بخشی از مقاله
بررسی تکنولوژي VLC و کاربردهاي آن
چکیده
تکنولوژي VLC یک تکنولوژي نوین و نوپا است که می تواند کاربردهاي مختلفی در صنعت خودروسازي، کمک به افراد نابینا و سیستم مدیریت انرژي ساختمان و... داشته باشد. این تکنولوژي به دلیل پیشرفت سریع در ساخت لامپهاي LED و پتانسیل بالاي این لامپها در ایجاد روشنایی و ارسال اطلاعات به صورت همزمان، اخیرا مورد توجه صنعت و دانشگاه قرارگرفته است. در این مقاله سیستم VLC و استانداردهاي مختلف مطرح شده در این زمینه معرفی و کاربردهاي مختلف آن در صنعت و ساختمان تشریح میگردد و با توجه به لزوم استفاده از سیستم مدیریتی ساختمان مزایا و مشکلات استفاده از این تکنولوژي در سیستم مدیریتی تشریح و در نهایت یک سیستم مدیریت انرژي ساختمان که ساده و دینامیک باشد و نیازي به تغییر در سیمکشی ساختمان نداشته باشد پیشنهاد میگردد.
واژههاي کلیدي: تکنولوژي – VLC کاربردهاي تکنولوژي - VLC سیستم مدیریت انرژي ساختمان- White Led
1ـ مقدمه
در قرن 21 سرعت بالا در انتقال اطلاعات نقش مهمی در زندگی روزمره دارد. از طرفی امکان انتقال اطلاعات چندرسانهاي در هر نقطه از مکان و در هر لحظه از زمان مورد انتظار میباشد با توجه به مطالب گفته شده و به دلیل رشد روزافزون تکنولوژيهاي بیسیم و سهولت در استفاده از این شبکهها، تمایل به سمت شبکههاي بیسیم بیشتر از بقیه شبکههاي متداول میباشد و به همین دلیل اکثر تحقیقات در سالهاي اخیر در زمینه تکنولوژي و دسترسی به شبکههاي بیسیم میباشد. در بین شبکههاي مطرح شده، مخابرات نوري از محبوبیت بالایی برخوردار میباشد. ارتباط نور مرئی که به اختصار (Visible Light Communication) VLC نامیده میشود نوع جدیدي از شبکه بیسیم نوري میباشد. شبکههاي بیسیم موجود داراي معایبی چون مضر بودن براي سلامت انسان، پایینبودن امنیت داده انتقالی، مصرف بالاي انرژي و
محدودیت تعداد تجهیزات متصل به شبکه (در برخی شبکهها) میباشند. در حالی که تکنولوژي VLC معایب فوق را ندارد و به
دلیل پیشرفت سریع در ساخت لامپهاي ( Light Emitting Diode) LED و پتانسیل بالاي این لامپها در ایجاد روشنایی و
ارسال اطلاعات به صورت همزمان، مورد توجه صنعت و دانشگاه قرارگرفته است. به طوري که آینده امید بخشی براي این تکنولوژي نوپا پیش بینی میشود.
هدف از این مقاله معرفی تکنولوژي VLC و تشریح کاربردهاي آن میباشد و در نهایت با ترکیب این شبکه با شبکههـاي موجود، یک سیستم مدیریت انرژي ساختمان که ساده، دینامیک و کم مصرف باشد و نیازي به تغییر در سیمکشـی سـاختمان نداشته باشد، پیشنهاد میگردد.
2ـ تاریخچه
نورمرئی محدودهاي از طیف امواج الکترومغناطیس را شامل میشود که طول موج آن مابین 700-380 نانومتر می باشد و توسط مغز بشر قابل تفسیر میباشد.
ایده استفاده از نور مرئی براي انتقال اطلاعات ایده جدیدي نمیباشد، به طوریکه در زمانهاي قدیم در آمریکاي شمالی و یونان از دود براي انتقال پیام استفاده میشد و یا فانوس دریایی نمونه دیگري از انتقال اطلاعات از طریق نور مرئی میباشد. اولین تلاش علمی براي انتقال اطلاعات از طریق نور مرئی توسط دانشمند اسکاتلندي به نام الکساندرگراهامبل در اختراع فوتوفون1
صورت گرفت که در آن از نور مرئی خورشید براي انتقال صوت تا مسافت 213 متر استفاده شده است. شکل 1 نشان دهنده عملکرد فوتوفون می باشد.[1]
ایده استفاده ازنورمرئی سیستم روشنایی، براي انتقال اطلاعات با پیدایش LED هاي سفید و رنگی قوت یافت[2] که این LED
ها پهناي باند حدود 20 MHZ را فراهم ساختند. پیشرفت سریع در تکنولوژي ساخت نیمه هادي ها2 باعث شده لامپهاي
LED روند رو به رشدي در بازده شدت روشنایی داشته باشند و LED هایی همچونHB- LED٣، 4 HB-HE-LEDو... پدید آیند. بطوریکه مشاهده نور این لامپها از فاصله دور و در روز روشن یک امر طبیعی به نظر می رسد. در شکل 2 روند رو به رشد لامپهاي LED نشان داده شده است. مزایاي لامپهاي LED فقط در بازده بالاي این لامپها خلاصه نمیشود، با توجه
شکل 2 روند رو به رشد شدت روشنایی لامپهاي[8] LED شکل :1 طرح استفاده از فوتوفون[1]
اینکه این لامپها از نیمه هادي ها ساخته شدهاند داراي سرعت سویچینگ بالایی میباشند. امروزه با افزایش احتمال جایگزینی لامپهاي LED به جاي لامپهاي تنگستنی و لامپهاي مهتابی در سیستم روشنایی، ایده استفاده از سیستم روشنایی براي انتقال اطلاعات بیشتر از قبل مورد توجه قرار گرفته است.
٣ـ تکنولوژی VLC
به استفاده همزمان از لامپهاي LED براي ایجاد روشنایی و انتقال اطلاعات Ilight نیز می گویند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده این شبکه می تواند به صورت یک ارتباط دوطرفه مورد استفاده قرار گیرد و همانند هر شبکه دیگر شامل فرستنده، محیط انتقال و گیرنده میباشد.
1- 2 محیط انتقال
در این شبکه از نور مرئی به عنوان بستر انتقال در یک محیط مثل داخل یک اتاق یا خودرو یا قطار استفاده میشود و براي ارسال اطلاعات از یک محیط به محیط دیگر میتوان از فیبر نوري و یا از شبکههاي 5 PLC استفاده کرد. در صورتی که ساختمان و یا محیط مد نظر در دست احداث است بهتر است از فیبر نوري استفاده شود، البته به دلیل گران بودن فیبر نوري میتوان از فیبر نوري پلاستیکی 6 POF که ارزان قیمت بوده و به منظورکاربردهایی همچون اتوماسیون ساختمان ساخته شده است استفاده کرد.
2-2 فرستنده
از نظر تئوري هرنوع منبع نور مرئی میتواند به عنوان فرستنده در این شبکه مورد استفاده قرار گیرد، اما در عمل بعضی از این منابع نور بهتر از بقیه میباشند. به عنوان مثال در لامپهاي رشتهاي سرعت بالاي سویچینگ باعث کاهش طول عمر لامپ میشود و به همین خاطر این لامپها در این شبکه مورد استفاده قرار نمیگیرند. از آنجایی که لامپهاي LED و فلورسنت سرعت سویچینگ مناسب براي انتقال اطلاعات در سیستم مدیریت انرژي ساختمان را دارا هستند و به صورت همزمان براي روشنایی ساختمان نیز مورد استفاده قرار میگیرند، از جمله لامپهاي مناسب براي شبکه VLC میباشند. اما با توجه به رشد روزافزون تکنولوژي LED در داشتن بهره نوري بالا و رنگ نور مناسب انتظار میرود لامپهاي LED جایگزینی مناسب براي
شکل 3یک ارتباط دو طرفه در شبکه [8] VLC
لامپهاي فلورسنت در سیستم روشنایی و از طرفی فرستندهاي مناسب در شبکه VLC باشند. انواع لامپهاي LED مورد استفاده در شبکه :VLC
-1 یکی از رایجترین و سادهترین لامپهاي LED، Blue LED ها هستند که در این لامپها LED فرابنفش توسط یک لایه فسفر پوشانده شدهاست و در نتیجه نور سفید تولید میکند. لایه فسفر باعث کاهش پهناي باند میگردد همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است پهناي باند سیگنال منتشر شده توسط یک لامپ نمونه براي نور سفید حدود 3MHZ میباشد در حالیکه پهناي باند براي نور آبی منتشر شده از همان لامپ حدود 12MHZ میباشد، با روشهاي مختلف این محدودیت جبران میشود.[1]
-2نوع دیگري از لامپهاي LED، RGB LEDها هستند این لامپها از سه LED آبی و قرمز و سبز مجزا تشکیل شدهاند که اگر به صورت همزمان راهاندازي بشوند نور سفید منتشر میکنند. این لامپها بر خلاف لامپهاي نوع اول از لایه فسفر پوشانده نشدهاست. بنابراین تاخیر ناشی از لایه فسفر را نخواهد داشت. در این روش با بهرهگیري از سه لامپ LED و با استفاده از تکنیک 7 FDM اطلاعات به صورت موازي ارسال میگردد. سرعت انتقال اطلاعات در این روش حدود 100 MBit/s
میباشد.[3]
-3نوع دیگري از لامپها، لامپهاي 8 RCLED میباشند. این لامپها نیز از سه LED آبی و قرمز و سبز تشکیل شده ند با این تفاوت که در ساختار آنها از bragg mirror استفاده شده است که امکان مدولاسیون در فرکانسهاي بالا را فراهم میسازد و در نتیجه با استفاده از این لامپها میتوان به سرعتی حدود 500MBit/s دست یافت.[1]
به دلیل اینکه لامپهاي نوع اول رایجترین نوع لامپ مورد استفاده در لامپهاي LED میباشند تلاشهاي مختلفی براي افزایش سرعت شبکه مبتنی بر این لامپها صورت گرفته و با بهرهگیري از روشهایی که در زیر به آنها اشاره خواهد شد سرعت انتقال اطلاعات توسط این لامپها به حدود 40MBit/s رسیده است.
سادهترین روش براي افزایش پهناي مدولاسیون این لامپها این است که در سمت گیرنده با بهرهگیري از فیلترهاي نور فقط
