基于led通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于LED通信與物聯(lián)網(wǎng)技術領域，涉及一種基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著我國工業(yè)化水平的提高，人們越來越多地將信息技術應用到工業(yè)現(xiàn)場以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量精度和實時監(jiān)控水平。目前工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸通常采用以太網(wǎng)、CAN總線、無線通信等技術，但是，由于工業(yè)現(xiàn)場所處環(huán)境具有復雜性，如煤礦、油田采集現(xiàn)場對電磁波敏感，上述系統(tǒng)存在安全隱患。
[0003]LED具有功耗低、壽命長、尺寸小、無污染等優(yōu)點被視為第四代節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。同時基于LED的可見光通信具有通信速率高、容量大、靈敏度高、無電磁干擾等優(yōu)點，基于LED通信的數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)可以達到高通信速率、低誤碼率、高可靠性、智能化等優(yōu)點，不僅可應用于一般工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控，而且可應用于煤礦、油田采集現(xiàn)場等對電磁波特別敏感的復雜場所，是一種新的無線光通信技術。
[0004]本發(fā)明基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，充分利用工業(yè)現(xiàn)場的照明設施一一LED光源，提出將LED通信系統(tǒng)的發(fā)射端與各類測量傳感器進行封裝成傳感節(jié)點，由多傳感節(jié)點放置在工業(yè)現(xiàn)場構成傳感網(wǎng)絡，完成對工業(yè)現(xiàn)場設備運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)利用LED通信傳輸控制信號，例如利用語音信號對工業(yè)現(xiàn)場設備進行實時監(jiān)控，達到智能控制、安全高效的運行目的。同時本發(fā)明提出的基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)也為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了一種新的技術手段與實現(xiàn)方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用LED通信將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到終端，完成數(shù)據(jù)采集；通過LED傳輸控制信息，對工業(yè)現(xiàn)場設備進行監(jiān)控，以期達到提高自動化水平的目的。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0007]一種基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:將工業(yè)現(xiàn)場各類傳感器與LED通信系統(tǒng)的發(fā)射端進行封裝，構成傳感探頭;
[0009]步驟二:傳感器完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，發(fā)射端將采集到數(shù)據(jù)信息通過LED光源發(fā)射出去；
[0010]步驟三:采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過自由空間的傳輸?shù)竭_LED通信系統(tǒng)的接收端，最終將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，完成工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息采集；
[0011]步驟四:獲取控制信息，將控制信息指令命令經(jīng)過A/D轉換、采樣、去噪處理后作為LED驅(qū)動電路的輸入信號；
[0012]步驟五:利用步驟四中的LED驅(qū)動電路輸入信號驅(qū)動LED發(fā)光，發(fā)送控制信息；
[0013]步驟六:通過LED通信系統(tǒng)將控制信息從終端傳輸?shù)綀?zhí)行機構，驅(qū)動執(zhí)行機構的運轉。
[0014]本發(fā)明還提供了一種基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，包括采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
[0015]所述采集系統(tǒng)包括:傳感系統(tǒng)、模擬/數(shù)字信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、LED驅(qū)動電路、LED通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)終端；
[0016]所述傳感系統(tǒng)由工業(yè)現(xiàn)場各類傳感器與LED通信系統(tǒng)的發(fā)射端進行封裝組成，傳感器完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；
[0017]所述模擬/數(shù)字信號調(diào)理電路位于傳感系統(tǒng)的后面，將傳感系統(tǒng)采集到的信號轉換為電信號；
[0018]所述數(shù)據(jù)采集器以微處理器為核心，完成對模擬前端功能的數(shù)據(jù)輸入，即通過LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED發(fā)光完成數(shù)據(jù)采集；
[0019]所述LED通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過LED驅(qū)動電路，將信息調(diào)制到LED光源上，通過LED的明暗閃爍將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)終端；
[0020]所述數(shù)據(jù)終端將經(jīng)LED通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理、顯示和信息保存。
[0021]進一步，所述控制系統(tǒng)包括LED驅(qū)動電路、LED通信系統(tǒng)、驅(qū)動電路、執(zhí)行機構；
[0022]所述LED驅(qū)動電路用于完成對語音控制命令的變換，驅(qū)動LED發(fā)光；
[0023]所述LED通信系統(tǒng)用于完成對語音控制命令的傳送；
[0024]所述驅(qū)動電路不同于LED驅(qū)動電路，前端與LED通信系統(tǒng)連接時，需要做隔離電路，完成通過LED通信系統(tǒng)傳輸?shù)恼Z音命令的轉換，將信號轉換為驅(qū)動后續(xù)執(zhí)行機構運轉的輸入信號；
[0025]所述執(zhí)行機構包括電動機、電磁閥、空調(diào)和電燈等，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場具體情況選擇與布置。
[0026]進一步，所述LED通信系統(tǒng)使用多輸入多輸出(Multiple Input MultipleOutput， ΜΙΜΟ)技術和正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Divis1nMultiplexing,0FDM)進行結合的方案，采用強度調(diào)制/直接檢測系統(tǒng)可以準確的恢復出原始的數(shù)據(jù)信號；
[0027]在OFDM系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)信息流通過串并轉換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，從而減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾；每個子信道的數(shù)據(jù)處理流程為:原始的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉換之后，采用16-QAM調(diào)制，通過逆離散傅里葉變化再進行并串轉換，加入循環(huán)前綴作為保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，從而最大限度地消除多徑干擾帶來的符號間干擾；使用循環(huán)前綴作為保護間隔避免多徑帶來的信道間干擾；經(jīng)過數(shù)模轉換、任意波形發(fā)生器處理，通過LED發(fā)射出去，經(jīng)過自由空間的傳輸?shù)竭_接收機端。
[0028]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述系統(tǒng)和方法能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信息的實時顯示，并能通過數(shù)據(jù)終端發(fā)送語音命令對工業(yè)現(xiàn)場的執(zhí)行機構進行控制，該系統(tǒng)具有實時性高、通信速率高、通信穩(wěn)定、抗電磁干擾、智能化的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0030]圖1為系統(tǒng)示意圖；
[0031]圖2為基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架示意圖；
[0032]圖3為基于M頂O-OFDM的可見光通信系統(tǒng)示意圖；
[0033]圖4為子信道信號處理流程示意圖；
[0034]圖5為語音識別流程圖；
[0035]圖6為基于LED通信的智能控制系統(tǒng)框架示意圖；
[0036]圖7為基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0037]下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0038]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖，本發(fā)明利用LED通信將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到終端，完成數(shù)據(jù)采集；通過LED傳輸控制信息，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設備監(jiān)控。
[0039]基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):
[0040]由于工業(yè)現(xiàn)場所處環(huán)境的復雜性，需要對設備運行的各個參量進行實時采集與顯示，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場運作信息的全面了解。同時及時發(fā)現(xiàn)與處理異常，將引起安全隱患的概率降到最低，最大限度地保證操作人員的生命安全。
[0041]基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各類傳感器與LED通信系統(tǒng)的發(fā)射端進行封裝，構成傳感探頭，傳感器完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；發(fā)射端將采集到數(shù)據(jù)信息通過LED光源發(fā)射出去，經(jīng)過自由空間傳輸?shù)浇邮斩?，并將采集到的?shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，完成工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息采集。系統(tǒng)組成:模擬/數(shù)字信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、LED驅(qū)動電路、LED通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)終端(如液晶顯示等)。其中LED通信系統(tǒng)的功能是將數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過LED驅(qū)動電路，將信息調(diào)制到LED光源上，通過LED的明暗閃爍將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到終端接收機(如光電二極管、圖像傳感器等)，再通過光電轉換對信號進行解調(diào)。圖2為基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架示意圖，詳細采集流程如下:
[0042]1、模擬/數(shù)字信號調(diào)理電路:可以成為模擬前端采集。此部分是在傳感系統(tǒng)的后面，將傳感系統(tǒng)采集到的信號(如位移、速度、加速度、濕度、溫度等物理量)轉換為電信號。采樣頻率和通道數(shù)量可以根據(jù)實際情況自行選定。其主要構成部分為:電壓輸入調(diào)理電路、輸出電壓-電流轉換電路、隔離電路、電源電路。
[0043]2、數(shù)據(jù)采集器:以微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集器完成對模擬前端功能的數(shù)據(jù)輸入，即通過LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED發(fā)光完成數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器采用微處理器，使用軟件編程的處理方法可以使系統(tǒng)實時性更高且易于對數(shù)據(jù)的復雜處理。
[0044]3、LED驅(qū)動電路:在LED驅(qū)動設計時應考慮以下性能指標:電壓輸入范圍、輸出功率、輸出電流控制精度、高功率因素和諧波失真、功率開關的選擇和轉換效率?？紤]到對電路的保護，系統(tǒng)保護模塊包括過流短路保護、過壓開路保護、欠壓鎖定保護和過熱保護。
[0045]4、LED通信系統(tǒng):為了準確地、快速地、可靠地獲取工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明提出使用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，ΜΙΜΟ)技術和正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Divis1n Multiplexing，OFDM)進行結合的方案，米用強度調(diào)制/直接檢測系統(tǒng)可以準確的恢復出原始的數(shù)據(jù)信號。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示:在OFDM系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)信息流通過串并轉換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。每個子信道的數(shù)據(jù)處理流程為，原始的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉換之后，采用16-QAM調(diào)制，通過逆離散傅里葉變換再進行并串轉換，加入循環(huán)前綴作為保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑干擾帶來的符號間干擾。如果使用循環(huán)前綴作為保護間隔還可避免多徑帶來的信道間干擾。經(jīng)過數(shù)模轉換、任意波形發(fā)生器處理，通過LED發(fā)射出去，經(jīng)過自由空間的傳輸?shù)竭_接收機端。其處理流程為:經(jīng)接收機將光信號轉換為電信號，信號由低噪聲放大器和高通濾波器處理再進行數(shù)模轉換、串并轉換、去除循環(huán)前綴、離散傅里葉變化、解調(diào)、并串轉換最后恢復出原始的數(shù)據(jù)。圖4為子信道信號處理流程示意圖。
[0046]5、數(shù)據(jù)終端:工業(yè)現(xiàn)場的實時運行狀態(tài)信息通過傳感系統(tǒng)的采集，經(jīng)LED通信系統(tǒng)將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端處理、顯示和信息保存等。
[0047]基于LED通信的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)設計:
[0048]基于管控一體化的思想，把生產(chǎn)控制系統(tǒng)信息和管理系統(tǒng)信息有效結合起來，實現(xiàn)