Nghiên cứu, thiết kế hệ thống bảng giá điện tử sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng khả kiến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BẢNG GIÁ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS. Võ Nguyên Sơn
Sinh viên thực hiện

: Trần Ngọc Tuấn
Võ Thái Vinh

Lớp: DV11

TP. Hồ Chí Minh, 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BẢNG GIÁ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS. Võ Nguyên Sơn
Sinh viên thực hiện

: Trần Ngọc Tuấn
Võ Thái Vinh

Lớp: DV11

TP. Hồ Chí Minh, 2015


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn, chúng
em đã nhận được sự hướng dẫn, động viên, giúp đỡ quý báu của
cha mẹ, thầy cô và các bạn.
Với lòng kính trọng sâu sắc, chúng em xin được bày tỏ lời cảm
ơn chân thành tới Ban Giám Hiệu cùng tồn thể thầy cơ trường
Đại Học Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho
chúng em những kiến thức quý báu, đồng thời tạo điều kiện tḥn

lợi giúp chúng em hồn thành tớt ḷn văn tốt nghiệp.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến
Thầy Võ Nguyên Sơn, người đã luôn quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo và
động viên chúng em trong śt q trình thực hiện ḷn văn.
Mặc dù chúng em đã cớ gắng hồn thành ḷn văn trong
phạm vi và khả năng cho phép, nhưng chắc chắn không tránh
khỏi những thiếu sót nhất định. Chúng em kính mong nhận được
sự chỉ bảo của quý thầy cô và sự góp ý chân thành của các bạn.
Chúng em kính chúc quý thầy cô luôn khỏe mạnh, và thành
công trong công tác trồng người.
Xin trân trọng cám ơn!


Khoa: Điện – Điện tử viễn thông
Bộ môn: Điện tử viễn thông

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 2):
(1) Võ Thái Vinh

MSSV: 1151040065

Lớp: DV11

(2) Trần Ngọc Tuấn

MSSV: 1151040058

Lớp: DV11

Ngành

: Kỹ thuật điện tử và truyền thông

Chuyên ngành

: Điện tử viễn thông

2. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống bảng giá điện tử sử dụng công nghệ
truyền thông ánh sáng khả kiến
3. Các dữ liệu ban đầu:
-

Các kiến thức đã học về điện tử, viễn thơng, lập trình

-

Tài liệu kỹ thuật, các bài báo khoa học về truyền thông bằng ánh sáng khả
kiến - Visible Light Communication – VLC

-

Tài liệu về thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển, lập trình C#

4. Các yêu cầu chủ yếu:
-

Hiểu được tổng quan về kỹ thuật truyền thông sử dụng ánh sáng khả kiến

-

Phân tích và so sánh giữa VLC và các chuẩn truyền thông không dây khác

-

Đưa ra những tiềm năng ứng dụng VLC vào thực tế

-

Ứng dụng vào thiết kế và thi công hệ thống bảng giá điện tử

5. Kết quả tối thiểu phải có:
1) Nắm rõ được những vấn đề cơ bản của VLC.
2) Phân tích rõ những ưu điểm của VLC so với các kỹ thuật truyền thông
không dây truyền thống khác
3) Hiểu rõ những kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong VLC: Khối phát, thu,
các vấn đề về cảm biến, tần số, nhiễu, bảo mật…
4) Hoàn thành thiết kế và thi cơng mơ hình bảng giá điện tử
5) Các u cầu tối thiểu của mơ hình:


-

Mơ hình gồm:
 PC lưu trữ thơng tin về giá sản phẩm, giao diện điều khiển
 Khối phát: Vi xử lý, mạch điều khiển công suất, 4 LED phát, nguồn DC
 Khối thu: Vi xử lý, cảm biến photodiode, LCD hiển thị, nguồn DC

-

Khối phát giao tiếp và nhận thông tin từ PC sau đó truyền thơng tin xuống
bảng giá bằng ánh sáng khả kiến

-

Khối phát – thu truyền nhận dữ liệu tốt

-

Khoảng cách thu phát tối thiểu 1 m

Ngày giao đề tài: 14/03/2015. Ngày nộp báo cáo: 15/06/2015.

TP. HCM, ngày

tháng năm 2015.

Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Võ Nguyên Sơn

TRƯỞNG KHOA

TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Võ Công Phương

ThS. Bùi Thị Bích Tuyền


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam đoan rằng đây là cơng trình nghiên cứu của chúng tơi, có sự
hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn TS. Võ Nguyên Sơn. Các nội dung nghiên cứu và
kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ
cơng trình nghiên cứu nào. Những tài liệu, hình ảnh phục vụ cho việc phân tích,
nhận xét, đánh giá được chúng tôi thu thập từ các nguồn khác nhau và được ghi
trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng tơi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình.

TP. HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015
Tác giả

Võ Thái Vinh

Trần Ngọc Tuấn


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................

MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1
Đặt vấn đề ...............................................................................................1
Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................2
Tình hình nghiên cứu ..............................................................................2
Lý do chọn đề tài ....................................................................................3
Nội dung và mục tiêu của đề tài .............................................................3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................4
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................4
Cấu trúc luận văn ....................................................................................5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ SO SÁNH VỚI CÁC CHUẨN
GIAO TIẾP KHÔNG DÂY KHÁC .........................................................................6
Giới thiệu về Visible Light Communication – VLC ..............................6
2.1.1.

Thông tin quang ...............................................................................6

2.1.2.

Giới thiệu về Visible Light Communication (VLC) ......................10

2.1.3.

Lịch sử ra đời .................................................................................11

2.1.4.

Tình hình nghiên cứu và thành tựu đã đạt được ............................13

Các ứng dụng của VLC trong thực tế ...................................................16
2.2.1.

Các ứng dụng trong nhà (indoor) ...................................................16

2.2.2.

Các ứng dụng ngoài trời (outdoor).................................................18

So sánh VLC với các giao thức truyền thông không dây khác ............19
2.3.1.

Wi-fi ...............................................................................................19

2.3.2.

Hồng ngoại .....................................................................................20

i


Luận văn tốt nghiệp
2.3.3.

So sánh giữa VLC và các chuẩn truyền không dây khác ...............21

2.3.4.

Những ưu điểm vượt trội của VLC ................................................22

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA VLC.........................................24
Khối phát (Transmitter) ........................................................................25
3.1.1.

Nguồn phát sáng LED ....................................................................25

3.1.2.

Kỹ thuật xử lý tín hiệu ...................................................................28

Khối thu (Receiver) ..............................................................................30
3.2.1.

Cảm biến thu Photodiode ...............................................................30

3.2.2.

Xử lý tín hiệu .................................................................................31

Tần số - quang phổ ánh sáng ................................................................32
Cự ly......................................................................................................33
Cường độ sóng ......................................................................................34
Nhiễu .....................................................................................................35
Bảo mật .................................................................................................36
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH BẢNG GIÁ ĐIỆN TỬ .............................37
Giới thiệu về bảng giá điện tử...............................................................37
4.1.1.

Đặt vấn đề ......................................................................................37

4.1.2.

Yêu cầu hệ thống............................................................................38

Thiết kế phần cứng ...............................................................................38
4.2.1.

Tổng quan hệ thống phần cứng ......................................................38

4.2.2.

Khối phát ........................................................................................39
USB – UART Module ...............................................................40
Vi điều khiển 89C52 .................................................................41
Mạch điểu khiển LED ...............................................................45
LED ...........................................................................................46
Nguồn cấp cho khối phát...........................................................46

4.2.3.

Khối thu..........................................................................................47
Nguồn cấp cho khối thu ............................................................47
Photodiode.................................................................................48
Mạch khuếch đại .......................................................................48
ii


Luận văn tốt nghiệp

Vi điều khiển 89C2051 .............................................................49
Màn hình hiển thị ......................................................................51
Thiết kế phần mềm ...............................................................................59
4.3.1.

Thiết kế ứng dụng phần mềm giao tiếp trên máy tính ...................59
Giới thiệu Visual Studio và ngôn ngữ C# .................................59
Mô tả giao diện ứng dụng .........................................................60

4.3.2.

Hệ cơ sở dữ liệu SQL Server .........................................................62
Hệ cơ sở dữ liệu SQL Server ....................................................62
Hệ cơ sở dữ liệu của ứng dụng..................................................62

4.3.3.

Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển .......................................63
Các cơ sở của truyền thông nối tiếp ..........................................63

4.3.4.

Các kỹ thuật xử lý của vi điều khiển ..............................................68
Xử lý dữ liệu và tín hiệu điều khiển LED .................................68
Xử lý nhiễu ................................................................................68

4.3.5.

Lưu đồ giải thuật của hệ thống.......................................................69

4.3.6.

Lưu đồ giải thuật xử lý khối phát ...................................................70

4.3.7.

Lưu đồ giải thuật xử lý khối thu ....................................................71

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................72
Đánh giá kết quả đạt được ....................................................................72
5.1.1.

Những khó khăn khi thực hiện đề tài .............................................72

5.1.2.

Kết quả đạt được ............................................................................72

5.1.3.

Những hạn chế cần khắc phục .......................................................73

5.1.4.

Bảng tóm tắt đánh giá kết quả đạt được.........................................74

Hướng phát triển của đề tài ...................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................76
PHỤ LỤC .................................................................................................................77

iii


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

Từ viết tắt

ADSL
CNTT
CPU
HD
IoT
IR
ID
LAN
LCD
LED
OOK
PC
RAM
ROM
RF
UART
USB
V2V
VĐK
VLC

Diễn giải
Asymmetric Digital Subscriber Line
Công nghệ thông tin
Central Processing Unit
High Definition
Internet of Thing
Infrared Radiation
Identification number
Local Area Network

Liquid-Crystal Display
Light Emitting Diode
On Off Keying
Personal Computer
Random Access Memory
Read-Only Memory
Radio frequency
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Universal Serial Bus
Vehicle-to-vehicle
Vi điều khiển
Visible Light Communication

iv


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mơ tả về máy quang thoại. ..................................................................11
Hình 2.2: Đèn LED ..............................................................................................12
Hình 2.3: Thuật ngữ Li-Fi chỉ mạng khơng dây VLC .........................................13
Hình 2.4: Bóng đèn LED của Philips có thể trở nên "thơng minh". ...................14
Hình 2.5: Thiết bị Li-1st của PureLiFi .................................................................15
Hình 2.6: Hệ thống thơng tin VLC trong nhà ......................................................17
Hình 2.7: Hệ thống VLC được áp dụng trên máy bay ........................................18
Hình 2.8: Hệ thống VLC trong giao thơng ..........................................................19
Hình 3.1: Đèn LED chùm chiếu sáng thực tế ......................................................25
Hình 3.2: Cấu tạo LED ........................................................................................26
Hình 3.3: Lợi ích của đèn LED

.......................................................................27

Hình 3.4: Sơ đồ khối phát ....................................................................................28
Hình 3.5: Các kỹ thuật điều chế xung dùng trong VLC ......................................29
Hình 3.6: Hiện tượng quang dẫn .........................................................................31
Hình 3.7: Sơ đồ khối thu......................................................................................31
Hình 3.8: Phổ tần của ánh sáng gấp 10,000 lần Radio đang sử dụng .................32
Hình 3.9: Phạm vi nhìn thấy của VLC ................................................................33
Hình 3.10: Các kiểu chiếu ánh sáng VLC ...........................................................34
Hình 4.1: Bảng giá điện tử thực tế trong siêu thị ................................................37
Hình 4.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống phần cứng ...................................................38
Hình 4.3: Sơ đồ các khối chức năng ....................................................................39
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối phát ...................................................................40
Hình 4.5: Module USB – UART .........................................................................40
Hình 4.6: Sơ đồ chân 89C52................................................................................41
Hình 4.7: Kết nối bộ giao động thạch anh ...........................................................44
Hình 4.8: Mạch nguyên lý điều khiển LED ........................................................45
Hình 4.9: LED chiếu sáng ...................................................................................46
Hình 4.10: Mạch nguyên lý khối thu ...................................................................47
v


Luận văn tốt nghiệp
Hình 4.11: Sơ đồ mạch nguồn khối thu ...............................................................47
Hình 4.12: Photodiode .........................................................................................48
Hình 4.13: Mạch khuếch đại tín hiệu photodiode ...............................................48
Hình 4.14: Sơ đồ chân Opamp LM358 ...............................................................49
Hình 4.15: Vi xử lý 89C2051 ..............................................................................49
Hình 4.16: Sơ đồ chân vi xử lý 89C2051 ............................................................50

Hình 4.17: Màn hình LCD 16x2 ..........................................................................52
Hình 4.18: Tổ chức ơ nhớ DDRAM ....................................................................54
Hình 4.19: Bảng mã ký tự hiển thị LCD .............................................................55
Hình 4.20: Giao diện thiết kế của ứng dụng Windows Forms ............................60
Hình 4.21: Giao diện đăng nhập ..........................................................................61
Hình 4.22: Giao diện ứng dụng thay đổi bảng giá ..............................................62
Hình 4.22: Cấu trúc frame dữ liệu UART ...........................................................64
Hình 5.1: Tổng thể mơ hình.................................................................................73
Hình 5.2: Khối phát và khối thu ..........................................................................73

vi


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Sự so sánh giữa ánh sáng khả kiến với tia hồng ngoại và radio [4]....22
Bảng 4.1: Chức năng các chân Port 3 ..................................................................42
Bảng 4.2: Chức năng các chân Port 3 vi xử lý 89C2051.....................................51
Bảng 4.3: Chức năng các chân của LCD .............................................................52
Bảng 4.4: Tập lệnh điều khiển LCD ....................................................................56
Bảng 4.5: Chức năng các bit thanh ghi SCON ....................................................66
Bảng 4.6: Các chế độ truyền dữ liệu UART........................................................66
Bảng 4.7: Thiết lập các tốc độ baud trong UART ...............................................68

vii


Luận văn tốt nghiệp

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vơ tuyến làm
phương tiện truyền dẫn chính. Tuy tốc độ truyền dữ liệu liên tục được nghiên cứu
và cải thiện nhưng những hạn chế của sóng vơ tuyến như băng thông hạn chế và
đang dần cạn kiệt, thiếu an tồn khi sử dụng ở những mơi trường đặc biệt như trên
máy bay, bệnh viện, mục đích quân sự… Sự phát triển của điện thoại thơng minh và
máy tính bảng đã làm số lượng thiết bị phụ thuộc vào phổ tần số vô tuyến ngày càng
tăng. Hơn nữa, trong bối cảnh mà xu hướng “Internet of Things” đang phát triển
mạnh mẽ, đến năm 2020, người ta dự đốn rằng có hàng trăm, thậm chí hàng ngàn
thiết bị khơng dây gắn với mỗi người [1]. Yêu cầu đặt ra là phải đề xuất một kỹ
thuật truyền thông không dây mới để kết nối chúng lại với nhau mà vẫn đảm bảo
băng thông, tốc độ, độ tin cậy và ổn định cao. Trong khi đó, phổ vơ tuyến lại là nền
tảng của dịch vụ thông tin liên lạc không dây hiện tại và là một nguồn tài nguyên
quan trọng nhưng có hạn. Nhu cầu về phổ vô tuyến sẽ ngày càng tăng trong tương
lai, đó là lý do tại sao chúng ta cần phải suy nghĩ về cách để tránh một cuộc khủng
hoảng đang cận kề trước mắt.
Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light
Communication – VLC) được xem như là một lời giải cho bài toán về băng thông,
hiệu quả năng lượng với những ưu điểm ưu việt khác mà cơng nghệ truyền thơng
bằng sóng vơ tuyến khơng có được [2]. Với VLC, băng thơng sử dụng gần như
khơng giới hạn, khơng gây xun nhiễu, nên có thể sử dụng ở các môi trường bệnh
viện, sân bay,… Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của Diode phát quang (Light Emitting
Diode – LED), chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng vừa dùng
để truyền thơng sử dụng nguồn phát ánh sáng là các bóng đèn LED. Với nhiều ưu
điểm như hiệu quả chiếu sáng, tiết kiệm điện năng, tuổi thọ cao,… bóng đèn LED
sẽ giúp chúng ta hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền
dẫn thơng tin.

1

Luận văn tốt nghiệp
Tính cấp thiết của đề tài
“Mơi trường xanh” - một vấn đề nóng đang được cả thế giới quan tâm. Trong
lĩnh vực CNTT và truyền thông cũng vậy, hay cụ thể ở đây là các kỹ thuật truyền
thông không dây. Khi các tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, thì vấn đề năng
lượng ln là một yếu tố quan trọng hàng đầu để các nhà nghiên cứu quan tâm khi
xây dựng một chuẩn mạng không dây mới. Việc cân bằng giữa tốc độ và hiệu quả
sử dụng năng lượng thật sự rất khó. Một vấn đề nữa đó là hầu hết các thiết bị lớn
nhỏ từ vệ tinh đến thiết bị di động đều sử dụng sóng điện từ [3]. Số lượng các thiết
bị di động trên thế giới cần kết nối không dây đang gia tăng chóng mặt, theo báo
cáo gần đây nhất của Cisco thì số lượng thiết bị di động được kết nối đã nhiều hơn
dân số thế giới trong đầu năm nay. Việc sử dụng hiệu quả băng thông và tài nguyên
tần số lại càng thêm phức tạp.
VLC hay còn gọi là Li-fi, là một mạng không dây xanh. Việc sử dụng ánh sáng
để vừa chiếu sáng vừa truyền tín hiệu đó là ý tưởng ban đầu của Li-fi. Những bóng
đèn LED kết hợp với các phần tử điện tử sẽ thay thế các router WiFi, mang đến kết
nối Internet không dây rẻ hơn và nhanh hơn rất nhiều so với kỹ thuật hiện nay.
Trong tương lai rất gần, chúng ta sẽ bật hoặc tắt các các bóng đèn để kết nối
Internet thay vì đầu tư mua sắm những thiết bị WiFi sắp lỗi thời [1].
Tình hình nghiên cứu
Hiện nay, việc sử dụng sóng vơ tuyến, tia hồng ngoại (infra-red) hay laser để
truyền dữ liệu là những khái niệm phổ biến. Nhưng việc sử dụng ánh sáng trong dải
nhìn thấy được để truyền dẫn thông tin là một ý tưởng rất mới và hiện cơng nghệ
truyền thơng bằng ánh sáng nhìn thấy - VLC vẫn đang được các nhà khoa học nỗ
lực nghiên cứu và phát triển.
Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thơng tin này
thuộc về nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell, người đã phát minh ra
thiết bị “Photophone” vào ngày 19 tháng 2 năm 1880 tại phịng thí nghiệm ở

2


Luận văn tốt nghiệp
Washington. Thiết bị này cho phép truyền thơng tin nhờ vào ánh sáng mặt trời. Tuy
nhiên, nó không được ứng dụng rộng rãi do chưa phát minh được thiết bị phù hợp.
Hiện tại, vấn đề nghiên cứu về VLC đang được các nhà khoa học trên thế giới
rất quan tâm và đã có một số nghiên cứu đạt được những thành công bước đầu.
Giáo sư Harald Haas là một người tiên phong trong lĩnh vực giao tiếp khơng dây
thơng qua ánh sáng. Ơng hiện đang làm việc tại khoa kĩ thuật của Đại học
Edinburgh, Anh. Năm 2011, Haas đã đứng trên sân khấu để chia sẻ tầm nhìn của
ơng về một tương lai, nơi mà người ta chỉ cần sử dụng những bóng đèn LED để
thiết lập nên một mạng lưới kết nối không dây. Bài thuyết trình này cũng đã khai
sinh ra chữ Li-Fi (viết tắt cho Light Fidelity - tạm dịch là “độ trung thực ánh sáng”),
và giờ đây thuật ngữ này đang được dùng rộng rãi để chỉ các mạng không dây hai
chiều dựa trên ánh sáng khả kiến.
Lý do chọn đề tài
VLC là một cơng nghệ cịn rất mới, tiềm năng của cơng nghệ này vẫn còn rất
lớn và người ta vẫn chưa khai thác hết, nhất là trong bối cảnh các thiết bị “Internet
of Things” sẽ phát triển mạnh để "thông minh hóa" dần dần căn nhà, văn phịng và
tất cả mọi thứ xung quanh con người. Đã có nhiều trường đại học, công ty và nhà
nghiên cứu xây dựng được hệ thống hay giao thức truyền tin của kiểu mạng mới
này. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được đưa ra thị trường một cách thương
mại vì cần phải chờ đợi sự phát triển các cơ sở vật chất cần thiết.
Chúng tôi nhận thấy đây là một đề tài hay, bổ ích, có tính thực tế cao và có tầm
nhìn rộng có thể cung cấp cho chúng tơi nhiều kinh nghiệm và hiểu biết phục vụ
cho học tập, nghiên cứu cũng như công việc sau này.
Nội dung và mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu, đưa ra khái niệm, tìm hiểu những mơ hình cũng như

các thành tựu và tiềm năng ứng dụng đã đạt được trong công nghệ khơng dây VLC.
Trong đó, đưa ra những so sánh về tốc độ truyền dẫn có thể đạt được, bảo mật, tính

3


Luận văn tốt nghiệp
thân thiện với môi trường của VLC so với các công nghệ không dây hiện tại như
Wifi, hồng ngoại.
Từ đó, đề xuất xây dựng mơ hình một ứng dụng cụ thể của cơng nghệ VLC đó là
hệ thống tự động cập nhật bảng giá sản phẩm trong siêu thị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong cấu trúc một luận văn thực nghiệm, chúng tôi chỉ giới hạn tìm hiểu nghiên
cứu ở việc nắm vững các vấn đề liên quan đến cơng nghệ VLC, tình hình nghiên
cứu trên thế giới, so sánh VLC với các chuẩn truyền thông hiện tại cũng như đưa ra
những tiềm năng ứng dụng của cơng nghệ này. Luận văn có sử dụng kiến thức
chuyên môn ngành viễn thông, điện tử, công nghệ thông tin. Về phần mơ hình, luận
văn đề xuất xây dựng một mơ hình đơn giản về ứng dụng của VLC đó là cập nhật
bảng giá tự động các sản phẩm trong siêu thị. Việc xây dựng mơ hình vận dụng
nhiều kiến thức về mạch điện, điện tử, vi xử lý, viễn thơng và lập trình.
Phương pháp nghiên cứu
-

Thu thập các thông tin, dữ liệu nghiên cứu, bao gồm:


Các kiến thức cơ bản về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy -

VLC, những đặc điểm, ưu nhược điểm so sánh với các chuẩn truyền thông không
dây khác.



Các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong VLC: Khối phát, thu, các vấn đề về

cảm biến, tần số, nhiễu, bảo mật,…

-

Các tài liệu về thiết kế và thi công mạch điện tử.

Thiết kế và thi công cấu trúc mạch phần cứng của mơ hình chủ yếu sử dụng vi

xử lý, vi mạch số.
-

Xây dựng thuật tốn và lập trình để mạch hoạt động tối ưu nhất.

-

Kiểm tra thực nghiệm, tìm hiểu nguyên nhân và khắc phục các lỗi xảy ra, bổ

sung tính năng, tối ưu hóa.
-

Tổng hợp báo cáo, đánh giá và đề xuất hướng phát triển.

4


Luận văn tốt nghiệp

Cấu trúc luận văn
Đề tài nghiên cứu gồm 5 chương được tóm tắt như sau:
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
Trình bày sự cần thiết của đề tài, lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối
tượng nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và cấu trúc của luận văn.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ SO SÁNH VỚI CÁC CHUẨN GIAO
TIẾP KHÔNG DÂY KHÁC
-

Giới thiệu về Visible Light Communication - VLC

-

Lịch sử ra đời và tình hình nghiên cứu hiện tại

-

So sánh với các chuẩn các không dây khác

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA VLC
-

Khối phát

-

Khối thu

-

Tần số - quang phổ

-

Nhiễu

-

Bảo mật

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BẢNG GIÁ ĐIỆN TỬ
- Thiết kế phần cứng
- Phần mềm
- Vận hành, kiểm tra và tối ưu hệ thống
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Đánh giá các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài
- Một số đề xuất cho hướng phát triển tiếp theo.

5


Luận văn tốt nghiệp

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ SO SÁNH VỚI CÁC
CHUẨN GIAO TIẾP KHÔNG DÂY KHÁC
Giới thiệu về Visible Light Communication – VLC
2.1.1. Thông tin quang
Việc thông tin bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong lịch sử phát triển của loài
người khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (hand signal).
Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thơng tin quang vì chỉ có thể thực

hiện được khi có ánh sáng. Những kỹ thuật thơng tin quang đầu tiên là semaphore,
cờ, tín hiệu khói, lửa hiệu. Thông tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách
truyền có giới hạn và tỉ lệ lỗi rất lớn.
Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa để
làm thông tin liên lạc đến nay, lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát
triển và hồn thiện, có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây:
-

Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện

báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn
báo hiệu. Bằng cách này, tin tức được truyền vượt chặng đường 200 km trong vòng
15 phút.
-

Năm 1870: John Tyndall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được

theo một vịi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần.
-

Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ

thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.
-

Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng

dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao.
-

Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham chứng minh rằng nếu thủy tinh

được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều km.
-

Năm 1970: hãng Coming Glass Works đã chế tạo thành cơng sợi SI có suy hao α

< 20 dB/km ở bước sóng X = 633 nm.
-

Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α < 4 dB/km.
6


Luận văn tốt nghiệp
-

Năm 1983: sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ.

-

Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ 10 Gbit/s
trên chiều dài 80,1 km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tếp phân bố.

-

Hiện nay, sợi quang có suy hao α < 0,2 dB/km ở bước sóng 1550 nm, và có

những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều.
Hệ thống cáp quang là một trong những ứng dụng của việc sử dụng ánh sáng để

truyền thơng tin. Cáp quang có nhiều ưu điểm vượt trội hơn cáp đồng, đặc biệt là về
tốc độ. Ngồi ra, cáp quang có độ suy hao thấp, thơng tin khó bị nhiễu hoặc bị đánh
cắp, đem đến độ tin cậy cao. Do đó, người ta thường sử dụng cáp quang trong việc
truyền những thông tin quan trọng, dung lượng lớn và cần có tốc độ cũng như độ an
tồn cao.
Ánh sáng được sử dụng trong thơng tin quang thường là ánh sáng khả kiến hoặc
hồng ngoại, được tạo ra bởi các đèn LED hoặc Lazer. Ánh sáng được điều chế và
sau đó được đưa vào sợi quang, dựa vào nguyên lý truyền thẳng và sự phản xạ của
ánh sáng theo định lý Snell mà ánh sáng được truyền đến nơi thu như mong muốn.
Nơi thu sẽ giải điều chế tín hiệu nhận được cùng với các cơ chế đồng bộ để nhận
được thơng tin.
-

Hai loại cáp quang chính đang được sử dụng:
 Loại đa mode (multimode fiber): Khi góc tới thành dây dẫn lớn đến một mức
giới hạn thì dẫn tới hiện tượng phản xạ tồn phần. Các cáp quang đa mode có
đường kính lõi khoảng 50 µm.
 Loại đơn mode (singlemode fiber): Khi đường kính dây dẫn bằng bước sóng
thì cáp quang như một ống dẫn sóng, khơng có hiện tượng phản xạ trong sợi
quang mà chỉ có truyền thẳng. Loại này có đường kính khoảng 9-10 µm và phải
dùng nguồn phát là diode laser. Cáp quang đơn mode có thể cho phép truyền xa
tới hàng trăm km mà khơng cần phải khuếch đại, do đó mà kỹ thuật đòi hỏi
cũng rất cao.

7


Luận văn tốt nghiệp
-

Một vài ưu điểm vượt trội của cáp quang:
 Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin.
Với công nghệ hiện nay, trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000
cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang (có đường kính ngồi 2cm) có thể chứa
được khoảng 200 sợi quang, nâng được dung lượng đường truyền lên đến
6.000.000 cuộc đàm thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thơng
thường, một cáp lớn gồm nhiều đơi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại,
một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba
hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời.
 Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đồng có cùng dung lượng,
cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. Do đó, cáp
quang dễ lắp đặt hơn; đặc biệt, ở những vị trí khó lắp đặt (như trong các đường
ống đứng trong các tịa nhà) có rất ít khoảng khơng nhưng lại cần đi nhiều
đường tín hiệu ở bên trong, thì cáp quang sẽ dễ dàng đáp ứng được.
 Khơng bị nhiễu điện từ: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi
nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vơ tuyến (RFI) và nó khơng tạo ra bất kỳ
sự nhiễu nội tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở
những môi trường khắc nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụng cáp quang
dọc theo các đường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa
các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng khơng bị xun âm, thậm chí dù ánh sáng
bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó khơng thể thâm nhập vào sợi quang khác.
 Tính cách điện: Sợi quang được làm bằng vật liệu cách điện. Cáp sợi quang
làm bằng chất điện mơi thích hợp khơng chứa vật dẫn điện và có thể cho phép
cách điện hồn tồn. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy
vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các
đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một
đặc tính an tồn của cáp quang.
 Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang
không thể bị trích để lấy trộm thơng tin bằng các phương tiện điện thông

8


Luận văn tốt nghiệp
thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ và rất khó trích để lấy
thơng tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang và rất
ít hoặc khơng có tia nào thốt khỏi sợi quang đó. Thậm chí, nếu đã trích vào sợi
quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra cơng suất ánh sáng thu
được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thơng tin vệ tinh và viba có thể dễ
dàng thu để giải mã được.
 Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Sợi quang là một phương tiện truyền dẫn
đồng nhất và không gây ra hiện tượng fading. Những tuyến cáp quang được
thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm
khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quang có thời gian
hoạt động lâu, ước tính trên 30 năm đối với một số cáp thơng thường. Yêu cầu
về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một
hệ thống thơng thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong một tuyến thơng tin;
trong cáp khơng có dây đồng - là yếu tố có thể bị mịn dần và gây ra mất hoặc
lúc có lúc khơng có tín hiệu. Cáp quang cũng không bị ảnh hưởng bởi sự ngắn
mạch, sự tăng vọt điện áp nguồn hay tĩnh điện.
 Tính linh hoạt: Các hệ thống thơng tin quang đều khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích
với các chuẩn RS.2S2, RS422, V.S5, Ethernet, Arcnet, FDDI, Tl, T2, TS,
Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và cịn nhiều nữa.
 Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ
dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví
dụ T1 (1.544Mb/s) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu
cao hơn, OC-12 (622 Mb/s), bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống
cáp các sợi quang có thể vẫn được giữ nguyên như cũ.
 Sự tái tạo tín hiệu: Cơng nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường

truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo lại tín hiệu,
khoảng cách này cịn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại
lazer. Trong tương lai, cơng nghệ có thể mở rộng để tăng khoảng cách này lên

9


Luận văn tốt nghiệp
tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí tiết kiệm được rất nhiều do sử dụng ít
các bộ lặp trung gian và việc bảo dưỡng. Ngược lại, các hệ thống cáp điện
thông thường cứ vài km có thể đã cần có một bộ lặp.
-

Một vài nhược điểm của cáp quang:
 Vấn đề biến đổi điện-quang : Trước khi đưa một tín hiệu thơng tin điện vào
sợi quang, tín hiệu điện đó phải được biến đổi thành sóng ánh sáng.
 Dịn, dễ gãy: Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh
nên dịn và dễ gãy. Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó
khăn. Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng.
 Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sửa chữa địi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật
viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.

2.1.2. Giới thiệu về Visible Light Communication (VLC)
Visible Light Communication (VLC) là phương thức truyền thông tin bằng ánh
sáng nhìn thấy ở dải tần số từ 400 đến 800 THz (375-780 nm). VLC nằm trong
nhóm các cơng nghệ truyền thơng khơng dây quang học [4].
Ánh sáng có thể nhìn thấy ở khắp mọi nơi xung quanh cuộc sống của chúng ta.
Con người sử dụng đôi mắt để thu thập gần như tất cả các thông tin cho mọi hoạt
động hàng ngày của mình. Ánh sáng có tác động đến hầu như mọi giai đoạn phát
triển của lịch sử lồi người, vì chúng ta nhận thức thế giới chủ yếu thơng qua “tầm

nhìn” của mình. Hàng ngày, chúng ta quan sát các hiện tượng tự nhiên như cầu
vồng, hoàng hôn, ánh nắng,… và sự nhận thức của chúng ta đối với các đối tượng
ấy đều liên quan đến ánh sáng nhìn thấy. Vì vậy “tầm nhìn” là một trong những
điều quan trọng nhất đối với con người, và nhiều thiết bị đã được phát minh để hỗ
trợ “tầm nhìn” của chúng ta. Ví dụ, có rất nhiều các thiết bị bao gồm cả bóng đèn
trong văn phịng, nhà, ánh sáng trên những con đường, màn hình thương mại, đèn
nhỏ trên thiết bị gia dụng điện tử,… Gần đây, người ta đã nảy ra ý tưởng sử dụng
ánh sáng nhìn thấy được tích hợp vào các thiết bị chiếu sáng để truyền thông tin
không dây. Ý tưởng này đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn của giới khoa
học và nghiên cứu trên thế giới.
10


Luận văn tốt nghiệp
2.1.3. Lịch sử ra đời
Khái niệm sử dụng ánh sáng khả kiến trong truyền thông đã được ra đời từ rất
sớm, nhưng cần phải chờ đến sự phát triển của các công nghệ như hiện nay, đặc biệt
là đèn LED với những ưu điểm và tính năng vượt trội thì ý tưởng này mới trở nên
khả thi.
Một trong những ứng dụng đầu tiên sử dụng ánh sáng khả kiến để truyền thơng
tin đó là máy quang thoại của nhà khoa học Alexander Graham Bell.
Alexander Graham Bell là một trong những nhà khoa học đi đầu trong việc phát
minh và phát triển điện thoại. Năm 1880, trong thí nghiệm của mình, ơng đã truyền
một tin nhắn thoại bằng thiết bị khơng dây do chính ơng chế tạo. Thiết bị của
Graham Bell cho phép truyền âm thanh bằng ánh sáng mặt trời [4].
Mơ tả sơ lược về thí nghiệm của Alexander Graham Bell như hình 2.1: Có hai
phần chính đó là phía phát và phía thu.

Hình 2.1: Mơ tả về máy quang thoại.
-

Phía phát:
Graham Bell sử dụng một tấm gương phản chiếu mỏng, ơng sẽ nói vào tấm

gương với một khoảng cách nhất định, tần số rung của giọng nói sẽ được truyền đến
gương và tấm gương sẽ thể hiện được độ rung đó. Nhờ vào ánh sáng mặt trời và độ
phản chiếu của gương mà ánh sáng được truyền đi đúng với tần số của giọng nói.

11


Luận văn tốt nghiệp
-

Phía thu:
Phía thu gồm một trống thu để giảm bớt lượng tạp âm của ánh sáng không mong

muốn. Phía bên trong trống thu là một tinh thể selen nhạy cảm. Tinh thể này cho
phép biển đổi tần số ánh sáng nhận được thành tần số âm thanh với sự hỗ trợ của
một nguồn pin.
Mặc dù tín hiệu có thể truyền đi được khoảng 200 mét, tuy nhiên, tại thời điểm
bấy giờ thì điện thoại có dây đã truyền được thông tin rất xa. Nên dù là một thí
nghiệm mang tính chất thời đại nhưng cuộc cách mạng về sử dụng ánh sáng khả
kiến trong truyền thông phải đợi đến rất nhiều năm sau để phát triển bởi những thiết
bị và linh kiện thích hợp.
Trong năm 1990, đèn LED trắng (Light Emitting Diodes) đã được phát minh
cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Đèn LED (hình 2.2) ra đời đã khởi phát một
sự chuyển đổi căn bản, một cuộc cách mạng trong công nghệ chiếu sáng. So với các
thiết bị chiếu sáng thông thường, các đèn LED trắng có mức tiêu thụ điện thấp hơn,
điện áp hoạt động thấp, tuổi thọ dài, kích thước nhỏ, phản ứng nhanh hơn, và ít tỏa

nhiệt khi hoạt động.

Hình 2.2: Đèn LED
Năm 1999 đến năm 2001, khái niệm hệ thống thông tin giao thơng bằng cách
điều chế tín hiệu giao thơng LED đã được đề xuất.

12