Projeto de um sistema de comunicação por luz visível (VLC

Projeto de um sistema de comunicação por luz visível (VLC) baseado
em iluminação LED
Jhonathan Junio de Souza (UTFPR) E-mail: [email protected]
Zito Palhano da Fonseca (UEPG) E-mail: [email protected]
Sergio Luiz Stevan Junior (UTFPR) E-mail: [email protected]
Resumo: Comunicação através da luz visível (VLC) tem sido estudada como uma alternativa às comunicações
sem fio para ambientes fechados, principalmente devido a evolução recente dos LEDs de alto brilho e potência
os quais tem apresentado grande potencial para iluminação, uma vez que possuem longa vida útil e maior
eficiência luminosa, comparados com os métodos de iluminação atuais. Para verificar o comportamento da
transmissão óptica sem fios construiu-se um protótipo onde é possível enviar e receber um dado através da luz
visível. Foram utilizados níveis 50% e 100% de intensidade luminosa, simbolizando os níveis lógicos 0 e 1
respectivamente e a taxa conseguida foi de 25Kbps. Foram utilizados componentes na região da luz vermelha e
um sistema de reconhecimento de sinal foi necessário para o funcionamento em diferentes distâncias e ângulos
de posição.
Palavras-chave: VLC, Comunicação, Luz Visível.
1. Comunicação Luz Visível
Comunicação através da luz visível (VLC - Visible Light Communication) baseia-se em um
sistema de transmissão de dados onde o transmissor engloba tanto a função de transmissão de
dados quanto iluminação ambiente. O receptor é capaz de distinguir as variações da
iluminação e recuperar os dados transmitidos. Seu uso se concentra em transmissões de
mensagens multimídia e sistemas de localização em ambientes internos.
Pesquisas recentes demonstram que o conceito do VLC está aplicado nas mais variadas áreas,
sendo algumas delas: espaço óptico livre, telecomunicação com sistemas moveis, sinalização
de trânsito, sistemas de posicionamento, comunicação entre veículos, comunicação estrada
veículo utilizando câmera de alta velocidade, comunicação por sinalização RGB, etc.
Segundo Harald Haas (TED, 2011), as ondas de rádio tem capacidade limitada, além de pouca
eficiência e segurança, pois os sinais de rádio necessitam de grande energia, podem ser
interceptados e causam interferência em outros aparelhos eletrônicos. O VLC pode ser uma
alternativa para a transmissão de dados em ambientes interiores. A segurança é a maior
vantagem desta tecnologia, pois a luz não pode penetrar paredes, o que mantêm o sinal seguro
dentro do ambiente.
Existem pesquisas onde as taxas de transmissão passam dos 3Gbps (FRAUNHOFER
INSTITUTE FOR TELECOMMUNICATIONS, 2013). Em 2003, na universidade de Keio no
Japão, foi criado o Visible Light Communications Consortium (VLCC), que visa padronizar
esta tecnologia.
2. Funcionamento do VLC
O sistema consiste de um transmissor que modula a fonte de alimentação da iluminação,
criando pulsos de luz de acordo com o dado que se deseja enviar. Nas luminárias são usados
LEDs. A elevada frequência de chaveamento é a maior razão para a escolha dos LEDs em
VLC, pois as velocidades de comutação das lâmpadas incandescentes e fluorescentes não
satisfazem os requisitos para a transmissão de dados. Outra vantagem dos LEDs é o baixo
consumo. A eficiência de um LED de alto brilho pode passar de 130 lm/W (LEDS
MAGAZINE, 2006).
Como também é provida iluminação ambiente, a luminária deve fornecer uma potência
luminosa adequada para a sala. Por esse motivo são usados LEDs de alta potência.
Geralmente são utilizados conversores Buck para a alimentação dos LEDs, os quais são
responsáveis por manter a corrente elétrica constante. O Buck é um conversor abaixador,
controlado por modulação PWM, que transforma a tensão da rede em uma tensão menor para
a alimentação dos LEDs em sua saída.
No receptor, um fotodiodo recebe os pulsos de luz e converte-os em corrente elétrica. Devido
aos ruídos existentes no meio são usados filtros ópticos em conjunto com o fotodiodo
(LOURENÇO, 2009), com o intuito de filtrar as componentes indesejadas que estão
adicionadas ao sinal, como radiações vindas de outras fontes de luz.
A figura 1 apresenta o diagrama de blocos simplificado de um sistema VLC.
Figura 1- Diagrama de Blocos simplificado de um sistema VLC
Os dados a serem transmitidos provem de uma rede cabeada e modulam a fonte de
alimentação (conversor Buck) resultando na modulação de corrente de alimentação dos LEDs
de acordo com a informação a ser enviada.
Os dados vindos da rede passam por um modulador, que é responsável por traduzir a
informação em pulsos de controle para o drive de alimentação. Os LEDs são então chaveados
de acordo com a informação a ser enviada.
3. Características de comunicação
As principais características que envolvem a transmissão de dados referem-se ao meio de
transmissão e as condições como o sinal é transmitido. Neste sentido, determinar o espectro
de transmissão do sinal, o modo como o mesmo é modulado, as características limitantes
deste processo fazem-se necessário.
a) Espectro da banda visível:
A luz visível possui comprimentos de onda entre 350nm a 750nm. Os componentes usados na
transmissão e recepção do sistema VLC devem funcionar para estes comprimentos de onda.
b) Transmissão:
No VLC a transmissão é feita de modo unidirecional. Caso seja necessária a transmissão
bidirecional é preciso utilizar outra tecnologia, como IR ou ondas de rádio, tornando o sistema
caro e pouco usual. Por não possuir um sinal de sincronismo entre emissor e receptor a
transmissão deve ser assíncrona, isto é, possui um sinal de sincronismo embutido no próprio
dado enviado.
c) Frequência de chaveamento:
Para evitar o efeito flicker, que é uma flutuação da luminosidade, a frequência de
chaveamento deve ser adequada. Para LEDs, recomenda-se uma frequência de pelo menos
150Hz (KEEPING, 2012). Obviamente para a transmissão de dados é empregada uma taxa
muito maior de chaveamento, limitada pela dinâmica dos componentes e do meio, no caso, o
ar.
d) Modulação:
O sinal luminoso deve ser variado de forma a simbolizar o dado enviado. Diferentes tipos de
modulação possuem diferentes características como melhor sincronismo, imunidade a ruído e
simplicidade.
As modulações que mais vêm sendo adotadas nos sistemas VLC são a PPM, BAM, DMT e
FSK, sendo a modulação 4-PPM a sugerida pela JEITA, que é a norma que regulamenta esta
tecnologia (POHLMANN, 2010).
e) Interferência:
O sinal recebido pode ser direto ou refletido. O atraso entre um raio luminoso direto e um
refletido pode gerar um alargamento dos impulsos, se um impulso se estender por mais de um
período do símbolo, gera a chamada interferência entre símbolos, limitando a taxa de
sinalização (KOMINE; NAKAGAWA, 2004).
Como dito anteriormente, outras fontes de luz podem causar interferência no receptor VLC.
Uma grande fonte de ruído para o sistema VLC é a luz do sol, causando uma corrente de
fundo no fotodiodo que deve ser mantida baixa para não ser entendida pelo circuito
demodulador como um bit recebido. Por este motivo a comunicação por luz visível é
desaconselhada para ambientes exteriores.
4. O Projeto
Visando criar um sistema de transmissão óptica criou-se um protótipo em laboratório.
Primeiramente foram utilizados componentes infravermelhos para a comunicação, pois o
VLC possui um comportamento muito semelhante à comunicação infravermelha (IR) em
termos de propagação (MARTINS, 2011). Logo, as técnicas IR podem ser facilmente
adaptadas ao VLC.
Após o funcionamento do sistema com radiação infravermelha os componentes foram
trocados e a comunicação se deu no domínio de luz visível.
No protótipo foram criados um circuito transmissor e um circuito receptor, onde um byte é
enviado através de um LED vermelho de alto brilho, recebido em um fotodiodo OPT101
(TEXAS INSTRUMENTS, 2003) e mostrado em um display LCD.
O OPT101 é um fotodiodo monolítico com amplificador on-chip de transimpedância. A
tensão de saída aumenta linearmente com a intensidade da luz. O amplificador é projetado
para uma operação simples ou dupla da fonte de alimentação, tornando-o ideal para o
equipamento operado a bateria. A combinação integrada de fotodiodo e amplificador de
transimpedância num único chip elimina os problemas comumente encontrados em projetos
discretos como erros de corrente de fuga, ruído pick-up, e um ganho de pico devido desvio de
capacitância. O seu amplificador interno converte a corrente elétrica gerada pelo fotodiodo,
em sua entrada, em tensão elétrica, proporcional, em sua saída. A responsividade do OPT101
é vista na figura 2:
Figura 2 - Responsividade Espectral do OPT101 (TEXAS INSTRUMENTS, 2003)
Nota-se que o CI OPT101 tem melhor resposta em comprimentos de onda na região do
infravermelho. Para um melhor desempenho do sistema escolheu-se um LED vermelho para
compor o transmissor, pois a responsividade o receptor na região vermelha é satisfatória.
O dado é determinado por meio de 4 botões táteis conectados ao transmissor que geram um
valor conhecido para teste do procedimento. O código binário presente nos botões é enviado
quando é dado o comando “enviar”, através de outro botão.
Diferentemente de outros sistemas VLC, neste projeto a comunicação dos bits é feita com
níveis intermediários de luz, com 100% de luminosidade para bit 1 e 50% para bit 0. Este
método foi utilizado para evitar que a luz seja totalmente apagada quando é enviada uma
sequência de zeros. Desta forma foi possível simplificar a modulação, porém o receptor deve
ser capaz de diferenciar os dois níveis de luminosidade, independente da distância que esteja
do transmissor.
Para o projeto foram usados dois microcontroladores. Como transmissor foi utilizado o
PIC16F628A (MICROCHIP, 2005) e como receptor utilizou-se o PIC16F877A
(MICROCHIP, 2003), devido aos periféricos disponíveis neste microcontrolador.
5. Protocolo de comunicação
Foi criado um protocolo assíncrono, onde a transmissor fica o tempo todo enviando sinal de
nível alto. Esta técnica foi usada para manter a luminária sempre acesa quando não há
nenhum dado sendo enviado. Quando o transmissor tem um dado a enviar, o sinal vai para
nível zero, simbolizando o start bit. Cada bit tem a mesma duração, definida na programação
dos microcontroladores. Após o envio dos oito bits o transmissor coloca a saída novamente
em nível 1, simbolizando o stop bit.
A figura 3 mostra o fluxograma de funcionamento do microcontrolador no transmissor.
Figura 3 - Fluxograma Transmissor
Após ser ligado, o transmissor aciona a saída mantendo o LED sempre aceso. Quando é feito
o comando “enviar” o dado presente nos 4 botões de entrada é copiado para a saída. Os oito
bits são enviados rotacionando o buffer de saída em intervalos correspondentes ao período do
bit. Depois dos oito bits serem enviados o transmissor mantém novamente a saída em nível
alto.
Do outro lado, o receptor lê a todo o momento a entrada de dados. Quando verifica um start
bit, nível baixo, começa a copiar os bits em intervalos regulares de acordo com o período
estipulado para cada símbolo. Após 8 bits copiados, o receptor envia ao display LCD o dado
recebido e espera novamente por um start bit. O fluxograma de funcionamento do
microcontrolador receptor é apresentado na figura 4.
Figura 4 - Fluxograma Receptor
A figura 5 ilustra a transmissão dos dados. Como se pode ver, o transmissor mantém o nível
alto até o início do byte. Quando há um byte a ser enviado o transmissor impõe à saída nível
zero, durante um período de bit. O receptor ao perceber o start bit espera um período e meio
para fazer a primeira leitura, este deslocamento assegura que o receptor copie o bit no meio
do período de sinalização, evitando erros.
Figura 5 - Formato da Transmissão dos Dados
Neste algoritmo não foi implementado nenhum mecanismo de detecção e correção de erros.
Posteriormente para um melhor funcionamento do sistema, uma rotina de detecção de erros
será necessária, pois o sistema de comunicação por luz visível sofre grande interferência.
6. O Circuito
No sistema transmissor, foi montado um circuito onde o LED é chaveado por um transistor.
Com a saturação do transistor, um resistor é colocado em paralelo com a resistência do LED,
fazendo a corrente aumentar. Quando o transistor é cortado, a corrente no LED é menor,
fazendo-o brilhar menos. Em alta frequência o menor brilho do LED torna-se imperceptível,
porém, o receptor é capaz compreender esta variação.
No circuito receptor, a tensão presente na saída do CI OPT101 é comparada com uma tensão
de referência. A saída do comparador é lida pelo microcontrolador como um bit “1” ou “0”. A
tensão de referência é estipulada pelo sinal PWM filtrado por um filtro passa baixa. O valor
de referência vindo do filtro deve ser ligeiramente menor que o sinal alto do fotodiodo. A
saída do comparador será zero sempre que a tensão de saída do fotodiodo for menor que o
sinal de referência. Como circuito comparador foi utilizado o LM339 (FAIRCHILD, 2012).
Quando o sistema é ligado o receptor lê analogicamente o sinal do fotodiodo e toma-o como o
nível alto. Internamente o microcontrolador calcula um valor 0,5 volt menor que a tensão lida
anteriormente. O valor calculado é então manipulado e serve como razão cíclica para geração
de um sinal PWM. Após filtrado, o sinal PWM gerado torna-se uma tensão constante
exatamente 0,5 volt menor que o valor lido no fotodiodo durante a inicialização do sistema.
A figura 6 demonstra os circuitos simplificados do transmissor e do receptor:
Figura 6 - Circuito simplificado do transmissor e receptor
7. Resultados
Anteriormente para a validação da ideia foram utilizados componentes infravermelhos. Com a
comunicação infravermelha o menor período de bit conseguido foi de 68µs, significando uma
taxa de 14.7Kbps. Através da conexão direta entre o pino de transmissão e o pino de recepção
conseguiu-se uma taxa de 500Kbps (2 µs), demonstrando que o algoritmo criado é funcional e
que o limitante da velocidade realmente está nos dispositivos disponíveis utilizados.
A distância máxima conseguida com os componentes infravermelhos foi de 6cm, devido a
simplicidade do circuito e as características técnicas dos dispositivos.
Com os novos componentes dedicados a luz visível foram conseguidos 25Kbps (42µs por
bit). A distância máxima medida foi de 25 cm, em distâncias maiores a potência luminosa
recebida era insuficiente.
Graças ao sistema de reconhecimento de posição pode-se variar a localização do receptor e
manter a comunicação. Porém para distâncias muito pequenas o sinal recebido pelo fotodiodo
é muito alto e a diferença entre os níveis torna-se imperceptível para o receptor, ocasionando
perda dos dados. Outro problema é a necessidade de alinhamento com o transmissor. Mesmo
a pequenas distâncias o sinal vindo do transmissor pode não ser recebido caso LED e
fotodiodo não estejam alinhados adequadamente.
A figura 7 mostra o circuito experimental utilizado. O circuito transmissor e o circuito
receptor foram montados no mesmo protoboard, o LED transmissor foi ligado separadamente
para possibilitar a variação da distância durante os testes. As ligações que conectam o circuito
superior ao circuito inferior são os barramentos de alimentação. Tais conexões tornam-se
dispensáveis caso os circuitos sejam alimentados por fontes independentes.
Figura 7 - Circuito montado em protoboard, onde: A)
PIC transmissor; B) PIC receptor C) LED vermelho D) Fotodiodo amplificador E) LM339
A figura 8 mostra os sinais recebidos no fotodiodo. Para este teste foram gerados no
transmissor sinais quadrados com frequências de 1KHz e 50KHz, a distância entre
transmissor e receptor foi de 15cm.
Figura 8 - Sinal Recebido pelo Fotodiodo com 50KHz e 1KHz
Observa-se na figura 8 que em frequências mais altas o sinal recebido possui uma alteração
devido ao tempo de subida e descida dos componentes. Com taxas de transmissão muito altas
a deformação no sinal pode causar erros de leitura no receptor, limitando a velocidade da
comunicação. Em frequências mais baixas, o sinal recebido é praticamente igual ao sinal
gerado no transmissor.
8. Conclusões
Conclui-se que a tecnologia VLC pode ser implementada como alternativa frente a outras
tecnologias de transmissão sem fio. As aplicações em rádio frequência não são bem vistas em
ambientes como hospitais e aeroportos por poder causar interferência em outros aparelhos
eletroeletrônicos, diferentemente da comunicação por luz visível.
Neste trabalho, o objetivo de transmitir um dado através de um meio óptico foi alcançado.
Com o uso dos componentes de transmissão infravermelha conseguiu-se realizar o envio e a
captura de dados a uma taxa de 14,7Kbps. Posteriormente, com a migração de todo o circuito
para o domínio da luz visível foi observada uma taxa de 25Kbps. O sistema de
posicionamento mostrou-se funcional, porém para certas distâncias e desalinhamentos entre
emissor e receptor, o sinal do transmissor era perdido.
Futuramente, um conversor Buck será construído para servir de fonte para os LEDs do
transmissor e no receptor será necessário um maior cuidado com o ruído. O conjunto de
botões no transmissor e o display LCD presente no receptor serão trocados por interfaces que
farão a comunicação dos equipamentos com computadores, utilizando microcontroladores
com interfaces USB ou Ethernet. Também serão adicionados algoritmos de criação e detecção
de paridade.
Referências
FAIRCHILD. LM339/LM339A, LM239A, LM2901 Quad Comparator. 2012. Disponível em:
http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM2901.pdf. Acesso em 10 mai 2013.
KOMINE, T.; NAKAGAWA, M. Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System using LED
Lights. 2004.
LEDS MAGAZINE. Cree reports 131 lm/W from prototype white LED at 20 mA. 2006. Disponível em:
http://ledsmagazine.com/news/3/6/19. Acesso em: 10 mai 2013.
LOURENÇO, N. R. M. Sistemas de Comunicação por Luz Visível: Emissor/Receptor. Dissertação de
Mestrado. Universidade de Aveiro. Aveiro, 2009.
MARTINS, C. S. Comunicação Óptica sem fios baseada em diodos emissores de luz branca. Dissertação de
Mestrado. Universidade de Coimbra. Coimbra, 2011.
MICROCHIP. PIC16F627A/628A/648A Data Sheet – Microchip. Disponível em:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/40044d.pdf, 2005, Acesso em 27 Mai, 2013
POHLMANN, C. Visible Light Communication. Disponível em: http://www-old.itm.uniluebeck.de/teaching/ss10/sem_kim/ausarbeitungen/2010069%20Pohlmann.%20Visible%20Light%20Communication.pdf?lang=de. Acesso em: 30 Mar. 2013.
KEEPING, S. Characterizing and Minimizing LED Flicker in Lighting Applications. Disponível em:
http://www.digikey.com/us/en/techzone/lighting/resources/articles/characterizing-and-minimizing-ledflicker.html. Acesso em 27 mai, 2013.
TEXAS INSTRUMENTS. Monolithic photodiode and Single-supply transimpedance amplifier. 2003.
Disponível em: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opt101.pdf. Acesso em 01 jun 2013.