基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统

摘要

本发明公开了一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，该系统以水下设备、水下传感器、水下终端或水下网关作为节点单元，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系统，节点单元之间以基于蓝光LED可见光通信作为信息传递手段；水下物联网系统的网络互连拓扑结构包括基础链式、菊链式或AdHoc网络。该水下物联网系统中搭载双向蓝光LED收发模块的光发射单元采用高亮度蓝光LED，解决水下通信可靠性、成本及高频调制三大问题，光接收单元采用在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管，解决高速响应，低价格，高可靠性的问题，通过上述措施为水下活动及作业的设备与终端提供高速信息互联的物联网系统。

说明书

技术领域

本发明涉及水下物联网系统的技术领域，尤其涉及一种基于蓝光LED可见 光通信的水下物联网系统。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其利用局部网络或互联网等通 信技术把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式联在一起，形成人与 物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。

随着人类向海洋以及水下领域的探索逐渐深入，诸如海洋勘探、水环境监 测、养殖、捕捞等科研、生产活动对水下信息互联的需求也更为迫切，水下物 联网应运而生，且越来越受到重视。

构建水下物联网亟需解决的主要技术问题之一是水下无线通信。目前主要 的水下无线通信技术包括水声通信、水下电磁波通信以及水下光通信：水声通 信传输速率最高只能达到150kb/s，且传播时延大、误码率高、发散角极大， 容易导致信息泄露，不利于通信安全；电磁波在水下会急速衰减并产生多径效 应，传播距离短且信道模型复杂；对于水下光通信来说，普通光波在水下会发 生反射、折射及散射现象，无法适合水中的长距离传播，而蓝绿激光通信则成 本较高。

构建水下物联网需要解决的另一个主要技术问题是水下的组网互联问题， 包括物-物互联、物-人互联、万维网接入及移动互联等问题。与陆地物联网主 要采用基于电磁波的近距通信组网技术不同，水对电磁波的衰减作用决定了水 下物联网不适合采用电磁波作为互联组网技术的核心。

因为450～570nm波段内的蓝绿光到蓝光在水中的衰减比其他光波段的 衰减要小很多，以蓝光LED为核心器件的可见光通信具有发光效率高、水下衰 减小、通信可靠性高、高速和节约能源等优点，不仅可节省水下通信所需的线 缆，并且可与水下照明系统相集成，是一种最具潜力的水下绿色现代高速信息 通信技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于蓝光LED可 见光通信的水下物联网系统，可为水下活动、水下作业的设备及终端提供高速 信息互联的物联网系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，该系统以水下设备、水 下传感器、水下终端或水下网关作为节点单元，多个节点单元按照一定的网络 互联拓扑结构构成水下物联网系统，

所述节点单元之间以基于蓝光LED可见光通信作为信息传递手段；

所述节点单元包括双向蓝光LED收发模块、核心处理模块、外部接口模块， 其中，所述外部接口模块用于与其它外围设备相连从而使得节点单元具备特定 的应用功能；所述核心处理模块用于为应用功能提供运算处理并驱动双向蓝光 LED收发模块以实现水下通信与组网功能；所述双向蓝光LED收发模块用于实 现蓝光的发射和接收，完成加载信息的蓝光信号的调制解调功能。

优选的，所述水下物联网系统的网络互连拓扑结构包括基础链式、菊链式 或者AdHoc网络。

优选的，所述水下物联网系统还包括水面基站，所述水面基站用于接收各 节点单元传输的信息数据，实现数据处理、监测或者预测功能，所述水面基站 远程接入互联网。

优选的，所述双向蓝光LED收发模块包括光发射单元与光接收单元，所述 光发射单元包括数字信号输入端口、前置放大电路、可见光LED光源高速驱动 电路、蓝光LED灯珠和会聚光学装置，所述光接收单元包括光电二极管、电流 -电压转换电路、滤波电路、差分放大电路和稳压电路。

优选的，所述光发射单元的工作过程为：由所述数字信号输入端口输入的 数字调制信号经所述前置放大电路进行信号整形与放大，经整形与放大后的调 制电压信号馈入所述可见光LED光源高速驱动电路产生并转换为驱动LED光源 的高码率电流信号，该电流信号用于对所述蓝光LED灯珠进行开关键控调制从 而产生蓝光亮灭信号，对该蓝光信号采用会聚光学装置进一步改善LED光束质 量并输出。

优选的，所述可见光LED光源高速驱动电路包括MAX16832芯片，用于实 现高速LED光源调制驱动。

优选的，所述光接收单元的工作过程为：

所接收的蓝光信号首先经过所述光电二极管转换为模拟电流信号，然后经 所述电流-电压转换电路将上述模拟电流信号转化为电压信号，所产生的差分 电压信号经过所述滤波电路过滤杂讯干扰信号并经过所述差分放大电路恢复 得到数字解调信号。

优选的，所述稳压电路采用ASM1117-5变压芯片与ASM1117-3.3变压芯片， 为所述光接收单元中的芯片提供5V及3.3V的电源电压。

优选的，所述光电二极管为硅PIN光电二极管S5971。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明提出的基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统包括集成双 向蓝光LED可见光通信模块的水下设备及基于基础链式、菊链式和AdHoc网 络的组网结构，该系统能够灵活地运用于各种水下活动、水下作业的领域。

2)本发明提出的水下物联网系统中的双向蓝光LED可见光通信模块中蓝 光光源采用高亮度蓝光LED，相比激光光源其成本较低，容易实现，而且LED 具有响应速度快的特点，适合高频调制。其调制速度最高可达50MHz的调制速 度，比传统的声波调制速度快了300倍有多，并且还有很大的提升空间。

3)本发明提出的水下物联网系统中的双向蓝光LED可见光通信模块中光 接收模块采用在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管，具有高速响应， 低价格，高可靠性的特点。

4)基于双向蓝光LED可见光通信模块的水下物联网的组网方式采用基础 链式、菊链式链接与AdHoc网络，具有负载均衡、链路可靠的优势，为水下 通信领域提供了一种新的解决方案。

附图说明

图1是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系中 节点单元的结构组成框图；

图2是本实施例中双向蓝光LED收发模块的光发射单元的结构组成框图；

图3是本实施例中双向蓝光LED收发模块的光接收单元的结构组成框图；

图4是本实施例中构成水下物联网系统的节点单元的示意图；

图5是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统 菊链式拓扑连接的示意图；

图6是本实施例中公开的一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统 AdHoc网络平面拓扑结构的示意图；

图7是基于蓝光LED可见光通信的水下作业通信网络的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举 实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例公开了一种基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统，该水下 物联网系统以搭载双向蓝光LED收发模块的水下设备、终端、水下网关作为节 点单元，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系统。

上述节点单元之间以蓝光通信作为信息传递手段。450～570nm波段内的 蓝绿光到蓝光在水中的衰减比其他光波段的衰减要小很多，以蓝光LED为核心 器件的可见光通信具有发光效率高、水下衰减小、通信可靠性高、高速和节约 能源等优点，不仅可节省水下通信所需的线缆，并且可与水下照明系统相集成， 是水下绿色现代高速信息通信技术。

其中，水下设备、终端、水下网关为水下物联网信息交互的主体，是信息 产生、交换、处理的节点单元。主要由双向蓝光LED收发模块、核心处理模块、 外部接口模块组成。其结构示意图如图1所示。外部接口模块用于与其它外围 设备相连从而使得节点单元具备特定的应用功能，核心处理模块用于为应用功 能提供运算处理并驱动双向蓝光LED收发模块以实现水下通信与组网功能。

双向蓝光LED收发模块由光发射单元与光接收单元组成，其中光发射单元 由数字信号输入端口、前置放大电路、可见光LED光源高速驱动电路、蓝光LED 灯珠及会聚光学装置所构成，用于为可见光接收器提供可见光信号，是双向蓝 光LED可见光通信技术的基础。其结构示意图如图2所示。

在光发射单元中，由数字信号输入端口所输入的数字调制信号经前置放大 电路进行信号整形与放大，经整形与放大后的调制电压信号馈入高速LED光源 调制驱动芯片MAX16832产生并转换为驱动LED光源的高码率电流信号，该信 号进一步用于对高亮度蓝光LEDCREE灯珠进行开关键控调制从而产生蓝光亮 灭信号，对该光信号采用会聚光学装置进一步改善LED光束质量并输出。

双向蓝光LED收发模块的光接收单元主要由用于接收可见光信号的光电二 极管、电流-电压转换电路、滤波电路和差分放大电路以及相应稳压电路所构 成。其结构示意图如图3所示。在光接收单元中，所接收的蓝光信号首先经过 在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管转换为模拟电流信号，本发明 中所采用的光电二极管为光电二极管S5971。

所产生的模拟电流信号经电流-电压转换电路将电流信号转化为电压信 号，所产生的差分电压信号进一步经过滤波电路过滤杂讯干扰信号并经过差分 放大电路恢复得到数字解调信号。光接收单元中使用了稳压电路给芯片提供相 应的电源电压。本发明中采用了ASM1117-5变压芯片与ASM1117-3.3变压芯片 分别提供5V跟3.3V电压转换及稳压电路。

进一步的，多个节点单元按照一定的网络互联拓扑结构构成水下物联网系 统。图4所示为本发明一种基础的链式信息传输方式，集成了双向蓝光LED收 发模块的节点单元支持信息传递，信息可以沿着网络从一个节点传递给下一个 节点。本发明不采用星型的拓扑结构，因为中间节点需要负担周围多个节点的 互联互通，工作负载过重，且一旦中间节点故障将导致整个系统的瘫痪。所以 我们采用链式设计作为水下物联网系统中的节点拓扑链接。源节点和目的节点 之间一般存在两条以上路径，可实现对每一个节点的负载平衡。

进一步的，如图5所示为本发明一种基于菊链式连接的于水下物联网系统 组网互联方式。针对所采用的蓝光LED可见光通信技术，本发明提出菊链式链 接的组网方式，这是一种总线拓扑结构，相邻节点之间可以相互建立连接并实 现信息交换与转发，从而可以实现对数据的快速传递，并在某个特殊节点(如 位置)与水面基站建立有线连接，从而实现所有水下节点接入互联网的功能。

请参照图5，其示出了本申请提供的基于蓝光LED可见光通信的水下物联 网系统的一种结构示意图，该通信网络系统包括：各种用于环境检测的传感器 或者其他监测设备，可见光光源发射器、可见光接收器、以及所构成的菊式链 接拓扑结构和水面基站。

水下传感器从环境获取信息之后通过多条光路传送，把数据传给设备终 端，水面基站的工作人员可对获取到的数据进行处理，实现监测或者预测的功 能。

这里采用的菊链式链接能够实现链路双备份，即正反向双路由的功能，提 高通信系统的鲁棒性。

更进一步的，水面基站可以远程接入互联网。

随着人们对于环境的重视程度在不断地提高，这种物联网系统可以用在环 境检测和预报方面，或者用于科研工作。

基于蓝光LED可见光通信的水下物联网系统可通过传感器等设备监测降雨 量、河水水位和土壤水分，并依此预测山洪的爆发。可用于水下生态保护，采 集有关海洋学的数据，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及 远距离图像传输，而且还可以兼顾照明。

进一步的，提出采用AdHoc网络作为水下物联网系统的一种更灵活和动 态的组网实现方式。如图6所示，AdHoc网络的核心是一种多跳的、无中心的、 可自组织的无线网络，在链式网络的基础上，它们能够发现并维持到其它节点 的链接功能，从而使得每一个移动的节点保持着跟其他节点的联系。

请参照图7，其示出了本申请提供的基于蓝光LED可见光通信的水下作业 无线通信网络的一种结构示意图，此网络系统包括：

潜艇以及潜水员身上携带的传感器，可见光光源发射器、可见光接收器和 水面船体。

可见光光源发射器用于发射信息，包括水面船体告知水下作业的潜艇以及 潜水员一些信息，也可以用于构成多条光路，对远距离的信息具有中转的作用， 加强了信号强度以及网络系统的可靠性。同时兼顾了水下照明的作用。

可见光接收器用于接受信息，包括水面船体接收水下的信息，同样的，也 可以用于构成多条光路，对远距离的信息具有中转的作用。

上述两者构成了潜艇以及潜水员身上携带的有可见光传感网络的节点单 元。请参照图7，节点单元的构成包括各种传感器，可见光光源发射器以及可 见光接收器。

在科研工作或者水下作业的实施过程中，传感器的信息可以来自潜艇的运 行情况，潜水员的身体情况，或者是水下作业获取到的环境信息等。

获取到的信息可以通过光路传到水面上的船体，其充当了水面基站的作 用，这样就可以对正在工作的潜艇以及潜水员进行实时监测，防止意外情况的 发生。

进一步的，也可以对水下作业获取到的信息数据进行实时的处理。

基于蓝光LED的水下物联网系统应用范围广，其具有可快速部署、可自组 织、带宽高、传输延时小和高容错性的特点，因此它非常适合在军事领域的应 用。例如，物联网监测系统能实现对敌军水下兵力和装备的监控、水下战场的 实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。

综上所述，在水下，由于电磁波的衰减率非常高，难以利用电波进行无线 通信，因此，虽然有采用声波和可见光的低速无线通信，但没有能发送影像等 大量数据的高速通信方式。本发明解决为水声通信链接的带宽有限，传输误码 率高，声波传输的发散角极大，容易导致信息泄露，不利于通信安全，而且传 播时延大的问题。选择可见光通信作为水下通信的技术方案。

本发明为解决普通光波在水下会发生反射、折射及散射现象，无法适合水 中的长距离传播的问题。利用蓝光的良好透过性，选择大功率蓝光LED作为光 发射模块的光源。

基于激光的无线通信对光学器件要求较高，设备昂贵，成本较高，处于对 人体健康，特别是眼睛安全的考虑，即光信号的功率一般受到严格的限制，只 适用于一些特殊的通信场合。而基于LED的水下光通信系统具有发光效率高、 衰减小、通信可靠性高、高速和节约能源等优点。

采用高亮度蓝光LED，解决了水下通信可靠性、成本及高频调制三大问题。 光接收模块采用在可见光波段具有高灵敏度的硅PIN光电二极管，解决了高速 响应，低价格，高可靠性的问题。本发明基于可见光通讯的水下无线传感器网 络，实现了可快速部署、自组织、带宽高、传输延时小和高容错性低的特征。 因此它非常适合在军事领域的应用。无线传感网监测系统能实现对敌军兵力和 装备的监控、战场的实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击 的监测和搜索等功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。