XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Li-Fi sistem
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
1.1 О системе:
Li-Fi — вид передачи данных использует видимый свет в открытом пространстве без волновода, как канал связи (в отличие от радиоволн в Wi-Fi)
(О плюсах и минусах далее).
1.2 Актуальность Li-Fi технологий
Дальнейшее развитие информационных технологий предъявляет все возрастающие требования к эффективности каналов передачи и обработки данных. При этом мобильность потребителей контента приводит к широкому распространению беспроводных технологий передачи данных. Предлагаем множество областей применения оптических технологий передачи данных в открытом пространстве на небольшие расстояния, при этом наибольшее внимание будет уделено вопросам использования Li-Fi (пункт 2)
1.3 Цель работы:
Создание передатчика и приемника цифрового сигнала, передающегося в видимом диапазоне.
1.4 Поставленные задачи:
Изготовить установку Li-Fi (передатчик и приемник),
А также корпус для нее (настольную лампу), собственного дизайна.
1.5 Этапы работы над проектом:
Поиск информации, о Li-Fi технологии
Разработка установки
Изучение Arduino, и печать программы на нем
Изучение программы SketchUp
Выполнение 3D модели корпусов в данной программе
Печать макета на 3D принтере
Изучение программы AdobePhotoshop, для выбора наиболее подходящего дизайна светильника в интерьере
Изучение программы CorelDRAW
Выполнение развертки корпуса в ней
Вырез корпуса на лазерном станке
Сборка корпуса
Контрольная проверка
Написание документации и выполнение презентации
Подготовка к защите проекта
2. Раздел (Теоретический)
2.1. Что такое Li-Fi?
Li-Fi (Light Fidelity) достаточно молодая технология. Ее родоначальником считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011 году в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за одну секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ или до 50 000 фотографий! Идея стала возможной благодаря технологии VLC (Visible Light Communication), которая позволяет источнику света не только выполнять функцию освещения, но и передавать информацию. Транзит данных реализуется светодиодами типа LED, наносекундное мерцание которых незаметно для человека.
2.2 Преимущества и недостатки технологии Li-Fi
Из плюсов:Достоинством Light Fidelity является высокая скорость передачи данных. Если брать за основу 224 Гб/с, то Li-Fi превышает предельную скорость Wi-Fi-стандарта IEEE 802.11ax в 22,4 раза, а IEEE 802.11ac – в 30 раз.
Вторым плюсом технологии является ее относительно высокая защищенность от хакерского проникновения. Дело в том, что положенный в основу передачи свет не проходит через стены. Поэтому для взлома сети Li-Fi злоумышленник должен находиться в непосредственной близости к источнику сигнала, тем самым теряя свою анонимность.
Из минусов:Вышеобозначенный плюс вытекает из главного недостатка технологии Light Fidelity, а именно короткого диапазона передачи информации. Не только хакер должен быть близко к источнику света, чтобы провести взлом. Сам пользователь может воспользоваться Li-Fi только в пределах помещения.
2.3 Применение:
Технология Li-Fi сегодня находит применение в многочисленных областях:
Смарт-освещение: любое публичное или частное освещение, в том числе уличные фонари, могут быть применены в качестве стандартных точек доступа Li-Fi с применением одной инфраструктуры датчиков и средств связи.
Освобождение радиочастот сотовых сетей. Пиковые нагрузки могут быть переложены на Li-Fi. В особенности это эффективно на входящих коммуникационных каналах, имеющих узкие места.
Медицина и охрана здоровья. Особенность света с Li-Fi в том, что он не создает электромагнитные помехи для медицинского оборудования. К тому же технология не подвержена действию МРТ-сканеров.
Транспорт и транспортные средства. На сегодняшний день уже производятся вывески и светофоры, уличные светильники, задние фонари и фары, где применяются LED-лампы. Благодаря этому может быть обеспечена коммуникация между дорожной инфраструктурой и автомобилями в системах управления дорожным движением
2.4 Заменит ли Li-Fi стандарт Wi-Fi?
Скорее всего, полного вытеснения Wi-Fi технологией Light Fidelity не произойдет. Разработчики Li-Fi предполагают, что на массовый рынок продукт поступит не раньше, чем через 3-4 года. Светодиодные роутеры будут использоваться в комбинации с Wi-Fi. Это обусловлено наличием у световой технологии передачи данных нерешенных проблем. Если же видение Харальда Хааса и воплотится в жизнь и раздавать сигнал сможет любая лампочка, то ожидать этого в ближайшем будущем не стоит. Наиболее вероятный сценарий – это комплексное использование Li-Fi и Wi-Fi.
3. Раздел (Практический)
3.1 Основные компоненты системы Li-Fi:
Система — излучатель Li-Fi в большинстве случаев включает четыре основные составляющие:
Светодиодная лампочка.
Высокочастотный (ВЧ) усилитель цепи питания.
Печатная плата (кремниевый фотодиод (фотодетектор), который может реагировать на видимый свет, он является приемником передаваемых данных).
Корпус.
Печатная плата применяется для соединения входов и выходов лампы. В нее входит встроенный микроконтроллер, который применяется для управления разными функциями лампы. Радиочастотный сигнал создается твердотельным ВЧ усилителем цепи питания, благодаря чему вблизи лампочки создается электрическое поле. Высокая плотность энергии электрического поля позволяет доводить содержимое лампочки до состояния плазмы. Указанная управляемая плазма и выступает в качестве интенсивного источника света. Все вышеперечисленные компоненты обрамляются алюминиевым корпусом.
Для глаза людей мерцания диодов незаметны, а цифровой метод модуляции позволяет передавать данные до 10 Гбит в секунду. Чтобы регистрировать переданные пакеты применяется специальный приемник.
3.2 Принцип действия
В момент прохождения постоянного тока через LED светодиод происходит излучение непрерывного потока протонов, выдающего видимое свечение. При изменении напряжения меняется и интенсивность свечения. Так как светодиодные лампы являются полупроводниковыми устройствами, то интенсивность излучения и ток можно модулировать на достаточно высоких скоростях.
Данные изменения свечения можно улавливать специальным фотодетектором, чтобы преобразовать их обратно в электрический ток. Человеческий глаз не способен уловить модуляцию интенсивности свечения, вследствие чего связь является непрерывной. В результате технология Li-Fi способна при помощи светодиодной лампочки передавать потоки информации на невероятно высокой скорости.
Технология Li-Fi работает модулированием двоичного кода потока света от специального светодиодного источника. Само приемно-передающее устройство ничем не отличается от стандартной светодиодной лампочки. Приемные датчики, подключенные к компьютеру или иному цифровому электронному устройству, позволяют получать информацию лишь в момент, когда на них падает свет от источника Li-Fi.
3.3 Материалы, используемые при нашей работе
Для системы: две платы Arduino, провода, резисторы, фотодиод, светодиодная лента
Для лампы: пластмасса для 3D принтера, фанера (5мм), оргстекло (3мм), лак для обработки, клей ПВА.
3.4 Ход нашей работы:
Мы искали информацию об аналогах системы, чертежи установки, после этого принялись за изготовление пробного передатчика и установки для приема сигнала
Одновременно с этим, мы создали 3D модель лампы в программе SketchUp, затем напечатали ее макет, учли все недостатки и продолжили работу в программе Corel Draw, чтобы отправить развертку на лазерный резак, для дальнейшей сборки. (Мы специально предпочли изготовить лампу из дерева, чем из пластика, т.к. это экологически безопаснее для окружающей среды)
Для выбора цвета материалов и просмотра дизайна, мы воспользовались программой AdobePhotoshop, и отобразили лампу в интерьере
Также для передатчика мы создали корпус в программе Corel Draw.
После этого мы проделали контрольный тест системы Li-Fi и собрали лампу из уже вырезанных деталей (была выбрана специальная система для деталей “шип + пас”, чтобы лампа собиралась без помощи клея)
В завершении работы мы создали документацию (объединили все этапы нашей работы воедино) и готовились к защите.
4. Заключение
4.1 Обобщая:
Система Li-Fi состоит из двух основных частей: передатчика и приемника. В качестве первого используется источник видимого белого света, второго – чувствительный фотосенсор, улавливающий незначительные изменения в освещении. Источник сигнала излучает свет, который имеет мерцания. Сенсор улавливает их и преобразует в поток цифровых «нулей» и «единиц». Для организации двусторонней связи каждое из устройств оснащается обоими компонентами.
На практике связь Li-Fi выглядит просто. В роли передатчика (аналог роутера) выступает светодиодная лампочка, модулирующая свет путем мерцаний. Компьютер, смартфон или иное устройство оснащается специальным датчиком освещения, способным эти мерцания распознать. Скорость этих мерцаний столь высока, что человек их не замечает. Полученные мерцания преобразуются обратно в цифровые «нули» и «единицы».
Обратная связь организуется схожим образом: лампа оснащается фотосенсором, а смартфон или компьютер передает данные посредством столь же скоростных мерцаний подсветки экрана или специального диода. В устройствах без дисплея (роутер, медиацентр, принтер и т.д.) для этих целей может использоваться специальный светодиод на корпусе.
Наконец, нам удалось создать рабочую систему, которая может передавать информацию при помощи света (результаты нашей работы вы увидите ниже).
4.2 Реализация проекта
На сегодняшний день Li-Fi все еще находится в разработке. Речи о массовом коммерческом запуске пока не идет. Ранее компания Grand View Research провела собственное исследование и пришла к выводу о том, что уже через 4 года рынок световой технологии может вырасти до 100 миллиардов долларов. Сегодня продвижением и развитием Li-Fi занимается компания PureLiF, основанная уже знакомым нам Харальдом Хаасом. Представители марки не скрывают, что некоторые коммерческие структуры уже заинтересовались возможностью внедрить новую технологию на своих предприятия. Beamcaster уже протестировала технологию и подтвердила скорость в 1.25 Гбит/с, а компании Sisoft удалось передать данные на скорости в 10 Гбит/
5. Фотографии промежуточных итогов и результаты
5.1 Светильник в интерьере
5.2 Макеты лампы
5.3 Макеты установки Li-Fi
5.4 Готовая лампа
5.5 Пример передачи информации с одного компьютера на другой с помощью нашей системы (Фото процесса)
5.6 Программа для передачи сигнала
5.7 Программа для приема сигнала
6. Список литературы
Arnon Shlomi. Visible light communication. Cambridge (UК): Cambridge University Press, 2015.
О. Зотин. Li-Fi: светлое будущее беспроводных технологий или тупиковая ветвь развития? // Беспроводные технологии. 2016. № 3.
www.thg.ru/technews/20130415_100432.html
David van Dantzig. Neo Reflection Wireless 3D Finger Mouse preview, a 3D air finger mouse that seems to work well. www.itproportal.com/2013/05/16/neo-reflection-wireless-3d-finger-mouse-preview/
Robert Leeming. Ten retail indoor positioning projects you need to know. http://luxreview.com/article/2017/03/ten-retail-indoor-positioning-projects-you-need-to-know
www.rtlsnet.ru/technology/view/2
Предметно-понятийный словарь греческого языка. Микенский период. Л.: Наука, 1986.
Dean Sigler. Sion Power, Airbus, UAE Team Up to Set Dubai Altitude Record. blog.cafefoundation.org. Cutting-edge Aviation News from the CAFƒ Foundation.
http://cafe.foundation/blog/sion-power-airbus-uae-team-set-dubai-altitude-record/
О. Зотин. Li-Fi. Сегодняшние мифы и грядущие реальности // Беспроводные технологии. 2016. № 4.
Terence Bennett. Naval Applications for LIFI: the Transmitting Tool. http://cimsec.org/naval-application-tech-lifi/27242
Amy Nordrum. Mobile World Congress 2017: Pure Li-Fi Debuts New Li-Fi Luminaire and Shares Progress on Commercial Pilots. http://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/internet/mobile-world-congress-2017-purelifi-debuts-new-lifi-luminaire-and-shares-progress-on-commercial-pilots
Amy Nordrum. New Terahertz Transmitter Shines With Ultrafast Data Speeds. IEEE Spectrum. http://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/wireless/new-terahertz-transmitter-outshines-the-competition
К. Кочетков. Технология NFC в смартфонах и ее практическое использование. www.ixbt.com/mobile/nfc-2013.shtml
Robert Leeming. Li-Fi crucial to the future of lighting, says LED inventor. http://luxreview.com/article/2017/02/li-fi-crucial-to-the-future-of-lighting-says-led-inventor
https://voltiq.ru/wiki/uart-interface/
https://itc.ua/news/tehnologiya-peredachi-dannyih-vidimyim-svetom-li-fi-mozhet-priyti-na-mobilnyie-ustroystva-ranshe-chem-ozhidalos/