无线传感网络―可见光通信

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摘要:光是一种电磁波已经广为人们所知。其中,肉眼可见的光被称为可见光。除了可见光之外,还有肉眼看不见的光,如红外线及紫外线光等。 可见光与红外线、紫外线是通过光的波长进行

  “光”是一种电磁波已经广为人们所知。其中,肉眼可见的光被称为“可见光”。除了可见光之外,还有肉眼看不见的光,如“红外线”及“紫外线”光等。

  可见光与红外线、紫外线是通过光的波长进行区分的(图1)。可见光的波长范围一般是380~780nm (纳米,1纳米相当于10的负9次方米,即1米的十亿分之一)。如果用颜色表示,从波长较短(380nm)侧至波长较长的(780nm)侧的颜色依次为紫色、蓝色、绿色、黄绿色、黄色、橙色、红色等。看到这里,大家是否想起了雨后挂在天空中的彩虹呢?彩虹的七种颜色就是按可见光的波长的顺序排列的。

  红外线是波长比可见光长的电磁波,而紫外线的波长比可见光短。因半导体激光器或红外线发光二极管(红外线LED)等价廉且易入手的光源设备的普及而使红外线应用得以推广,而因考虑到紫外线对人体的影响,所以一般情况下不太使用。

  图1:可见光是指人的肉眼可看到的波长的电磁波,如太阳光及各种照明设备所发射出的光等。红外线中波长与红色的可见光线相近的“近红外线”具有与可见光线相近的特性,所以作为“非可见光”被广泛应用于红外线照相机、红外线通信以及家电用的遥控器上等。

  以往的“光通信”是指通过红外线和光纤进行的通信。信号(光)的传送媒介是玻璃光纤或塑料光纤等。但是在可见光通信中并不使用光纤,而是将空间作为传送媒介。因此,可见光通信也可说是无线通信(Wireless Communications)的一种。

  最早进行可见光通信研究并不是最近的事情,其研发背景是节能LED照明器具的普及等,与以往的通信方式相比,可见光通信具有如下的几个优点:

  可见光通信时是使可见光源以肉眼看不到的速度进行高速闪烁,使数字数据对应光的ON/OFF来传送数据(图2)。这种通信是单向传送,包括发送器和接收器。

  发送器由LED等的可见光源、对光源进行导通/截止的电源电路及驱动器、信号解调用的单片机等构成。接收器由将光转换为电信号的传感器(照度传感器和图像传感器等)、将传感器的输出信号进行放大的放大器、以及信号检波用的单片机等构成。

  广受期待的可见光通信的应用领域大致可分为2类(图3)。一类是数据的传送速率为~千位/秒(kbps)的低速通信的应用领域,另一类是数据的传输速率为~兆位/秒(Mbps)的高速通信应用领域。

  低速通信的应用领域主要为使用专用或通用的接收终端来接收定量数据的服务为主。如可用于:取得所在位置的位置信息并显示在终端内的地图上,以及接收商店的优惠劵和特卖商品信息等方面。

  高速通信的应用领域主要可用于将来在电波资源枯竭的背景下用于置换既有的无线通信。另外,还可用于因电磁波杂音交错而难以进行无线通信的区域(如工厂)。而且,在无线电波难于穿透的水中进行可见光通信的尝试也已展开。

  图3:结合低速及高速的数据传输速率将可见光通信应用到各个应用领域备受期待。还有望应用于被称为“AR(Augmented Reality,即“增强现实”)”的技术领域,AR是在照相机所照出的图像上附加上各种电子信息,是一种将现实的图像进行“扩展”的技术。

  对于可见光通信的用途方面,瑞萨所关注的是低速通信领域方面的应用,特别是与获取位置信息的相关服务。例如,在室外通过GPS获取位置信息后,再通过室内的灯光或紧急备用灯等取得位置信息,这样就可使屋内和屋外的位置信息进行无缝连接。如用于办公大楼或大规模的商业设施,便可省去了去看指引图的麻烦。

  像这样提供位置信息的技术,除了可见光通信之外还有其他的技术,如无线LAN或屋内GPS等。但是,无线LAN还存在位置信息的精度过低以及需要高密度地配置访问接入点等问题,而屋内GPS则需要在室内配置基站而存在成本方面的问题。因此,如何将可利用既有照明设备进行通信的可见光通信技术备受关注。

  鉴于以上所述的问题,瑞萨积极进行了如何将可见光通信变成现实的解决方案的开发。瑞萨以可自动进行增益调整的智能模拟电路以及低功耗单片机等的半导体技术为基础,对其进行优化,以抑制环境光的影响,而且还使其与实现了宽动态范围光接收的发送软件合成一体,网络模块坏了试做了“可见光接收模块”和“可见光通信评估套件”。

  “可见光接收模块”(图4)是一种外形为10mm×20mm的非常小的电子电路模块,通过在印刷基板上搭载照度传感器或智能模拟电路IC(SAIC500)、单片机(RL78/G13)等,便可实现可见光通信。

  “可见光通信评估套件”由通过可见光LED发送ID信息的LED控制评价主板(搭载了EZ-0012、RL78/I1A)和搭载了可见光接收解决方案的USB模块(图5)构成。在电脑上安装通信评价软件后插上该USB模块,便可对接受率和误差率等进行测定。发送数据的最大传输速率达4.8kbps。

  瑞萨推进开发的“可见光通信解决方案”是将基于瑞萨独特技术的高性能器件以极高的水准进行融合后诞生的。下面就介绍构成“可见光通信解决方案”的器件吧。

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