Помощь студентам в учебе
Разработка прототипа системы связи Li-Fi для передачи данных между мобильными устройствами Android (принимающая часть)
|
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 11
1.1 СИСТЕМА «Trulifi» КОМПАНИИ SIGNIFY 14
1.2 СИСТЕМА «LiFiMAX» КОМПАНИИ OLEDCOMM 16
1.3 РЕШЕНИЯ КОМПАНИИ PURELIFI 17
1.4 СИСТЕМА КОМПАНИИ LUCIBEL 19
1.5 СИСТЕМА УНИВЕРСИТЕТА ИТМО 20
1.6 ВЫВОД 21
2. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ 23
2.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 23
2.2 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 23
2.3 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 27
2.4 НЕФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 30
2.5 ВЫВОД 31
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ 32
3.1 ДИАГРАММА КЛАССОВ ПРИЛОЖЕНИЯ 32
3.2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИНИМАЮЩЕГО МОДУЛЯ 33
3.3 АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ 35
3.4 ПОДБОР КОМПОНЕНТОВ 37
3.5 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ
СИСТЕМЫ 47
3.6 РАЗВОДКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 48
3.7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСА УСТРОЙСТВА 48
3.8 ВЫБОР ИНСТРУМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ 50
3.9 АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 52
3.10 ОПИСАНИЕ ДАННЫХ 56
4. РЕАЛИЗАЦИЯ 59
4.1 ПРИЛОЖЕНИЕ ANDROID 59
4.2 ПРОГРАММА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА 76
5. ТЕСТИРОВАНИЕ 79
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ 89
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ К СХЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ В РАЗВЕДЕННАЯ ПЛАТА УСТРОЙСТВА 92
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ДЕШИФРОВАНИЯ . 93 ПРИЛОЖЕНИЕ Д ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ПРИЕМА ДАННЫХ НА МОБИЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ 95
ПРИЛОЖЕНИЕ Е ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ДЕМОДУЛЯЦИИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ 12
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 11
1.1 СИСТЕМА «Trulifi» КОМПАНИИ SIGNIFY 14
1.2 СИСТЕМА «LiFiMAX» КОМПАНИИ OLEDCOMM 16
1.3 РЕШЕНИЯ КОМПАНИИ PURELIFI 17
1.4 СИСТЕМА КОМПАНИИ LUCIBEL 19
1.5 СИСТЕМА УНИВЕРСИТЕТА ИТМО 20
1.6 ВЫВОД 21
2. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ 23
2.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 23
2.2 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 23
2.3 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 27
2.4 НЕФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 30
2.5 ВЫВОД 31
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ 32
3.1 ДИАГРАММА КЛАССОВ ПРИЛОЖЕНИЯ 32
3.2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИНИМАЮЩЕГО МОДУЛЯ 33
3.3 АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ 35
3.4 ПОДБОР КОМПОНЕНТОВ 37
3.5 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ
СИСТЕМЫ 47
3.6 РАЗВОДКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 48
3.7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСА УСТРОЙСТВА 48
3.8 ВЫБОР ИНСТРУМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ 50
3.9 АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 52
3.10 ОПИСАНИЕ ДАННЫХ 56
4. РЕАЛИЗАЦИЯ 59
4.1 ПРИЛОЖЕНИЕ ANDROID 59
4.2 ПРОГРАММА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА 76
5. ТЕСТИРОВАНИЕ 79
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ 89
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ К СХЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ В РАЗВЕДЕННАЯ ПЛАТА УСТРОЙСТВА 92
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ДЕШИФРОВАНИЯ . 93 ПРИЛОЖЕНИЕ Д ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ПРИЕМА ДАННЫХ НА МОБИЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ 95
ПРИЛОЖЕНИЕ Е ФРАГМЕНТ ИСХОДНОГО КОДА ДЕМОДУЛЯЦИИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ 12
Информационные технологии не стоят на месте, и в настоящее время развиваются быстрыми темпами. Беспроводные технологии являются подклассом информационных технологий, служащих для передачи информации между двумя и более точками на расстоянии, при этом не требуя проводной связи. Передавать информацию возможно с помощью радиоволн, а также инфракрасного, оптического или лазерного излучения.
Существует множество беспроводных технологий, чаще всего известных под маркетинговыми названиями, такими как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая из технологий обладает определенными характеристиками, которые определяют ее область применения, в данной части, мы рассмотри беспроводную технологию Wi-Fi.
На сегодняшний день беспроводная технология доступа к Интернету Wi-Fi является неотъемлемой частью повседневной жизни. Каждый человек уже привык пользоваться ею как в домашних условиях, так и в кафе, торговых центрах, вокзалах, аэропортах, офисах и различных учреждениях [3]. Количество передаваемой информации по беспроводным сетям увеличивается с каждым днем. Соответственно это очень негативно сказывается на пропускной способности данной технологии. Установленные повсеместно Wi-Fi роутеры, работающие в достаточно узком радиочастотном диапазоне, создают многочисленные помехи, что приводит к снижению скорости двухстороннего обмена данными.
Представьте себе, что было бы возможно снизить нагрузку на пропускную способность беспроводной технологии Wi-Fi, а также снизить количество создаваемых помех и значительно увеличить скорость обмена информацией.
И это возможно сделать с помощью беспроводной технологии передачи информации Li-Fi, которая работает как Wi-Fi, но во много раз быстрее и использует не радиоволны, а видимый свет.
Частотный диапазон видимого света значительно превосходит диапазон радиоволн, что позволяет устройствам не конкурировать за пропускную способность и снизить нагрузки на Wi-Fi сети [7].
Эта технология очень хорошо работает в пределах помещения и на расстоянии около 10 метров, но передавать сигнал в другое помещение не сможет, так как свет не может проходить сквозь стены и другие препятствия, но технология Li-Fi не требует работы в пределах прямой видимости, если между источником и приемником поставить препятствие, то доступ в глобальную сеть Интернет не исчезнет: свет отразится от стен и достигнет приемника, но при этом скорость снизится.
Большинство компаний, занимающихся разработкой данной технологии совершенствуют свои устройства и программное обеспечение для использования их с персональными компьютерами, не обращая внимания на тот фактор, что большую часть времени человек проводит за использованием своего мобильного устройства, и не развивают данную технологию для области мобильных устройств.
Изучив данные проблемы, связанные с беспроводной технологией Wi-Fi, а также с развитием беспроводной технологии Li-Fi для мобильных устройств, было принято решение разработать прототип приемопередатчика системы Li-Fi для мобильных устройств, который позволит увеличить скорость обмена информацией в несколько раз и исключит создание помех, мешающих работе другого оборудования, а также снизит нагрузку на пропускную способность беспроводной технологии Wi-Fi.
Целью, представленной выпускной квалификационной работы, является разработка архитектуры и реализация опытного образца приемника системы Li-Fi для мобильных устройств, а также разработка алгоритма работы приемника, написание мобильного приложения для общения с приемником.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие поставленные задачи:
1. Изучить проблемы, возникающие в процессе передачи информации с помощью видимого света;
2. Провести обзор аналогов - модулей для систем Li-Fi, выделить недостатки рассмотренных систем и сформировать список требований к новой системе;
3. Выбрать аппаратные и программные средства для реализации системы удовлетворяющей поставленным требованиям;
4. Разработать архитектуру системы, удовлетворяющую полученным требованиям, схему электрическую принципиальную, выполнить трассировку печатной платы приемопередатчика, разработать основные алгоритмы и представить их конечную реализацию;
5. Реализовать основные компоненты системы для тестирования и демонстрации работы полученного решения;
Существует множество беспроводных технологий, чаще всего известных под маркетинговыми названиями, такими как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая из технологий обладает определенными характеристиками, которые определяют ее область применения, в данной части, мы рассмотри беспроводную технологию Wi-Fi.
На сегодняшний день беспроводная технология доступа к Интернету Wi-Fi является неотъемлемой частью повседневной жизни. Каждый человек уже привык пользоваться ею как в домашних условиях, так и в кафе, торговых центрах, вокзалах, аэропортах, офисах и различных учреждениях [3]. Количество передаваемой информации по беспроводным сетям увеличивается с каждым днем. Соответственно это очень негативно сказывается на пропускной способности данной технологии. Установленные повсеместно Wi-Fi роутеры, работающие в достаточно узком радиочастотном диапазоне, создают многочисленные помехи, что приводит к снижению скорости двухстороннего обмена данными.
Представьте себе, что было бы возможно снизить нагрузку на пропускную способность беспроводной технологии Wi-Fi, а также снизить количество создаваемых помех и значительно увеличить скорость обмена информацией.
И это возможно сделать с помощью беспроводной технологии передачи информации Li-Fi, которая работает как Wi-Fi, но во много раз быстрее и использует не радиоволны, а видимый свет.
Частотный диапазон видимого света значительно превосходит диапазон радиоволн, что позволяет устройствам не конкурировать за пропускную способность и снизить нагрузки на Wi-Fi сети [7].
Эта технология очень хорошо работает в пределах помещения и на расстоянии около 10 метров, но передавать сигнал в другое помещение не сможет, так как свет не может проходить сквозь стены и другие препятствия, но технология Li-Fi не требует работы в пределах прямой видимости, если между источником и приемником поставить препятствие, то доступ в глобальную сеть Интернет не исчезнет: свет отразится от стен и достигнет приемника, но при этом скорость снизится.
Большинство компаний, занимающихся разработкой данной технологии совершенствуют свои устройства и программное обеспечение для использования их с персональными компьютерами, не обращая внимания на тот фактор, что большую часть времени человек проводит за использованием своего мобильного устройства, и не развивают данную технологию для области мобильных устройств.
Изучив данные проблемы, связанные с беспроводной технологией Wi-Fi, а также с развитием беспроводной технологии Li-Fi для мобильных устройств, было принято решение разработать прототип приемопередатчика системы Li-Fi для мобильных устройств, который позволит увеличить скорость обмена информацией в несколько раз и исключит создание помех, мешающих работе другого оборудования, а также снизит нагрузку на пропускную способность беспроводной технологии Wi-Fi.
Целью, представленной выпускной квалификационной работы, является разработка архитектуры и реализация опытного образца приемника системы Li-Fi для мобильных устройств, а также разработка алгоритма работы приемника, написание мобильного приложения для общения с приемником.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие поставленные задачи:
1. Изучить проблемы, возникающие в процессе передачи информации с помощью видимого света;
2. Провести обзор аналогов - модулей для систем Li-Fi, выделить недостатки рассмотренных систем и сформировать список требований к новой системе;
3. Выбрать аппаратные и программные средства для реализации системы удовлетворяющей поставленным требованиям;
4. Разработать архитектуру системы, удовлетворяющую полученным требованиям, схему электрическую принципиальную, выполнить трассировку печатной платы приемопередатчика, разработать основные алгоритмы и представить их конечную реализацию;
5. Реализовать основные компоненты системы для тестирования и демонстрации работы полученного решения;
При разработке выпускной квалификационной работы был проведен анализ существующих решений для Li-Fi систем, способных выполнять схожие задачи. Были выявлены недостатки этих решений и принято решение о разработке нового устройства. Проанализировав полученные данные, был составлен полный список требований к системе.
Исходя из списка требований, была разработана архитектура будущего решения и изготовлен опытный образец устройства. По итогам выполнения дипломной работы было сделано следующее:
1 Поставлена задача.
2 Проведен анализ существующих решений.
3 Сделан вывод о необходимости создания нового устройства.
4 Разработаны требования к системе.
5 Осуществлено проектирование архитектуры.
6 Произведен подбор компонентов.
7 Спроектированы принципиальная электрическая схема и плата устройства.
8 Выбраны средства программной разработки.
9 Осуществлено написание программной части.
10 Произведена проверка на соответствие предъявленным требования.
В пояснительной записке к выпускной квалификационной работе отображены все основные этапы проектирования системы, разработка ее модулей и настройка для дальнейшего использования решения.
В будущем система может быть доработана до двунаправленной системы Li-Fi и использования выхода в Интернет, что понизит расходы по сравнению с другими технологиями организации сети, а также обеспечит высокую скорость обмена данными.
Исходя из списка требований, была разработана архитектура будущего решения и изготовлен опытный образец устройства. По итогам выполнения дипломной работы было сделано следующее:
1 Поставлена задача.
2 Проведен анализ существующих решений.
3 Сделан вывод о необходимости создания нового устройства.
4 Разработаны требования к системе.
5 Осуществлено проектирование архитектуры.
6 Произведен подбор компонентов.
7 Спроектированы принципиальная электрическая схема и плата устройства.
8 Выбраны средства программной разработки.
9 Осуществлено написание программной части.
10 Произведена проверка на соответствие предъявленным требования.
В пояснительной записке к выпускной квалификационной работе отображены все основные этапы проектирования системы, разработка ее модулей и настройка для дальнейшего использования решения.
В будущем система может быть доработана до двунаправленной системы Li-Fi и использования выхода в Интернет, что понизит расходы по сравнению с другими технологиями организации сети, а также обеспечит высокую скорость обмена данными.