據的收發；所述電源模塊負責節點的能量供給。

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IOB和內部連線三個部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，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，並最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程；為更好的實現本發明，能夠滿足在光照度不夠使太陽能進行發電或夜間時候依然滿足對整個系統進行供電。

待發送密鑰為 TTL 電平信號，即+5V 表示高電平「1」，0V 表示低電平「0」；所述LED驅動模塊包括PNP 型貼片三極體 S8550 及其相關外圍器件，用於實現電信號到光信號的轉換；所述光鑰匙模塊一個一對多的裝置；光鑰匙是基於單片機 STC12C2052AD 設計的一種發送端。

在使用時，多餘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，並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工作。

如圖2所示，所述處理器模塊採用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微處理器作為通信節點的主控晶片，該晶片體積小、質量輕，計算能力能滿足系統要求，同時內部資源豐富，集成了USART,GPIO和ADC等功能， 所以處理器模塊只需要一塊晶片以及簡單的外圍電路從而實現體積小、質量輕和計算能力的要求。

如圖3所示，所述LED發送/接收模塊中，選擇的光源是Luxeon III Enutter大功率藍光光源(3W)。該光源的特點主要為：光通量高；使用壽命可達5*104h；體積小；額定工作電流很大，大約為 350~700mA ；點亮時間小於100s。另外，本模塊將光源與鋁基板組合使用用以散熱，使用菲涅爾透鏡實現聚光。選用 ULN2803A作為LED的驅動晶片, ULN2803A是高壓大電流達林頓電晶體陣列電路，該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端導通。該晶片可以同時驅動８組負載工作，具有電流增益高、溫度範圍寬、帶負載能力強等特點，非常適合作為LED光源的驅動。

如圖4所示，所述可見光接收模塊將接受的光信號轉化為電信號， 將採集數據提供至處理器。考慮微型化原則，所以採用藍光增強型光電二極體PIN-10DP/SB作為接收元件，該元件具有100m2以上的感光面積，對於400~600m的波長（藍綠光波段範圍）較敏感，用於家用下水節點的接收器。

如圖5所示，所述電源模塊採用電壓範圍為1.8V~3.6V的STM32F405RGT6為電源，採用２節五號電池來供電，並採用低噪聲、快速瞬態響應的LT1963EST-3.3為穩壓晶片。LT1963EST-3.3穩壓晶片的輸出電流在1.5V， 輸出電壓為3.3V，具有低噪聲、快速瞬態響應等特點。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於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明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。