（南京工程学院 江苏 南京 211167）
摘 要：随着清洁能源的推广，太阳能的使用愈发的广泛。但是在实际使用中，太阳能热水器需要专门的数据传输线，并且在水中存在易老化漏电的风险，而利用其水管中的水作为数据传输媒介则能够降低风险，故在这种背景下提出了一种在水管中激光通信系统的设计方案。该通信系统的控制发送和接收的元件为单片机，通过温度传感器测试水的温度，利用蓝光在水中传输数据并以光信号的形式传输到接收端，利用光电二极管作为接收端，将光信号变为电信号，最终通过解调显示数据。经过测试，结果表明该设计基本上可以实现水下光通信要求，能够将温度信号通过水管信道传输到接收端，接收端能够正确读出传输的信号。因此此设计方法能够有效的实现中短距离水下光通信传输。
关键词：太阳能热水器；水下光通信；光电二极管；菲涅尔透镜；电压比较器；OOK
1引言
在当今生活中，各类器件都朝着智能化发展。对太阳能热水器来讲，其主要用电线传递温度，水位和流速等信息，需要专门的数据传输线，并且存在在水中易老化漏电的风险，而利用其水管中的水作为数据传输媒介则能够降低风险。水下无线光通信技术是有效实现可靠通信的方案之一。可见光通信的研究在中国当前还处在初级理论阶段，目前还没有一个相对成熟的系统(商业上可用的可见光系统)。在中国，可见光通信的研究单位主要是浙江大学和西安理工大学等。中科院半导体物理研究所也对LED通信进行了研究。现在,国内外的科学界都肯定了白光LED在可见光通信中的潜在应用价值。可是,当前技术还不算太成熟,存在着许多的问题,这些问题有待于我们去研究探讨进行解决处理。
2水下可见光通信系统原理
光通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。在通信时，首先将电信号转换成光信号，再利用光纤进行传递，在发送端将要传送的信息变成电信号，并调制到激光器发出的激光束上，通过光纤传送;在接收端，检测器收到光信号把它换成电信号，后经解调恢复信息。
水下无线光通信则是利用蓝绿激光进行的水下无线光通信，其不需要利用光纤，这样扩大了适用领域，并且能够节约部署成本[1]。水下无线光通信原理如图1所示。
图1 水下无线光通信原理图
一个完整的水下光通信系统模型，可以简单的分为信号发射端，水下传输信道，信号接收端三个基本模块。
2.1发射端
信号源采用了450nm蓝绿激光器。这是由于生活用水对不同的光波存在不同的吸收能力由图2可知其对400nm-500nm范围内的光谱相对于其他范围内的光谱几乎没有吸收作用[2]。
2.2接收端
菲涅尔透镜，主要是由聚烯烃材料和玻璃制成的薄片。其表面有很多排列规则相互独立的锯齿状凹槽，其中央呈一个椭圆型弧线。相邻两个凹槽能够将光线聚合调整在一点形成中心焦点。这种透镜能够消除部分球形像差[5]。考虑到实际加工中的困难，透镜的各个环的曲面形状近似地被平面所代替，当透镜环的距离相对较小时，对透镜的聚焦性能的影响并不大。最后选用直径25mm，纹距0.3mm，焦距50mm，厚度2mm高清亚克力材质的菲涅尔同心圆螺纹镜片，透光率高达93%。
如图3所示，整体为一段60mm，直径25mm的水管，A处为菲涅尔透镜所在位置同时为第一层防水位置，用防水胶将菲涅尔透镜黏贴至A处，保证管壁与透镜紧密接触无水流渗入。C处接收端光敏元件所在位置，其为菲涅尔透镜焦点所在位面。B处为第二层防水位置也是光敏元件固定位置，保证光敏元件位于C处所在位面为最佳位置。
图3 接收光路设计示意图
3 水管中激光通信电路设计
3.1 发射端电路设计
水管中激光通信系统发射端的整体电路分为两个模块：单片机及传感器电路和激光器驱动电路。其中单片机及传感器电路被分为单片机最小系统部分和传感器信号传输部分；激光器驱动电路分为控制、恒流源电路和过流保护电路。单片机及传感器电路和激光器驱动电路之间通过控制电路进行连接，过流保护电路在控制电路和恒流源电路中都有应用，用于保护电路以防止电涌或过流信号对激光器造成不可逆的损伤。整体设计布局如图 4 所示。
图 4 整体设计布局图
3.2 接收端电路设计
接收端以STC12C5A60S2为控制核心，加入激光通信接收端光路设计以及电路设计，并将接收到的光信号，经过处理转换，显示在LCD1602液晶显示器上。光电二极管作为光敏元器件，通过对光电二极管性能进行分析，以LM393作为光电检测电路的设计的核心放大整形器件，最后可搭建出水下光通信接收端的硬件电路设计。电路流程如图5所示。
图 5 电路流程图
4 水下可见光通信调制编码研究
4.1 OOK调制方式
OOK 本质上是一种二进制振幅键控又名 2ASK 的特例。以频率、向位作为常量，将振幅作为常量，将信息内容利用载波的幅度进行传递。振幅键控实际上通过载波的幅度变化将要传输的数据发送和接收。该模式甚至出现在模拟调制之前，无线电莫斯码就是用的这种调制方式。由于大部分的调制方式的抗噪声性能都相较强于 OOK 调制，所以 OOK 调制实际上主流的微波通信等并未大面积采用，相反的，也由于其调制方式简单方便，并且易于实施，所以通常应用在光通信领域中。OOK 调制又细分成为归零开关键控和不归零开关键控。在不归零开关键控中，光源的亮表示为信号“ 1”，光源的暗表示为“ 0”；在归零开关键控中所有的信号都有一个回归“ 0”信号的过程，所以实际上光源的亮表示为信号“ 10”，光源的暗表示为“ 00”。图 6 中能够清晰的显示出两份不同键控的信号传输差别。从上文的描述中可知，在相同条件下，理论上不归零开关键控的传输速率要比归零开关键控来的高一倍[6]。故在本方案中采用不归零开关键控作为调制方式。
图 6 归零码与不归零码波形演示图
4.2 求和校验协议
在该系统中为了传输的信号的准确性和稳定性，在通信协议上借鉴红外传输的通信协议。。整个协议分为 4 个部分，包含帧头，数据长度，数据和校验。其中帧头可以自定义，在本设计中自定义为0xAA，0xBB，占用两个字节；数据长度为一字节，用于说明字节长度，同时也限制了单个帧中有效数据的长度不会超过 256 个字节；之后是数据位，数据按位对应 ASCⅡ码进行转换，最多不超过 256 个字节；最后一位是校验和，通过将之前的所有位相加并取最后两位数据作为校验和[7]。
通过检验和的添加能够有效的方便接收端对收到的数据进行校验，以避免数据在传输时由于噪声或衰减的原因造成的误码。在接收端通过对校验和进行判断，如果数据自身所携带的校验和与接收端通过计算的校验和相一致，则判断整个数据完整，保留数据并进行下一步操作；如果数据自身所携带的校验和与接收端通过计算的校验和不一致，则判断数据传输有误，丢弃数据并进行下一个数据的接收。求和校验码完成了对数据传输正确性的保证[8]。
5水下激光通信系统性能测试
5.1激光器功率对信号传输性能影响测试
测试目的是改变激光器的输出光功率以测出在相同环境中不同光功率对应不同的信号传输能力。在本测试中分别采用了流动水域和静止水域两种测试环境，同时保持室外光环境一致，保持接收端光电检测器性能一致，激光的波长一致，传输速率一致，以及其他环境因素相同。在实验方法上，通过在发射端单片机中预设发送“00”到“ 99”的 100 个不同的数值，在接受端预设当接收到“ 00” 数据时开始进入检测阶段。按预设的的比较过程对“ 00”到“ 99”的信号进行监测并进行比较，以此来确定数据的传达；当多次实验后接收端并未进入监测阶段，则表明数据未能到达，通信失败，该距离在该功率的激光器的通信能力范围之外，每组测试实验 10 次并取均值。经过实验，实验数据如下：
表1 激光器功率变化与信号传输能力测试表（静止水域）
根据表 1 中的数据可知，在静止水域中，数据传输能力随激光器的功率增长而增长，联系式（4）可知实验结果确实满足该公式的规律，能够得到结论：有效传输距离与 lg（P）成正比。
表 2 激光器功率变化与信号传输能力测试图（流动水域）
根据表 2 中的数据可知， 在流动水域中，数据传输能力与水下环境中相同，也于激光器的功率增长而增长，但是由于端流和气泡的影响，在阈值距离的范围内不再保持百分百的信号传输，相较于静止的有效传输距离内的传输效果，流动水域在有效传输距离内会叠加一种类似噪声的效果从而影响水中信号传输的正确率，这种效果会随距离的增加而增加，超过有效传输距离的传输效果与静止水域相同都为零。
5.2激光器信号传输可靠性测试
实验目的是改变通信距离以测出在相同环境的情况中不同通信距离对信号传输可靠性的影响。在本测试中静止水域和流动水域两种方式进行测试，实验条件同上。在实验方法上，通过在发射端单片机中预设发送“ 000”到“999”的1000 个不同的数值， 在接受端预设当接收到“ 000”数据时开始进入检测阶段。按预设的的比较过程对“ 000”到“999”的信号进行监测并进行比较，以此来确定数据的传达；当多次实验后接收端并未进入监测阶段，则表明数据未能到达，通信失败，该距离在该功率的激光器的通信能力范围之外，每组测试实验 10 次。经过实验，实验数据如下：
表3 激光器信号传输可靠性测试图（静止水域）
根据表 3 中的数据可知在静止水域中存在一个传输距离有效值 18.2±0.15m， 当传输距离大于这个有效值则数据几乎不可达；当传输距离小于有效值则数据可达且几乎没有误码；当传输距离在这个有效值附近时数据有效性非常不稳定，传输有效性具有随机性。所以在本系统的应用中应当避免接近这个传输距离的有效值。
表4 激光器信号传输可靠性测试图（流动水域）
根据表 4 中的数据可知在流动水域中也存在一个传输距离有效值 17.6±0.2m，当传输距离大于这个有效值则数据几乎不可达；当传输距离小于有效值则数据可达并有误码，并且误码率会随传输距离的增加而增加；当传输距离在这个有效值附近时数据有效性非常不稳定，传输有 效性具有随机性。相较于静止水域，流动水域的传输距离有效值缩短了， 并且有效值的范围也增加了，在有效值内也出现了误码的情况并且随传输 距离的增加而增加。首先流动水域的传输距离的缩短是因为端流的影响增 大了水域的衰减系数；有效值的范围的扩大是由于气泡和端流的共同影响； 在有效值中出现误码是因为气泡大大增加了水域中的噪声，由于实验中能 够实现的水流流速较小，所以噪声对误码率的影响并不明显。
5.3 激光器波长变化对传输能力影响测试
测试目的是改变激光器发射激光的波长以测出在相同环境中不同波长对距离信号传输能力的影响。在本测试中仅使用静止水域一种方式进行测试，实验条件与实验方法同上。经过实验， 实验数据如下：
表 5 激光器波长变化对传输能力影响测试图
根据表5 中的数据可知，激光器发射激光的波长在水中的有效传输距离差别很大。由于不同波长的光在水中的衰减程度不同，并且除了蓝绿光以外大部分衰减系数都很大所以传输距离的有效值会大大减小。实验结果符合第二章中对不同波长在水中衰减系数的理论研究。
6 总结
作为一种相对于电通信的通信技术，光通信也受到人们越来越多的关注与研究。本文从光通信原理出发，使用了单片机嵌入式开发技术，将单片机作为 MCU 对温度传感器实时监测数据进行接收并处理，并通过控制电路将数据信号加载至半导体激光器。通过设计激光器的驱动电路，以达到安全稳定的驱动激光器的目的，同时加载了过流保护电路，起到对激光器的保护作用， 以防止激光器在使用的过程中因突然的过大电流而损坏。采用 OOK 调制与求和校验协议对信号进行调制，并通过求和校验码以保证传输稳定性。最后设计出一种水下无线光通信系统用于传输太阳能热水器的实时温度，并经过实验与测试得出结论，通过本设计方案能够实现中短距离的水下无线激光通信。 水下激光通信一直是各国研究的重点，其应用远远不止于太阳能热水器的温度传输。未来是否能得到推广，也非常值得人们期待。
参考文献
[1] 张丰伟. 水下无线中长波通信机的设计与实现[D]. 大连理工大学,2013.
[2] 孙春媛. 水下短距离可见光通信技术的研究[D].中国海洋大学,2007.
[3] 王文朋. 水下激光通信系统中信道特性分析[D].中国海洋大学,2014.
[4]冯文波. 蓝绿激光在水下传输中的应用[J]. 中南民族学院学报(自然科学版),2000(S1):53-55.
论文作者:卞晓鸽，齐金玉，李伟璇，余辉龙
论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期
论文发表时间:2018/12/5
标签：激光器论文; 数据论文; 信号论文; 水下论文; 有效值论文; 水域论文; 距离论文; 《科技新时代》2018年10期论文;