【摘 要】
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传统室内照明灯具通常采用白炽灯、荧光灯等光源,且一般为手动控制的照明方式,由于其存在频闪、低智能化和资源浪费等问题,已经无法满足人们智能化、多样化的照明需求。目前发光二极管(Light Emitting Diode,LED)凭借光效高、寿命长等优势发展为照明的主体,且照明灯具是最广泛分布的机电设备,是物联网的极佳载体。以太网供电(Power over Ethernet,PoE)技术与照明灯具的融合
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传统室内照明灯具通常采用白炽灯、荧光灯等光源,且一般为手动控制的照明方式,由于其存在频闪、低智能化和资源浪费等问题,已经无法满足人们智能化、多样化的照明需求。目前发光二极管(Light Emitting Diode,LED)凭借光效高、寿命长等优势发展为照明的主体,且照明灯具是最广泛分布的机电设备,是物联网的极佳载体。以太网供电(Power over Ethernet,PoE)技术与照明灯具的融合将从源头上为灯具提供低压直流供电,解决传统照明中存在的资源浪费、管理不集中等问题,且具有高速信息传输的能力。6G通信即将到来,数字化、智能化是新技术浪潮下的必由之路,结合可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的PoE智能照明将给智慧教室、智能交通等大规模物联网通信领域带来全新的应用价值,促进社会的可持续发展。因此本文主要对基于PoE的可见光照明及通信系统进行研究和实现:(1)首先,深入调研了PoE智能照明技术和可见光通信技术的研究进展,指出传统室内照明面临的技术挑战,且难以满足人们日益增长的美好生活需要;其次,分析了PoE智能照明技术方案以及LED的电光特性,介绍了影响室内照明的关键性能评价指标,如光照强度、蓝光危害、显色指数等;最后,分析了LED的伏安特性、输出光功率-输入电流特性以及调制带宽等指标与可见光通信性能的关系,为实现基于PoE的智能照明及通信系统奠定了良好的基础。(2)针对现有照明灯具中存在的高显色指数与低蓝光危害难以兼顾、资源浪费严重、智能化不高等问题,提出了分布式PoE智能照明传感系统设计方案。首先,采用金黄光和白光LED混光策略,根据CIE 1931色度标准构建了光色度参数与脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)的调光模型,并利用动态模糊神经网络对模型进行优化设计;其次,介绍了PoE智能照明系统的相关器件选型和电路设计,利用物联网技术融合智能传感控制器,可以实时调节灯具的亮度、色温等,实现按需照明;最后,对PoE智能照明灯具的实际照明性能进行测试并分析,相较于传统的LED灯具,本系统具有低蓝光危害(RG0)、高显色指数(85-95Ra)、色温(2000K-6000K)连续可调、无频闪且照度均匀等照明优势,同时本系统能够有效降低能耗,可以满足实际生活中的照明需求,助推健康照明和低碳节能。(3)针对大规模物联网连接中可见光照明通信系统集成度较低、通信速率和调制带宽较小等问题,进行基于PoE智能照明系统的可见光通信优化设计及通信性能分析。首先,介绍了基于PoE智能照明系统的VLC收发模拟链路设计方案,发射端采用均衡技术有效提升了系统的调制带宽,传输信道利用菲涅尔透镜进行光学设计和优化提高了光路的传输效率和稳定性,接收端利用PIN光电二极管和低噪跨阻放大器提高了系统接收端的信噪比;其次,在通信距离20cm、输出功率0.1m W条件下对系统的频率响应进行了实际测试验证,结果表明均衡电路能有效改善幅频响应曲线的平坦度,其-3d B带宽由10.4MHz扩展到110MHz以上,可以满足基本的通信服务需求;最后,对开关键控(On-Off Keying,OOK)调制的VLC系统进行通信性能分析,通过仿真及实测发现系统的误码率可以达到10-6级别,由此可以说明该系统具有良好的通信能力。
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