一種室內無線CCD控制智能淨化器的製作方法
2023-09-23 07:41:55
本發明涉及可見光通信技術領域，尤其是一種室內無線CCD控制智能淨化器。
背景技術：
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。
可見光通信技術，是利用螢光燈或發光二極體等發出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速網際網路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能夠覆蓋室內燈光達到的範圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發前景。相比於其他無線電通信方式，可見光通信的主要優點是：
（1）光通信的直線定向傳播方式使它的發射光束窄，方向性好，光束的發散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數據傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截取，否則數據不易外洩。由於這些波束非常的定向，是對準某一接收機的，如想截接，就需要用另一部接收機在視距內對準發射機，還需要知道如何接收信號，這是很難做到的。如果被裁接，那麼原來鏈路就被中斷了，用戶就會發現信息被截接。
（2）無須進行昂貴的管道工程施工，其施工成本約為光纜的20 %。組網方便、迅速，光通信組網速度快，只須在通信點上進行設備安裝，適合臨時使用和複雜地形中的緊急組網，對於重新撤換部署也很方便。
（3）由於光波波長短(可見光的約零點幾微米)，所以在完成同樣功能的情況下，光收 發端的尺寸要比微波、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，相應的器件成本也較低。
雖然光通信有諸多優點，但是也存在著一些弊端，譬如：光波不能穿透牆壁等障礙物，易受太陽光、白熾燈、螢光燈等背景光噪聲的幹擾等。
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，提供了一種點對點通信方式，收、發均採用相對較小的接收、發射角度，使用時只需手動粗對準即可，應用於室內短距離無線通信，可以達到10Mbps以上的數據通信速率，傳輸距離達到5米左右，基本滿足辦公室、實驗室、家庭等室內環境的數據通信要求的室內LED可見光通信系統。
為實現上述發明目的，提出了如下技術方案：
一種室內無線CCD控制智能淨化器，包括：
中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊、信號調製控制設備、LED 燈、智能淨化器、光探測器、信號處理電路；
所述智能淨化器還包括水位傳感器、溫度傳感器、溼度採集傳感器、聲光報警器以及顯示電路，當所述智能淨化器根據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、溼度採集傳感器發出執行指令，獲得淨化器內的水量數據信號、室溫信號以及室內溼度信號，微處理器對所述水量數據信號、室溫信號以及室內溼度信號進行放大、測量、A/D 包括紫外空氣淨化器，利用紫外光對空氣中的細菌以及有害物質進行滅殺，是空氣淨化器的執行部件；傳感器數據採集模塊，用於對外部信號進行採集與處理，包括運動傳感器與化學傳感器；電源電路模塊，對日常交流市電進行降壓，為空氣淨化器各個部件提供相應地工作電壓；交流電機控制模塊，單片機通過可控矽驅動光耦驅動電機，控制其導通與轉速的變化，單片機根據傳感器提供的信號、手動按鍵信號對電機的工作狀態進行自動和手動的調整，使得空氣淨化器在不同的工作模式下運轉的時候，電機處於對應檔的轉速；紫外燈管控制模塊，，通過單片機通過可控矽驅動光耦，驅動紫光燈管，並根據燈管的工作狀態反饋信號，判斷出燈管是否正常工作；紅外遙控模塊包括紅外發射器與接收電路，設置每個按鈕發射的紅外波形與時序；所述顯示器控制模塊和按鍵控制模塊用於對空氣淨化器工作模式的操作和顯示；所述光接收模塊，用於接收LED燈組發射的LED通信信號，並轉換為控制指令；包括紫外空氣淨化器，利用紫外光對空氣中的細菌以及有害物質進行滅殺，是空氣淨化器的執行部件；傳感器數據採集模塊，用於對外部信號進行採集與處理，包括運動傳感器與化學傳感器；電源電路模塊，對日常交流市電進行降壓，為空氣淨化器各個部件提供相應地工作電壓；交流電機控制模塊，單片機通過可控矽驅動光耦驅動電機，控制其導通與轉速的變化，單片機根據傳感器提供的信號、手動按鍵信號對電機的工作狀態進行自動和手動的調整，使得空氣淨化器在不同的工作模式下運轉的時候，電機處於對應檔的轉速；紫外燈管控制模塊，，通過單片機通過可控矽驅動光耦，驅動紫光燈管，並根據燈管的工作狀態反饋信號，判斷出燈管是否正常工作；紅外遙控模塊包括紅外發射器與接收電路，設置每個按鈕發射的紅外波形與時序；所述顯示器控制模塊和按鍵控制模塊用於對空氣淨化器工作模式的操作和顯示；所述光接收模塊，用於接收LED燈組發射的LED通信信號，並轉換為控制指令。
所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調製控制設備、LED 燈、智能淨化器、光探測器、信號處理電路；所述信號調製設備負責調製生成原始的電信號；所述LED 燈是單色的 LED；所述光探測器是可見光波段響應較好的 CCD光電轉換器件；所述智能淨化器是可變倍數的光學鏡頭；所述信號處理電路與光探測器相適應，用於視頻電信號的處理，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淨化器之間是大氣信道，光源發出的光通過大氣信道進行傳輸；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；所述遠距離可見光通信系統設備主要包括發射端和接收端；發射端可使用OOK、PPM 等調製方式，光源將調製好的光信號以高速、明暗變化的規律進行發射，採用大功率低束散角陣列 LED 作為光源，由於調製速率在一百比特量級，可以採用單片機配合 C++軟體編程進行發射端的軟硬體設計，實現字符串的發送；接收端，採用 CCD 作為光探測器，硬體設備使用高幀頻100fps 以上、高靈敏度、高響應度 CCD 相機；相機以與光源相同幀頻進行拍攝，並且設計軟體對CCD 相機進行數據的採集和處理，將調製信號的規律呈現出來，得到相應的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現字符串的接收；所述充電插口設置於閉合門的側端；
橋接電路：連接計算機USB接口和光收發電路，將來自計算機USB數據信號進行變換處理成適合發射電路調製的信號，同時將接收電路送來的信號進行變化處理成USB數據信號送給計算機，實現高速率的無線雙工通信；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；
光發射機：將經過USB接口電路處理過的信號進行編碼調製，調製過的信 號再經過放大後送去調製光源一一可見光LED，使其發出被編碼電信號調製的可見光光脈衝信號（這個過程稱之為電光轉換，即E/O轉換），最後經光學天線發射到大氣信道中。
光接收機：通過光學天線把發送端發送來的光脈衝信號會聚到光電檢測器 PIN，將接收的光信號轉換成電信號（這個過程稱之為光電轉換，即O/E轉換），轉換過來的微弱電信號經過放大解調後送給USB接口電路。
所述光發射機包括光源和驅動器以及輔助電路。所述輔助電路包括光監測器、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，電信號輸入到驅動器，所述驅動器與光源連接，自動溫度控制電路調控光源溫度，所述光監測器設置在光源照射範圍內，並與無光報警電路連接，所述光監測器與一自動功率控制電路連接後與驅動器構成反饋電路。
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。
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。
所述光源工作波段為紅光650nm，與綠光和藍光相比較，紅光在大氣信道中傳輸時，在對背景噪聲中的螢光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優勢。
所述發射機電路中採用650nm的紅光發光二極體（LED）作為發射機的光源。用於室內的便攜無線光傳輸設備，光源必須滿足以下幾個基本的要求：滿足人眼安全要求；調製速率滿足設計要求（≥10Mb/s）；使用壽命長；價格低，降低成本。所述LED驅動電路採用差分電路。
所述光接收機電路包括光電探測器、放大電路和信號處理電路，對於強度調製的數字光信號，在接收端採用直接檢測方式時，主要由光電檢測器、 低噪前置放大器、主放大器、AGC電路等構成光接收機的線性通道，以完成光/電轉換，把信號放大到判決電路所需的信號電平。
在光通信系統中，接收機的作用是把接收到光信號轉變為電信號。首先由光電探測器(可以是PIN光電二極體，也可以是PAD雪崩光電二極體)將光發射機送出的經信道傳輸後的微弱的光信號轉變為電信號。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行放大。光電探測器和前置放大器構成光接收機前端，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電路對信號進行高增益的放大並對信號進行補償、整形，以提高信噪比、減少誤碼率，使輸出的脈衝適合判決的要求。
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，優選為，LNA採用跨阻放大器。
該發明的有益效果：
本發明的室內LED可見光通信系統主要包括USB橋接電路、光發射機和光接收機，硬體電路小巧，使用便捷，工作性能良好，利用紫外線對室內空氣進行殺菌與消毒的產品，採用運動傳感器和化學傳感器兩個傳感器數據採集模塊的集成設計，使得本空氣淨化器具有自動採集與自動調整工作狀態的功能，實現了產品的智能化、節能性與環保的特點。另外遠程控制技術與可見光通信技術的結合，實現了對空氣淨化器的遠程設置和開啟關閉，使得空氣淨化器實現了遠程智能控制，並且與照明系統結合，實現了無線通信，獲得美觀、簡潔的用戶體驗。
另外，智能淨化器能夠通過GSM通信模塊實現了遠程控制，用戶可以在回家之前啟動智能淨化器，改善室內空氣溼度，在離開家以後關閉，即使忘記出門之前關閉智能淨化器，也可以通過手機發出控制指令，關閉智能淨化器，這樣能夠合理規劃智能淨化器的使用時間，延遲使用壽命以及節約能源。
所述溼度採集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器；該傳感器能夠對環境的溫度和溼度進行監測，溼度精度±2%(相對溼度20%～80%)， 溫度精度±0.3℃(環境溫度25～42℃)。傳感器經過標定，既能提供I2C數字接口，也能提供PWM模擬輸出模式。因為數字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態下，功耗可在3μW以內，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進一步降低。使用 SHT21 過程中， A/D電路進行數位化信號轉換。除此之外，SHT21的解析度還可以通過指令進行8/12bit 到12/14bit的改變，便於檢測電量狀態，同時輸出校驗和，有助於提高通信的可靠性。
所述微控制器是採用單片機 ,其CPU由控制器和運算器組成， 主要進行運算及指令識別。存儲器為８Ｋ可擦寫快閃記憶體， 工作電源為+５Ｖ 。其內部有振蕩器的反相放大器， 石英晶體和陶瓷諧振器共同構成自激振蕩器。引腳簡單可靠， 功能強大， 使用方便， 並具有低功耗空閒和掉電模式。
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， 直接利用數據總線供電， 測量溫度範圍較大。因此， 使用範圍較廣， 用途較大。
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。
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。遠距離可見光通信系統，在發射端採用了OOK調製方式，OOK 帶寬需求低，而且硬體實現最為簡單，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0或者1；使得發射端成本合理；在接收端，採用 CCD 作為光探測器，硬體設備使用高幀頻（100fps 以上）、高靈敏度、高響應度 CCD 相機；相機以與光源相同幀頻進行拍攝，並且設計軟體對CCD 相機進行數據的採集和處理，將調製信號的規律呈現出來，得到相應的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現字符串的接收。選擇 CCD 作為光探測器，其靈敏度和響應度比傳統的 PIN 光電二極體高很多。對比於傳統光電二極體，採用 CCD 相機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，成倍的提高傳輸速率。並且 CCD 作為光探測器還可以同時用於APT 通信系統當中。
在計算機上支持熱插拔， 充分體現了USB接口設備使用快速便捷的特點。在驅動程序的支持下，計算機之間實現點對點的雙向無線光通信，通信速率可達到11Mbps，實現了計算機之間基於USB接口的可見光（紅光）無線點對點通信。該系統主要是應用於室內短距離的視距範圍內的，採用650nm作為工作波長，短波長中的可見光波段在安裝調試上可以目視對準，省去了紅外波段價值昂貴的望遠鏡對準系統；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，大大降低了系統成本。LED光源驅動電路採用的是差分電路；差分電路由於恆流源的作用，即使出現大電流飄移，該種電路也可以保證相對穩定的供電電流，從而保證電路的工作穩定性；即使高電壓輸出時出現電壓飄移現象，只要信號仍然保持平衡，此電路引起的交叉幹擾也相對較小；對於存在容易產生寄生現象的前級電路的情況下，鑑於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
圖1是系統結構框圖；
圖2是光發射機電路框圖；
圖3是LED光源驅動電路；
圖4是光收機電路框圖；
圖5是跨阻放大器電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的11作進一步詳盡描述：
1、如圖1所示，包括：
中央處理器、現場可編程門陣列電路、電源電路、光鑰匙模塊、信號調製控制設備、LED 燈、智能淨化器、光探測器、信號處理電路；所述智能淨化器包括微控制器、淨化器開關以及光接收模塊，所述光接收模塊從LED燈組中接收LED通信信號，對所述LED通信信號處理後獲得控制指令，並將所述控制指令輸送到微控制器，所述微控制器根據所述控制指令生成淨化器開關的執行指令，所述淨化器開關是電磁繼電器，所述電磁繼電器與淨化器的加溼裝置連接；
所述智能淨化器還包括水位傳感器、溫度傳感器、溼度採集傳感器、聲光報警器以及顯示電路，當所述智能淨化器根據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、溼度採集傳感器發出執行指令，獲得淨化器內的水量數據信號、室溫信號以及室內溼度信號，微處理器對所述水量數據信號、室溫信號以及室內溼度信號進行放大、測量、A/D 包括紫外空氣淨化器，利用紫外光對空氣中的細菌以及有害物質進行滅殺，是空氣淨化器的執行部件；傳感器數據採集模塊，用於對外部信號進行採集與處理，包括運動傳感器與化學傳感器；電源電路模塊，對日常交流市電進行降壓，為空氣淨化器各個部件提供相應地工作電壓；交流電機控制模塊，單片機通過可控矽驅動光耦驅動電機，控制其導通與轉速的變化，單片機根據傳感器提供的信號、手動按鍵信號對電機的工作狀態進行自動和手動的調整，使得空氣淨化器在不同的工作模式下運轉的時候，電機處於對應檔的轉速；紫外燈管控制模塊，，通過單片機通過可控矽驅動光耦，驅動紫光燈管，並根據燈管的工作狀態反饋信號，判斷出燈管是否正常工作；紅外遙控模塊包括紅外發射器與接收電路，設置每個按鈕發射的紅外波形與時序；所述顯示器控制模塊和按鍵控制模塊用於對空氣淨化器工作模式的操作和顯示；所述光接收模塊，用於接收LED燈組發射的LED通信信號，並轉換為控制指令；包括紫外空氣淨化器，利用紫外光對空氣中的細菌以及有害物質進行滅殺，是空氣淨化器的執行部件；傳感器數據採集模塊，用於對外部信號進行採集與處理，包括運動傳感器與化學傳感器；電源電路模塊，對日常交流市電進行降壓，為空氣淨化器各個部件提供相應地工作電壓；交流電機控制模塊，單片機通過可控矽驅動光耦驅動電機，控制其導通與轉速的變化，單片機根據傳感器提供的信號、手動按鍵信號對電機的工作狀態進行自動和手動的調整，使得空氣淨化器在不同的工作模式下運轉的時候，電機處於對應檔的轉速；紫外燈管控制模塊，，通過單片機通過可控矽驅動光耦，驅動紫光燈管，並根據燈管的工作狀態反饋信號，判斷出燈管是否正常工作；紅外遙控模塊包括紅外發射器與接收電路，設置每個按鈕發射的紅外波形與時序；所述顯示器控制模塊和按鍵控制模塊用於對空氣淨化器工作模式的操作和顯示；所述光接收模塊，用於接收LED燈組發射的LED通信信號，並轉換為控制指令。
所述中央處理器連接光鑰匙模塊、信號調製控制設備、LED 燈、智能淨化器、光探測器、信號處理電路；所述信號調製設備負責調製生成原始的電信號；所述LED 燈是單色的 LED；所述光探測器是可見光波段響應較好的 CCD光電轉換器件；所述智能淨化器是可變倍數的光學鏡頭；所述信號處理電路與光探測器相適應，用於視頻電信號的處理，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淨化器之間是大氣信道，光源發出的光通過大氣信道進行傳輸；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；
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；所述遠距離可見光通信系統設備主要包括發射端和接收端；發射端可使用OOK、PPM 等調製方式，光源將調製好的光信號以高速、明暗變化的規律進行發射，採用大功率低束散角陣列 LED 作為光源，由於調製速率在一百比特量級，可以採用單片機配合 C++軟體編程進行發射端的軟硬體設計，實現字符串的發送；接收端，採用 CCD 作為光探測器，硬體設備使用高幀頻100fps 以上、高靈敏度、高響應度 CCD 相機；相機以與光源相同幀頻進行拍攝，並且設計軟體對CCD 相機進行數據的採集和處理，將調製信號的規律呈現出來，得到相應的灰度值，從而完成信息的傳遞過程，實現字符串的接收；所述充電插口設置於閉合門的側端；
橋接電路：連接計算機USB接口和光收發電路，將來自計算機USB數據信號進行變換處理成適合發射電路調製的信號，同時將接收電路送來的信號進行變化處理成USB數據信號送給計算機，實現高速率的無線雙工通信。
光發射機：將經過USB接口電路處理過的信號進行編碼調製，調製過的信 號再經過放大後送去調製光源一一可見光LED，使其發出被編碼電信號調製的可見光光脈衝信號（這個過程稱之為電光轉換，即E/O轉換），最後經光學天線發射到大氣信道中。
光接收機：通過光學天線把發送端發送來的光脈衝信號會聚到光電檢測器 PIN，將接收的光信號轉換成電信號（這個過程稱之為光電轉換，即O/E轉換），轉換過來的微弱電信號經過放大解調後送給USB接口電路。
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。
所述溼度採集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器；該傳感器能夠對環境的溫度和溼度進行監測，溼度精度±2%(相對溼度20%～80%)， 溫度精度±0.3℃(環境溫度25～42℃)。傳感器經過標定，既能提供I2C數字接口，也能提供PWM模擬輸出模式。因為數字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態下，功耗可在3μW以內，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進一步降低。使用 SHT21 過程中， A/D電路進行數位化信號轉換。除此之外，SHT21的解析度還可以通過指令進行8/12bit 到12/14bit的改變，便於檢測電量狀態，同時輸出校驗和，有助於提高通信的可靠性。
所述微控制器是採用單片機 ,其CPU由控制器和運算器組成， 主要進行運算及指令識別。存儲器為８Ｋ可擦寫快閃記憶體， 工作電源為+５Ｖ 。其內部有振蕩器的反相放大器， 石英晶體和陶瓷諧振器共同構成自激振蕩器。引腳簡單可靠， 功能強大， 使用方便， 並具有低功耗空閒和掉電模式。
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， 直接利用數據總線供電， 測量溫度範圍較大。因此， 使用範圍較廣， 用途較大。
所述溼度採集傳感器是SHT21傳感器，此時不在需要溫度傳感器；該傳感器能夠對環境的溫度和溼度進行監測，溼度精度±2%(相對溼度20%～80%)， 溫度精度±0.3℃(環境溫度25～42℃)。傳感器經過標定，既能提供I2C數字接口，也能提供PWM模擬輸出模式。因為數字通信可大大降低功耗，在正常工作狀態下，功耗可在3μW以內，在延長測量間隔的情況下，功耗還可進一步降低。使用 SHT21 過程中， A/D電路進行數位化信號轉換。除此之外，SHT21的解析度還可以通過指令進行8/12bit 到12/14bit的改變，便於檢測電量狀態，同時輸出校驗和，有助於提高通信的可靠性。
所述微控制器是採用單片機 ,其CPU由控制器和運算器組成， 主要進行運算及指令識別。存儲器為８Ｋ可擦寫快閃記憶體， 工作電源為+５Ｖ 。其內部有振蕩器的反相放大器， 石英晶體和陶瓷諧振器共同構成自激振蕩器。引腳簡單可靠， 功能強大， 使用方便， 並具有低功耗空閒和掉電模式。
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， 直接利用數據總線供電， 測量溫度範圍較大。因此， 使用範圍較廣， 用途較大。
如圖2所示，所述光發射機包括光源和驅動器以及輔助電路。所述輔助電路包括光監測器、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，電信號輸入到驅動器，所述驅動器與光源連接，自動溫度控制電路調控光源溫度，所述光監測器設置在光源照射範圍內，並與無光報警電路連接，所述光監測器與一自動功率控制電路連接後與驅動器構成反饋電路。
優選地，所述光源工作波段為紅光650nm，與綠光和藍光相比較，紅光在大氣信道中傳輸時，在對背景噪聲中的螢光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優勢。
優選地，所述發射機電路中採用650nm的紅光發光二極體（LED）作為發射機的光源。用於室內的便攜無線光傳輸設備，光源必須滿足以下幾個基本的要求：滿足人眼安全要求；調製速率滿足設計要求（≥10Mb/s）；使用壽命長；價格低，降低成本。如圖3所示，所述LED驅動電路採用差分電路。
如圖4所示，所述光接收機電路包括光電探測器、放大電路和信號處理電路，對於強度調製的數字光信號，在接收端採用直接檢測方式時，主要由光電檢測器、 低噪前置放大器、主放大器、AGC電路等構成光接收機的線性通道，以完成光/電轉換，把信號放大到判決電路所需的信號電平。
在光通信系統中，接收機的作用是把接收到光信號轉變為電信號。首先由光電探測器(可以是PIN光電二極體，也可以是PAD雪崩光電二極體)將光發射機送出的經信道傳輸後的微弱的光信號轉變為電信號。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行放大。光電探測器和前置放大器構成光接收機前端，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電路對信號進行高增益的放大並對信號進行補償、整形，以提高信噪比、減少誤碼率，使輸出的脈衝適合判決的要求。
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，優選為，LNA採用跨阻放大器。
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。其中的負反饋網絡Rf 檢測到輸出端電壓並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生的光電流；另一方面，具有很好的帶負載的能力。它是一種通過反饋電阻Rf 給放大器輸入端提供負反饋的高增益高阻抗放大器，基本上是一個電流-電壓轉換器，噪聲低、頻帶寬和動態範圍大。