Li-Fi связь между двумя платами Arduino: схема и программа

Li-Fi (Light Fidelity – «Световое качество») – это перспективная технология, которая позволяет передавать данные с помощью оптической связи, используя в качестве переносчика сигнала обычный свет. Данные в технологии Li-Fi передаются при помощи света, излучаемого каким-либо устройством (например, светодиодом), а на приемной стороне принимаются каким-либо светочувствительным элементом, например, фоторезистором или фотодиодом. Скорость передачи данных в технологии Li-Fi может быть до 100 раз выше чем в технологии Wi-Fi, поскольку частотная емкость оптического диапазона значительно больше, чем частотная емкость радиодиапазона.

В данном проекте мы осуществим Li-Fi связь между двумя платами Arduino. Мы будем передавать текстовые данные с помощью светодиода и клавиатуры (клавишной панели) 4×4. На приемной стороне мы будем декодировать эти сигналы с помощью фоторезистора (LDR).

Необходимые компоненты

Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
Фоторезистор (LDR) (купить на AliExpress).
Клавиатура (Keypad, клавишная панель) 4×4 (купить на AliExpress).
ЖК дисплей 16х2 с модулем интерфейса I2C для него (купить на AliExpress).
Светодиод 5 mm (купить на AliExpress).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Краткое введение в технологию Li-Fi

Как уже упоминалось, Li-Fi является достаточно прогрессивной технологией и с ее помощью можно обеспечить связь в 100 раз более быструю, чем с помощью технологии Wi-Fi. Данные в технологии Li-Fi передаются с помощью света. Есть даже проекты организации высокоскоростного интернета с помощью технологии Li-Fi – представляет каким скоростным его можно было бы сделать.

Технология Li-Fi использует видимый свет в качестве среды переноса данных. Светодиод может выступать в качестве источника света, а фотодиод (фоторезистор) – в качестве приемника света. Управляя импульсами света на передающей стороне, мы можем передавать уникальные образцы данных. Эти процессы можно осуществлять на очень высокой скорости и на частотах света, невидимого человеческому глазу.

Передающая часть Li-Fi на основе платы Arduino

Структурная схема передающей части Li-Fi на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Как показано на рисунке, в качестве устройства ввода информации используется клавиатура (клавишная панель) 4х4 – то есть текст для передачи мы будем набирать на ней. Информация с клавиатуры поступает в управляющее устройство (control unit), роль которого в нашем проекте выполняет плата Arduino. Данная плата преобразует информацию, поступающую от клавиатуры, в бинарные (двоичные) импульсы, которые подаются на светодиод для их последующей передачи в виде импульсов света.

Схема передающей части Li-Fi на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Внешний вид собранной на макетной плате конструкции передающей части показан на следующем рисунке.

Приемная часть Li-Fi на основе платы Arduino

На приемной стороне фоторезистор (LDR) принимает импульсы света от передающей стороны и преобразует их в электрические импульсы, которые затем подаются в плату Arduino (Control unit). Плата Arduino отображает полученные данные на экране ЖК дисплея 16×2.

Схема приемной части Li-Fi на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Внешний вид собранной на макетной плате конструкции приемной части показан на следующем рисунке.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты. Рассмотрим последовательно фрагмента кода для передающей и приемной частей нашего проекта.

Объяснение программы для передающей части Li-Fi

В передающей части плата Arduino Nano взаимодействует с клавиатурой 4×4 и светодиодом. Первым делом нам необходимо скачать по следующей ссылке и установить в Arduino IDE библиотеку для работы с клавиатурой 4х4. Более подробно о подключении подобной клавиатуры к плате Arduino можно прочитать в этой статье. Далее подключим в программе заголовочный файл этой библиотеки.

#include <Keypad.h>

1	#include <Keypad.h>

После успешной установки библиотеки укажем число столбцов и число строк в используемой нами клавиатуре.

const byte ROW = 4;
const byte COL = 4;
char keyscode[ROW][COL] = {
  {'1', '2', '3', 'A'},
  {'4', '5', '6', 'B'},
  {'7', '8', '9', 'C'},
  {'*', '0', '#', 'D'}
};

const byte ROW = 4;

const byte COL = 4;

char keyscode[ROW][COL] = {

{'1', '2', '3', 'A'},

{'4', '5', '6', 'B'},

{'7', '8', '9', 'C'},

{'*', '0', '#', 'D'}

};

Далее укажем к каким контактам платы Arduino подключены контакты строк и столбцов клавиатуры (клавишной панели). В нашем случае мы использовали контакты A5, A4, A3 и A2 для подключения к контактам R1, R2, R3, R4 клавиатуры, и контакты A1, A0, 12, 11 для подключения к контактам C1, C2, C3 и C4 клавиатуры соответственно.

byte rowPin[ROW] = {A5, A4, A3, A2};
byte colPin[COL] = {A1, A0, 12, 11};
Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(keyscode), rowPin, colPin, ROW, COL);

byte rowPin[ROW] = {A5, A4, A3, A2};

byte colPin[COL] = {A1, A0, 12, 11};

Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(keyscode), rowPin, colPin, ROW, COL);

Внутри функции setup() для контакта 8 (к которому подключен светодиод) устанавливается режим работы на вывод данных и на него затем подается напряжение низкого уровня (светодиод выключен).

void setup() 
{
  pinMode(8,OUTPUT);
  digitalWrite(8,LOW);
}

void setup()

{

pinMode(8,OUTPUT);

digitalWrite(8,LOW);

}

Внутри функции loop с помощью функции customKeypad.getKey() происходит считывание значений, поступающих с клавиатуры и далее с помощью операторов if формируются условия, позволяющие сформировать уникальный набор световых импульсов для каждой нажатой клавиши. Для формирования уникальных импульсов мы использовали различные временные интервалы действия импульсов.

char customKey = customKeypad.getKey();
  if (customKey) {
   if (customKey == '1')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(8,LOW);
  }

char customKey = customKeypad.getKey();

if (customKey) {

if (customKey == '1')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(10);

digitalWrite(8,LOW);

}

Объяснение программы для приемной части Li-Fi

На приемной стороне к плате Arduino подключены фоторезистор и ЖК дисплей. Фоторезистор соединен последовательно с обычным резистором, таким образом они образуют схему делителя напряжения. Аналоговое напряжение с выхода делителя напряжения подается на плату Arduino в качестве входного сигнала. В нашем проекте мы используем модуль интерфейса I2C для подключения ЖК дисплея чтобы уменьшить число контактов платы Arduino, используемых для подключения ЖК дисплея – в нашем случае мы используем только 2 контакта для передачи данных (SCL/SDA) и 2 контакта для подачи питания.

Первым делом в программе необходимо подключить используемые библиотеки: Wire.h для связи по интерфейсу I2C, LiquidCrystal_I2C.h – для управления ЖК дисплеем по интерфейсу I2C. Эти библиотеки по умолчанию присутствуют в Arduino IDE, поэтому скачивать и устанавливать их не нужно.

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

1 2	#include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h>

Для управления ЖК дисплеем с помощью модуля I2C объявим объект класса LiquidCrystal_I2C. Для этого объекта необходимо указать адрес, число столбцов и строк дисплея, в нашем случае эти параметры будут равны 0x3f, 16 и 2 соответственно.

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2);

1	LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2);

Внутри функции setup() зададим режим работы для контакта, с которого будем считывать принимаемый сигнал. Также покажем на экране дисплея приветственное сообщение.

void setup()
{
  pinMode(8, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("       WELCOME TO              ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("     CIRCUIT DIGEST              ");
  delay(2000);
  lcd.clear();
}

void setup()

{

pinMode(8, INPUT);

Serial.begin(9600);

lcd.init();

lcd.backlight();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print(" WELCOME TO ");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(" CIRCUIT DIGEST ");

delay(2000);

lcd.clear();

}

Внутри функции loop мы будем определять длительность импульса, поступающего от фоторезистора, с помощью функции pulseIn. Тип импульса в нашем случае будет LOW. Значение длительности импульса будет выводиться в окно монитора последовательной связи для целей отладки.

unsigned long duration = pulseIn(8, HIGH);
 Serial.println(duration);

1 2	unsigned long duration = pulseIn(8, HIGH); Serial.println(duration);

В нашем случае мы будем иметь 16 различных длительностей импульса (число клавиш на нашей клавиатуре). Сравнивая полученную длительность импульса с различными временными интервалами (возможными диапазонами длительности импульсов) мы сможем определить какой символ передавался. Фрагмент кода для приема клавиши 1 в этом случае будет выглядеть следующим образом:

if (duration > 10000 && duration < 17000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 1          ");
  }

if (duration > 10000 && duration < 17000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 1 ");

}

Тестирование работы проекта

После сборки аппаратной части проекта и загрузки кодов программы в обе платы Arduino вы можете приступить к тестированию работы проекта. Нажимайте произвольные клавиши на клавиатуре в передающей части проекта и вы увидите как нажатые символы (клавиши) будут высвечиваться на экране ЖК дисплея 16×2 в приемной части проекта. Более подробно эти процессы можно посмотреть в видео, приведенном в конце статьи.

Исходный код программы (скетча)

Код программы для передающей части

//Transmitter Side:
#include <Keypad.h>
const byte ROW = 4;
const byte COL = 4;
char keyscode[ROW][COL] = {
  {'1', '2', '3', 'A'},
  {'4', '5', '6', 'B'},
  {'7', '8', '9', 'C'},
  {'*', '0', '#', 'D'}
};
byte rowPin[ROW] = {A5, A4, A3, A2};
byte colPin[COL] = {A1, A0, 12, 11};
Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(keyscode), rowPin, colPin, ROW, COL);
char keycount = 0;
char code[5];
void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(8,OUTPUT);
  digitalWrite(8,LOW);
}
void loop()
{
  char customKey = customKeypad.getKey();
  if (customKey) {
    Serial.println(customKey);
   if (customKey == '1')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '2')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(20);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '3')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(30);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '4')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(40);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '5')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '6')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(60);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '7')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(70);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '8')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(80);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '9')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(90);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '*')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '0')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(110);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == '#')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(120);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == 'A')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(130);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == 'B')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(140);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == 'C')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(150);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else if (customKey == 'D')
  {
    digitalWrite(8,HIGH);
    delay(160);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
  else;
  } 
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

//Transmitter Side:

#include <Keypad.h>

const byte ROW = 4;

const byte COL = 4;

char keyscode[ROW][COL] = {

{'1', '2', '3', 'A'},

{'4', '5', '6', 'B'},

{'7', '8', '9', 'C'},

{'*', '0', '#', 'D'}

};

byte rowPin[ROW] = {A5, A4, A3, A2};

byte colPin[COL] = {A1, A0, 12, 11};

Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(keyscode), rowPin, colPin, ROW, COL);

char keycount = 0;

char code[5];

void setup()

{

Serial.begin(9600);

pinMode(8,OUTPUT);

digitalWrite(8,LOW);

}

void loop()

{

char customKey = customKeypad.getKey();

if (customKey) {

Serial.println(customKey);

if (customKey == '1')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(10);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '2')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(20);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '3')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(30);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '4')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(40);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '5')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(50);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '6')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(60);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '7')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(70);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '8')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(80);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '9')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(90);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '*')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(100);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '0')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(110);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == '#')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(120);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == 'A')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(130);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == 'B')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(140);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == 'C')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(150);

digitalWrite(8,LOW);

}

else if (customKey == 'D')

{

digitalWrite(8,HIGH);

delay(160);

digitalWrite(8,LOW);

}

else;

}

Код программы для приемной части

//Receiver Side:
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Keypad.h>
void setup()
{
  pinMode(8, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  //lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("   WELCOME TO    ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(" CIRCUIT DIGEST    ");
  delay(2000);
  lcd.clear();
}
void loop()
{
  unsigned long duration = pulseIn(8, HIGH);
  Serial.println(duration);
  if (duration > 10000 && duration < 17000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 1          ");
  }
  else if (duration > 20000 && duration < 27000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 2          ");
  }
  else if (duration > 30000 && duration < 37000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 3          ");
  }
  else if (duration > 40000 && duration < 47000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 4          ");
  }
  else if (duration > 50000 && duration < 57000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 5          ");
  }
  else if (duration > 60000 && duration < 67000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 6          ");
  }
  else if (duration > 70000 && duration < 77000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 7          ");
  }
  else if (duration > 80000 && duration < 87000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 8          ");
  }
  else if (duration > 90000 && duration < 97000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 9          ");
  }
  else if (duration > 100000 && duration < 107000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: *          ");
  }
  else if (duration > 110000 && duration < 117000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: 0          ");
  }
  else if (duration > 120000 && duration < 127000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: #          ");
  }
  else if (duration > 130000 && duration < 137000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: A          ");
  }
  else if (duration > 140000 && duration < 147000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: B          ");
  }
  else if (duration > 150000 && duration < 157000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: C          ");
  }
  else if (duration > 160000 && duration < 167000)
  {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Received: D          ");
  }
}

100

101

102

103

104

105

//Receiver Side:

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

#include <SoftwareSerial.h>

#include <Keypad.h>

void setup()

{

pinMode(8, INPUT);

Serial.begin(9600);

lcd.init();

lcd.backlight();

//lcd.backlight();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print(" WELCOME TO ");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(" CIRCUIT DIGEST ");

delay(2000);

lcd.clear();

}

void loop()

{

unsigned long duration = pulseIn(8, HIGH);

Serial.println(duration);

if (duration > 10000 && duration < 17000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 1 ");

}

else if (duration > 20000 && duration < 27000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 2 ");

}

else if (duration > 30000 && duration < 37000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 3 ");

}

else if (duration > 40000 && duration < 47000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 4 ");

}

else if (duration > 50000 && duration < 57000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 5 ");

}

else if (duration > 60000 && duration < 67000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 6 ");

}

else if (duration > 70000 && duration < 77000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 7 ");

}

else if (duration > 80000 && duration < 87000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 8 ");

}

else if (duration > 90000 && duration < 97000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 9 ");

}

else if (duration > 100000 && duration < 107000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: * ");

}

else if (duration > 110000 && duration < 117000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: 0 ");

}

else if (duration > 120000 && duration < 127000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: # ");

}

else if (duration > 130000 && duration < 137000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: A ");

}

else if (duration > 140000 && duration < 147000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: B ");

}

else if (duration > 150000 && duration < 157000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: C ");

}

else if (duration > 160000 && duration < 167000)

{

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Received: D ");

}

Необходимые компоненты

Краткое введение в технологию Li-Fi

Передающая часть Li-Fi на основе платы Arduino

Приемная часть Li-Fi на основе платы Arduino

Объяснение программы для Arduino

Объяснение программы для передающей части Li-Fi

Объяснение программы для приемной части Li-Fi

Тестирование работы проекта

Исходный код программы (скетча)

Код программы для передающей части

Код программы для приемной части

Видео, демонстрирующее работу проекта

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ

Добавить комментарий