CC BY
22ISSN 1814-1196 Научный вестник НГТУ том 79, № 2-3, 2020, с. 7-24
http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 79, No. 2-3, 2020, pp. 7-24
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
INFORMATICS, COMPPUTER ENGINEERING AND CONTROL
УДК 681.78.01 DOI: 10.17212/1814-1196-2020-2-3-7-24
Система управления температурой
внутри помещения, основанная на технологии
*
связи по видимому свету
А.Е. БАКЛАНОВ1", СВ. ГРИГОРЬЕВА14, А.Ж. АЛИМХАНОВА1с, А.К. ДМИТРИЕВ2"
1 070004, Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Протозанова А.К., 69, Восточно-Казахстанский технический университет
630073, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет
a ABaklanov_62@mail.ru b SGrigorieva@ektu.kz c aslima_alimhanova@mail.ru d alexander_dmitriev@ngs.ru
В статье предлагается новый подход к управлению температурой в помещении, основанный на технологии Visible Light Communications. Суть данного подхода состоит в использовании светодиодных осветительных приборов в качестве передатчиков информации о температуре в дополнение к функции освещения. Для передачи данных была применена модуляция света по стандарту UART. В качестве приемника использовался фотодиод, позволяющий регистрировать относительно слабые сигналы. Обработка всех данных осуществлялась с помощью микроконтроллеров. При этом модуляция по стандарту UART инициализировалась также микроконтроллером.
В статье подробно описываются принципиальные схемы передающего и приемного устройств. На основе разработанных принципиальных схем была создана экспериментальная установка, представляющая собой два блока. Передающий блок включает в себя датчик температуры, микроконтроллер, драйвер и светодиод. Приемный блок включает фотодиод, усилитель и микроконтроллер. В качестве микроконтроллеров использовалась микросхема ATmega328P. Экспериментальная установка представляет собой опытные образцы двух приборов.
Для контроля передачи сигнала проводились измерения уровня и формы импульсов в приемном устройстве с помощью осциллографа. Уровень сигнала анализировался после всех электронных компонентов до входа на микроконтроллер. Результаты экспериментов показали, что передача данных с использованием белых осветительных светодиодов достаточно устойчива. Это позволяет сделать вывод о возможности организации беспроводного управления температурным режимом в помещении без Wi-Fi. Перспективой использования предложенного подхода управления температурой с помощью белых светодиодов является создание системы управления «Умный дом» без проводных линий связи и с использованием недорогих микроконтроллеров, что значительно уменьшает стоимость системы.
Ключевые слова: светодиод, система управления, передача данных, температура, микроконтроллер, связь по видимому свету, оптическая беспроводная связь
Статья получена 06 февраля 2020 г.
введение
В настоящее время современные системы управления получают информацию для мониторинга и управления физическими процессами от датчиков и исполнительных устройств, которые пространственно удалены друг от друга. Классическая передача данных между модулями системы управления осуществляется через провода. Необходимость физического подключения датчиков и исполнительных механизмов ограничивает гибкость, масштабируемость и надежность работы системы. Переход на беспроводные системы связи позволит снизить затраты на монтаж и риски отказов при эксплуатации, что приведет к построению экономичной, надежной системы, а также предоставит возможность организации интеллектуальной инфраструктуры.
Популярные платформы управления, такие как Internet of Things, Smart House, Device to Device, Machine to Machine, используют для построения своей инфраструктуры беспроводные системы передачи данных. Большинство международных аналитических агентств дают высокие оценки росту числа соединенных устройств в мире. В 2016 году на конференции Internet of Things World, которая прошла в Санта Клара (США), компания SigFox привела прогнозируемые данные от различных компаний. Значения отличаются на порядок. Например, аналитиками компании Gartner было заявлено, что количество соединенных устройств в 2020 году достигнет 21 млрд единиц, а специалистами компании Intel приводится значение в 200 млрд единиц для этого же года [1]. Согласно отчету Cisco Visual Networking Index прогнозируется увеличение объема мобильной передачи данных в семь раз в период с 2016 по 2021 год, а количество мобильных устройств на душу населения достигнет 11,6 млрд к 2021 году [2]. В мае 2019 года экспертами компании Strategy Analytics приведены данные о подключении к сети Интернет 22 млрд устройств [3]. Приведенный прогноз, а также реальные данные показывают необходимость внедрения сетевых архитектур с высокой пропускной способностью, которые смогут удовлетворить растущие потребности в ресурсах беспроводной сети. Радиочастотная полоса пропускания не позволяет увеличивать скорость передачи, что повлияло на необходимость разработки новых беспроводных технологий связи.
Дополнительное использование оптических частот позволит решить проблемы, связанные с дефицитом спектра в беспроводной связи на основе радиочастоты. В оптической беспроводной связи (Optical Wireless Communication, OWC) можно использовать три основных диапазона частот ультрафиолетового, инфракрасного и видимого света. В пределах последних двух диапазонов возможна связь посредством видимого света (Visible Light Communications, VLC), беспроводная оптика (Free Space Optics, FSO) и связь через оптическую камеру (Optical Camera Communications OCC) [4-6]. Технологии OWC обладают рядом уникальных преимуществ, таких как широкий спектр, высокая скорость передачи данных, низкая задержка, высокая безопасность, устойчивость к радиочастотным электромагнитным помехам, свободное лицензирование, низкая стоимость и низкое энергопотребление. Можно отметить публикации, в которых подробно приводится сравнение технологий OWC по различным аспектам [7-10].
Политика большинства государств в области энергосбережения привела к решению отказаться от неэффективных источников света, таких как лампы
накаливания и люминесцентные лампы [11]. Реализация программ по преобразованию рынка освещения в пользу энергоэффективных источников освещения может быть достигнута благодаря применению полупроводниковых источников света (светодиодов). Одним из вариантов снижения энергозатрат является организация равномерного освещения с использованием автоматизированных систем управления, которая возможна на основе светодиодных ламп [12].
Светодиоды обладают высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями по сравнению с традиционным освещением: высокая световая отдача, надежность и длительный срок службы, безопасность в эксплуатации, экономическая эффективность. Светодиоды - безынерционные источники света, они не требуют времени на прогрев и переключения. Количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность. Свойства современных светодиодов освещения позволяют использовать их как для освещения, так и для передачи данных при одновременном снижении потребления энергии на мировом уровне.
Идея использования видимой части электромагнитного спектра для обеспечения передачи данных и освещения на основе использовании белых свето-диодов является относительно новой. Видимый диапазон длин волн в пределах 370...780 нм обеспечивает пропускную способность ~400 ТГц, что в десять тысяч раз больше радиочастотной полосы пропускания [7, 13, 14]. Это позволяет использовать светодиодные светильники для беспроводной связи в дополнение к их основной функции - освещению. Несмотря на то что технология УЬС разрабатывается и исследуется последние десять лет, уже были продемонстрированы системы передачи данных со скоростью несколько гигабит в секунду [15-18]. В результате освещение и связь могут быть интегрированы.
1. постановка задачи
В связи с быстрым развитием беспроводной технологии передачи данных с использованием осветительных светодиодов появляются задачи, связанные с прикладным характером. В перспективе системы УЬС могут использоваться в широком спектре приложений [19-23]. В то же время существуют проблемы, которые ограничивают внедрение технологии УЬС [8, 22, 23], поэтому использование светодиодов в основном реализуется в системах передачи аудио- и текстовой информации [24-27]. В нашей работе была поставлена задача создания системы управления температурным режимом в помещении с помощью белых светодиодов и встроенных микроконтроллеров по технологии УЬС. Данная постановка задачи основывалась на опубликованных ранее авторами результатов по передаче звуковых сигналов [28] и символьных данных [29].
2. построение системы управления температурой с использованием технологии уьс
На основе технологии УЬС предложена и разработана автоматизированная система управления исполнительным механизмом нагревателя в помещении в зависимости от заданной температуры. Датчик температуры располо-
жен в светодиодном осветительном приборе, который одновременно является передатчиком информации, в нашем случае текущей температуры. Исполнительный механизм регулятора температуры и приемник информации расположены удаленно от передатчика сигнала. Конструктивно передатчик с датчиком температуры - это один прибор, а приемник с исполнительным механизмом - другой прибор.
На рис. 1 показана схема передающего устройства. Для контроля температуры используется датчик температуры, позволяющий передавать измеряемые данные на микроконтроллер. Значения текущей температуры отображаются на индикаторе. Для передачи данных с использованием технологии VLC к системе питания светодиода добавляется сигнал, полученный с выхода микроконтроллера. Данный сигнал формируется в соответствии с технологией UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter).
Поскольку для надежной работы светодиода необходимо использовать стабилизированный ток [30], дополнительно к источнику питания был подключен стабилизатор тока.
Таким образом, для того чтобы была осуществлена устойчивая передача данных светодиодом, использовался коммутатор, который позволял соединять сигналы, поступающие по технологии UART, и подавать на светодиод стабилизированный ток. Светодиод в оптическом канале имеет модулированный свет в соответствии с сигналом, поступающим с микроконтроллера.
Рис. 1. Функциональная схема передатчика Fig. 1. A functional diagram of the transmitter
На рис. 2 показана схема приемного устройства. Работа приемника заключается в следующем: приемник излучения принимает световые импульсы от излучателя и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы, проходя через усилитель, поступают на формирователь, где преобразуются в импульсы ТТЛ-формы (транзисторно-транзисторная логика) для последующей обработки их микроконтроллером. Микроконтроллер расшифровывает информацию и отрабатывает алгоритм управления исполнительным механиз-
мом в зависимости от поставленной задачи. Полученные данные о текущей температуре отображаются на индикаторе.
Рис. 2. Функциональная схема приемника Fig. 2. A functional diagram of the receiver
В соответствии с функциональными схемами разработаны принципиальные схемы. Принципиальная схема передающего устройства представлена на рис. 3. Концепция передатчика состоит в том, что в светодиодный светильник встроен датчик температуры с передатчиком. Передатчик через све-тодиод светильника отправляет данные о температуре.
Рис. 3. Принципиальная схема передатчика Fig. 3. A schematic diagram of the transmitter
С датчика температуры DDI значения по запросу поступают в микроконтроллер DD2, где записываются в регистры временного хранения, обрабатываются, затем отображаются на индикаторе HG1. На индикаторе HG1 также отображается информация, необходимая для мониторинга и контроля. Из регистров временного хранения значение температуры после преобразо-
вания поступает в буфер FIFO приемопередатчика UART микроконтроллера, откуда посредством режима последовательной асинхронной передачи данных биты через выход ТХ микроконтроллера, через резистор R2 поступают на затвор транзистора VT1. Транзистор, работая в ключевом режиме в зависимости от потенциала на затворе, то разрешает, то запрещает прохождение тока через светодиод VD1.
В качестве датчика температуры DD1 использован интегральный датчик температуры DS18B20. Для данного датчика имеются в открытом доступе необходимые драйверы и программы подключения. Резистор R1 с номиналом 4.7 кОм рекомендован производителем микросхемы DS18B20.
Микроконтроллером DD2 является микросхема ATmega328P, которая входит в состав платы Arduino NANO и Arduino Uno.
Индикатор HG1 - ЖК-индикатор LCD1602 с модулем I2C.
Транзистор VT1 - выбран IRFZ44N, но может быть любым n-канальным MOSFET, рассчитанным для используемого светодиода VD1. Диод VD2 необходим для шунтирования транзистора от импульса тока, образующегося при отключении нагрузки. В транзисторе IRFZ44N этот диод расположен внутри корпуса.
Резистор в цепи затвора R2 ограничивает ток при открытии транзистора. Резистор R3 подключен к затвору для надежного и быстрого запирания транзистора. Это исключит возможность возникновения неопределенного состояния транзистора и, как следствие, устранит наличие ошибок в передатчике по этой причине.
Светодиод VD1 - белый мощностью 700 мА с возможностью установки на радиатор охлаждения.
Микросхема DA2 - это интегральный стабилизатор LM317, включен по схеме стабилизации тока. Резистор R4 является шунтом для стабилизатора. В нашем случае сопротивление резистора R4 составляет 3.6 Ом.
Микросхема DA1 - это интегральный стабилизатор LM7805 постоянного напряжения 5 В, обеспечивает питание платы микропроцессора, индикатора, датчика температуры.
Источник питания БП1 - осуществляет питание от сети переменного тока ~220 В, 50 Гц; БП1 - импульсный и выдает стабилизированное напряжение 12 В током 1.5 А.
С1, С3, С4 - конденсаторы фильтров, С2 - сглаживающий конденсатор.
Принципиальная схема приемного устройства представлена на рис. 4.
Принятый световой сигнал преобразуется фотодиодом VD1 в фототок и через усилитель-преобразователь тока в напряжение DA1, через разделительный конденсатор C2 поступает на вход усилителя DA2. С выхода усилителя DA2 через дифференцирующую цепочку C3-R6 поступает на вход логического элемента DD1, который выполняет функцию буферного элемента и одновременно инвертирует сигнал для последующей обработки. Инвертирование сигнала необходимо для того, чтобы привести форму сигнала нужной полярности для приемопередатчика UART, поскольку фотодиод, включенный обратной полярностью, генерирует импульсы тока инверсные. С выхода инвертора сигнал поступает на вход приемопередатчика UART микроконтроллера DD2, где расшифровывается. Полученные данные записываются в регистры хранения временных переменных, откуда поступают для даль-
нейшей обработки и вывода на ЖК-индикатор. Кнопки 8Б1-8Б3 служат для изменения температуры регулирования. Дальнейшая обработка данных зависит от того, какие данные передаются и для чего они используются. В нашей установке мы передаем значение температуры для регулятора температуры -нагревателя ЕК1.
ЕК Г
Рис. 4. Принципиальная схема приемника Fig. 4. Receiver schematic diagram
В качестве фотодиода VD1 выбран фотодиод ФД-К-155. Микросхема DA1 выполнена на операционном усилителе КР140УД708, DA2 - на операционном усилителе КР140УД608.
Конденсатор С1, подключенный параллельно резистору R1 отрицательной обратной связи, необходим для уменьшения усиления высокочастотных шумов.
Резисторы R1, R2, R5, влияющие на коэффициент усиления операционных усилителей, и конденсаторы С2 и С3, от которых зависит крутизна фронтов и спадов импульсов, подобраны таким образом, чтобы на скорости передачи данных в 9600 бод форма сигнала в контрольных точках 4, 5 и 6 была максимально приближена к форме ТТЛ импульсов. При наладке приемной части устройства необходимо контролировать наличие и форму сигнала. Маркерами 1-6 на принципиальных схемах обозначены точки для снятия осциллограмм, которые необходимы для исследования и настройки всей системы в режиме передачи данных.
3. экспериментальный стенд автоматизированной системы контроля и управления температурой
Схема экспериментального стенда автоматизированной системы управления нагревателем по технологии VLC, разработанного на основании функциональных и принципиальных схем, представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема конструкции экспериментального стенда Fig. 5. Experimental stand design diagram
Светодиодная матрица 1 мощностью 3 Вт и стабилизированным током 700 мА закреплена на алюминиевом радиаторе 2. Радиатор установлен с зазором на пластине из гетинакса. Радиатор был рассчитан и изготовлен таким образом, чтобы при непрерывной работе светодиода не происходило перегрева кристаллов светоизлучающей матрицы [31]. Зазор необходим для обеспечения отвода тепла от радиатора. С обратной стороны передней панели, на которой закреплен светодиод, расположены стабилизатор тока 3, коммутатор 4 и источник питания 5, плата Arduino Nano. Загрузка скетча предусмотрена через мини-USB-порт микроконтроллера.
На передней стороне задней панели закреплен интегральный цифровой датчик температуры производства фирмы Dallas Semiconductor DS18B20 в корпусе ТО-92 7 и индикатор LCD1602 с модулем I2C 6 для контроля параметров системы управления.
Для приема светодиодных импульсов используется фотодиод ФД-К-155 8, который закреплен на внешней панели устройства. С внутренней стороны расположены усилитель, выполненный на микросхеме К561ЛН2 9, источник питания 5 и микроконтроллер Arduino Nano. Для контроля сигнала на внешней
задней панели расположен ЬСБ-монитор, выход для управления нагревательным элементом 10, кнопки для задания требуемых значений температуры. На рис. 6 показан внешний вид передающего устройства.
а б
Рис. 6. Внешний вид передающего устройства:
а - вид рабочей стороны; б - вид задней панели
Fig. 6. External view of the transmitting device:
a is a view of the working side; b is a view of the rear panel
На рис. 7 показан внешний вид приемного устройства.
а б
Рис. 7. Внешний вид приемного устройства:
а - вид рабочей стороны; б - вид задней панели
Fig. 7. External view of the receiving device: a is a view of the working side; b is a view of the rear panel
Для организации системы контроля температуры и управления нагревателем по оптической беспроводной связи с помощью осветительного светодиодного элемента была использована технология UART. В нашем случае в соответствии с данной технологией был запрограммирован микроконтроллер. Во время передачи данных происходит их преобразование в последователь-
ный вид так, чтобы было возможно передать их по цифровой линии другому аналогичному устройству. В ИЛЯТ передача данных происходит по одному биту в одинаковые промежутки времени, который определен скоростью иЛЯТ. Для нашего конкретного соединения - 9600 бод. Такая скорость была выбрана экспериментально как наиболее оптимальная для используемых электронных элементов в передающем и приемном устройствах системы.
Предлагаемая система управления может быть использована для регулирования других физических процессов, которые в настоящее время опираются на проводные системы связи или беспроводные системы с использованием радиоволн. Особенно важным является переход к беспроводному управлению технологическими процессами.
4. экспериментальные результаты
Нами были проведены исследования по оптимизации параметров системы. При наладке приемной части устройства необходимо контролировать осциллографом наличие и форму сигнала в некоторых точках. Важными являются уровень и форма выходного сигнала с микроконтроллера передатчика и сигнала, поступающего на микроконтроллер приемника. Наиболее важные точки контроля обозначены на принципиальных схемах передатчика и приемника маркерами с 1-го по 6-й. Формы импульсов можно увидеть на рис. 8-12.
Сигнал, поступающий с микроконтроллера передатчика, является эталоном формы и количества импульсов (см. рис. 3, маркер 1). Осциллограмма в этой точке контролируется вторым лучом осциллографа и присутствует на всех осциллограммах контрольных точек для синхронизации. Все остальные осциллограммы контрольных точек сняты первым лучом осциллографа.
Сигнал на светодиод (см. рис. 3, маркер 2) поступает с транзистора, являющегося коммутатором в передающей части. Контроль данной точки дает нам сведения о работоспособности коммутатора. Он в случае выхода из строя может не открываться, не закрываться либо делать это не полностью. Форма сигнала в этой точке представлена на рис. 8.
Рис. 8. Осциллограмма сигнала с передатчика
Fig. 8. An oscillogram of the signal from the transmitter
При работе приемного устройства важно контролировать уровень сигнала после всех электронных компонентов до входа на микроконтроллер.
Контроль сигнала после фотодиода (см. рис. 4, маркер 3) показывает работоспособность источника фототока - в нашем случае фотодиода ФД-К-155 приемной части установки. Форма сигнала в этой точке показана на рис. 9. Из осциллограммы видно, что амплитуда сигнала на фотодиоде очень мала (0,8 В), учитывая, что осциллограмма снята, когда светодиод передатчика и фотодиод находились на небольшом расстоянии друг от друга. С увеличением расстояния между светодиодом и фотодиодом амплитуда сигнала еще больше уменьшается. Поэтому для работы с сигналами с такой амплитудой необходим усилитель.
Предусмотрено измерение сигнала для налаживания работы первого каскада усиления фототока (см. рис. 4, маркер 4). Форма сигнала представлена на рис. 10.
Рис. 9. Осциллограмма сигнала на фотодиоде приемника
Fig. 9. An oscillogram of the signal on the receiver photodiode
Рис. 10. Осциллограмма сигнала после первого каскада усиления приемника
Fig. 10. An oscillogram of the signal after the first stage of receiver amplification
По осциллограмме сигнала в этой точке можно настроить коэффициент усиления первого каскада на микросхеме К561ЛН2 подбором резистора обратной связи. В схеме имеется конденсатор, шунтирующий на землю и предназначенный для устранения или уменьшения до минимума высокочастотных шумов на выходе первого каскада усиления.
По осциллограмме сигнала после второго каскада усиления (см. рис. 4, маркер 5) настраиваем коэффициент усиления на второй микросхеме К561ЛН2 подбором резисторов. Форма сигнала в этой точке показана на рис. 11.
RIGOL STOP V ■/wvt-wwwbr^^w^ 1 @ 4.0OU
Ц -▼-r.........—.......................j
___r^—ifinnrirn 1 (1ПППШЛППШП
. IUUUUUU шпили
[Щ1Н 5.00U CH2- 5.00U Time 1.000ms &+5.040ms
Рис. 11. Осциллограмма сигнала после второго каскада усиления приемника
Fig. 11. An oscillogram of the signal after the second stage of receiver amplification
После буферного усилителя-инвертора (см. рис. 4, маркер 6) виден сигнал, практически полностью совпадающий с эталонным сигналом (рис. 12).
RIGOL WRIT ШВ> . . . >.!■»-.-,-.-»-.. . . г 0 9601.',и
9
ЩЦЕЗ 5.00U СН2— 5.00U Time 1.000ms ©+4.240ms
Рис. 12. Осциллограмма сигнала после буферного усилителя-инвертора приемника
Fig. 12. An oscillogram of the signal after the buffer amplifier-inverter of the receiver
Настройка всех частей схемы приемника проводилась с синхронизацией сигнала вторым каналом осциллографа (эталонного) для того, чтобы видеть в посылке каждый импульс в отдельности. Настраивая каскады усилителя в каждой контрольной точке, мы добились похожей формы сигнала и длительности импульсов, что способствует стабильной работе всей системы в целом. Идентичность отправленного и принятого сигнала говорит о надежности и точности функционирования системы.
заключение
В результате проведения экспериментов была получена устойчивая передача данных с помощью белого светодиода освещения и кодирования с использованием технологии UART. Полученные результаты позволили обеспечить регулирование температуры в помещении с помощью оптической беспроводной системы связи через светодиодную систему освещения. Основой разработанной системы являются недорогие микроконтроллеры ATmega328P. Такой подход делает перспективными беспроводные системы, основанные на использовании светодиодных осветительных приборов. При этом особенностью предлагаемой системы является простота конструкции, небольшая себестоимость используемых радиоэлектронных элементов. Предложенная система управления обеспечивает быструю передачу значения текущей температуры и регулирование ее значения.
Перспективой создания систем управления с использованием беспроводной технологии связи по видимому свету является организация систем регулирования параметрами, обеспечивающих работу «умных домов» и интеллектуальных энергетических систем. Внедрение таких разработок стимулируется быстрым ростом использования светодиодных приборов освещения.
список литературы
1. Мировой опыт и перспективы развития промышленного интернета вещей в России. -URL: https://center2m.ru/mirovoy-opyt-i-perspektivy-razvitiya (дата обращения: 07.10.2020).
2. Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2016-2021. -San Jose, CA, 2017. - URL: http://www.usuariosdigitales.org/wp-content/uploads/2017/02/mobile-white-paper-c11-520862-1.pdf (accessed: 07.10.2020).
3. Интернет вещей, IoT, M2M (мировой рынок). - 2020. - 09 июня. - URL: https://www.tadviser.ru/a/302413 (дата обращения: 07.10.2020).
4. Использование волн видимого света для широкополосной связи. Отчет МСЭ-R SM.2422-0 (06/2018). - Женева, 2019. - URL: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-SM.2422-2018-PDF-R.pdf (дата обращения: 07.10.2020).
5. Optical wireless communication systems / Z. Ghassemlooy, S. Zvanovec, A. Khalighi, O. Popoola, J. Perez // Optik. - 2017. - Vol. 151. - Р. 1-6.
6. Uysal M., Nouri H. Optical wireless communication - an emerging technology // 16th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), July 2014. - Graz, Austria, 2014. -P. 1-7. - DOI: 10.1109ACTON.2014.6876267.
7. Teli1 S.R., Zvanovec S., Ghassemlooy Z. Optical Internet of Things within 5G: applications and challenges // IEEE International Conference on Internet of Things and Intelligence System. -Bali, Indonesia, 2018. - DOI: 10.1109/TOTAIS.2018.8600894.
8. Optical wireless communication systems, a survey / O. Alsulami, A.T. Hussein, M.T. Alre-sheedi, J. Elmirghani. - URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1812/1812.11544.pdf (accessed: 07.10.2020). - DOI: 10.13140/RG.2.2.11751.09129.
9. A comparative survey of optical wireless technologies: architectures and applications / M. Chowdhury, M. Hossan, A. Islam, Y. Jang // IEEE Access. - 2018. - Vol. 6. - P. 9819-9840. -DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2792419.
10. The role of optical wireless communication technologies in 5G/6G and IoT solutions: prospects, directions, and challenges / M. Chowdhury, Md. Shahjalal, M. Hasan, Y. Jang // Applied Sciences. - 2019. - Vol. 9 (20). - P. 4367. - DOI: 10.3390/app9204367.
11. Analysis energy efficiency of automated control system of LED lighting / S. Grigoryeva, A. Baklanov, D. Titov, V. Sayun, E. Grigoryev // 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBC0N-2017). - Astana, Kazakhstan, 2017. - DOI: 10.1109/SIBC0N.2017.7998488.
12. Система обеспечения равномерного освещения с использованием веб-камеры / А.К. Дмитриев, А.Е. Бакланов, В.М. Саюн, О.Е. Бакланова, С.В. Григорьева, А.Ж. Алимхано-ва // Научный вестник НГТУ. - 2019. - № 2 (75). - С. 7-20. - DOI: 10.17212/1814-11962019-2-7-20.
13. Haas H., Elmirghani J., White I. Optical wireless communication // Philosophical Transactions A. - 2020. - Vol. 378, iss. 2169. - DOI: 10.1098/RSTA.2020.0051.
14. LED based indoor visible light communication: state of the art / D. Karunatilaka, F. Zafar, V. Kalavally, R. Parthiban // IEEE Communication Surveys & Tutorials. - 2015. - Vol. 17, N 3. -P. 1649-1678.
15. Azhar A., Tran T., O'Brien D. A Gigabit/s indoor wireless transmission using MIMO-OFDM visible-light communications // IEEE Photonics Technology Letters. - 2013. - Vol. 25, N 2. -P. 171-174. DOI: 10.1109/LPT.2012.2231857.
16. Dimitrov S., Hass H. Principles of LED light communications: toward s networked Li-Fi. -Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2015.
17. High bandwidth GaN-based micro-LEDs for multi-Gb/s visible light communications / R. Ferreira, E. Xie, J.D. McKendry, S. Rajbhandari, H. Chun, G. Faulkner, S. Watson, A.E. Kelly, E. Gu, R.V. Penty, I.H. White, D. O'Brien, M. Dawson // IEEE Photonics Technology Letters. -
2016. - Vol. 28 (19). - P. 2023-2026. - DOI: 10.1109/LPT.2016.2581318.
18. O'Brien D., Rajbhandari S., Chun H. Transmitter and receiver technologies for optical wireless // Royal Society. - 2020. - Vol. 378, iss. 2169. DOI.org/10.1098/rsta.2019.0182.
19. Ndjiongue A.R., Ferreira H.C., Ngatched T.M.N. Visible light communication (VLC) technology // Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. - New York: John Wiley, 2015. - P. 1-15. - DOI: 10.1002/047134608x.w8267.
20. Khan L.U. Visible light communication: applications, architecture, standardization and research challenges // Digital Communications and Networks. - 2017. - Vol. 3 (2). - P. 78-88. -DOI: 10.1016/j.dcan.2016.07.004.
21. Leba M., Riurean S., Lonica A. LiFi - The path to a new way of communication // 12th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI). - Lisbon, Portugal,
2017. - P. 1-6. - DOI: 10.23919/CISTI.2017.7975997.
22. Visible light communication: a system perspective-overview and challenges / S.U. Rehman, S. Ullah, P. Chong, S. Yongchareon, D. Komosny // Sensors. - 2019. - Vol. 19 (5). - P 1153. -DOI: 10.3390/S19051153.
23. Visible light communication: concepts, applications and challenges / L. Matheus, A. Vieira, F.M. Luiz, M. Vieira, O. Gnawali // IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2019. -Vol. 21, iss. 4. - P. 3204-3237. - DOI: 10.1109/œMST.2019.2913348.
24. Kumar S.A., Akash L., Deenadyalan J. Visible light communication // International Journal of Science and Research. - 2018. - Vol. 7, iss. 5. - P. 715-720. - DOI: 10.21275/ART2018867.
25. Real-time audio transmission using visible light communication / M.Y. Soh, Ng.W. Xian, Q. Zou, D. Lee, T.H. Teo, K. Seng Yeo // TENCON 2018 - 2018 IEEE Region 10 Conference. -Jeju, Korea, 2018. - P. 2223-2226. - DOI: 10.1109/TENCON.2018.8650145.
26. Real-time audio & video transmission system based on visible light communication / Y. He, L. Ding, Y. Gong, Y. Wang // Optics and Photonics Journal. - 2013. - Vol. 3. - P. 153-157. -DOI: 10.4236/OPJ.2013.32B037.
27. High-speed visible light communication systems / L. Grobe, A. Paraskevopoulos, J. Hilt, D. Schulz, F. Lassak, F. Hartlieb // IEEE Communications Magazine. - 2013. - Vol. 51, iss. 12. -P. 60-66. - DOI: 10.1109/MCOM.2013.6685758.
28. Audio transmission system using white LEDs / A. Baklanov, S. Grigoryeva, A. Alimkha-nova, E. Grigoryev, V. Sayun // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). - Tomsk, Russia, 2019. - DOI: 10.1109/SIBCON.2019.8729564.
29. A new approach to physical encoding in VLC data transmission technology / E.A. Gri-goryev, A.E. Baklanov, S.V. Grigoryeva, A.Zh. Alimkhanova, V.M. Sayun // 21th International Conference on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). - Erlagol, Russia, 2020. - P. 221225. - DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153488.
30. Study of illumination properties of high-power LEDs in various temperature conditions / Ye. Grigoryev, S. Grigoryeva, V. Sayun, D. Titov // 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). - Erlagol, Russia, 2017. - P. 309-313. -DOI: 10.1109/EDM.2017.7981762.
31. Бакланов А.Е., Григорьева С.В., Яковлев А.Н. Математическое моделирование тепло-массопереноса в системе теплоотвода для светодиода высокой мощности // Вестник Карагандинского университета. Серия Физика. - 2015. - № 4 (80). - С. 31-38.
Бакланов Александр Евгеньевич, кандидат физико-математических наук по специальности «Радиофизика», профессор Восточно-Казахстанского технического университета, Казахстан. Основное направление научных исследований - изучение оптико-электрон-ных приборов.
Григорьева Светлана Владимировна, доктор философии (PhD) по специальности «Автоматизация и управление», доцент Восточно-Казахстанского технического университета, Казахстан. Область научных исследований связана с изучением параметров и режимов работы мощных светодиодов, разработкой программного обеспечения для систем автоматизации.
Алимханова Аслима Женисовна, докторант по специальности «Автоматизация и управление» Восточно-Казахстанского государственного технического университета, Казахстан. Основное направление научных исследований - разработка автоматизированных систем.
Дмитриев Александр Капитонович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры лазерных систем Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - оптические и лазерные технологии.
Baklanov Alexander E. PhD (Phys. & Math.), majoring in radiophysics, professor at the East Kazakhstan Technical University, Kazakhstan. The main field of his research is the study of optoelectronic devices.
Grigorieva Svetlana V., PhD in automation and control, associate professor at the East Kazakhstan Technical University, Kazakhstan. The area of her research is related to the study of parameters and operating modes of high-power LEDs and the development of software for automation systems.
Alimkhanova Aslim Zh., doctoral student specializing in Automation and Control at the East Kazakhstan State Technical University, Kazakhstan. The main field of her research is the development of automated systems.
Dmitriev Alexander K., D.Sc. (Phys. & Math.), , professor at the department of laser systems, Novosibirsk State Technical University. The main field of his research is optical and laser technologies.
DOI: 10.17212/1814-1196-2020-2-3-7-24
An indoor temperature control system based on visible light communications technology
A.E. BAKLANOV1,a, S.V. GRIGORIEVAl'b, A.Zh. ALIMKHANOVA1,c, A.K. DMITRIEV2'd
1 East Kazakhstan Technical University, 69, Protozanova Street, Ust-Kamenogorsk, 070004, Kazakhstan
2 Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian Federation
a ABaklanov_62@mail.ru b SGrigorieva@ektu.kz c aslima_alimhanova@mail.ru alexander_dmitriev@ngs.ru
Abstract
The article proposes a new approach to temperature control in a building based on the Visible Light Communications technology. This approach is based on using LED lamps as temperature data transmitters as well as for lighting. Light modulation based on the UART standard was used for data transfer. A photodiode with the capability to distinguish relatively weak signals was used for receiving data. All data processing was performed by microcontrollers. UART-based modulation was also performed on a microcontrolle.
The article describes in detail schematic circuits of transmitting and receiving devices. Based on developeed schematic circuits, a new experimental setup consisting of two units was created. The transmission unit includes a temperature sensor' a microcontroller' a driver and an LED. The receiving unit includes a photodiode' an amplifier and a microcontroller. An ATmega328P chip was used for both microcontrollers. Experimental setup consists of experimental models of both units.
For signal transmission control, measurements of the pulse level and shape were conducted in the receiving device with an oscillograph. The signal level was anaylsed after all electronic components but before entering the microcontroller. Experimental results have shown that data transmission with the use of white LEDs was relatively stable. This allows the possibility of organising wireless control of temperature conditions on premises without Wi-Fi. Perspective uses of temperature control with white LEDs approach include the creation of "Smart house» control system without using wirelines and with cheap microcontrollers, which signficiantly decreases costs of the system.
Keywords: light-emitting diode, control system, data transfer, temperature, microcontroller, visible light communication, optical wireless communication
references
1. Mirovoi opyt i perspektivy razvitiya promyshlennogo interneta veshchei v Rossii [World experience and development prospects of the industrial Internet of things in Russia]. Available at: https://center2m.ru/mirovoy-opyt-i-perspektivy-razvitiya (accessed 07.10.2020).
2. Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2016-2021. San Jose, CA, 2017. Available at: http://www.usuariosdigitales.org/wp-content/uploads/2017/02/ mobile-white-paper-c11-520862-1.pdf (accessed 07.10.2020).
3. Internet veshchei, IoT, M2M (mirovoi rynok) [Internet of Things, IoT, M2M world market]. Available at: https://www.tadviser.ru/a/302413 (accessed 07.10.2020).
*
Received 06 February 2020.
4. Visible light for broadband communications. Report ITU-R SM.2422-0 (06/2018). Geneva, 2019. (In Russian). Available at: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-SM.2422-2018-PDF-E.pdf (accessed 07.10.2020).
5. Ghassemlooy Z., Zvanovec S., Khalighi A., Popoola O., Perez J. Optical wireless communication systems. Optik, 2017, vol. 151, pp. 1-6.
6. Uysal M., Nouri H. Optical wireless communication - an emerging technology. 16th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), July 2014, Graz, Austria, pp. 1-7. DOI: 10.1109/ICT0N.2014.6876267.
7. Teli1 S.R., Zvanovec S., Ghassemlooy Z. Optical Internet of Things within 5G: applications and challenges. IEEE International Conference on Internet of Things and Intelligence System, Bali, Indonesia, 2018. DOI: 10.1109/TOTAIS.2018.8600894.
8. Alsulami O., Hussein A.T., Alresheedi M.T., Elmirghani J. Optical wireless communication systems, a survey. Available at: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1812/1812.11544.pdf (accessed 07.10.2020). DOI: 10.13140/RG.2.2.11751.09129.
9. Chowdhury M., Hossan M., Islam A., Jang Y. A comparative survey of optical wireless technologies: architectures and applications. IEEE Access, 2018, vol. 6, pp. 9819-9840. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2792419.
10. Chowdhury M., Shahjalal Md., Hasan M., Jang Y. The role of optical wireless communication technologies in 5G/6G and IoT solutions: prospects, directions, and challenges. Applied Sciences, 2019, vol. 9 (20), p. 4367. DOI: 10.3390/app9204367.
11. Grigoryeva S., Baklanov A., Titov D., Sayun V., Grigoryev E. Analysis energy efficiency of automated control system of LED lighting. 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2017). Astana, Kazakhstan, 2017. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998488.
12. Dmitriev A.K., Baklanov A.E., Sayun V.M., Baklanova O.E. Grigoryeva S.V., Alimkha-nova A.Zh. Sistema obespecheniya ravnomernogo osveshcheniya s ispol'zovaniem veb-kamery [A uniform lighting system using a webcam]. Nauchnyi vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Science bulletin of the Novosibirsk state technical university, 2019, no. 2 (75), pp. 7-20. DOI: 10.17212/1814-1196-2019-2-7-20.
13. Haas H., Elmirghani J., White I. Optical wireless communication. Philosophical Transactions A, 2020, vol. 378, iss. 2169. DOI: 10.1098/RSTA.2020.0051.
14. Karunatilaka D., Zafar F., Kalavally V., Parthiban R. LED based indoor visible light communication: state of the art. IEEE Communication Surveys & Tutorials, 2015, vol. 17, no. 3, pp. 1649-1678.
15. Azhar A., Tran T., O'Brien D. A Gigabit/s indoor wireless transmission using MIMO-OFDM visible-light communications. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, vol. 25, N 2, pp. 171-174. DOI: 10.1109/LPT.2012.2231857.
16. Dimitrov S., Hass H. Principles of LED light communications: toward s networked Li-Fi. Cambridge, UK, Cambridge University Press, 2015.
17. Ferreira R., Xie E., McKendry J.D., Rajbhandari S., Chun H., Faulkner G., Watson S., Kelly A.E., Gu E., Penty R.V., White I.H., O'Brien D., Dawson M. High bandwidth GaN-based micro-LEDs for multi-Gb/s visible light communications. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, vol. 28 (19), pp. 2023-2026. DOI: 10.1109/LPT.2016.2581318.
18. O'Brien D., Rajbhandari S., Chun H. Transmitter and receiver technologies for optical wireless. Royal Society, 2020, vol. 378, iss. 2169. DOI.org/10.1098/rsta.2019.0182.
19. Ndjiongue A.R., Ferreira H.C., Ngatched T.M.N. Visible light communication (VLC) technology Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. New York, John Wiley, 2015, pp. 1-15. DOI: 10.1002/047134608x.w8267.
20. Khan L.U. Visible light communication: applications, architecture, standardization and research challenges. Digital Communications and Networks, 2017, vol. 3 (2), pp. 78-88. DOI: 10.1016/j.dcan.2016.07.004.
21. Leba M., Riurean S., Lonica A. LiFi - The path to a new way of communication. 12th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI), Lisbon, Portugal, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.23919/CISTI.2017.7975997.
22. Rehman S.U., Ullah S., Chong P., Yongchareon S., Komosny D. Visible light communication: a system perspective-overview and challenges. Sensors, 2019, vol. 19 (5), p. 1153. DOI: 10.3390/S19051153.
23. Matheus L., Vieira A., Luiz F.M., Vieira M., Gnawali O. Visible light communication: concepts, applications and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019, vol. 24, iss. 4, pp. 3204-3237. DOI: 10.1109/œMST.2019.2913348.
24. Kumar S.A., Akash L., Deenadyalan J. Visible light communication. International Journal of Science and Research, 2018, vol. 7, iss. 5, pp. 715-720. DOI: 10.21275/ART2018867.
25. Soh M.Y., Xian Ng.W., Zou Q., Lee D., Teo T.H., Seng Yeo K. Real-time audio transmission using visible light communication. TENCON 2018 - 2018 IEEE Region 10 Conference, Jeju, Korea, 2018, pp. 2223-2226. DOI: 10.1109/TENC0N.2018.8650145.
26. He Y., Ding L., Gong Y., Wang Y. Real-time audio & video transmission system based on visible light communication. Optics and Photonics Journal, 2013, vol. 3, pp. 153-157. DOI: 10.4236/0PJ.2013.32B037.
27. Grobe L., Paraskevopoulos A., Hilt J., Schulz D., Lassak F., Hartlieb F. High-speed visible light communication systems. IEEE Communications Magazine, 2013, vol. 51, iss. 12, pp. 60-66. DOI: 10.1109/MC0M.2013.6685758.
28. Baklanov A., Grigoryeva S., Alimkhanova A., Grigoryev E., Sayun V. Audio transmission system using white LEDs. 2019 International Siberian Conference on Control and Communications (SlBCON), Tomsk, Russia, 2019. DOI: 10.1109/SIBCON.2019.8729564.
29. Grigoryev E.A., Baklanov A.E., Grigoryeva S.V., Alimkhanova A.Zh., Sayun V.M. A new approach to physical encoding in VLC data transmission technology. 21th International Conference on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, Russia, 2020, pp. 221-225. DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153488.
30. Grigoryev Ye., Grigoryeva S., Sayun V., Titov D. Study of illumination properties of highpower leds in various temperature conditions. 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, Russia, 2017, pp. 309-313. DOI: 10.1109/EDM.2017.7981762.
31. Baklanov A.E., Grigoryeva S.V., Yakovlev A.N. Matematicheskoe modelirovanie tep-lomassoperenosa v sisteme teplootvoda dlya svetodioda vysokoi moshchnosti [Mathematical modeling of heat-and-mass transfer in the heat sink system for the high power LED]. Vestnik Karagan-dinskogo universiteta. Seriya Fizika = Bulletin of the Karaganda University. PHYSICS Series, 2015, no. 4 (80), pp. 31-38.
Для цитирования:
Система управления температурой внутри помещения, основанная на технологии связи по видимому свету / А.Е. Бакланов, С.В. Григорьева, А.Ж. Алимханова, А.К. Дмитриев // Научный вестник НГТУ. - 2020. - № 2-3 (79). - С. 7-24. - DOI: 10.17212/1814-1196-20202-3-7-24.
For citation:
Baklanov А^., Grigorieva S.V., Alimkhanova A.Zh., Dmitriev A.K. Sistema upravleniya tem-peraturoi vnutri pomeshcheniya, osnovannaya na tekhnologii svyazi po vidimomu svetu [An indoor temperature control system based on visible light communications technology]. Nauchnyi vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Science bulletin of the Novosibirsk state technical university, 2020, no. 2-3 (79), pp. 7-24. DOI: 10.17212/1814-1196-2020-2-3-7-24.
ISSN 1814-1196, http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 79, No 2-3, 2020, pp. 7-24
