技术领域
[0001] 本
发明涉及地下室通信领域，尤其是一种基于光伏技术LIFI通信的地下室家用装置。
背景技术
[0002]
太阳能(solar energy)，是指太阳的热
辐射能(参见
热能传播的三种方式)，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为
热水器提供
能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石
燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的
可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的
风能、
化学能、水能等。
[0003] 太阳能是由太阳内部氢
原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射
能量。
[0004] 人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。
植物通过光合作用释放
氧气、吸收二氧化
碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。
煤炭、石油、
天然气等
化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演
变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。
[0005] 随着白光LED器件的发展，可见光通信技术得到了越来越多的重视。可见光无线通信系统主要由光
信号发射端和
光信号接收端组成。这种技术运用到构建地下室无线网路通信的具有巨大的优越性，地下室无线
传感器网络由多个低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器
节点组成，这些传感器节点构成无线网络，具有
数据采集、无线通信和信息处理的能
力，将多个此类传感器节点布置在一个特定的区域内，可形成
无线传感器网络，它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、
感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。
发明内容
[0006] 本发明的发明目的是，克服
现有技术方法的不足，提供了一种低功耗、体积小、低成本，具有计算能力和通信能力的基于可见光通信的家用下水节点。
[0007] 为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
[0008] 一种基于光伏技术LIFI通信的地下室家用装置，一种基于光伏技术LIFI通信的地下室家用装置，包括处理器模
块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块、电源模块、
中央处理器、现场可编程
门阵列
电路、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和
现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有
太阳能电池板、稳压电路、电源
控制器及直流供电电路；所述处理器模块控制LED
光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。
[0009] 所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他
逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在
存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
[0010] 所述处理器模块采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式
微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、
质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。
[0011] 所述LED发送/接收模块中，选择的光源是Luxeon III Enutter大功率蓝光光源(3W)。该光源的特点主要为：光通量高；使用寿命可达5*104h；体积小；额定工作
电流很大，大约为350～700mA；点亮时间小于100s。另外，本模块将光源与
铝基板组合使用用以
散热，使用菲涅尔透镜实现聚光。选用ULN2803A作为LED的驱动芯片，ULN2803A是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，该电路为反向输出型，即输入低电平
电压，输出端导通。该芯片可以同时驱动8组负载工作，具有电流增益高、
温度范围宽、带负载能力强等特点，非常适合作为LED光源的驱动。所述可见光接收模块将接受的光信号转化为
电信号，将采集数据提供至处理器。考虑微型化原则，所以采用蓝光增强型光电
二极管PIN-10DP/SB作为接收元件，该元件具有100m2以上的感光面积，对于400～600m的
波长(蓝绿光波段范围)较敏感，用于家用下水节点的接收器。
[0012] 所述串口通信模块针对Sink节点，使用主控芯片上的串行通信口USART-Tx、USART-Rx，输出TTL电平实现数据的收发。电源模块负责节点的能量供给，Sink节点通过串口与计算机端相连，能量可以认为是无限的，而普通节点则需要靠电池供电。
[0013] 所述电源模块采用电压范围为1.8V～3.6V的STM32F405RGT6为电源，采用2节五号电池来供电，并采用低噪声、快速瞬态响应的LT1963EST-3.3为稳压芯片。LT1963EST-3.3稳压芯片的输出电流在1.5V，
输出电压为3.3V，具有低噪声、快速瞬态响应等特点。
[0014] 该发明的有益效果：
[0015] 所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电[0016] 在使用时，多余的
电能将被存储在
蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄
电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。本发明中所述基于可见光通信的家用下水节点采用STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。和传统的水声通信技术相比，可见光通信的家用下水节点具备低功耗、体积小、低成本，具有计算能力和通信能力，实用性广泛，并且经济效益高，有巨大的市场前景。
[0017] 采用基于可见光通信的家用下水节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类节点布置在一个特定的区域内，可形成无线网络，它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。
附图说明
[0018] 图1是基于可见光通信的家用下水节点结构图；
[0019] 图2是处理器模块电路图；
[0021] 图4是可见光接收模块电路图；
[0022] 图5是电源模块电路图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明的一种基于光伏技术LIFI通信的地下室家用装置作进一步详尽描述：
[0024] 如图1所示，一种基于光伏技术LIFI通信的地下室家用装置，包括处理器模块、LED发送/接收模块、传感器模块、串口通信模块、电源模块、中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有
太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述处理器模块控制LED光源发送和接收信息，并协调各外设单元工作；所述LED发送/接收模块负责节点之间的通信；所述传感器模块负责目标区域信息的采集；所述串口通信模块与计算机连接，实现数据的收发；所述电源模块负责节点的能量供给。
[0025] 所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电[0026] 在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
[0027] 如图2所示，所述处理器模块采用低功耗的STM32F405RGT6嵌入式微处理器作为通信节点的主控芯片，该芯片体积小、质量轻，计算能力能满足系统要求，同时内部资源丰富，集成了USART，GPIO和ADC等功能，所以处理器模块只需要一块芯片以及简单的外围电路从而实现体积小、质量轻和计算能力的要求。
[0028] 如图3所示，所述LED发送/接收模块中，选择的光源是Luxeon III Enutter大功率蓝光光源(3W)。该光源的特点主要为：光通量高；使用寿命可达5*104h；体积小；额定工作电流很大，大约为350～700mA；点亮时间小于100s。另外，本模块将光源与铝基板组合使用用以散热，使用菲涅尔透镜实现聚光。选用ULN2803A作为LED的驱动芯片，ULN2803A是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端导通。该芯片可以同时驱动8组负载工作，具有电流增益高、温度范围宽、带负载能力强等特点，非常适合作为LED光源的驱动。
[0029] 如图4所示，所述可见光接收模块将接受的光信号转化为电信号，将采集数据提供至处理器。考虑微型化原则，所以采用蓝光增强型
光电二极管PIN-10DP/SB作为接收元件，该元件具有100m2以上的感光面积，对于400～600m的波长(蓝绿光波段范围)较敏感，用于家用下水节点的接收器。
[0030] 如图5所示，所述电源模块采用电压范围为1.8V～3.6V的STM32F405RGT6为电源，采用2节五号电池来供电，并采用低噪声、快速瞬态响应的LT1963EST-3.3为稳压芯片。LT1963EST-3.3稳压芯片的输出电流在1.5V，输出电压为3.3V，具有低噪声、快速瞬态响应等特点。
[0031] 上面结合附图对本发明的
实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
