可见光智能家居系统的信道模型分析

物联网（The Internet of Things） 通过组建“物-物”网络，实现万物高效、安全、便捷的连接，能达到实时监控、管理各种设备的目的。“物-物”网络的组建需要借助有线或者无线通信技术。有线通信技术虽然安全可靠，但是布线成本很高且不便于移动，所以无线通信在物联网中逐步占据了主导地位。随着各种无线通信业务需求的增加，无线电频谱资源变得越来越拥挤，邻频干扰问题也越来越严重，因此必须拓展新的无线频谱资源。太赫兹、可见光已经成为 6G 通信的备选频段。

可见光通信（Visible Light Communication）利用发光二极管发出明暗变化的信号来传输信息，它是一种新的无线光通信手段，具有速率高，安全性好，可以在电磁敏感区使用等优点。2000 年，日本 KEIO 大学的 Tanaka、Komine、Sugiyama 等人提出基于室内照明 LED 灯的可见光构建无线家庭链路的概念。2008 年，欧盟启动了包含可见光通信的欧米伽计划，美国成立了从事可见光通信技术研究的智能照明中心。 同年，中国科学院安排半导体

研究所基于可见光通信技术开展半导体照明信息网研发。2013 年，国家 863 计划和 973 计划资助国内的科研团队开始从事可见光通信技术研究，后来取得了一系列研究成果。2019 年，欧洲地平线计划 H2020 资助了可见光通信的物联网研究。预计，可见光通信技术的商用化将进一步加快。

现在商用的智能家居系统源于 WHL（Wireless Home Link）的概念，多使用红外（IR） 或射频（RF）通信技术。随着半导体照明技术的发展，被誉为“绿色照明”的白光 LED 已经占据了主要市场，由于灯光信号具备室内全覆盖的特点，其控制范围远大于手持红外遥控器。本文作者所在研究团队从 2008 年开始从事可见光智能家居系统的研究，希望将 LED 照明灯具的价值最大化。现有可见光智能家居系统的研究多使用强度调制和直接检测技术，接收终端抗低频噪声干扰能力差，本文提出将红外协议应用于可见光智能家居领域，能使带有红外遥控接收功能的家用电器和物联网执行终端在保留原有红外遥控功能的基础上，实现红外和可见光的双模控制。根据国家照明标准，建筑物内照度要求最低的环境是车库，为30Lux，加上灯光闪烁条件的限制，LED 灯具发送低频信号时的照度变化将极小。可见光智能家居系统能够检测微弱光信号的变化，意味着它支持受控终端大范围的移动，能真正实现安全、经济、环保、高效的万物光互连，有望解决工业电磁环境下工业机器人无线操控的技术难题。

本文针对物联网的应用需求，建立了可见光智能家居系统的信道模型，并进行理论分析及数据仿真，得到了该可见光智能家居系统在防闪烁前提下正确操控的最大通信范围；使用研制的可见光、红外双模光接收器搭建了兼容红外的可见光智能家居控制系统；测试了家用LED 灯具对可见光智能家居系统控制的范围与正确率，验证了新技术方案的可行性和理论计算的准确性。

1.理论推导

红外通信和可见光通信系统都包括光的调制、光电的转换和电信号的解调这三个主要部分。常用红外遥控器是“亮-灭”调制，虽然常用载波频率是 38KHz，但红外协议中信号频率最低为 25Hz 左右，为了不影响可见光 LED 的照明效果，在 LED 发送红外协议格式的信号时， 需要使用“明-暗”的调制方式，即限制其调制深度。调制深度的定义为：光信号最大值与最小值的差除以光信号最大值与最小值的和。因此调制深度越小，LED 灯发送信号时造成的“闪烁”现象就越不明显，但是其通信范围也越小。因此本文将通过公式推导和软件仿真去计算在调制深度为闪烁临界值的时候，可见光智能家居系统的信号有效覆盖范围，以验证其实用性。

1.1 光功率模型

图 1 是朗伯光源的信道模型示意图，其中 d 为光源与接收器的直线距离； 为 LED 和接收器连线与 LED 光轴的夹角；1 2 为 LED 辐射强度半角；  为接收器表面法线与入射光线的夹角。可见光智能家居系统传输的是低速信号（载波频率为 38KHz），因此可见光多径效应引起的码间干扰可以忽略。假设墙壁反射系数为 0.81，则平均接收光功率中四侧墙反射光贡献率为 27.58%。因为反射光功率与墙壁的反射系数成正比，本文实验环境为长过道，只需考虑两侧墙壁的发射，该墙壁反射系数为 0.5，所以反射光功率的贡献远小于 27.58%。为了充分证明可见光智能家居系统信号大范围覆盖的能力，将在不考虑反射光对光信号的增益的前提下来计算信号有效覆盖范围。

图1 朗伯光源的信道模型示意图

已知朗伯光源模型的辐射公式为：

式中： R（θ）为辐射强度； Ps 为发射光功率； m 为 LED 的辐射方向性指数：

由表 1 可知LED 的半功率角为 60°，因此 m=1。

表 1 仿真参数

图2 LED灯板

由于 LED 是非相干光源，所以 LED 阵列光源可以采用朗伯模型。建立一个长、宽、高为30m×2.1m×2.6m 的室内走廊空间模型（由于普通房间无法进行远距离测试，所以选用走廊进行实验），将 LED 灯板的位置设为（5，1.05，2.5），接收器水平放置在距离地面 0.25m 的高度。光源如图 2 所示，为一个 20×12 阵列的 LED 灯板，LED 的间距为 20mm，灯具的工作电流为260mA，工作电压为37.2V，故LED 灯的电功率约为9.7W。每颗LED 的位置为（xn ，yn ，2.5），接收器的中心位置为（x ，y ，zh）， zh 表示接收器到地面的距离，则 LED 到接收器中心的距离可表示为：

接收器接收到单颗 LED 发射的光功率可表示为：

式中： PT 为发射光功率； S 为接收器的面积； Gf （φ） 为光学滤波器的增益； G（φ） 为光学集中器的增益；φFOV 为接收器视场角。图 3 为接收器的相对辐射特性曲线，可以看出其接近于余弦的二分之三次方，因此光学集中器的增益G（φ） 可以表示为：

式中： A 为光学集中器 0°所对应的增益。

图 3 接收器相对辐射特性曲线

由于 LED 光源为非相干光源，且Cosθ=cosφ （2.5 - zh ）/dn，所以接收器接收 LED 灯具发射的光功率可以表示为：

1.2最小接收光功率

照明最常用荧光型 LED 的光谱主要覆盖蓝光和黄光两个波段。图 2 所示 LED 阵列使用的 LED 是 GT3528，图 4（a）是其光谱分布曲线，其光谱分布覆盖 380-780nm。本文设计的一体化光接收器 GT59438R 光谱响应特性曲线如图 4（b）所示，其光谱响应范围在 350nm 到1100nm，不仅可以响应可见光波段的光信号，还可以响应红外波段的光信号。

图4 LED光谱分布曲线与接收器光谱响应曲线。（a）LED；（b）光接收器

由公式7：

式中：Ee min （λ） 为使接收器正常工作的最小辐射照度； Pth （λ） 为通量阈；imin 为使接收器正常工作的最小光生电流； S 为接收器的有效面积； R（λ） 为接收器的光谱响应曲线。设：

其中K 为接收器接收到的 LED 光束峰值波长对应的光功率。因此对于 LED-GT3528 光源，该接收器至少需要接收到的光功率为：

1.3闪烁融合条件

设计闪烁感知实验：邀请 10 位被试人员（5 男 5 女），在不同环境亮度条件下分别测试被试人员非直视和直视时对闪烁的感知情况，每种条件下发送 10 次遥控信号。其中环境亮度条件 1：晴天开灯，室内测试灯具下 1m 处的照度为 300Lux-400Lux；环境亮度条件 2：晴朗白天，室内测试灯具下 1m 处的照度为 160Lux-200Lux；环境亮度条件 3：白天拉上窗帘，室内测试灯具下 1m 处的照度为 0Lux-1Lux。被试人员认为感觉不到闪烁的统计结果如表 2 和表 3 所示，其中调制深度的计算：取 LED 灯具不发送信号时的照度作为光信号最大值；取发送 38KHz 方波时的照度作为光信号最小值。测量位置位于 LED 灯具下 1m，不发送信号时照度固定为 364.3Lux。

表 2 非直视条件下被试人员对闪烁的感知

表 3 直视条件下被试人员对闪烁的感知

根据 IEEE 2015 年发布的 LED 调制相关标准，当 LED 的闪烁频率 f  90Hz 时，调制深度应小于 f  0.025% 。已知红外协议 NEC 格式的信号最低频率为 25Hz，则调制深度应小于25Hz 0.025=0.625% ，符合闪烁感知实验的结果，因此可将LED 灯具的调制深度设为0.46% 。

1.4控制范围分析

经测试计算，实验用 LED 灯具调制深度为0.46% 时，单颗LED 光功率变化约为 9mW。图 5 是发射光功率为 9mW、 zh 为 0.25m 条件下室内模型的光功率分布图，可以看出光功率等于13nW 的点与灯具的水平距离为 14m，即该套可见光智能家居系统的有效控制范围是一个半径为 14m 的圆，面积约为 616m2。

图5 zh =0.25m 时接收功率分布图

2.系统设计

2.1调制电路与接收器设计

调制模块的原理框图如图 6（a）所示，联网的手机将控制指令发送给 Wi-Fi 模块，然后传递给 STM32 单片机，STM32 单片机将接收到的控制指令进行编码，最后经过调制电路加载到 LED 灯具上转换为可见光信号。

图 6 调制模块。（a）原理框图（b）实物图

一体化光接收器 GT59438R 实物图见图 7（b），主要使用金丝球焊技术将光电探测器和电路芯片连接在一起，然后采用双酚 A 型透明环氧树脂材料进行封装。原理框图如图 7（a） 所示，电路芯片中的放大电路将电流信号转换为较大的电压信号，经过带通滤波器滤除噪声后传给解调电路恢复出控制指令。

图 7 一体化光接收器。（a）原理框图（b）实物图

2.2系统搭建

为了测试该智能家居系统对可见光及红外控制指令的响应情况和上述计算仿真的准确性，在实验室搭建了如图 8 所示的实验验证系统，其中实验选用的遥控机器人型号为雄胜星宝战士 3。

图8 系统测试图。（a）基于大功率LED照明灯的可见光智能家居系统；（b）遥控机器人

3.系统测试与分析

利用上述实验系统，令 LED 灯具发送红外协议格式的遥控指令，通过测试接收终端对控制指令的正确响应率，表征基于可见光通信的物联网系统的误码率。

对于如图 8 所示基于 LED 灯具的智能家居系统，点击手机遥控器面板——机器人的“前进”和“后退”按钮各 10 次，重复 10 次并记录测试结果。然后，使用机器人原装的红外遥控器进行相同的测试步骤，并记录测试结果。如表 4 所示，两个机器人均能响应 LED 照明灯的遥控信号，正确率为 100%；同时，对红外遥控器的响应正确率也为 100%。

表 4 系统测试结果

测试中，可见光控制系统的直线控制距离比红外遥控器的略大，并且由于红外遥控器的控制角度比较小，所以可见光智能家居系统的控制范围比红外遥控器大很多。该可见光智能家居系统 9.7W 灯具的最大有效控制距离的测试结果是 14.3m（对应圆形有效控制范围 642m2），与仿真结果 14m 间的相对误差为 2%。分析原因，2%的相对误差是忽略反射光的信号增益等因素造成的。

由于实际生活中电器一般放置于房间的边角处，此时墙壁的反射光会使得实际控制距离比仿真结果更大，因此实际使用时该可见光智能家居系统 9.7W 灯具的的控制范围会大于616m2。

4.结 论

通过计算与仿真，获得了 20×12 阵列、功率为 9.7W 的 LED 灯具发送低速红外协议格式信号时，物联网控制终端的最大控制距离和范围分别为 14m 和 616m2。在实验室搭建了可见光智能家居系统的实物平台，测试结果表明系统实际最大控制距离为 14.3m，与理论计算的结果 14m 间相对误差为 2%，验证了模型的准确性。该系统的调制深度限制在 0.46%，满足IEEE 的相关标准，证明了在不影响照明功能的前提下，用功率为 9.7W 的 LED 灯具搭建物联网通信网络，在 642m2 范围内可以实现兼容红外的可见光有效控制。