本文给出了LED 路灯实现可见光通信的一种方案，介绍了其组成、工作原理及实现过程，通过MATLAB仿真验证了方案的可行性。最后，通过采用相应的调制解调技术，现场测试并验证了LED 路灯实现可见光通信的可行性，并实时传送了LED 路灯工作状态的数据。
2. 4 Matlab 仿真( 图4、图5、图6)
图4 基带信号，反码信号，载波信号
图5 基带信号相乘，2FSK，叠加传输中产生的噪声信号
图6 相干解调与抽样判决结果
将以上研究设计思路采用Matlab 进行仿真，基带信号速率采用100bps，考虑到可选择元器件的限制，f1 选择800Hz，f2 为1000Hz，仿真结果证明该方案可行。
3 测试系统及验证
3. 1 测试系统
如图7 所示，现场测试系统的组成包括内置光通信控制器的LED 路灯，光接收机，智能手机设备( 内置读取数据显示的应用程序) 。光接收机与智能手机间通过蓝牙进行数据传输，以确保在路灯现场测试的方便性。
图7 现场测试系统
现场测试中，LED 路灯选择某品牌大功率LED路灯，该路灯支持PWM 调光输入的配套驱动电源。光通信控制器直接采用深圳市致烨科技有限公司的单灯控制器，其支持PWM 调光输出，可实时采集LED 路灯的电压、电流、有功功率、功率因素、温度等实时状态数据，由于现场测试验证中LED 路灯工作于开关模式，且所选择的信号调制工作速率较低，信号调制部分将由单灯控制器内部软件完成，直接输出2FSK 信号控制LED 灯开关。由于所选器件所限，本文测试用的基带信号速率为100bps，f1为800Hz，f2 为1000Hz，如果采用PIN 二极管，应可工作于更高的频率，当然相应的电路设计也将更为复杂。
3. 2 光接收机
光接收机设计为手持式，大小相当手机，以便于现场操作及可移动性。光传感器选择有两个关键性指标，一是响应的光波强度范围，二是响应速度。由于LED 路灯工作于室外，而室外充满了各种各样的其他可见光，同时白天及夜晚环境光亮度相差极大，因此在这种环境下工作的光传感器需要具有极宽的响应范围以及较高的灵敏度。而由于LED 路灯以f1 和f2 高频率闪烁，因此光传感器的响应速度应高于该频率。本测试系统采用欧恩光电的ON9658，其测量范围: 0 ～ 1000lx，响应时间达到Tr + Tf =4μS ( 图8) 。
图8 ON9658
考虑到路灯仅在夜间工作，光接收机仅设计为夜间工作，同时为避免其他可见光和相邻路灯对于通信的影响，光接收机增加遮光罩设计，在实际应用中仅需指向相应路灯。
光接收机信号解调部分直接采用通用的FSK 解调芯片XR2211 完成相干解调，XR2211 为音频锁相环电路。
蓝牙通信采用通用的蓝牙转串口通信模块，方便将读取的数据传输到智能手机设备中进行展示。配套的智能手机内置程序基于安卓系统，采用JAVA 技术开发。
3. 3 测试与验证
现场测试选择在某人车较少的路段，共安装已加装光通信控制器的LED 路灯( 160W) 10 盏，路灯灯高11 米，路灯间距35 米。通过光通信要求实时读取路灯数据包括: 该控制器UID、该路灯品牌、标称功率、配套电器品牌及类型、路灯工作电压、电流、有功功率、功率因素、温度( 图9、表1) 。
图9 现场测试示意图
表1 光通信对路面照度的影响
开启光通信时，LED 光源无人眼可识别闪烁，但路面照度下降到与调光50% 时一致，这是测试系统所采用调制方式功率利用率不高的原因造成的。当采用更为先进的PPM，甚至是DPPMDPIM，将能够获得更好的功率利用率和频带利用率( 表2) 。
表2 读取成功率与R 值的关系
经测试，当位于所测LED 路灯灯头下方，所有路灯的数据读取成功率均为100%，成功读取时间小于1S。由于采用了遮光罩设计，在不断增大R 值的同时始终指向光源位置，光接收机受环境光照或其他路灯的干扰情况可以忽略，其接收可靠性与光源的辐射功率密度以及光传感器的接收灵敏度有直接关系。
由此可见，虽然在该实现方案中存在通信速率过低、影响路灯照度等方面的问题，但LED 路灯实现可见光通信完全可行。且针对日常路灯巡检与管理，可见光通信方式无疑提供了一个简单、快速了解路灯实时运行状态的新思路和新途径。
4 总结
可见光通信在国内外还处于起步和摸索阶段，但其应用前景非常看好。本研究通过采用相应的调制解调技术，借由现有的技术与设备条件，快速验证了LED 路灯实现可见光通信的可行性，并且通过光通信方式完成了对LED 路灯工作状态的实时数据传送，为路灯智能化管理提供了一个新的思路和参考。同时随着技术的进步与方案的优化，LED 路灯实现光通信的意义将不仅限于此，其将彻底颠覆对于城市路灯的原有价值定义，路灯将不在局限于提供道路照明功能，而将作为一个遍布城市的通信接入点而存在，为智能交通、智慧城市的实现提供新的发展方向和动力。
编辑：Cedar
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