無線網路燈泡原理

A. 打開燈就能上網！Li-Fi技術到底是怎樣一種技術

自從1992年澳大利亞射電天文學家奧沙利文博士在一次用於探測迷你黑洞爆炸的實驗無意間發明了Wi-Fi，它已經徹底改變了我們的通信方式和生活。如果沒有Wi-Fi，使用移動通信的我們生活方式會大不一樣。Wi-Fi目前占據了互聯網流量的60%，雖然這么多人用，但不代表它沒有缺點。

以光作為介質意味著在家裡只需用把燈打開就有了網路，這聽起來很酷，但現實中真的能實現嗎？答案是肯定的。在實驗室里研究人員甚至把Li-Fi的速度提升到了每秒10Gb，而標準的Wi-Fi速度只有每秒100Mb，這意味著Li-Fi的速度是Wi-Fi的100倍。而Li-Fi目前已經在部分辦公室進行實驗了，只需要在房間的頂部安裝上一盞燈，整個辦公室的電腦都能用上網路並且速度比Wi-Fi還快。雖然Li-Fi有這么快的傳輸速率，但伺服器並沒有這么快的傳輸速率，因此，伺服器可能會成為限制網速的瓶頸。不管如何，這樣的技術仍然令人驚嘆。相信未來的某一天，Li-Fi技術會隨處可見。

B. 可見光無線通信的技術原理

可見光無線通信（稱為LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈沖無線傳輸信息。根據不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示1，關表示0，通過快速開關就能傳輸信息。由於LED的發光強度，人眼不會注意到光的快速變化。LiFi技術目前還處在於實驗室階段，由Haas和他愛丁堡大學的團隊發明的一項專利技術。電燈泡一直以來被視作發明家夢寐以求的靈感閃現的象徵。與光纖通信擁有同樣的優點，高帶寬，高速率，不同的是LiFi是使光傳播在我們周圍的環境中，自然光能到達的任何地方，就有LiFi的信號。LiFi技術是運用已鋪設好的設備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個微小的晶元，就能變成了類似於AP（WiFi熱點）的設備，使終端隨時能接入網路。

C. LED燈無線如何控制，利用了什麼技術以及原理

這個控制方案很多的：
利用ZigBee無線感測器網路技術對LED節能燈實現遠程式控制制的方案，給出了詳細的軟硬體設計。
1 自組網控制系統及工作原理
為實現故障檢測、溫度檢測、電壓檢測、亮度檢測和控制以及故障報警等功能，自組網控制系統採用了圖1所示的設計。

整個無線網路是由終端節點(ZigBee Endpoint，ZE)、路由(ZigBee Router，ZR)、和協調器(ZigBee Coordinator，ZC)3種設備構成。其中終端是簡化功能設備(Reced Function Device，RFD)，只能與路由或者協調器直接通信。路由是全功能設備(FuU Function Device，FFD)，既可以和路由和終端直接通信，也可以和協調器直接通信。協調器是PAN協調器(PANC)，負責一個PAN區域的網路建立及管理。協調器收集所有節點和路由的信息，通過RS232發給監控計算機來確定燈的亮度、環境溫度、電池電量等。
工作原理：系統中每個終端、路由分別控制一盞燈，每個燈對應一個ID(終端或路由加入網路時由協調器自動分配)，各個節點和路由將感測器收集的數據通過無線發送到協調器，協調器將收到的數據通過串口發送到監控計算機。如果LED燈出現故障，檢測電路會產生報警信號，報警信號最終會發送到監控計算機，計算機會提示工作人員故障燈的ID，讓維護更便利。另外終端的光敏感測器會收集光照的程度，然後由終端自動的調整光照的亮度。
終端也會將自身的供電電壓傳送到監控計算機，以防節點缺電而影響使用。
2 系統硬體設計
系統是由電源模塊、無線傳輸模塊(CC2530、溫度檢測、電壓檢測)、LED驅動模塊、LED檢測模塊等組成，具體硬體電路邏輯結構如圖2所示。其中電源模塊是採用市面常用的ASM1117-5.0和ASM1117-3.3，原理簡單易懂。下面主要介紹無線通信模塊和LED驅動模塊。

無線通信模塊採用TI公司的CC2530模塊，CC2530是用於IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網路節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程快閃記憶體、8 KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530有4種不同的快閃記憶體版本：CC2530F32/64/128/256(分別具有32/64/128/256 KB快閃記憶體)。CC 2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。CC2530優良的性能和具有代碼預取功能的低功耗、8051微控制器內核、32/64/128 KB的系統內可編程快閃記憶體、8 KBRAM，具備在各種供電方式下的數據保持能力並且支持硬體調試，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。它的可編程輸出功率高達4.5 dBm，並且只需極少的外接元件。硬體電路結構框圖如圖3所示，其中光控單元採用TPS851晶元，溫控模塊採用TC77。

LED驅動模塊採用的晶元是PT4115。PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恆流源，用於驅動一顆或多顆串聯LED。PT4115輸人電壓范圍從6～30 V，輸出電流可調，最大可達1.2 A。根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅動高達數十W的LED。PT4115內置功率開關，採用高端電流采樣設置LED平均電流，並通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光。當DIM的電壓低於0.3 V時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態。驅動原理圖如圖4所示。PT4115和電感L、電流采樣電阻RS形成一個自振盪的連續電感電流模式的降壓、恆流LED控制器。VIN上電時，L和RS的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時候，CS比較器的輸出為高，內部功率開關導通，SW的電位為低。電流通過L、RS、LED和內部功率開關從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、L和LED壓降決定，在RS上產生一個壓差VCSN，當VIN-VCSN>115mV時，CS比較器的輸出變低，內部功率開關關斷，電流以另一個斜率流過L、RS、LED和肖特基二極體(D)，當VIN-VCSN<85 mV時，功率開關重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為I。I=(0.085+0.115)/(2×RS)=0.1/RS。
本文應用IAR Embedded Workbench開發環境，在TI ZStack-2.2.1-1.1.3協議棧的基礎上，編寫了系統的應用程序代碼，用VC編寫了上位機程序。系統軟體主要包括協調器節點程序、路由和終端程序、上位機程序。ZStack提供了豐富的函數調用介面。

ZigBee網路中的協調器工作流程如圖5所示，路由(涵蓋終端)工作流程如圖6所示。在ZigBee網路中，網路協調器具有建立網路、維護鄰居設備表、對邏輯網路地址進行分配、允許設備MAC層/應用層的連接或斷開網路的功能。對於節點之間的通信有兩種定址方式，分別是通過64位IEEE地址和16位網路地址來尋找網路設備，當節點加入網路時候，協調器會自動給其分配唯一的16位網路地址。燈的無線控制系統要求能夠對任意一盞燈進行亮度調節，因此人工分配64位IEEE地址給每個路燈，以便以後進行控制。另外配置ZigBee設備對象斷點時候，網內的所有節點的ID和斷點描述符必須相同，否則節點間不能通信。路由器和終端的工作流程相識，這里不作區分。

上位機能夠為工作人員清楚地提供電壓、溫度、節點數目、節點地址等數據，實現遠程無線控制，創作和諧的人機交互界面，如圖7所示。工作人員能夠在上位機上使用ID對燈亮暗程度進行遠程式控制制。
4結語
經測試，在室內無障礙15 m左右距離，無遮擋物環境下速率能夠達到2 50 kbps;室外空曠環境下30～1 00m距離，速率為40 kbps;300 m，速率為25 kbps。距離150 m時通信的誤碼率可小於2%。系統在發射狀態下電流為25.7 mA，接收時為29.3mA，休眠狀態下僅為2.5μA。本系統具有成本低、功耗低、實施簡單、維護方便的特點，具有較高的參考價值。