CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

71



Di động –

Di động

K

ết

n

ối

K

h

o

ả

n

g

c

á

c

h

T

ố

c

đ

ộ

Ứ

n

g

d

ụ

n

g



Di động –

Cố định



Di động

– LED



Cố định

– LED



Hai chiều



Hai chiều



Hai

chiều

hoặc

một

chiều



Hai

chiều

hoặc

một

chiều



Vài mét



Vài mét



Vài mét



Vài mét



~100Mbps



~100Mbps



~10Mbp

s



~10Mbp

s



Chia sẻ nội

dung



Truyền dữ

liệu

Truyền

Video

Thương mại

điện tử di

động



Định vị

Điều

khiển



Broadca

st

dữ

liệu



Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà.

Đối với môi trường truyền dẫn thông tin ngoài trời, chúng ta có thể thiết kế mô

hình hệ thống truyền dẫn dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn như: Cột đèn đường, đèn

giao thông, biển quảng cáo điện tử hay truyền dẫn thông qua những tấm Pin năng

lượng mặt trời trên các tòa nhà.

3.1.2 Mô hình ứng dụng VLC ngoài trời

Nếu như trong mô hình trong nhà các ứng dụng VLC được triển khai tương tự

như mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Thì đối với ứng dụng ngoài trời, công

nghệ VLC có một số ứng dụng hấp dẫn hơn, với những ứng dụng được triển khai trên

cơ sở hạ tầng sẵn có như Pin mặt trời, đèn đường hay các biển LED chỉ dẫn…



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



72



Hình 3.2: Mô hình VLC cho ứng dụng giao thông.



Hình 3.3: Mô hình ứng dụng VLC cho các trạm thu phí.

Trong mô hình 3.2, các ô tô trên đường có thể nhận được các cảnh báo từ hệ

thống đèn đường như : Cảnh báo tắc đường, cảnh báo tuyến đường nguy hiểm hay thu

thập thông tin định vị các xe đi qua, hay các biển Led chỉ dẫn sẽ gửi thông tin về tuyến

đường cho xe tự hành trong tương lai. Vì trên các xe đều có gắn camera hành trình,

cùng với hệ thống đèn pha sẵn có, nên mô hình ứng dụng này có thể được triển khai

một cách dễ dàng và tiết kiệm.

Trong mô hình 3.3 các ô tô có thể gửi thông tin thu phí từ xa cho các trạm thu phí

với công nghệ VLC bằng cách sử dụng đèn pha, qua đó tránh hiện tượng tắc nghẽn và

giảm thời gian di chuyển.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



73



Hình 3.4: Mô hình VLC ngoài trời sử dụng PIN mặt trời.

Công nghệ Pin năng lượng mặt trời đang phát triển rất nhanh và hứa hẹn sẽ đem

lại một nguồn năng lượng sạch và phổ biến trong tương lai. Đó cũng chính là lợi thế

khi triển khai hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy trong tương lai. Trong

mô hình này, các đường truyền internet không dây sẽ được triển khai từ đèn đường

vào các hộ gia đình thông qua các tấm Pin mặt trời trên nóc các tòa nhà. Hơn thế,

người đi đường cũng có thể truy cập internet hay định vị thông qua công nghệ VLC

được triển khai tại mỗi cột đèn, thay thế cho các điểm truy cập wifi hiện tại như hình

3.4.

Thiết kế và xây dựng hệ thống VLC



3.2



Công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy còn khá mới mẻ, nhưng với

những ưu điểm vượt trội so với công nghệ truyền thông tin bằng sóng RF, công nghệ

này đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các cá nhân và tổ chức. Công nghệ này

hứa hẹn sẽ đem đến một phương thức truyền thông tin không dây mới và hiệu quả

trong tương lai không xa. Chính vì thế, trong đồ án này em sẽ thực hiện xây dựng một

hệ thống truyền thông tin trong nhà ứng dụng công nghệ truyền thông tin bằng ánh

sáng nhìn thấy, qua đó làm rõ hơn về nguyên lý chung của một hệ thống VLC cũng

như tính ứng dụng cao của công nghệ này. Hệ thống này sẽ tập trung vào một số điểm

sau:

Thiết kế một hệ thống VLC nguyên mẫu sử dụng đèn LED và Photodiode

thương mại để chứng minh tính hiệu quả của công nghệ.

• Đo đạc đánh giá hiệu quả của hệ thống.

• Đưa ra một số hướng phát triển của mô hình.

•



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



74



Hình 3.5: Mô hình truyền thông tin bằng công nghệ VLC.

Mô hình 3.5 minh họa cho ý tưởng truyền thông tin của hệ thống được xây dựng

trong đồ án này. Nguồn: Cung cấp một nguồn điện một chiều ổn định cho các bộ dịch

mức cũng như mạch phát và mạch thu hoạt động, các bộ dịch mức có chức năng

chuyển đổi điện áp cao của giao diện RS232 trên máy tính (khoảng +/-11V) xuống

mức 0V đến 5V phù hợp với mạch phát mà mạch thu của hệ thống. Ý tưởng cơ bản

của hệ thống là làm cho hai máy tính giao tiếp với nhau hay giao tiếp giữa máy tính

với các thiết bị ngoại vi như máy in thông qua truyền thông tin không dây sử dụng ánh

sáng trắng phát ra từ đèn LED, hệ thống được kết nối với máy chủ và máy khách

thông qua giao diện RS232, chuẩn kết nối rất phổ biến hiện nay. Điều này cho thấy

tính ứng dụng cao của hệ thống trên thực tế với cơ sở hạ tầng sẵn có. Dữ liệu từ máy

chủ được chuyển thành dữ liệu quang học bằng cách sử dụng các đèn LED. Dữ liệu

quang học sau khi được phát ra không gian sẽ được thu lại bởi các Photodiode bên

phía nhận, sau đó chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện và gửi vào máy khách.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



75



3.2.1 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống

IC so sánh LM339N.

IC LM339N gồm 4 bộ so sánh độc lập, được thiết kế làm việc với cả nguồn đơn

trong dải điện áp rộng và nguồn đôi. Dòng điện cung cấp cho cực máng của LM339N

độc lập với nguồn cung cấp, cấu trúc của IC LM339N như hình 3.6.

Ứng dụng của LM339 bao gồm các bộ so sánh, các bộ chuyển đổi tương tự sang

số đơn giản, máy phát xung vuông, các bộ tạo thời gian trễ và cổng logic số điện áp

cao. LM339N được thiết kế với giao diện trực tiếp TTL và MOS/CMOS. Khi hoạt

động từ nguồn đối xứng nó sẽ được thiết kế với giao diện trực tiếp MOS.



Hình 3.6: Sơ đồ chân IC LM339N.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



76



Có hai cách để sử dụng các bộ so sánh có trong LM339N:

•

•



Điện áp gim vào đầu dương, điện áp vào vào đầu âm như hình 3.7.

Điện áp gism vào đầu âm, điện áp vào vào đầu dương như hình 3.8.



Hình 3.7: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu dương.

Khi cho một điện áp chuẩn (Vref) đểm gim cố định một đầu vào dương của IC thuật

toán, nếu ta cho điện áp cần so sánh vào đầu âm (V in) thì điện áp đầu ra thu được sẽ

nghịch đảo với tín hiệu đầu vào.

•

•



Nếu Vin tăng thì Vout sẽ giảm

Nếu Vin giảm thì Vout sẽ tăng



Hình 3.8: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu âm.

Nếu gim đầu âm của IC thuật toán và cho tín hiệu thay đổi vào đầu dương thì ta thu

được điện áp ra tỉ lệ thuận với tín hiệu vào.

•

•



Nếu Vin tăng thì Vout cũng tăng

Nếu Vin giảm thì Vout cũng giảm



Ưu điểm:

•

•

•



Bộ so sánh có độ chính xác cao.

Có thể dùng nguồn đơn hay nguồn kép.

Tương thích với tất cả các loại logic.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



77

•



Nguồn cực máng thích hợp cho việc dùng Pin.



Đặc trưng:

•

•

•

•

•

•

•

•



Vùng điện áp cung cấp rộng : 2Vdc- 36Vdc hoặc +/- 1Vdc- +/-18Vdc.

Dòng cực máng rất nhỏ cỡ 0,8mA và độc lập với nguồn cung cấp.

Dòng phân cực lối vào nhỏ cỡ 25nA.

Độ lệch dòng lối vào nhỏ +/-5nA.

Độ lệch thế lối vào nhỏ +/-3mV.

Vùng điện áp mode chung lối vào chưa GND.

Điện áp vi phân lối vào tương đương với điện áp cung cấp.

Điện áp lối ra bão hòa thấp cỡ 250mV/ 4mA.



IC thu phát MAX3232.

IC thu phát Max3232 là các bộ dịch cấp, chuyển đổi từ mức +/-12v của RS-232 sang 0

đến 5v của mức TTL. Giao diện RS-232 sử dụng -3v đến -12v cho mức logic 1 và 3v

đến 12v cho mức logic 0. Vì thế ta sử dụng Max3232 vừa để chuyển đổi điện áp, cũng

như bảo vệ mạch khỏi những đột biến từ giao diện RS-232.

Hầu hết các máy tính được giới hạn ở mức 115kbps với giao diện RS-232, MAX3232

làm việc ở mức 120kbps nên đủ để đáp ứng khi giao tiếp với máy tính.

Hệ thống được xây dựng gồm 2 khối chính là khối phát và khối thu.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



78



3.2.2



Khối phát thông tin

Khối phát thông tin có nhiệm vụ nhận thông tin từ máy chủ, sau đó xử lý rồi gửi

tới các đèn LED để phát ra ngoài không gian. Trong khối phát sử dụng linh kiện IC thu

phát MAX3232, transistor 2N2222 và một đèn LED thương mại như hình 3.9.



Hình 3.9: Khối phát thông tin của hệ thống VLC trong nhà.



Thông tin cần truyền gửi từ máy chủ tới IC thu phát Max3232 thông qua giao

diện RS232, tín hiệu từ IC MAX3232 sau đó được gửi đến mạch điều khiển đèn LED.

Transistor Q1 có chức năng như một công tắc để bật tắt đèn LED theo các bit 0, 1 của

thông tin cần truyền. Đèn LED bật cho mức điện áp 5v và tắt cho mức điện áp 0v từ

chân 12 của IC MAX3232.

Transistor được sử dụng để bật tắt đèn LED là 2N2222, sau khi xem xét thấy cả

đèn LED trắng thương mại và Transistor 2N2222 có tốc độ hoạt động hàng MHz, nên

rất thích hợp cho ứng dụng này.

Điện trở R3 có chức năng chuyển dòng rò giữa colector-Base xuống đất thay vì

đi vào base-emitter. Việc lựa chon R3 là khá quan trọng vì nếu R3 quá lớn thì nó sẽ

không chuyển hết dòng rò xuống đất, còn nếu điện trở này quá nhỏ thì dòng điện để

đưa vào cực B của transistor sẽ không đủ, và sẽ không bật tắt được đèn LED.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



79



Theo datasheet của Transistor 2N2222 ta có :

ICBO = 0,01 µA.

VBESAT = 0,6 V.

Lại có: IR3 = để IR3 >ICBO > 0,01 µA ta sử dụng R3 có giá trị 1MΩ.



Hình 3.10: Dạng sóng trên khối phát thông tin.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



80



3.2.3



Khối thu thông tin

Khối thu thông tin có nhiệm vụ nhận ánh sáng mang thông tin được phát ra từ

đèn LED bên phía phát, sau đó chuyển thông tin từ ánh sáng sang dòng điện và gửi

vào máy khách. Sơ đồ nguyên lý của khối thu được trình bày trong hình 3.11.



Hình 3.11: Khối thu thông tin.

Phía thu sử dụng một Photodiode 3DU5C để thu tín hiệu đã được điều chế vào

ánh sáng phát ra từ đèn LED. Đầu ra của Photodiode 3DU5C sau khi thu ánh sáng là

các mức điện áp khác nhau, tương ứng với cường độ ánh sáng phát ra từ đèn LED

phát. Các tụ C1, C2 sử dụng tụ hóa có giá trị 10uf, tác dụng là lọc bỏ nguồn xoay

chiều, việc này là rất cần thiết vì mạch cần nguồn một chiều tinh khiết để có thể hoạt

động ổn định. Theo Datasheet của IC so sánh LM339N, ta chọn R4, R6 giá trị 2,2k để

dòng đưa vào LM339N nhỏ hơn dòng lớn nhất mà nhà sản xuất đưa ra là 16mA.

Sử dụng điện trở R1= 2,2k và biến trở tinh chỉnh R2 = 1M để hạn dòng qua

Photodiode 3DU5C, Ngoài ra R2 còn được sử dụng để điều chỉnh cho đến khi có

được dạng sóng vuông.

Điện áp của Photodiode 3DU5C tạo ra sau khi nhận ánh sáng bên phía phát sẽ

được đưa vào chân số 7, là chân đầu vào không đảo của bộ so sánh thứ hai trong IC

LM339N.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



81



Các bộ so sánh của LM339N được thiết kế để giữ ở mức điện áp nhất định, được

thiết lập bởi cả chân số 7 và chân số 6 khi photodiode không được tiếp xúc với ánh

sáng (do người dùng đặt bằng cách thay đổi điện áp gim đưa vào chân số 6, điện áp

gim này được điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh R3). Khi Photodiode được tiếp xúc

với ánh sáng phát ra từ đèn LED phía phát, điện áp đầu ra trên Photodiode sẽ thay đổi

phù hợp với trạng thái ON/ OFF của đèn LED. Sự thay đổi điện áp này được đưa vào

chân số 7 của LM339N cùng với việc điều chỉnh biến trở R3 cho phù hợp sẽ tạo ra

sóng vuông ở chân số 1 của IC LM339. Ở khối so áp thứ nhất, tín hiệu đầu ra tỉ lệ

thuận với tín hiệu đầu vào. Nguyên lý hoạt động của khối thứ 2 cũng tương tự như

khối so áp thứ nhất, nhưng do điện áp gim đặt vào đầu dương của bộ so sánh, nên tín

hiệu ra ngược so với tín hiệu vào.



Ngoài ra, khối thu thông tin vẫn sử dụng IC thu phát MAX3232 để giao tiếp với máy

tính.



Hình 3.12: Mạch Max3232 bên phía thu.

IC thu phát MAX3232 bên phía thu có chức năng và hoạt động tương tự như bên

phía phát với một vài thay đổi nhỏ. Đầu ra của mạch thu (chân số 2 ) được đưa vào

chân số 11 (T1IN) của MAX3232. Và chân số 14 (T1OUT) của MAX3232 được đưa

vào chân số 2 của DB-9 để đưa thông tin vào máy khách.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản