Li-Fi Comunicador: voz e texto num feixe de luz

1. O problema e as especificações

Há lugares onde o rádio é um problema: salas de hospital com equipamento sensível, fábricas e minas onde as emissões perturbam equipamentos, ou zonas sem rede. A luz resolve estes casos: não produz interferência de rádio, não atravessa paredes e um LED custa pouco. É a ideia do Li-Fi (Light Fidelity), que o Radar Tecnológico apresenta. O nosso comunicador usa os mesmos princípios: no emissor, a intensidade da luz de um díodo emissor de luz (LED) varia ao ritmo da mensagem; no receptor, um fotodíodo converte a luz de novo num sinal eléctrico.

O objectivo do projecto é enviar voz (modo VOZ, comunicação analógica) e texto (modo TEXTO, comunicação digital) por um feixe de luz, a 1,1 m de distância, com componentes comuns, e perceber de onde vem cada valor do circuito. As especificações da Tabela 5 orientam todas as escolhas que se seguem.

2. O sistema em blocos

A Figura 15 mostra o comunicador inteiro: é o esquema emissor → canal → receptor da Teoria em 10 Minutos (Figura 9), com os blocos reais do projecto. O texto usa sempre os mesmos números ①–⑭.

No emissor, o microfone ① dá alguns milivolts, que o pré-amplificador ② leva a 0,75 V de pico sobre 2,2 V. O Arduino emissor ③ transforma o texto que escreves em bits de 0 V e 5 V. O comutador S1 ④ escolhe o sinal, o driver ⑤ converte-o numa corrente (15 mA ± 7,5 mA na voz; 19 mA ou 0 no texto) e o LED ⑥ em luz. No canal ⑦, a luz enfraquece com o quadrado da distância e junta-se-lhe a luz ambiente. No receptor, a lente e o tubo ⑧ juntam a luz útil, o fotodíodo ⑨ dá alguns microamperes e o amplificador de transimpedância (TIA) ⑩ converte-os numa tensão. Na voz, o filtro ⑪ (300–3400 Hz) e o LM386 ⑫ levam o sinal ao altifalante; no texto, o comparador com histerese ⑬ decide cada bit e o Arduino receptor ⑭ mostra a mensagem num ecrã de cristais líquidos (LCD).

3. O emissor bloco a bloco

Microfone ① — polarizar o electreto

O esquema do emissor está na Figura 16. O MIC1 é um microfone de electreto, com um pequeno transístor de efeito de campo (JFET) no interior, polarizado por R1 = 10 kΩ a partir dos 9 V. A voz aparece como uma tensão alternada de alguns milivolts entre R1 e o microfone; C1 = 1 µF bloqueia a componente contínua (com os 16,6 kΩ de R2 ∥ R3, o corte fica perto de 9,6 Hz).

Pré-amplificador ② — ganho 101 e repouso a 2,2 V

U1A é metade de um LM358 em montagem não inversora. A entrada + está polarizada pelo divisor R2/R3, ligado aos 9 V (V_CC):

Como C3 bloqueia a contínua em R5, a saída repousa também em 2,20 V, que fixa a corrente de repouso do LED. Para a voz, o ganho é:

Os 7,4 mV de pico à entrada dão 0,75 V à saída, o que o driver ⑤ precisa para modular o LED a meio. C3 cria o corte inferior e C2, em paralelo com R4, o superior:

O corte de 3,4 kHz fica para o receptor (bloco ⑪): dois cortes iguais em cascata estreitariam a banda. C2 só limita o ruído e mantém o amplificador estável.

Arduino emissor ③ e comutador S1 ④

No modo TEXTO, o pino 11 envia a trama série da secção 6 (5 V = bit 1); os pinos 0 e 1 ficam ligados ao Monitor Série do computador, a 9600 bit/s. O divisor R14/R15 reduz os 5 V para a base de Q1:

S1, um comutador de duas posições (SPDT), liga a base de Q1 à saída do pré-amplificador através de R6 = 100 Ω (VOZ) ou ao divisor R14/R15 (TEXTO).

Driver ⑤ e LED ⑥ — uma fonte de corrente controlada por tensão

Q1 (BC547B) é um seguidor de emissor: o emissor fica V_BE ≈ 0,7 V abaixo da base, e R7 fixa a corrente, que passa no LED:

No modo TEXTO, a corrente de base provoca uma queda em R_Th = R14 ∥ R15 = 2,13 kΩ. Com β ≈ 300 e V_Th = 2,73 V:

Na voz, essa queda é desprezável. I_Q = 15 mA fica a meio da gama útil do LED (0 a 30 mA); os ±0,75 V da voz dão ΔI = ±7,5 mA, e o índice de modulação é:

A corrente varia entre 7,5 mA e 22,5 mA, sem nunca apagar o LED. Controlamos a corrente, e não a tensão, porque a luz de um LED é proporcional à corrente, enquanto a tensão directa muda de exemplar para exemplar. A potência em Q1, com a tensão colector-emissor V_CE, é pequena:

O LED branco de 5 mm tem um ângulo a meia intensidade θ½ ≈ 15°. Estimamos que emite P_t ≈ 10 mW de luz com 15 mA, uma eficiência η ≈ 0,667 W/A.

4. O canal óptico ⑦ e a lente ⑧

Que fotocorrente I_foto chega ao fotodíodo com o LED a uma distância d? Um LED é aproximadamente uma fonte lambertiana. A ordem lambertiana m_L = −ln 2 / ln(cos θ½) mede quanto a luz se concentra para a frente: para θ½ = 15°, m_L ≈ 20. Com o receptor em frente ao LED, a fracção da luz emitida que chega a uma área A, ajudada por uma lente de ganho G_L, é o ganho do canal H = (m_L + 1) A G_L / (2πd²). O BPW34 tem A = 7,5 mm²; uma lupa de 25 mm de diâmetro aumenta a área de recolha para cerca de 490 mm² e, com as perdas, contamos com G_L ≈ 50. O fotodíodo converte a luz em corrente com a responsividade R_λ ≈ 0,3 A/W para a luz branca.

Repara no d² do denominador: é a lei do inverso do quadrado. Se duplicares a distância, a luz espalha-se por uma área quatro vezes maior e a fotocorrente cai para ¼. Para outra distância, basta corrigir k:

O tubo ⑧, um cilindro de cartão preto à frente do fotodíodo, tapa a luz ambiente que vem de lado. Nas contas assumimos 2 µA de luz ambiente, com 20 % de ondulação a 100 Hz (as lâmpadas da rede de 50 Hz piscam 100 vezes por segundo).

5. O receptor bloco a bloco

A Figura 18 mostra a parte analógica do receptor, com o fotodíodo real à entrada (no SimulIDE é uma fonte controlada), e a Figura 19 o ramo de texto.

A tensão de referência VREF

Com uma só pilha de 9 V, os amplificadores precisam de uma «massa virtual», o divisor R8/R9 filtrado por C4:

Fotodíodo ⑨ e TIA ⑩ — luz em corrente, corrente em tensão

O BPW34 é um fotodíodo PIN de área grande, em polarização inversa. O amplificador de transimpedância U2A obriga essa corrente, mais a da luz ambiente I_amb, a passar por R10, e a saída fica:

Com 9 V, a saída do LM358 só sobe até cerca de 7,5 V (V_OH). Acima desta corrente total o TIA satura:

C5, em paralelo com R10, estabiliza o TIA e limita a banda:

Filtro de voz ⑪ — 300 a 3400 Hz

O passa-alto C6/R11 (com R11 ligada a V_REF) tira a componente contínua e parte dos 100 Hz; o seguidor U2B isola-o do passa-baixo R12/C7:

LM386 e altifalante ⑫

C8 leva o sinal ao volume P1 = 100 kΩ e ao pino 3 do LM386 (U3), de ganho 20. Para 0,5 W em R_L = 8 Ω:

Comparador com histerese ⑬ — decidir se é 0 ou 1

No modo TEXTO, o TIA dá ≈ 2,24 V com o LED apagado e ≈ 3,54 V com o LED aceso a 1,1 m. U4 compara-o com o limiar V_th ≈ 2,9 V, ajustado com P2. Para que a ondulação de 100 Hz não provoque comutações a mais, o comparador tem histerese (montagem de Schmitt):

Até onde chega o texto?

O texto deixa de passar quando a diferença entre os níveis do TIA, descontada a ondulação da luz ambiente (2 × 0,132 V), fica menor do que a janela de histerese:

6. A parte digital — trama UART, OOK e código

Os Arduinos falam por uma porta série assíncrona (UART). Cada carácter viaja numa trama de 10 bits (Figura 20): com a linha em repouso a 1 (luz acesa), um bit de início a 0, os 8 bits de dados, de D0 para D7, e um bit de paragem a 1, o formato «8N1».

O código do emissor (Listagem 1)

O emissor cria com a biblioteca SoftwareSerial uma porta série no pino 11, a da luz, e deixa os pinos 0 e 1 para o Monitor Série.

// Li-Fi Comunicador - EMISSOR: texto -> luz
#include <SoftwareSerial.h>

const byte PINO_LUZ = 11; // -> R14 -> S1 -> Q1
const long TAXA = 2400;   // 1 bit = 417 us
SoftwareSerial luz(10, PINO_LUZ); // RX nao usado
char linha[64];           // frase escrita no PC
byte n = 0;
unsigned long ultimo = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Monitor Serie (PC)
  luz.begin(TAXA);    // repouso = 1: LED aceso
  Serial.println(F("Emissor Li-Fi: escreve"));
}

void loop() {
  // 1) guarda o que escreves ate ao Enter
  while (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == '\n' || c == '\r' ||
        n == sizeof(linha) - 1) {
      if (n > 0) {
        linha[n] = '\0';
        luz.print(linha); // a frase sai pela luz
        luz.print('\n');  // \n = fim
        Serial.print(F("> "));
        Serial.println(linha);
        n = 0;
      }
      ultimo = millis();
    } else {
      linha[n++] = c;
    }
  }
  // 2) sem texto: mensagem de demonstracao
  if (n == 0 && millis() - ultimo > 5000) {
    luz.print(F("11 DE NOVEMBRO\n"));
    Serial.println(F("> 11 DE NOVEMBRO"));
    ultimo = millis();
  }
}

O código do receptor (Listagem 2)

O receptor lê a porta série do microcontrolador, no pino 0, a 2400 bit/s, e mostra até 32 caracteres no LCD quando chega o fim de linha.

// Li-Fi Comunicador - RECEPTOR: luz -> LCD
#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
char txt[33]; // 2 linhas x 16 caracteres
byte n = 0;

void mostrar() {
  lcd.clear();
  for (byte i = 0; i < n; i++) {
    if (i == 16) lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print(txt[i]);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(2400); // a taxa do emissor
  lcd.begin(16, 2);
  lcd.print(F("Li-Fi: a espera"));
}

void loop() {
  while (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == '\n' || c == '\r') { // fim
      if (n > 0) mostrar();
      n = 0;
    } else if (c >= 32 && c < 127 && n < 32) {
      txt[n++] = c; // so imprimiveis
    }
  }
}

7. O circuito completo no SimulIDE

Todo o comunicador está num só ficheiro, lifi_comunicador.sim1, na pasta projecto_capa_simulide do Pacote Digital. Abre-se no SimulIDE 1.1.0-SR2, a versão estável deste simulador gratuito, que executa os programas reais dos Arduinos (.hex) e calcula o circuito analógico. As Figuras 21 e 22 mostram o emissor com o canal e o receptor.

8. Estudos de simulação

8.1 Modo VOZ a 1,1 m

Com S1 fechado, o gerador do microfone injecta um tom de 1 kHz com 12 mV de pico, e P1 está a 30 % do curso. À entrada do pré-amplificador:

8.2 Modo TEXTO a 1,1 m

Com S1 aberto, o Arduino emissor envia a mensagem de demonstração. A Figura 24, a 2 ms/div, mostra o início de «11 DE NOVEMBRO»: a saída do comparador ⑬ é igual aos dados ③, bit a bit.

8.3 A mensagem no LCD e no Monitor Série

Na Figura 25, escrevemos «11 DE NOVEMBRO» no terminal e carregámos em Enter. O emissor respondeu no Monitor Série com «> 11 DE NOVEMBRO»; a porta série do receptor mostra o mesmo texto, recebido pela luz, e o LCD escreveu-o.

8.4 Modo TEXTO a 1,6 m — o limite

Para simular 1,6 m, o ganho do canal passa para k = 9,80 × 10⁻⁵ (C.11). Baixando o limiar com P2 para centrar a janela de histerese entre os dois níveis:

9. Análise de resultados

Modo VOZ. Todos os desvios da Tabela 7 ficam abaixo de 7 % e acumulam-se ao longo da cadeia. O LED nunca se apaga e nenhum amplificador satura.

Modo TEXTO a 1,1 m e a 1,6 m. A 1,1 m os desvios da Tabela 8 são inferiores a 1 % e as margens são folgadas. A 1,6 m há comunicação, mas só com o limiar reajustado para 2,54 V: 1,6 m é o limite do texto, e 1,1 m a distância de projecto.

10. Lista de material

11. Montagem, testes e resolução de problemas

1. Emissor em repouso (S1 em VOZ): U1A a 2,2 V; emissor de Q1 a 1,5 V (15 mA).
2. Receptor em repouso: V_REF = 1,58 V; TIA perto de 1,58 V com o fotodíodo tapado e de 3,3 V com o LED a 1,1 m.
3. Voz: segue um tom de 1 kHz pelos pontos da Figura 23; depois fala e ouve.
4. Inverso do quadrado: a amplitude no TIA a 0,55 m, 1,1 m e 2,2 m cai para ¼ de cada vez.
5. Texto e limiar (S1 em TEXTO): mede o TIA com o LED aceso e apagado e põe V_th a meio com P2; o LCD mostra «11 DE NOVEMBRO» a cada 5 s.