LED只能用來照明？五大細分市場也值得一看！

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2015-10-22

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除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應時間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺，可以在照明同時提供數(shù)據(jù)通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)簡稱為可見光通信(VLC)技術(shù)。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準確定位、交通運輸通信和室內(nèi)導航等領(lǐng)域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決“最后1m”的問題。

和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展， led服裝照明，無線電頻譜很多頻段已被占用，照明資質(zhì)，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制；2)可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，安全性高，保密性好；3)可見光收發(fā)器件設(shè)備簡單，價格低廉；4)可見光波長屬于亞微米級，LED天花燈，在準確方向定位上具有明顯優(yōu)勢；5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應用。

1、室內(nèi)定位

室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的RF、藍牙以及超聲等方式存在系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、響應時間長、電磁干擾大、精度和準確度較低等問題。VLC不受電磁干擾，可以通過室內(nèi)固定光源實現(xiàn)快速準確定位和導航。未來的大商場、地下購物中心等地方可以通過基于VLC的智能行人自動支持系統(tǒng)的目標定位和引導，廠房照明，減少由于顧客找不到商品具體位置而帶來的損失。類似的應用可拓展到機場、博物館以及其他數(shù)字定位廣播場合。VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)需求不同，行業(yè)資訊，其定位精度也不同。對于室內(nèi)行人或者智障者導航類的定位，ROSH認證，中等精度即可。但對于機器人等定位精度要求會更高。

（1）室內(nèi)行人導航

幫助視覺障礙者識別位置的室內(nèi)導航系統(tǒng)，如下圖所示，LED安裝在天花板上，帶有地磁傳感器的智能手機掛在使用者脖子上，智能手機和耳機相連。手機通過可見光通信接收LED傳來的ID信息，獲取光源方向及定位信息；路徑優(yōu)化后并將結(jié)果傳送到耳機引導行人。測試結(jié)果表明在1~2m范圍內(nèi)測試者能夠準確定位和導航，并能在-59°~66°的范圍內(nèi)實現(xiàn)方向矯正。

結(jié)合墻上標牌面板LED光源開發(fā)的VLC定位導航系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)計了濾波器以減少背景光的干擾。通過VLC，使用者手機接收標牌面板LED傳來的導航信息。導航信息包括標牌面板位置信息以及視覺障礙者達到可下載的數(shù)據(jù)信息的最佳光強點。在該系統(tǒng)中導航信號的數(shù)據(jù)傳輸速率為62.5kb/s，而數(shù)據(jù)信息傳輸速率為1Mb/s。測試中，視覺障礙者可通過耳機接收約5m遠處標牌面板上LED光傳來的導航信號，行業(yè)資訊，當走到距離標牌面板約1m遠時，由于光強度足夠，所以視覺障礙者接收器能自動進行文本信息下載和存儲。

（2）室內(nèi)準確定位

在機器人及無人機(UVA)控制系統(tǒng)等很多應用中都需要精確定位。如何在保證系統(tǒng)復雜度不高的前提下獲得高的定位精度是人們研究的熱點。獲取目標位置方法有很多，如測量信號到達角度(AOA)、到達時間(TOA)、到達時差(TDoA)以及接收到信號強度(RSS)等。有一種無需同步的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng)。測試結(jié)果表明在5.9cm內(nèi)以95%的準確率實現(xiàn)精確定位。還有一種基于接收到信號強度/時分復用模式(RSS/TDM)的比特填充法的室內(nèi)定位系統(tǒng)。比特填充法可不受各種光信號干擾實現(xiàn)瞬時信號強度的測量。在該系統(tǒng)中16個相互間距為40cm的LED燈組成正方形陣列固定在天花板上，VLC接收器安裝在距離天花板170cm的機器人上。測試結(jié)果表明機器人在低于3cm的誤差內(nèi)，成功實現(xiàn)了5個目標點規(guī)劃路徑的自主導航。

圖像傳感器除了可同時實現(xiàn)圖像捕獲和數(shù)據(jù)接收之外，由于外界干擾光源聚焦像素和VLC理想信號聚焦像素有所區(qū)別，所以比光電二極管作為接收器具有更好的抗干擾能力。圖像傳感器在VLC中進行準確定位的應用越來越受到人們重視。無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的IEEE標準化組織P802.15工作組已經(jīng)在考慮如何將定位融入到相機通信標準中。

關(guān)于圖像傳感器幾種應用研究。下圖(a)顯示屏上顯示了接收端對圖像及位置信息的同時獲取。(b)是圖像傳感器在機器人上的應用。兩個固定在機器人上的圖像傳感器通過LED發(fā)送的信息檢測機器人位置。其中一個圖像傳感器捕獲入射光方向，高質(zhì)量，另外一個圖像傳感器連續(xù)捕獲高速幀圖像并解析可見光傳來的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果顯示機器人能夠在厘米范圍內(nèi)實現(xiàn)精確定位。(c)是利用圖像捕獲和可見光通信來實現(xiàn)50m遠外水箱準確定位，定位精度達到毫米級。

2、智能交通系統(tǒng)(ITS)的信息傳輸

智能交通系統(tǒng)(ITS)通過及時獲取并傳輸有關(guān)交通狀況等方面的信息來減少交通事故、交通堵塞以及燃油消耗。圖像處理可用來幫助駕駛員進行交通燈識別、障礙物檢測、車輛和車輛以及車輛和道路設(shè)施之間信息的捕獲，LED筒燈，是ITS的一個關(guān)鍵技術(shù)。高速數(shù)據(jù)圖像傳感器結(jié)合VLC在ITS上具有廣闊應用前景。文獻記錄了運用LED光以及安裝在汽車上的具有1000frame/s幀速和1024pixel×1024pixel分辨力的攝像機進行路邊裝置與車輛之間的通信。實車測試驗證了該系統(tǒng)能在車輛以30km/h的速度下，在35m范圍內(nèi)實現(xiàn)來自256個LEDs陣列組成光源傳輸來的數(shù)據(jù)的準確接收。

目前，在VLC中運用高速圖像傳感器存在一些技術(shù)問題需要解決：如安裝設(shè)施價格昂貴，需要復雜的實時圖像處理技術(shù)，LED-T5一體化燈管，照明方案，攝像機幀速率低于發(fā)光二極管的反應速度從而限制了通信速度等。文獻報道了最新研發(fā)的光通信圖像傳感器(OCI)在無線光通信(OWC)系統(tǒng)中的應用。運用互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感技術(shù)最新開發(fā)的OCI具有兩個特點：用于高速信號接收的通信像素(CPx)以及用于快速和精確LED檢測的1bit標志圖像輸出功能。該OWC系統(tǒng)被譽為當前世界上第一個僅有16.6ms延遲、20Mb/s傳輸速率的像素傳輸通信系統(tǒng)。

3、VLC高速數(shù)據(jù)傳輸