基于树莓派的可见光通信实现

摘要

研究发现，除了作为照明光源外，发光二极管还能在电磁波谱的可见光部分提供载波，从而推动可见光通信（VLC）这一无线通信形式的发展。在我们的研究项目中，利用树莓派和光敏模块，我们构建了一个简化的可见光通信模型——发送端的LED高速闪烁来传输二进制代码，接收端的光电二极管检测上述闪烁。因此，我们实现了通过可见光通信传输文本，特别是汉字。换句话说，实现了两个树莓派之间的单向通信线路。

引言

可见光通信（VLC）是一种利用400和800太赫兹（780–375纳米）之间可见光进行通信的方式1。它通过调制发光二极管和其他光源，以高频发出肉眼无法察觉的闪烁信号来实现。由于这一特性，它可以集成到现有的照明系统中，尤其是发光二极管系统。
发光二极管不仅具有低能耗、长寿命、环保和体积小的优点，还具备良好的调制能力和对外部刺激的高敏感性。

可见光通信的开发

在发光二极管的发展推动下，可见光通信的历史始于电话之父。19世纪80年代，亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明了第一台可见光通信设备——光电话。他通过调制阳光和弧光实现了这一技术。此后，一些类似贝尔装置的实现被用于军事和业余用途。主要的创新在于光源，从灯丝和弧光灯发展到气体放电管2。
2003年，庆应义塾大学3的一个团队首次实现了通过发光二极管传输数字信息，这标志着现代可见光通信技术的开端。在21世纪，利用LED，传输速率可高达50吉比特每秒4。

背景

尽管可见光通信是一项已有技术，但至今仍无法传输汉字。因此，我们开展了该项目以研究这种传输的可能性。

流程

我们的系统基本结构由两部分组成——发送端和接收端。发送端由连接了LED的树莓派控制，从而使输入的二进制数据通过LED的“亮”和“灭”来反映。接收端是一个光电二极管连接到另一块树莓派，以便光电二极管可以将光信号转换为树莓派可处理的电信号（图I）。

在发送端，我们首先使用Unicode将汉字编译为二进制代码。我们将LED的“亮”定义为“1”，“灭”定义为“0”。在接收端，光电二极管接收到相应的二进制数据，树莓派对数据进行处理并显示汉字。
我们还尝试调整了LED闪烁的频率，但当频率达到100赫兹时，传输失败，再次收到乱码。后来我们确定这一缺陷是由接收设备——光电LED的质量问题引起的。

结果

最终，我们基于两台树莓派计算机制作了一个可运行原型。由于电子元件质量的限制，该原型的传输速度仅为约5KB/s，且有时会受到周围光线的影响。然而，在黑暗环境中，成功率可达98%。该原型能够传输汉字和英文字符，达到了我们的最初目标。

未来工作

我们主要致力于解决两个问题：传输速度和外部环境的影响。针对第一个问题，我们试图结合两种不同的方法：首先，我们计划构建一个光矩阵，并通过编译单一模式来呈现更多数据；此外，多矩阵技术可以使传输速度提高两倍甚至三倍。针对第二个问题，我们还在开发一种主动自然光消除程序，以减轻环境光带来的影响。