Performance Measurement of Laser Communication Prototype in Free Space for Water Dam using ATmega328 and Comparison with ZigBee Technology

Nitin Vijaykumar Swami¹, Vilas Malappa Jarali²,

^1,2Computer Science and Information Technology Dept., MBES COE,

Ambajogai 431517, Beed, India. Email: nitinswami59@gmail.com

Abstract— Considering increased demands of the RF channels makes major hurdle in developing new wireless technologies. The existing systems like Bluetooth, IR, Wi-Fi, microwave, ZigBee, etc. are unable to fulfill all the requirements of communications links between devices. It has been shown that now we have to move towards the unused RF spectrum- i.e. Visible Light. Laser communication is one of the types of establishing network using visible light with the help of laser beam. In this paper we describe the development and experimental demonstration of a real-time, low-cost, laser communication system based on ATmega328 microcontroller for water dam module. The proposed system is composed of float and motion sensors to track the information about water levels and earthquakes in water dam. Automation is also provided for better results of monitoring. From the experimental working of system it is demonstrated that the proposed system can monitor water level and informs in earthquake like disaster with higher data transmission speeds.

In this paper part I and II describes the introduction and related work of laser communication technology, part III and IV describes proposed model and its working, and also its comparison with ZigBee technology. Part V and VI state the applications and conclusion of the laser technology.

Index Terms— Laser communication system, free space optical communication (FSO), ATmega328, ZigBee.

I. INTRODUCTION

Now a days there are various media used for data transmission like infrared, Bluetooth, Wi-Fi, etc. are exist. Also the pervasive nature of Internet Of Things (IOT) forcing researcher to search for a new option for the communication technology as radio spectrum will run out in few decades. We can transfer any size of data through these mediums, but the limitations with these mediums are speed and distance of communication. In emergency conditions we need to transfer data for large distance and such type of situations canrsquo;t cover with current media. So we need to use High speed transmission media for this. There are various problems in human life such as Natural disasters like floods, heavy rains, earthquake, etc. Human can detect these all problems with sensors but sensors are inadequate faster for longer data transmissions. So we use here Laser communication system.

This communication technology was already demonstrated by NASA in Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) [1]. The technology uses a laser as transmitter, a photo detector as receiver and the data is sent in the form of laser beam signals.

The working principle of laser communication is based on the amplitude modulation. To send the data we are modulating the amplitude of laser that is nothing but the intensity of the laser. The laser/LEDs are used as transmitter in laser communication. At the receiver side high sensitivity optical receivers with high bandwidth are deployed to sense the differences observed in laser signals. Basically we use Avalanche photodiodes as optical receivers.

We have covered different conditions through sensors like water level monitoring, earthquake detection and get this result within our controller and transfer it to another machine through laser. We have also taken care of other emergency conditions within water dams through this project.

II. RELATED WORK

It is first introduced in 2001 by the European satellites (ESA)[2]. In this system a laser is projected for data transmission in the form of varying intensity laser beam signals. Intensity values are taken under considerations for binary ZERO and ONE. This system has the main drawback of as it works in a line of sight direction so the main challenge is in establishing an optical link between transmitter and receiver. The ESA had achieved a speed of 50Mbps [2] between satellite and ground station.

This is also composed of optical telescope antenna, high accuracy pointing and tracking subsystem and modulation demodulation electronics [3]. At the receiver side there is a photo sensing device which sense data and amplifies it and converts in required format. In free-space optical communication (FSO) the receiver subsystem consists of CCD camera, detectors with different apertures, a quadrant detector (QD) sensor and an avalanche photo detector (APD) receiver [4]. The optical antenna scans the area on the earth and establishes optical link. Then data is transmitted through laser.

In recent the NASArsquo;s Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) mission has achieved a download data rate up to 622Mbps and error free data upload rate of 20Mbps over ~400,000Km distances. This is the longest distance demonstrated in optical free space communication link up to date [1]. The best application can be possible in low earth orbit (LEO) and Geostationary earth orbit system.

III. PROPOSED SYSTEM

The system consists of two modules, one as a transmitter consisting fully hardware part and second is receiver consisting hardware and GUI software interface. The proposed system is implemented as a message delivery system on long distances up to few hundreds of meter in dam module. The block diagram and set up images are shown in fig.1. The system sends information of dam which include water level and earthquake information. In case of earthquakes even a strong seismic shaking from an earthquake travels at about 2 miles per second [5] so it is necess

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ATmega 328水坝自由空间激光通信原型性能测试及与ZigBee技术的比较

Nitin Vijaykumar Swami¹, Vilas Malappa Jarali²,

^1,2Computer Science and Information Technology Dept., MBES COE,

Ambajogai431517,Beed,India.

Email:nitinswami59@gmail.com

摘要：考虑到射频信道需求的增加，成为发展新的无线技术的主要障碍。现有的系统如蓝牙、IR、Wi-Fi、微波、ZigBee等都是UNAB系统。 满足设备间通信链路的所有要求。已经证明，现在我们必须向未使用的射频光谱--即可见光移动。激光通信是 利用可见光借助激光束建立网络的类型。本文介绍了一种实时、低成本的激光通信的研制和实验演示。 基于ATmega 328单片机的水坝模块系统。该系统由浮子和运动传感器组成，用于监测大坝水位和地震信息。 还提供了自动化，以便更好地监测结果。通过系统的实验运行，证明了该系统能够实现对地震水位的监测和报警。 e灾难具有较高的数据传输速度。

本文第一部分和第二部分介绍了激光通信技术的介绍和相关工作，第三、四部分介绍了所提出的模型及其工作，并与ZigBe进行了比较。 e技术。第五、六部分阐述了激光技术的应用和结论。

索引条款-激光通信系统，自由空间光通信（FSO），ATMEGA328，ZigBee。

一.导言

现在有各种各样的媒体用于数据传输，比如红外线、蓝牙、Wi-Fi等等。也是物联网（IOT）迫使研究者搜索A的普遍性质。 通信技术作为无线电频谱的新选择将在几十年后耗尽。我们可以通过这些媒体传输任意大小的数据，但是这些媒体的限制是速度和 通信距离。在紧急情况下，我们需要传输大数据的数据，这种类型的情况不能覆盖当前的媒体。所以我们需要使用高速传输 迪娅为了这个。人类生活中存在着各种问题，如洪水、暴雨、地震等自然灾害。人类可以用传感器来检测所有这些问题，但是传感器是不够的。 更快的更长的数据传输。所以我们在这里使用激光通信系统。

这一通信技术已由美国宇航局在月球激光通信演示(LLCD)中演示[1]。该技术采用激光作为发射机，光电探测器作为接收器， 数据以激光束信号的形式发送。

激光通信的工作原理是基于幅度调制的。为了发送数据，我们正在调整激光的振幅，这只不过是激光的强度。激光/ 在激光通信中，LED被用作发射机。在接收端，配置高带宽的高灵敏度光接收机来感知在激光信号中观察到的差异。巴西卡 我们使用雪崩光电二极管作为光接收器。

我们通过诸如水位监测、地震检测等传感器覆盖了不同的情况，并在我们的控制器内得到了这一结果，并通过激光将其传送到另一台机器。我们 Ave还通过这个项目来处理水坝内的其他紧急情况。

二．相关工作

该系统于2001年由欧洲卫星(欧空局)[2]首次采用。在该系统中，激光以不同强度的激光束信号的形式进行数据传输。强度值为 在考虑二进制零和一的情况下采取。这个系统有一个主要的缺点，因为它在视线方向上工作，所以主要的挑战是在Tran之间建立一条光链路。 施密特和接收器。欧空局在卫星和地面站之间的速度达到了50 Mbps[2]。

这也是由光学望远镜天线、高精度指向跟踪子系统和调制解调电子学组成的〔3〕。在接收器侧有一个光感测装置WH。 我会感知数据，放大数据，并以所需的格式进行转换。在自由空间光通信(Fso)中，接收子系统由ccd摄像机、不同孔径的探测器、象限组成。 检测器(QD)传感器和雪崩光电探测器(APD)接收机[4]。光学天线扫描地球上的区域并建立光链路。然后通过激光传输数据。

最近，美国宇航局的月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)任务实现了高达622 Mbps的下载数据速率和在40多万公里距离内的无错误数据上传速率20 Mbps。 。这是光自由空间通信链路中迄今为止所演示的最长距离[1]。低地球轨道(LEO)和地球静止轨道系统的最佳应用是可能的。

三．拟议系统

该系统由两个模块组成，一个模块作为发射机，由硬件部分组成；第二个模块是接收机模块，由硬件和GUI软件接口组成。拟议的系统是作为 大坝模块中远距离几百米的信息传递系统。框图和设置的图像如图1所示。该系统发送大坝信息，其中包括水位信息。 厄尔尼诺和地震信息。在地震的情况下，即使是地震产生的强烈地震也以每秒2英里左右的速度传播[5]，因此有必要有一个快速的传输速度到c。 花一秒时间来避免大的损失。

图1.拟议系统的框图

RF波主要受建筑材料、水滴的影响，甚至由于空气中的水分存在（6），并且它也消耗大功率，另一方面激光克服。 这些障碍和服务方式更好。不同的测量是从传感器的处理与微控制器和转发到发射机(激光)模块。我们使用Atmega 328在20 MIP 这是适合较小和较轻的设计。用高质量的激光器、更快的微控制器和感受器，我们可以获得接近10 Mbit/s的传输速度[7]。

A.发射机-激光

激光的一个大优点是所产生的信号更集中、更集中，因此可以远距离传输更多的通信能量信号，而rf信号则更多。 在空间中展开，与距离的平方成正比。在系统中，我们采用5MW红色激光器作为650 nm波长的发射器。这种激光器将在真正的实践中靠近大坝。 Ce具有较强的混凝土基座，保持激光器的稳定，便于实际使用。激光器配有Atmel微控制器(ATmega328P-PU型号)。一个10位的SAR型adc转换器是整型的。 在微控制器[8]和Arduino UNO IDE(集成开发环境)中使用了ATE进行相关编程。用该实验装置，实验结果达到100 m。 白天光线充足，晚上超过200米。然后将激光投射到离大坝很远的接收侧。我们可以根据需要增加透镜和更大的配置的激光的功率和焦点。 .

B.传感器

如框图所示，本模块中使用了两种类型的传感器：浮点传感器和运动传感器。讨论如下：

*浮子式传感器：这是一个简单易用的机械开关，当水位高于或低于开关时，开关就会打开和关闭。该开关配有两根长电线，便于连接和 安装机构，方便连接传感器。与Arduino/Raspberry PI和最大开关电流0.5A[8]的电子电路接口简单。这里我们使用了三个浮点传感器a 在不同高度上分别标出30%、60%和90%的水位。当大坝水位超过90%时，电机自动开始抽水。我是唐 使用ARDUINO编程。为了安全起见，还提供了电机的手动开关。

*运动感应器：通常6级的地震会造成巨大的破坏。在这里，我们使用了一个高灵敏度的振动开关，默认为SW-18010P振动传感器。这给了你 在地震等灾害的情况下，信号的小的连续变化。

图2.(A)以激光作为发射机的大坝模块(B)带有光电二极管的接收模块

C.接收器-光电二极管

在接收端，我们使用了雪崩光电二极管，配备了USB到串行UART硬件。光电二极管的另一种选择可以是光电倍增管(PMT)，它甚至能感觉到很弱。 信号。通常UART用于串行

通过计算机或外围设备串口进行通信。由于FSO系统基于视线方案，光电二极管必须与激光对齐。然后用 放大器达到可操作的水平，以便进一步处理。此外，该电路配备有电位器，以调整灵敏度，通过该灵敏度可以检测到信号的微小变化。

D.阿杜诺微控制器软件

对于用户界面，我们在这里使用了一个Arduino IDE，它是用Java编写的。Arduino软件由一个标准的编程语言编译器和在板上运行的引导加载程序组成。n.th e Arduino硬件可以使用类似于C的特定编程语言进行编程。Arduino软件是免费的，开源的。它极大地降低了微控制器pro的成本。 gramming. [9]

四．ZigBee技术的比较

进行测试以区分这些技术。通过激光系统对数据包传输进行了测试。本文对公社进行了比较研究。 ZigBee技术和激光通信系统的范围。ZigBee技术的读数是用X-CTU软件从[10]中提取的.X-ctu是免费提供的软件，用于评估标志。 以分贝为单位，使用ZigBee计数接收数据包的百分比从图3我们可以观察到，在ZigBee的Rx上接收到的数据包数目随着距离的增加而减少，而在激光通信系统由于附近环境中无线电波的多径、反射、折射，ZigBee的指定范围受到限制。相反，激光更集中，更集中。 这样可以使信号在图中显示出更长的距离。

图3.开放空间实验结果

该通信范围在100米的白光下测试，全速为5kBps，还在黑夜中测试了200米以上的距离。数据包的丢失很少(10%-3)。 当激光半径增大时，在200 m以上处，由于环境中的湍流作用，激光强度降低。

如图所示。4.利用激光通信技术，可以在更远的距离上实现包的总投递。图显示在rx端接收到的数据包的百分比。 。当实验在城市地区进行时，由于ZigBee信号的畸变，即使存在自由空间，也会发现一些干扰。但是在激光的情况下，只有直接的物理Distur Bance中断信号，否则将建立连续稳定的通信链路。实验表明，更高的数据

通过使用更高的光学和微控制器的配置，可以获得更高的速率。

图4.接收包百分比

A.激光通信与射频通信相比有何优势？

（1）黑客可以很容易地捕捉到在空中传播的无线信号[13]，但在激光通信中，需要特殊的设置，也很难解码信号。

（2）随着距离的增加，射频信号中的信号强度随着距离的增大而减小，由于单色性和高度聚焦性，激光器可以在更远的距离上生存，即在公斤级。

（3）射频可以向各个方向传播，但激光是高度定向的。

（4）射频安装所需的成本很高，而激光则容易获得，安装方便，成本更低。

（5）射频网络的速度是以Mbps为单位的，但在FSO中，它将以Gbps的形式提供。

（6）在激光通信中可以获得无许可证的频谱。

（7）另一个优点是，与RF相比，设置的空间是紧凑的。

五．申请

1)局域网到局域网的通讯在校园以Gbps的速度进行。。

2)快速重建高速连接(灾后恢复/应急响应)[11]。

3)地面与航天器之间或航天器之间的通信，包括卫星星座的要素[12]。

4) 星际通信 [11].

5)具有高速数据速率的船对舰通信，提供了完全的安全性。

6)建立陆地位置之间的通信联系，例如在大都市区的建筑物之间，山与山之间，两个地面站之间的水平连接[11]。

六．结语

在本项目中，我们演示并比较了激光通信与ZigBee技术的应用。选择组件的方式可以使模块的成本降到最低。 从上述讨论中可以看出，由于环境对信号的吸收、反射和折射，ZigBee距离将受到限制。因此，实际指定的范围 在ZigBee技术中，即使在开放空间也无法达到距离，这限制了距离的60米，而在激光通信系统中，则取得了较好的效果。然而，以5kbps的速度在白天的光和超过200米的距离测试了超过100米距离的通信。与射频通信相比，激光通信成本低，易于实现。未来采用先进的激光装置，不仅可以提高通信距离，而且可以提高通信速度。

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