一种从室内LED光照信号中提取稳定时钟的方法

一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法
技术领域
1.本发明属于信号接收及分析处理技术领域，涉及无线传感器网络参考时钟的生成方法，具体涉及一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法。


背景技术：

2.无线传感器网络是一种包含许多传感器节点的自组织网络。这些传感器节点通常需要互相通信、协同工作，实时地感知和采集网络覆盖区域内的各种监测对象的信息，并对这些信息进行处理，然后传送给终端用户。无线传感器网络目前广泛应用于国防军事、工业检测、智能家居等领域。
3.一个具备特定功能的无线传感器网络中，不同传感器节点之间的一致时间对于它们的协同合作是必要的。例如数据标记、协同休眠、数据融合等事务都需要传感器节点时钟的同步。无线传感器网络时钟同步的前提是它的各个节点的时钟足够准确和稳定。准确、稳定的传感器节点时钟将有效地减小时钟同步的频次，避免因频繁同步而造成较大的功耗损失，进而提高无线传感器网络数据采集处理的能力和生存能力。
4.解决无线传感器网络时钟同步的方法一般分为两类。一类是使用rbs、tpsn、ftsp等时钟同步协议，采取软件调整的方式实现节点间虚拟时钟同步。另外一类是采用同一个外部时钟信号作为参考，统一校准各个传感器节点的物理时钟。
5.为了保持高效和低损耗，日常生活中的低压电能传输与配送通常采用交流模式，例如ac 220v/50hz。这种交流电信号的周期或频率是准确、稳定的。而且交流电的准确、稳定的周期波动特性会通过输配电装置实现远程传递，甚至可以通过led灯体现在光照信号中。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法。
7.为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
8.一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法，其特征在于，采用光电二极管作为光电探测器接收室内led灯发出的光信号，然后对光信号进行光电转换获得电流信号，电流信号经过电流-电压转换、电压放大，获得包含直流分量和高频噪声的低压配电网络二倍工频信号，经过带通滤波处理，以及设置电压基准和电压比较器，可选择地将提取出的正弦形态的100hz时钟信号整形为100hz方波信号，作为无线传感器网络节点物理时钟校准的参考信号。
9.根据本发明，所述光电二极管采用滨松二极管s6968。
10.具体地，所述电流-电压转换和电压放大采用opa2330芯片。
11.所述带通滤波处理采用ad8616芯片，其中心频率设定为100hz，阻带设定为80hz，通带20hz，q值不低于4.5。
12.所述电压比较器采用ad8616芯片。
13.所述电压基准采用tl072芯片。
14.本发明的从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法，采用光电转换、放大滤波、电压比较的方式从led光照信号中提取低压配电网络的二倍工频信号作为无线传感器网络节点物理时钟校准的参考信号，其电路实现简单，提取到的正弦和方波形态的时钟信号波形清晰，频率准确、稳定。
附图说明
15.图1是本发明的从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法设计框图。
16.图2是实现本发明的从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法的电路图。
17.图3是光电转换和放大后的信号波形。
18.图4是在sma1端口输出正弦形态的时钟信号的测试图。
19.图5是在sma2端口输出方波形态的时钟信号的测试图。
20.图6是提取的时钟信号的频率分布。
21.图7是提取时钟信号强度与led灯的距离关系。
22.图8是提取时钟信号的稳定度。
23.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地详细说明。
具体实施方式
24.申请人经研究发现，面向无线传感器网络的室内应用场景(例如室内定位、智能家居、车间调度等)，从室内led光照信号中提取一个稳定时钟，可作为无线传感器网络物理时钟校准的参考信号。
25.参见图1，本实施例给出一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法，采用光电二极管作为光电探测器，接收室内led灯发出的光信号，进行光电转换，获得电流信号。再经电流-电压转换、电压放大后获得包含直流分量和高频噪声的低压配电网络二倍工频信号。
26.为进一步获得一个准确、稳定的低压电网二倍工频信号，还需进行带通滤波处理。
27.此外，为了提高所提取时钟信号在无线传感器网络节点物理时钟校准时的灵活性和可用性，设计电压基准和电压比较器，可选择地将提取出的正弦形态的100hz时钟信号整形为100hz方波信号。
28.图2给出了实现上述方法的电路图，包括：
29.(1)光电探测器能够从led光照中获取信号，具体采用滨松二极管s6968。二极管s6968连接u1，u1输出端通过c2和r2连接u2，u2输出端通过r4和c4连接u3，u3输出端连接u5并输出sma1，u4输出端分别连接u3和u5。
30.二极管s6968输出的是电流信号，采用opa2330芯片作为u1实现电流-电压转换和作为u2实现电压放大。光电转换和放大后的信号波形参见图3。
31.(3)经u1电流-电压转换、u2电压放大后获得的低压配电网络二倍工频信号，其中包含直流分量和高频噪声。采用ad8616芯片作为u3设计带通滤波器，其中心频率设定为100hz。同时，为防止50hz工频干扰，阻带设定为80hz，通带20hz，q值不低于4.5。
32.(4)为了提高所提取时钟信号在无线传感器网络节点物理时钟校准时的灵活性和
可用性，采用tl072芯片作为u4设计1.65v的电压基准。并采用ad8616芯片作为u5设计电压比较器。可选择地将提取出的正弦形态的100hz时钟信号(由sma1输出)整形为100hz方波信号(由sma2输出)。
33.实验测试：
34.一个普通商用led灯(康诗奥，36w，6500k白光)直接连接至室内照明电网(ac 220v/50hz)，用于实验测试。本实例设计的硬件电路(图2)在距离该普通商用led灯3米时提取到的正弦和方波形态的时钟信号分别如图4和图5所示，波形清晰，频率准确、稳定。图6为提取的时钟信号频率分布的测试结果，中心频率为100hz，呈正态分布。图7为提取的时钟信号强度与led灯的距离关系，可见在7m距离范围内，该实施例设计的硬件电路(图2)都能稳定接收到上述时钟信号。图8为提取的时钟信号的阿伦方差稳定度测试结果，其长期稳定度达到了9.5
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10-8
/week，超过了普通晶体振荡器的长期稳定度，可以作为无线传感器网络节点物理时钟校准的参考信号。


技术特征：
1.一种从室内led光照信号中提取稳定时钟的方法，其特征在于，采用光电二极管作为光电探测器接收室内led灯发出的光信号，然后对光信号进行光电转换获得电流信号，电流信号经过电流-电压转换、电压放大，获得包含直流分量和高频噪声的低压配电网络二倍工频信号，经过带通滤波处理，以及设置电压基准和电压比较器，可选择地将提取出的正弦形态的100hz时钟信号整形为100hz方波信号，作为无线传感器网络节点物理时钟校准的参考信号。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电二极管采用滨松二极管s6968。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流-电压转换和电压放大采用opa2330芯片。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述带通滤波处理采用ad8616芯片，其中心频率设定为100hz，阻带设定为80hz，通带20hz，q值不低于4.5。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压比较器采用ad8616芯片。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压基准采用tl072芯片。

技术总结
本发明公开了一种从室内LED光照信号中提取稳定时钟的方法，其特征在于，采用光电二极管作为光电探测器接收室内LED灯发出的光信号，然后对光信号进行光电转换获得电流信号，电流信号经过电流-电压转换、电压放大，获得包含直流分量和高频噪声的低压配电网络二倍工频信号，经过带通滤波处理，以及设置电压基准和电压比较器，可选择地将提取出的正弦形态的100Hz时钟信号整形为100Hz方波信号，作为无线传感器网络节点物理时钟校准的参考信号。其电路实现简单，提取到的正弦和方波形态的时钟信号波形清晰，频率准确、稳定。稳定。稳定。


技术研发人员：唐升 苏明意 王凯旋 兰建平 侯榆青 贺小伟
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/24