Msimbo wa Mwanga wa Mstari wa Kupata Intaneti: Mfumo wa OCC Unaodhibitiwa na Bluetooth

1. Muhtasari

Kazi hii inawasilisha programu mpya ya kupata intaneti inayotumia Mawasiliano ya Kamera ya Mwanga (OCC). Mfumo hutumia kamera ya simu janja kupokea ishara za mwanga zinazotumwa na LED, ambazo zimebadilishwa na data (msimbo wa mwanga wa mstari). Baada ya kusimbua kwa mafanikio na programu maalum, simu janja hufikia moja kwa moja tovuti inayolingana. Kipitishaji kinadhibitiwa bila waya kupitia Bluetooth, kuruhusu sasisho la mabadiliko ya habari iliyotumwa bila marekebisho ya vifaa. Njia hii inashughulikia uhaba wa wigo katika mawasiliano ya RF na inatumia uwepo wa kamera za simu janja, na kuweka OCC kama suluhisho linalowezekana kwa utoaji wa habari unaotambua muktadha katika IoT na mazingira ya kisasa.

Utekelezaji unasisitiza matumizi ya athari ya kufunga kwa kusonga (RSE) katika vichungi vya CMOS kufikia viwango vya data vilivyo juu kuliko kiwango cha sura ya video, faida kuu ikilinganishwa na mbinu za kufunga kwa ulimwengu. Matumizi yanayowezekana ni pamoja na mwongozo wa maonyesho, usajili wa mkutano, na upatikanaji wa habari ya mabadiliko ya bidhaa.

2. Uvumbuzi

Uvumbuzi msingi wa utekelezaji huu ni mara tatu, ukilenga muundo wa moduli na unaozingatia mtumiaji.

3. Maelezo ya Utekelezaji

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Ufahamu Msingi

Ufahamu Msingi: Kazi hii sio uvumbuzi mkubwa katika kiwango cha data ghafi cha OCC, bali ni mabadiliko ya uhandisi yenye busara kuelekea matumizi ya vitendo, ya bei nafuu, na yenye kuwapa nguvu watumiaji. Ingawa utafiti mwingi wa VLC/OCC, kama ulivyoonekana katika kazi muhimu kama zile za Haas (2011) kuhusu Li-Fi au utekelezaji wa baadaye wa kasi ya juu, unafuata kasi ya Gbps, mradi huu unalenga kwa busara tatizo la "mita ya mwisho" la kuvuta habari ya muktadha, kifaa-hadi-kifaa. Unatumia tena kamera ya simu janja—kichungi kisicho na kifani cha uwepo—kutoka kwa kifaa cha kupiga picha kisichofanya kazi hadi kuwa mpokeaji wa mawasiliano anayefanya kazi, na kuepuka hitaji la vifaa maalum. Uunganishaji wa Bluetooth kwa udhibiti ndio hatua bora, inayobadilisha taa ya mwanga isiyobadilika kuwa sehemu ya habari inayoweza kubadilika kiotomatiki.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ya mfumo ni laini kwa ustadi: 1) Mzigo wa Mabadiliko: Habari inasukumwa bila waya kwa kipitishaji kupitia Bluetooth, ikivunja muundo wa vitambulisho vya mwanga vilivyowekwa tayari, visivyobadilika. 2) Ubadilishaji wa Mwanga: OOK rahisi lakini thabiti hubadilisha data hii kuwa misukumo ya mwanga, inayolingana na njia ya kugundua kufunga kwa kusonga. 3) Upokeaji Unaopatikana Kila Mahali: Kila kamera ya simu janja inakuwa mpokeaji, ikitumia vifaa vilivyojengwa ndani. 4) Kitendo Bila Mshono: Programu inasimbua ishara na kuanzisha kitendo maalum cha muktadha (uvinjari wa wavuti), na kufunga kitanzi kutoka kwa mwanga hadi maudhui ya kidijitali yanayoweza kutekelezwa. Mtiririko huu unaonyesha falsafa ya miundo kama misimbo ya QR lakini kwa faida muhimu ya maudhui ya mabadiliko, yanayoweza kusasishwa kwa mbali, na bila hitaji la muonekano unaovuruga.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni utendaji wake wa vitendo na uwezekano wa kuwekwa mara moja. Inatumia vipengee vinavyopatikana kwa urahisi (STM32, HC-02, LED za kawaida) na haihitaji marekebisho kwa simu janja, na kupunguza kikwazo cha kuitumia. Njia ya nyuma ya Bluetooth ni suluhisho la busara kwa uwezo wa pande mbili katika kiungo cha OCC kinachoelekea upande mmoja. Hata hivyo, kasoro kubwa zipo. Kiwango cha data na masafa yamepunguzwa sana ikilinganishwa na njia mbadala za RF kama NFC au UWB, na kufanya isifae kwa kuhamisha mizigo mikubwa. Mfumo unaathiriwa sana na kelele ya mwanga wa mazingira, mtikisiko wa kamera, na unahitaji usawa sahihi. Kutegemea programu maalum pia huunda sehemu ya msuguano kwa watumiaji, tofauti na skana ya asili ya msimbo wa QR katika programu nyingi za kamera. Kama ilivyoelezwa katika uchunguzi wa changamoto za OCC (k.m., na Chowdhury et al., IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019), usumbufu wa mwanga wa mazingira na unyeti wa mpokeaji bado ni vikwazo muhimu.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti, njia ya mbele ni kuimarisha teknolojia dhidi ya hali halisi za ulimwengu. Kuchunguza miundo ya hali ya juu ya ubadilishaji kama ubadilishaji wa mzunguko wa chini ya sampuli kwenye kitufe cha washa/zima (UFSOOK) kunaweza kuboresha uwezo wa kukabiliana na kelele. Kwa watengenezaji wa bidhaa, fursa ya haraka iko katika mazingira maalum, yaliyodhibitiwa ambapo RF haifai (hospitali, ndege, maeneo hatarishi) au kwa kuongeza safu ya habari ya mazingira, ya muktadha kwa vitu vya kimwili—fikiria maonyesho ya makumbusho ambapo maelezo yanasasishwa kulingana na ushawishi wa mhifadhi au katika viwanda ambapo hali ya mashine inatangazwa kupitia taa ya kiashiria. Programu kuu yaweza kuwa sio kasi ghafi, bali kuweka alama isiyoonekana, ya mabadiliko ya ulimwengu wa kimwili.

5. Maelezo ya Kiufundi na Mfano wa Hisabati

Msingi wa usimbaji unategemea kutumia athari ya kufunga kwa kusonga. Katika kichungi cha CMOS chenye kufunga kwa kusonga, kila safu ya pikseli hufichuliwa kwa mpangilio na ucheleweshaji mdogo wa wakati $\Delta t_{row}$ kati ya safu mfululizo. Ikiwa LED imebadilishwa na mzunguko $f_{LED}$, na kiwango cha sura ya kamera ni $f_{frame}$, LED inaweza kuwaka na kuzima mara nyingi wakati wa ukamataji wa sura moja.

Sharti la kukamata kwa mafanikio angalau mzunguko mmoja kamili wa kuwaka kwa LED ndani ya sura linahusiana na wakati. Wakati wa kufichua kwa kila safu $T_{exp}$ na wakati wa kusoma wa sura nzima $T_{read}$ huamua kuonekana kwa ubadilishaji. Mfano rahisi wa kugundua '1' ya binary (LED WASHI) na '0' (LED ZIMA) kwa kutumia OOK unaweza kuelezewa kwa kuchambua muundo wa ukali kwenye safu za pikseli.

Wacha $I_{raw}(x,y)$ iwe ukali ghafi katika kuratibu za pikseli (x,y). Baada ya kutoa mandharinyuma na kuchuja ili kutenganisha eneo la LED, ishara $S(y)$ kama kazi ya faharasa ya safu $y$ inapatikana: $$S(y) = \frac{1}{N_x} \sum_{x=1}^{N_x} I_{processed}(x,y)$$ ambapo $N_x$ ni idadi ya safu wima za pikseli katika eneo la maslahi. Ishara hii ya 1D $S(y)$ itaonyesha bendi mbadala za ukali wa juu na wa chini zinazolingana na hali ya WASHI na ZIMA ya LED wakati wa kufichua kwa safu. Mtiririko wa data wa binary unapatikana tena kwa kufikia kizingiti $S(y)$: $$bit[k] = \begin{cases} 1 & \text{kama } S(y_k) > \tau \\ 0 & \text{vinginevyo} \end{cases}$$ ambapo $\tau$ ni kizingiti kinachobadilika na $y_k$ inawakilisha faharasa za safu zinazolingana na pointi za sampuli za kila biti.

6. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

Utekelezaji ulithibitisha kwa mafanikio utendaji wa mwisho-hadi-mwisho. Matokeo muhimu yaliyozingatiwa ni pamoja na:

• Usimbaji wa Mafanikio na Upatikanaji wa Wavuti: Programu ya simu janja ilisimbua kwa uthabiti msimbo wa mwanga wa mstari uliotumwa na LED na moja kwa moja ilizindua kivinjari cha wavuti kwenye URL sahihi. Hii ilikuwa kipimo kikuu cha mafanikio cha onyesho.
• Uwezo wa Sasisho la Mabadiliko: Kiungo cha udhibiti cha Bluetooth kiliruhusu habari iliyotumwa (URL lengwa) kubadilishwa kwa wakati halisi kutoka kwa programu ya mbali, na mpokeaji wa simu janja alisimbua kwa usahihi habari mpya, na kuthibitisha kubadilika kwa mfumo.
• Vikwazo vya Uendeshaji: Utendaji ulikuwa bora chini ya taa ya ndani iliyodhibitiwa. Umbali wa kufanya kazi kwa uaminifu ulipunguzwa (labda katika masafa ya sentimita kadhaa hadi mita chache), na ulihitaji mstari wa moja kwa moja kati ya LED na kamera ya simu janja. Kiwango cha data kilipunguzwa na kasi ya ubadilishaji wa LED na vigezo vya kamera, vilivyofaa kwa kutuma mifuatano mifupi kama URL lakini si kwa data ya upana wa juu wa bandi.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Matumizi

Mfano: Kuweka Lebo ya Mabadiliko ya Onyesho la Makumbusho
Makumbusho hutumia mfumo huu kutoa habari kwa kitu cha kihistoria. Badala ya kibao kisichobadilika au msimbo wa QR uliowekwa tayari:

1. Usanidi: LED ndogo, isiyoonekana sana, imewekwa karibu na kitu cha kihistoria. Imeunganishwa na moduli ya kichocheo inayodhibitiwa na Bluetooth.
2. Udhibiti: Mfumo wa usimamizi wa maudhui (CMS) wa makumbusho unashikilia URL ya wavuti ya kitu cha kihistoria. Kupitia kiolesura cha mhifadhi, URL hii inatumwa kupitia Bluetooth kwa kichocheo cha LED.
3. Mwingiliano wa Mgeni: Mgeni anafungua programu maalum ya makumbusho (ambayo inajumuisha kisimbaji cha OCC). Wanaelekeza kamera ya simu yao kwenye kitu cha kihistoria (na LED isiyoonekana inayowaka na kuzima).
4. Kitendo: Programu inasimbua ishara ya mwanga na kufungua wavuti maalum ya kitu hicho cha kihistoria. Wavuti inaweza kuwa na maandishi, sauti, video, au hata maudhui ya AR.
5. Faida: Habari inaweza kusasishwa kwa mbali (k.m., kuongeza matokeo mapya ya utafiti, kubadilisha chaguzi za lugha) bila kugusa onyesho. Maonyesho mengi yanaweza kubadilishwa maudhui yao kwa wakati mmoja kutoka kwa konsoli kuu. LED yenyewe haivurugi.

Mfumo huu unaangazia dhamana ya mfumo: kuunganisha kwa mabadiliko, bila waya, na bila mshono vitu vya kimwili na maudhui ya kidijitali yanayoweza kusasishwa.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Maendeleo

Teknolojia hufungua njia kadhaa zenye matumaini:

• Uuzaji wa Kisasa na Utangazaji: Rafu za bidhaa zenye LED zinazotangaza viungo vya kukuza mauzo, maelezo ya kina, au URL za kuponi za haraka. Maudhui yanaweza kubadilika kulingana na wakati wa siku au hesabu ya bidhaa.
• IoT ya Viwanda na Ufuatiliaji wa Mali: LED za hali ya mashine zinaweza kutangaza data ya uchunguzi au kumbukumbu za matengenezo kwenye simu ya fundi katika mazingira yanayohisi RF.
• Urambazaji wa Ndani na Uboreshaji wa VLP: Kama ilivyotajwa kwenye PDF [2,3], OCC inaweza kusaidia Uwekaji wa Mwanga Unaonekana (VLP). Mfumo huu unaweza kutangaza vitambulisho vya eneo, na kukamilisha algoriti za kupima pembe tatu kwa urambazaji wa ndani wenye nguvu zaidi.
• Zana za Ufikiaji: Kutoa maelezo ya kusikia ya vitu vya kimwili (katika makumbusho, maeneo ya umma) kupitia ishara ya mwanga isiyoonekana inayosimbuliwa na simu ya mtumiaji.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

1. Ubadilishaji wa Hali ya Juu: Kuendelea zaidi ya OOK hadi miundo kama Ubadilishaji wa Nafasi ya Msukumo (PPM) au Kitufe cha Kubadilisha Rangi (CSK) ili kuongeza kiwango cha data na uthabiti.
2. Mifumo ya MIMO ya LED Nyingi: Kutumia safu za LED kwa utumaji wa data sambamba au kuongeza eneo la chanjo.
3. Kuweka Viwango na Uunganishaji wa Asili: Lengo la mwisho la kupitishwa kwa upana ni uunganishaji wa uwezo wa kusimbua OCC katika mifumo ya uendeshaji ya rununu, sawa na kusanidi msimbo wa QR, na kuondoa hitaji la programu maalum.
4. Masomo ya Mashine kwa Usimbaji: Kutumia mitandao ya neva kushughulikia hali ngumu za ulimwengu halisi kama mwanga mkali wa mazingira, kufunikwa kwa sehemu, au mtikisiko wa kamera.

9. Marejeo

1. Haas, H. (2011). "Data bila waya kutoka kwa kila balbu ya mwanga." TED Global. [Msingi wa dhana ya Li-Fi]
2. Chowdhury, M. Z., Hossan, M. T., Islam, A., & Jang, Y. M. (2019). "Uchunguzi wa Kulinganisha wa Teknolojia za Mwanga Bila Waya: Miundo na Matumizi." IEEE Access, 6, 9819-9840. [Uchunguzi wa changamoto za OCC]
3. Kiwango cha IEEE 802.15.7. (2011). "Kiwango cha IEEE cha Mitandao ya Eneo na Jiji--Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Mwanga Bila Waya ya Masafa Mafupi Kwa Kutumia Mwanga Unaonekana." [Kiwango kinachohusika cha mawasiliano]
4. Wang, Q., Giustiniano, D., & Puccinelli, D. (2015). "OpenVLC: Mitandao ya Mwanga Unaonekana Iliyojumuishwa Iliyofafanuliwa na Programu." Katika Proceedings of the 1st ACM MobiCom Workshop on Visible Light Communication Systems. [Mfano wa majukwaa ya VLC yanayoweza kutengenezwa kwa programu]
5. Utafiti uliotajwa kwenye PDF asilia: [2] Uunganishaji wa VLP/SLAM wa vichungi vingi, [3] VLP ya roboti yenye msingi wa ROS, [4] OCC kutoka kwa nyuso zinazoakisi, [5] Mawasiliano ya Mwanga Chini ya Maji (UWOC).