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以白光LED製作可視光無線通訊器
 

【作者: 高士】   2007年10月10日 星期三

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在1996年,日亞化學中村教授發表藍光LED,RGB三原色終於全數備妥。由於LED具備輕巧、低消費電力、高速反應等特性,因此RGB三色LED構成的白光被視為次世代光源,台日韓美歐各國紛紛加入白光LED開發行列。


目前白光LED已經應用在LCD背光照明模組、交通信號燈、攜帶式電子機器背光照明模組等領域。可視光通訊是指利用LED等可見光線的高速反應特性,進行無線通訊的新世代技術而言。


接著本文要介紹利用白光LED與可視光ID(Identification)規範構成的Spot Light通訊機器。可視光通訊會限制收訊區域,非常適合應用在道路誘導、展示導遊、行人用智慧型道路交通系統(Intelligent Transport Systems;ITS)、醫院、室內資訊傳輸等領域。


開發經緯

如(圖一)是可視光通訊的動作原理,如圖所示送訊端根據傳遞資料將電氣信號變調,再利用LED轉換成光線傳送出去,收訊端利用受光元件(光線感測器)接收光線,再將光線轉換成電氣信號,經過複調當成信號資料讀取。


《圖一 可視光無線通訊的動作原理》
《圖一 可視光無線通訊的動作原理》

可視光通訊具備下列特徵:


  • (1)使用可視光,肉眼容易識別資訊的發送源;


  • (2)不易發生機械誤動作或是對人體影響;


  • (3)不使用高頻電波,無電磁波傷害困擾。



於2003年10月成立的產官學國際財團VLCC(Visible Light Communication Consortiun),成立初期以加盟企業為主要對象,VLCC針對可視光通訊技術的標準化與應用普及化進行各種工作小組活動,至2007年1月為提升可視光通訊知名度,包含東芝等公司在內有23家會員公司正式展開工作小組活動,具體內容分別是攜帶終端、光標籤(Tag)的檢討,並成立可視光ID標準化工作小組。


可視光通訊是照明器具與看板等周邊設備常用的通訊技術,為了使可視光通訊普及化,必需建立各種終端機器都能夠應用的標準化規範,目前VLCC已經制定兩種規範,分別是:


  • (1)可視光通訊系統規範VLCC-STD-001;


  • (2)低速通訊可視光ID用可視光ID規範VLCC-STD-003。



上述規範適用範圍、波長、頻率分配分別如下。


適用範圍

本規範針對以可視光當作媒體的通訊系統,尤其是系統分成物理層與應用上位層時,規定物理層部份適用範圍,具體內容如圖2的點線所示,它的適用範圍分別是收訊端的發光元件、收訊端的受光元件與發光元件的自由空間介面。


《圖二 可視光無線通訊系統的適用範圍》
《圖二 可視光無線通訊系統的適用範圍》

波長

本規範採用可視光所有領域當作可視光用波長,可視光領域為光的三原色亦即RGB,波長從藍光的380nm一直到紅光的780nm範圍。


副搬送波傳輸方式的頻率分配

本規範採用可以將元信號變調的傳輸方式。副搬送波系統除了應用在可視光通訊系統之外,典型的傳輸系統還有紅外線訊系等等。為防止空間傳輸系統彼此干擾,制定如(圖三)所示的可視光通訊系統副搬送波頻率。


《圖三 副搬送波傳輸方式的頻率分配》
《圖三 副搬送波傳輸方式的頻率分配》

有關上述規範規定的功能、傳輸方式、訊框(Frame)結構,具體內容分別如下。


功能

可視光送訊端與收訊端之間的傳遞資料方法,可以分成ID送訊功能與資料送訊功能兩種。


傳輸方式

副搬送波的頻率如圖3所示,包含可視光ID系統分配的領域在內,VLCC規定28.8kHz時的資料傳送速度為4.8k位元/秒。資料使用4值脈衝位置變調(4PPM)的副搬送波變調編碼化方式,(圖四)是有關4PPM的定義。


《圖四 4PPM的定義》
《圖四 4PPM的定義》

訊框(Frame)結構

如(圖五)所示訊框以型式A與型式B兩種結構定義,各型式的訊框是由顯示訊框前端的起始部(Start Of File;SOF)、資訊部(Payload)、終端部(End Of Fil;EOF)構成。


起始部區分成序文(Preamble;PRE)與訊框型式(Frame Type);資訊部(Payload)若是型式B的場合,則區分成識別記號(Identification;ID)與資料部,終端部(EOF)屬於週期性多餘資訊檢驗(Cyclic Redundancy Check-16;CRC-16)。


本規範為可視光ID中低速度規格,因此VLCC已經針對高速度規格進行檢討。


《圖五 Frame的結構》
《圖五 Frame的結構》

系統結構

使用LED點光源(Spot Light)通訊機器,是根據VLCC-STD-003規範製作的可視光無線通訊設備,(圖六)是LED點光源可視光無線通訊器的系統結構圖,各點光源通訊器具備相異ID利用該ID進行送訊,可視光收訊器接收該ID之後會辨識地點,並提供該地點的周邊資訊。


點光源通訊器使用3個高照度白光LED,(表一)是可視光無線通訊器的主要規格一覽。一般為穩定驅動LED照明大多採用電流控制方式,本點光源通訊器採用電流控制用FET構成的LED驅動電路,定電流控制LED的同時,進行資料通訊的變調作業。


此外有關LED照明與LED驅動電路要求的散熱對策,它是透過LED點光源可視光無線通訊器的框體散熱。圖7是可視光無線通訊器系統的內部結構,根據測試結果證實LED點光源可視光無線通訊器不會妨礙周邊電子機器進行資料傳輸。


《圖六 可視光無線通訊器的系統結構》
《圖六 可視光無線通訊器的系統結構》
(表一) 可視光無線通訊器的規格

項目

規格

光源色

白光

中心光度

900cd

光束擴散角度

250

電源

AC100V(透過燈座滑軌提供)

消費電力

25W以下


上述LED點光源可視光無線通訊器內建二組LED驅動模組,可以擴充其中一組與外部例如網路分享器(Router)電路連接,構成全新的LED點光源可視光無線網路分享器。此外可視光無線通訊器的傳輸資料ID可以利用通訊器內部設定,或是設置通訊介面與通訊控制模組從外部設定資料。


LED點光源可視光無線通訊器,可以利用室內照明常用的燈座滑軌,輕易固定固定在天花板使用上非常方便。



《圖七 可視光無線通訊器系統的內部結構》
《圖七 可視光無線通訊器系統的內部結構》

系統評鑑

如(表二)是可視光無線通訊器的評鑑試驗項目一覽,具體測試內容分別是環境測試、安全性測試、功能測試、性能測試、其它測試等等。


有關照度測試結果,通訊資料變調後的LED點光源照度幾乎與變調前完全相同;有關功能測試結果,最大通訊距離大約是3.5m。


根據以上測試結果證實LED可視光無線通訊器具備實用性,可以當作可視光ID通訊器使用,若與網路分享器電路連接,還可以構成全新的LED點光源可視光無線網路分享器,完全排除傳統高頻無線網路分享器電磁波對人體與周邊電子機器干擾的疑慮,適合應用在辦公室與醫院等限定空間的資料傳輸。


(表二) 可視光無線通訊器的評鑑試

評鑑項目

規格

環境

溫度、電源變動、噪訊試驗

安全性

絕緣、耐壓、妨礙波試驗

功能

連續動作、照度、波形試驗

性能

收訊性能試驗

其它

溫升、Heat Line試驗


結語

@內文:以上介紹白光LED構成的點光源可視光無線通訊器。可視光通訊會限制收訊區域,非常適合應用在道路誘導、展示導遊、行人用智慧型道路交通系統。LED點光源可視光無線通訊器完全排除傳統高頻無線電磁波對人體與周邊電子機器干擾的疑慮,適合應用在辦公室與醫院等限定空間的資料傳輸等領域。


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