VLC可見光通訊應用於LED照明

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使用光傳輸通話的歷史比無線電還早,可追朔到1880年貝爾實驗室。Visible Light Communications為可見光通訊,可見光的頻率介於400 THz(波長780 nm)至800 THz(波長375 nm)之間。而VLC是一種數據通信技術,它使用可見光作為載體,屬於低數據傳輸(kb / s)。

foaf:image 圖一、可見光在無線頻段範圍
foaf:image 圖二、LED驅動電流載入VLC訊號

Lifi在 5 米(16 英尺)的距離上使用白光 LED 時通訊其速度可以到500 Mbit/s,在實驗室條件下使用5個LED在相對長距離上可達到100 Mbit/s

 

現有射頻標準的補充技術 IEEE 802.15.7 Visible Light Communication Task Group. (https://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html)

 

與VLC 系統有一個區別就是Lifi與 Wi-Fi 類似,但Lifi是一允許雙向傳輸光的VLC 形式。不同的是,它不是無線電頻譜,而是通過配備特殊芯片的LED燈泡控制,利用可見光譜來傳輸資料。

VLC – Indoor Positioning (室內定位) 要點歸納

  • 1. 可調光功能透過 MCU 來控制並傳輸資料。
  • 2. 利用平均的LED輸出電流來載入人的眼睛所看不見得訊號。
  • 3. 手機或平板上的 image sensor (圖像感測器) 可以接收並讀取資料。
  • 4. 利用手機處理器來計算出位置訊息。
file 圖三、微處理器利用 i2c, PWM控制LED 驅動IC
foaf:image 圖四、LED驅動電流載入VLC訊號
osmani 圖五、用手機影像感測器接收並解碼出資料  

可見光通訊對比於無線電的優勢VLC – Advantages v.s. RF

  • 1. 抗干擾 (Higher immunity)
  • 對於訊號反射較不敏感 (如充滿金屬的環境空間,金屬會吸收電磁波。)
  • 不易被附近的無線電發射源干擾。
  • 不易被其他通訊系統影響。

更適合於電磁干擾敏感的場域,如:飛行器、醫療院所、有爆炸風險的場域等。

2. 可擴展性 Scalability

  • 當接收端裝置增加時, 不會有訊號飽和的問題。

3. 高安全性 Higher security

  • 本質上可接收到光才可以通訊 (光線不能穿牆。)
  • 可利用光源定位。

4. 系統相對簡單 Less complexity

  • 不需要額外的電源放大器供給無線電發射,可以節省能源與降低複雜度。
foaf:image 圖六、市售手機的鏡頭即可接收

利用可見光通訊達到室內定位 Indoor Positioning through VLC

如何達成?

  • 每個LED燈泡可以設定單獨的ID,並布建於建物內。
  • LED透過可見光通訊傳輸至接收器端。
  • 接收裝置接收到訊號並解碼後計算出位置訊息。
  • 接收裝置可以是攝像鏡頭或是光二極體 (photodiode)。
  • 精確度可以準確到 30 公分。

Accuracies below 30cm are achievable in the field

市場訊息

知名照明品牌 Philips 發起了一個燈具認證計畫 “Yellow Dot”, 只要燈具經過認證並符合相關測試條件即可取得 Logo (見圖七),測項條件的定義了PWM (Pulse-width modulation, 脈波寬度調變, Duty Cycle (佔空比) 與Symbol rate(符元率) 等有關參數。

onsemi 圖七、認證logo.

使用情境: 移動式機器人或無人搬運車VLC Use Case: Mobile Robotics Indoor Positioning

onsemi 圖八 無人搬運車定位方式

優點:

 

1. 位置精確度可以到達10公分等級。

 

2. 不會被無線電訊號干擾。

 

3. 有相當的安全性保密性,僅侷限於建築物內部。

 

4. 通訊可透過燈具網路傳輸 (單向傳輸)。

 

5. 可以擴充現有無電通訊技術(WiFi or BLE) 到燈具網路上 以達到雙向通訊

定位 Positioning

1. 樓層的資料庫內含燈具的位置資訊,如圖九。

onsemi 圖九、樓層平面圖

2. LED燈具持續傳輸單獨的識別碼。

 

3. 位於機器人或設備上的光感應器或相機模組接收識別碼。

 

4. 機器人或設備利用三角量測來計算出位置資訊。

 

5. 利用平面圖來呈現手機或行動裝置的位置。(如圖十)

onsemi 圖十、使用平面圖顯示目前位置

茂綸LED照明解決方案方塊圖(見圖十一):

onseimi 圖十一
圖十二 實體演示板 圖十二 實體演示板

透過PoE供電, 並利用安森美onsemi帶有VLC 通訊功能的驅動IC NCL310xx系列來驅動LED.

 

onsemi 除了有 PoE PD controller, LED驅動器之外也有基於BLE5.2技術的藍芽芯片,如有需求請聯絡茂綸安森美的產品經理。

 

結論: 目前LED照明市場漸漸流於價格競爭, 透過新的附加功能可以增加利潤,並提供更好的終端使用者經驗.

參考文獻