CN107276670B - 一种环境监测智能可见光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境监测智能可见光通信系统及方法，具有数据传输和环境监测的双重功能，包括网络接入模块、网络信号处理模块、第一和第二可见光通信收发一体模块、电信号处理模块、本地数据处理模块及云端服务器模块。网络信号经网络接入模块进入网络信号处理模块转换成数字信号后送入第一可见光通信收发一体模块，电光转换后的信号通过发光二极管经可见光信道到达第二可见光通信收发一体模块。光电二极管处理后的信号送入电信号处理模块得到的网络信号送入本地处理和显示模块，通过拟合误比特率与污染物浓度的函数实现环境监测，并将结果上传云端服务器模块。本发明可实现可靠的数据传输和对多种环境的监测，实现可见光通信的智能化传输。

Description

一种环境监测智能可见光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种可见光通信系统，尤其涉及一种具有数据传输和环境监测双重功能的可见光通信系统。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communications,VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，以大气或水等作为传输媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode,PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，VLC具有频谱资源丰富且无需申请、不受电磁干扰、保密性好、绿色节能、对人体健康无害、传输速率高等优点，近年来引起了学术界和产业界的广泛关注。

从目前的国内外研究现状来看，国内外专家和学者的研究重点主要放在高速率VLC系统的研制和特殊环境条件下VLC系统的应用上。在高速系统的研制方面，VLC通信系统从最初的几兆bits/s到几吉bits/s的传输速率不断提升，现在已经达到离线上百吉bits/s的惊人速率，其发展前景非常诱人。在特殊环境下的应用方面，国内外已经公开了一些专利。中国专利CN105872449A、CN105911522A、CN105897529A、CN105933062A、CN205566308U分别公开了可见光通信在汽车通信、无线定位、机器人控制、水下通信、矿井通信等方面的应用。此外，我国某些地区环境污染严重，环境监测显得非常重要。在环境监测方面，中国专利CN201673121U公开了一种低检测限、高精度、响应时间较快、可用于多种检测场合的基于环境光学的空气质量检测仪，可连续有效地检测NO、NO2、O3、CO和CO2等环境，但问题是检测系统内部对不同种类的气体都设有测量模块，会不可避免地增大产品的体积，降低便携度，装配的过程也会更加繁琐，成本也会相应增加。美国专利US 2013/0278427 A1将传感器放置在某些特定物体上，并通过运用可见光检测环境技术来检测这些特定物体周围的环境。这项发明的问题是物体的移动具有很强的随机性和不确定性，所以在环境测量时有很大的不确定度，而且长距离移动会让传感器接收到大量的数据信息，但没有实现和网络的实时传输，会让这些信息数据难以得到及时处理。需要指出的是，中国专利CN201673121U和美国专利US 2013/0278427 A1都是需要专用的空气质量检测装置或者传感器，成本高，价格昂贵。

发明内容

技术问题：本发明提供一种在进行信息传输的同时，还可以进行环境监测的基于数据传输和环境监测的环境监测智能可见光通信系统，该系统可对多种环境进行检测，包括大气中的烟雾浓度、污水的浑浊程度等。本发明同时提供一种环境监测智能可见光通信方法。

技术方案：本发明的环境监测智能可见光通信系统，包括发送端、接收端和位于所述发送端和接收端之间用于二者可见光通信的可见光信道，所述的发送端包括网络接入模块、网络信号处理模块和第一可见光通信收发一体模块，所述的接收端包括第二可见光收发一体模块、电信号处理模块、数据处理模块；所述网络接入模块用以接收网络信号并将其发送给网络信号处理模块，所述网络信号处理模块用以将网络信号转换为数字信号并将其发送给第一可见光通信收发一体模块，所述第一可见光通信收发一体模块用以将数字信号转换为光信号并将其通过可见光信道发送给第二可见光通信收发一体模块，同时接收第二可见光通信收发一体模块经可见光信道发送来的光信号，所述第二可见光通信收发一体模块用以接收第一可见光通信收发一体模块发送来的光信号并将其转化后发送给电信号处理模块，所述电信号处理模块用以将数字信号转换为网络信号并将其发送给数据处理模块，所述数据处理模块用以将环境监测的结果进行处理，得到当前测试环境的污染物浓度。

进一步的，本发明系统中，两个可见光通信收发一体模块中均至少设置有一个LED和一个PD，一个可见光通信收发一体模块的LED与另一个可见光通信收发一体模块的PD对应，分别构成了进行数据传输的前向链路和进行信令交互的反向链路。

本发明的环境监测智能可见光通信方法，包括以下步骤：

1)将发送端的网络接入模块、网络信号处理模块和第一可见光通信收发一体机，以及接收端的第二可见光收发一体模块和电信号处理模块放置在污染物浓度可调的训练环境中，拟合得到污染物浓度函数，具体为：首先给定污染物浓度，接收端发送一个控制信令让发送端发送一串固定长度的比特序列，然后接收端接收比特信息并计算误比特率，接着改变污染物浓度，用相同的方法得到一系列的误比特率值，得到误码率随污染物浓度变化的曲线，最后通过函数拟合的方法，得到自变量为误比特率的污染物浓度函数；

2)将环境监测智能可见光通信系统放置在真实的测试环境中，接收端发送一个控制信令让发送端发送一串固定长度的比特序列，然后接收端根据接收到的比特信息计算误比特率，接着用所述步骤1)得到的自变量为误比特率的污染物浓度函数进行计算，得到的函数值即为当前测试环境的污染物浓度。

进一步的，本发明方法中，步骤1)中的函数拟合为多项式函数拟合。

本发明的思路是：首先，在信道环境良好的情况下，构建可以进行数据传输的可见光通信系统；然后，在信道环境变为待检测环境时，计算接收端的误比特率，然后拟合误比特率和实际污染物浓度之间的曲线，根据所得误比特率估计当前污染物的浓度。

本发明的技术方案分为两个部分：数据传输功能的技术方案和环境监测功能的技术方案。

(1)数据传输功能的技术方案

本发明所述环境监测智能可见光通信系统如图1所示，包括发送端、可见光信道和接收端。所述发送端包括网络接入模块、网络信号处理模块、和第一可见光通信收发一体模块；所述接收端包括第二可见光通信收发一体模块、电信号处理模块、本地数据处理模块以及云端服务器模块。

在发送端中，所述的网络接入模块负责将互联网信号接入到本系统。所述的网络信号处理模块负责将网络信号进行处理，转换成数字信号。所述的第一可见光通信收发一体模块执行电光转换，将数字电信号转换成可见光信号，然后光强信号通过至少一个LED发射出去。

然后，光信号经过可见光信道传输。所述可见光信道为无线信道，且为慢变信道。在环境良好(即无污染物)的自由空间环境下，当收发端位置给定时，可见光通信的信道增益为常数。

可见光信号经过可见光信道传输后，到达接收端。在接收端，所述的第二可见光通信收发一体模块执行和第一可见光通信收发一体模块相反的操作，也即进行光电转换，将光强信号转换成数字信号。然后，经过所述的电信号处理模块放大、滤波、解调等处理，恢复出原数字信号，从而实现网络信号在可见光媒介上的可靠传输。

(2)环境监测功能的技术方案

在信道环境良好的情况下，本发明所构建的可见光通信系统，可以进行可靠的数据传输。然而，当信道环境恶化时(如：大气中充满烟雾、水变浑浊等)，信道增益会变差，系统的误比特率性能会显著下降。恶化环境中污染物的浓度与系统误比特率存在一一对应关系。利用这一特点，可以对环境受污染的程度进行监测。

为了实现环境监测，所述的第一可见光通信收发一体模块和第二可见光通信收发一体模块，还分别至少放置一个PD和LED，用于构成反向链路，实现控制信令的传输。

具体地，本系统基于误比特率的环境监测功能可通过以下步骤实现：

1.将系统放置在污染物浓度可调的环境中(称为训练环境)

A)在训练环境下，设定当前污染物的浓度为h＝0。

B)接收端通过反向链路发一个控制信令给发送端。具体地，所述第二可见光通信收发一体模块将控制信令通过至少一个LED发送给第一可见光通信收发一体模块的至少一个PD。

C)发送端通过第一可见光通信收发一体模块的至少一个LED发送一串长度为N的数据比特序列。

D)在所述系统中，接收端已知发送端发送的比特序列。发送的数据比特经过可见光信道传输后到达第二可见光通信收发一体模块，第二可见光通信收发一体模的至少一个PD接收信号并经过光电转换后，送入本地处理和显示模块，统计错误的比特数为N_e，从而得到误比特率BER＝N_e/N。

E)令h＝h+D，若h<1，则转到步骤B)；否则，转到步骤F)。

F)绘制误比特率随污染物浓度的变化曲线；

G)对所得曲线进行拟合，得到自变量为误比特率的污染物浓度函数。

2.将系统放置在真实的环境中(称为预测环境)

H)将所得污染物浓度函数存入本地处理和显示模块；

I)利用步骤B)-D)的方法计算误比特率，然后将误比特率带入步骤G)中的污染物浓度函数，所得函数值即为所预测的污染物浓度。

J)将当前环境下的误码率、污染物浓度等信息上传到云端服务器模块，便于用户在任何时间、任何地点实时访问和查询。

本发明系统的智能性体现在在进行数据传输的同时，可实现环境监测。待监测环境位于第一可见光收发一体模块和第二可见光收发一体模块之间，当污染物浓度增加时，信道变差，系统误比特率会提高。环境中的污染物浓度跟误比特率存在一一对应关系。所述系统利用这一关系进行环境监测。本发明系统可监测多种环境，如：大气中烟雾的程度、污水的浑浊程度等。

在基于环境监测的技术中，传统方法需要专门的仪器进行检测，成本高，价格贵。与上述环境监测的专利不同，本发明不采用专用的检测装置进行环境监测，而是根据无线通信信道特性对环境进行监测。本发明首先是一个可见光通信网络，可以进行正常的网络数据传输。本发明在进行数据传输的同时，可以通过接收机误比特率的变化进行环境监测，一举两得，可在一定程度上降低系统的成本，并实现智能化的信息传输。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实现了网络信号在可见光媒介上的可靠传输。所述系统为无线传输，从而有效地避免了传统网线布线的繁琐过程；所述系统采用可见光频谱通信，避免了传统wifi、3G、4G等无线射频通信中严重的电磁干扰问题；可见光通信具有非常大的带宽，为稀缺的传统无线射频通信提供了有效补充，很好地解决了频谱资源短缺的问题；可见光通信对人体无害，可放心使用。

所述系统不需要专门的环境监测装置，而是通过系统误比特率指标来间接反映污染物的浓度，极大地降低了系统成本。

所述系统具有数据传输和环境监测的双重功能，在数据传输的同时，可实现对大气、污水等环境的实时监测，功能强大，改善了现有系统功能单一的局限性。

所述系统可以将环境监测数据实时存储到云服务器上，便于用户实时访问，及时了解环境受污染的情况。当环境受污染超过阈值后，还可以发送报警信息。

附图说明

图1基于数据传输和环境监测的环境监测智能可见光通信系统框图。

图2环境监测智能可见光通信系统监测污水浑浊程度流程图。

图3环境监测智能可见光通信系统监测大气烟雾浓度流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：污水浑浊程度监测

图2给出了环境监测智能可见光通信系统监测污水浑浊程度流程图，该过程可分为以下步骤：

1)设置训练环境，在一个无盖长方体玻璃容器中盛有一定量的清水(此时h＝0)，并将该容器放置在收发端中间。可见光信号的传输媒介为水。

2)接收端通过反向链路发一个控制信令给发送端。

3)发送端发送一串长度为N的数据比特序列。

4)接收端接收序列，并统计错误的比特数为N_e，计算误比特率BER＝N_e/N。

5)向已有玻璃容器中加入墨水、泥浆或其它可见颗粒物来改变污水浓度，使浓度变为h＝h+D，若h<1，则转到步骤2)；否则，转到下一步。

6)绘制误比特率随污染物浓度的变化曲线。

7)对所得曲线进行拟合，得到自变量为误比特率的污水浑浊程度函数。

8)将系统放置在真实的污水检测环境中，将所得污水浑浊程度函数存入本地处理和显示模块。

9)根据步骤2)-4)所述方法计算当前的误比特率，并带入到污水浑浊程度函数，所得函数值即为所预测污水的浑浊程度值。然后将监测数据信息上传到云端服务器模块。

实施例2：大气中烟雾浓度监测

图3给出了环境监测智能可见光通信系统监测大气烟雾浓度流程图。该过程可分为以下步骤：

1)设置训练环境，在一个长方体密闭玻璃容器中充满空气(此时h＝0)，并将该容器放置在收发端中间。可见光信号的传输媒介为大气。

2)接收端通过反向链路发一个控制信令给发送端。

3)发送端发送一串长度为N的数据比特序列。

4)接收端接收序列，并统计错误的比特数为N_e，计算误比特率BER＝N_e/N。

5)向已有玻璃容器中充入烟雾等方式来改变大气中的烟雾浓度，使浓度变为h＝h+D，若h<1，则转到步骤2)；否则，转到下一步。

6)绘制误比特率随污染物浓度的变化曲线。

7)对所得曲线进行拟合，得到自变量为误比特率的烟雾浓度函数曲线。

8)将系统放置在真实的烟雾检测环境中，将所得烟雾浓度函数曲线存入本地处理和显示模块。

9)根据步骤2)-4)所述方法计算当前的误比特率，并带入到烟雾浓度函数，所得函数值即为所预测的烟雾浓度值。然后将监测数据信息上传到云端服务器模块。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种环境监测智能可见光通信方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）将发送端的网络接入模块、网络信号处理模块和第一可见光通信收发一体机，以及接收端的第二可见光收发一体模块和电信号处理模块放置在污染物浓度可调的训练环境中，拟合得到污染物浓度函数，具体为：首先给定污染物浓度，接收端发送一个控制信令让发送端发送一串固定长度的比特序列，然后接收端接收比特信息并计算误比特率，接着改变污染物浓度，用相同的方法得到一系列的误比特率值，得到误码率随污染物浓度变化的曲线，最后通过函数拟合的方法，得到自变量为误比特率的污染物浓度函数；

2）将环境监测智能可见光通信系统放置在真实的测试环境中，接收端发送一个控制信令让发送端发送一串固定长度的比特序列，然后接收端根据接收到的比特信息计算误比特率，接着用所述步骤1）得到的自变量为误比特率的污染物浓度函数进行计算，得到的函数值即为当前测试环境的污染物浓度。

2.根据权利要求1所述的环境监测智能可见光通信方法，其特征在于，所述步骤1）中的函数拟合为多项式函数拟合。