KY-008: лазерный модуль для Ардуино

Основной компонент модуля — это красный лазерный светодиод с медным цилиндрическим радиатором охлаждения. Также на плате передатчика размещены пассивные компоненты, обеспечивающие стабильный режим работы светодиода. Лазера луч виден в задымленном помещении. и создает небольшое световое пятно на поверхности объекта, расположенного на расстоянии до 14 метров от источника.

Принцип работы лазерного светодиода на схеме

При подключении светодиода к Arduino, во время прохождения электронов через p-n переход происходит спонтанное излучение фотонов света. В лазерном светодиоде происходит рекомбинация фотонов (вынужденное излучения фотонов с одинаковыми параметрами). Принцип работы лазера основан на том, что излучаемые фотоны света вызывают повторное излучение, которое увеличивается лавинообразно.

Интенсивность излучения передатчика ky-008 зависит от силы тока. При малых токах модуль работает, как обычный светодиод, так как происходит только спонтанное излучение фотонов. Когда сила тока превышает пороговое значение – мощность излучения резко вырастает. Лазерный диод испускает свет перпендикулярно поверхности кристалла и фокусируется с помощью оптики (см. фото выше).

Подключение лазерного модуля к Ардуино

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• модуль ky-008 3pin 650nm;
• провода «папа-мама».

Схема подключения к Arduino модуля ky-008 3pin 650nm

Подключение лазерного модуля KY-008 к Arduino довольно простое ввиду того, что используется всего три порта. Но при этом необходимо соблюдать осторожность, так как лазерный передатчик имеет свои особенности. Самое главное луч лазера 650nm нельзя направлять в глаза, кроме того лазерный светодиод при работе сильно нагревается, особенно если на модуль подается питание с большой силой тока.

Счетч для KY-008 650nm Arduino

Подключите модуль KY-008 к Arduino по схеме и загрузите следующий скетч в плату. Скачать все программы лазерного модуля для Ардуино можно .

#define LASER 10 // задаем имя для Pin10 void setup() { pinMode(LASER, OUTPUT); // инициализируем Pin10 как выход } void loop() { for (int i=0; i<=5; i++) // мигание лазерным светодиодом { digitalWrite(LASER, HIGH); delay(500); digitalWrite(LASER, LOW); delay(500); } delay(3000); }

Пояснения к коду:

1. в скетче цикл for несколько раз включает и выключает лазер;
2. время задержки в миллисекундах можно изменять, чем меньше задержка, тем быстрее будет происходить мигание;
3. лазер можно включать плавно с помощью ШИМ сигнала.

Счетч плавного включения KY-008

Еще один простой скетч для плавного включения и выключения лазерного светодиода от микроконтроллера Arduino UNO с помощью цикла for.

#define LASER 10 // задаем имя для Pin10 void setup() { pinMode(LASER, OUTPUT); // инициализируем Pin10 как выход } void loop() { for (int i=0; i<=255; i++) // плавное включение лазера { analogWrite(LASER, i); delay(5); } for (int i=255; i>=0; i—) //плавное выключение лазера { analogWrite(LASER, i); delay(5); } }

1. порт для включения лазерного светодиода можно менять, но только на аналоговый выход с поддержкой ШИМ (Широтно-импульсная модуляция);
2. задержкой delay(5); можно управлять скоростью включения/выключения.

Красный лазерный передатчик можно использовать при изготовлении лазерной указки, измерения расстояния до предметов и сигнализации, реагирующей на прерывание лазерного луча. В разделе проекты на Ардуино для начинающих мы разместили мини проект сигнализации с использованием модуля ky-008 в качестве источника лазерного луча и фоторезистора в качестве приемника, реагирующего на прерывание луча.

Сегодня мы рассмотрим радиочастотную связь между микроконтроллерами с использованием одного из самых популярных ВЧ модулей связи — коммуникационного модуля NRF24LO1.

Модуль NRF24L01 — недорогой экономичный, двухнаправленный приемопередатчик. Он предназначен для работы в диапазоне 2,4 ГГц ISM, который означает, что он может быть использован для проектов, промышленных, научных и медицинских приложений. Модуль может передавать данные со скоростью до 2МБит/с и использует высокоскоростной интерфейс SPI для связи с Arduino или другими микроконтроллерами.

Одна из самых лучших характеристик этого модуля, кроме легкости с которой ее можно использовать с Arduino и другим контроллером, это низкое собственное потребление. Этот модуль потребляет меньше, чем 14mA в при работе и всего несколько микроампер в режиме сна. Это делает его идеальным для проектов, работающих от батареек или аккумуляторов.

Чтобы продемонстрировать использование этого модуля с Ардуино, мы построим простой проект передатчика и приемника. Передатчик посылает данные через регклярные интервалы времени к приемнику, который показывает полученные данные на терминале. Эти данные могут быть данными от датчиков в реальном приложении или командами для приемника для выполнения определенных действий.

Требуемые компоненты

Для сборки этого проекта требуются следующие компоненты;

• 2 nrf24l01
• 2 Arduino Uno или аналогичные
• 2 Батареи
• Провода-перемычки

Схема

Схемы для этого проекта довольно просты, все, что нам нужно сделать, это подключить NRF24L01 к Arduino.

Подключите компоненты, как показано на схеме ниже.

Не забывайте, что один и тот же компонент будет использоваться для создания как передатчика, так и приемника, поэтому нам нужно сделать две одинаковые схемы. Таблица соединений контактов приведена ниже.

GND — GND
VCC — 3.3v
CE — D7
CS — D8
SCK — D13
MOSI — D11
MISO — D12

Важно, что vcc-вывод модуля NRF24L01 не подключен к контакту Arduino 5v, так как это может повредить модуль NRF24L01. Модуль работает от 3.3 в.

Код

Мы напишем два разных скетча Arduino для этого проекта. Один из скетчей будет для передатчика и один для приемника. Скетч передатчика в основном выполняет задачу отправки данных через равные промежутки времени на приемник, который после получения сообщения печатает его на последовательный порт. Оба кода передатчика и приемника сильно зависят от библиотеки RF24, который можно скачать отсюда.

Первое, что мы делаем, как обычно, это подключаем библиотеки, которые мы будем использовать для программы. В данном случае это библиотека SPI, которая поставляется с Arduino IDE и библиотеки RF24, упомянутые выше.

#include <SPI.h> #include «RF24.h»

Далее мы создаем экземпляр библиотеки RF24 с выводами Arduino, к которым в качестве аргументов подключены CE и CS-выводы NF24L01.

RF24 myRadio (7, 8);

Затем мы создаем структуру package, которая в основном является функцией для упаковки данных, которые будут отправлены, после чего мы переходим к функции setup.

struct package { int id=1; float temperature = 18.3; char text = «Text to be transmitted»; }; typedef struct package Package; Package data;

В функции setup, мы инициализируем параметры связи установки модуля НРФ24Л01 как уровень мощности, канал, и битрейт. Важно обратить внимание на канал, используемый на передатчике, поскольку тот же канал должен использоваться на приемнике.

void setup() { Serial.begin(115200); delay(1000); myRadio.begin(); myRadio.setChannel(115); myRadio.setPALevel(RF24_PA_MAX); myRadio.setDataRate( RF24_250KBPS ) ; myRadio.openWritingPipe( addresses); delay(1000); }

После этого мы напишем функцию loop.

Функция loop генерирует фиктивные данные для отправки получателю, увеличивая значение, присвоенное фиктивной переменной temperature в пакете структуры, на 1 при каждом запуске цикла. После генерации данных они отправляются получателю с помощью функции myradio.write (), которая находится в начале цикла.

void loop() { myRadio.write(&data, sizeof(data)); Serial.print(«\nPackage:»); Serial.print(data.id); Serial.print(«\n»); Serial.println(data.temperature); Serial.println(data.text); data.id = data.id + 1; data.temperature = data.temperature+0.1; delay(1000); }

Второй скетч для приемника аналогичен первому, этот скетч принимает данные от передатчика и отправляет их на последовательный порт. Он начинается также путем включения библиотек, которые необходимы для него.

#include <SPI.h> #include «RF24.h»

Далее мы создаем экземпляр библиотеки RF24 также с выводами Arduino, к которому подключены выводы CE и CS NRF24L01, после чего создаем структуру package, к которой поступают температурные данные.

RF24 myRadio (7, 8) struct package { int id=0; float temperature = 0.0; char text =»empty»; }; byte addresses = {«0»};

Затем, функция установки. Так же, как мы сделали для передатчика, мы инициализируем радиочастотный модуль, устанавливая параметры связи в соответствии с параметрами в скетче передатчика.

void setup() { Serial.begin(115200); delay(1000); myRadio.begin(); myRadio.setChannel(115); myRadio.setPALevel(RF24_PA_MAX); myRadio.setDataRate( RF24_250KBPS ) ; myRadio.openReadingPipe(1, addresses); myRadio.startListening(); }

Функция loop для приемника довольно проста, когда данные доступны, мы читаем данные с помощью MyRadio.read и отправляем их на последовательный порт.

void loop() { if ( myRadio.available()) { while (myRadio.available()) { myRadio.read( &data, sizeof(data) ); } Serial.print(«\nPackage:»); Serial.print(data.id); Serial.print(«\n»); Serial.println(data.temperature); Serial.println(data.text); } }

Полный скетч для передатчика и приемника можно скачать в конце статьи.

Демонстрация

Загрузите соответствующий скетч на каждую плату и держите плату, на которой выполняется код приемника, подключенной к компьютеру, чтобы вы могли просматривать данные, отображаемые на последовательном порту. Через некоторое время вы увидите данные с передатчика, как показано на рисунке ниже.

Хотя мы использовали фиктивные данные для этого урока, это могли быть реальные данные, отправляемые с одного Arduino на другой, обеспечивая решение реальной задачи.

Атмосферные оптические системы передачи компании PAV Data Systems

Вернуться к обзору технологий 30 Октября 2014

1. В литературе встречается множество аббревиатур, обозначающих средства оптической связи: FSO, АОСП, БОЛС и т.д. Обозначают ли они одно и тоже или имеют принципиально разные значения?

2. Как работают FSO-системы?

3. Являются ли лазерные системы инфракрасными?

4. Насколько конфиденциальна (надежна) лазерная связь?

5. Нужны ли специальные разрешения или лицензии на использование FSO-систем?

6. Есть ли у FSO-систем компании PAV российский сертификат «ССС»?

7. Существует ли возможность удаленного контроля оптического канала связи?

8. Безопасны ли FSO-системы для здоровья человека?

9. Могут ли FSO-системы быть использованы в качестве временного или резервного канала связи?

10. Способны ли беспроводные оптические системы осуществлять передачу через стекло (является ли стекло помехой для луча)?

11. Что случится, если через лазерный луч пролетит птица?

12. Влияет ли солнечный свет на качество FSO-связи?

13. Как часто необходимо проводить настройку оборудования или профилактические работы?

14. Какие погодные условия влияют на стабильность оптического канала связи?

15. Каково значение MTBF для FSO-систем компании PAV?

16. Какие ограничения существуют для установки ИК-систем?

17. Справочные таблицы

В литературе встречается множество аббревиатур, обозначающих средства оптической связи: FSO, АОСП, БОЛС и т.д.
Обозначают ли они одно и тоже или имеют принципиально разные значения?

В разных источниках встречается большое количество названий оборудования беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне длин волн.

За рубежом данный класс систем принято называть FSO – Free Space Optics, на постсоветском пространстве существует целый ряд обозначений систем беспроводной оптической связи.

За основу следует принять аббревиатуру АОСП – Атмосферная Оптическая Система Передачи, как отраженную в сертификате системы «Связь» (ССС).

Но среди специалистов встречаются и другие сокращения:

	АОЛ(П) – Атмосферная Оптическая Линия (Передачи)
	БОКС – Беспроводной Оптический Канал Связи
	БОЛС – Беспроводная Оптическая Линия Связи
	ЛАЛ – Лазерная Атмосферная Линия

Как работают FSO-системы?

В основном FSO-системы работают по тому же принципу, что и оптоволоконные, за исключением используемой среды передачи.

Сама технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу.

Каждый блок ИК связи использует два параллельных луча, передающий и принимающий, что обеспечивает полнодуплексный канал связи.

Являются ли лазерные системы инфракрасными?

Наши лазерные системы работают в ближней части инфракрасного спектра.

Рабочая длина волны составляет 810-910 нм (в зависимости от модели оборудования).

Насколько конфиденциальна (надежна) лазерная связь?

Ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков.

Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным.

Наличие лазерных лучей нельзя определить с помощью различных сканеров.

Также используются разнообразные собственные протоколы передачи данных, что обеспечивают дополнительную конфиденциальность.

Лазерные системы уже применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации.

Нужны ли специальные разрешения или лицензии на использование FSO-систем?

Т.к. FSO-системы используют близкий к видимому инфракрасный диапазон электромагнитного спектра далеко за границей 400 ГГц, определенной как верхняя граница для радиочастотного регулирования на территории РФ, то никаких лицензий и специальных разрешений не требуется.

Есть ли у FSO-систем компании PAV российский сертификат «ССС»?

Это единственное на настоящий момент сертифицированное в России зарубежное оборудование — Сертификат «ССС» #8470; ОС/1-СП-573.

Существует ли возможность удаленного контроля оптического канала связи?

Компания PAV предлагает целый ряд управляющих опций для каждого продукта – от простых базовых систем удаленного мониторинга, позволяющих контролировать состояние приемо-передающих блоков с помощью группы контактов реле аварийной сигнализации, встроенной в каждый блок, до полнофункциональных систем удаленного управления и мониторинга, позволяющих из единого центра управления сетью контролировать состояние как наружных, так и внутренних блоков FSO-систем, обеспечивать переконфигурирование оборудования.

Безопасны ли FSO-системы для здоровья человека?

Да, безопасны.

Минимальный уровень выходной мощности оптических передатчиков FSO-систем (23, 35 или 100 мВт) и работа в диапазоне длин волн 810-910 нм делают эти системы абсолютно безопасными для здоровья человека.

Согласно документу «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров», выпущенному Московским научно-исследовательским институтом охраны труда (#8470;5804-91 от 31 июля 1991 г.) FSO-системы классифицируются производителем как лазеры I или II класса.

	к лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи
	лазеры II класса – это лазеры, выходное излучение которых представляет опасность (при определенных условиях) при облучении глаз человека коллимированным пучком

Для систем PAV опасность при облучении кожи отсутствует; диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз.

Могут ли FSO-системы быть использованы в качестве временного или резервного канала связи?

Приемо-передающие блоки FSO-систем имеют малый вес и габариты и могут быть легко перенесены и установлены на новом месте.

Система идеально подходит для быстрого развертывания в случае выхода из строя основного канала или для временного использования.

Так в Великобритании атомные электростанции разворачивают FSO-системы во время профилактических работ, что позволяет обеспечить высокоскоростной канал связи на территории всей станции без высоких затрат и протяжки кабеля.

Также FSO-системы нашли широкое применение при организации высоконадежных систем передачи данных, где используется резервирование каналов связи (радиорелейных, проводных и др.).

Способны ли беспроводные оптические системы осуществлять передачу через стекло (является ли стекло помехой для луча)?

Приемо-передающие блоки FSO-систем могут устанавливаться и за стеклом, однако из-за разнообразия параметров поглощения и отражения разных типов стекла, каждый конкретный случай следует рассматривать особо.

В любом случае возможность наличия на линии оптического канала прозрачного стекла приводит к уменьшению рекомендованной дистанции установки приемо-передающих блоков.

Что случится, если через лазерный луч пролетит птица?

Если птица (или какой либо другой объект) пересечет луч, то никакого вреда ни оборудованию, ни птице причинено не будет.

Тем не менее в случае, если лазерный луч будет полностью перекрыт (крупная птица), то передача данных будет кратковременно прервана (доли секунды).

В зависимости от используемых протоколов, будет произведена перепосылка пакетов данных или сгенерированы коды ошибок.

Влияет ли солнечный свет на качество FSO-связи?

Т.к. оборудование работает в ближнем ИК-диапазоне, то прямой солнечный свет может повлиять на работу оборудования.

Это может произойти в том случае, если оборудование установлено таким образом, что солнечный луч попадает непосредственно в оптический приемник (например, один из блоков стоит на много уровней ниже другого и линия оптического канала пересекается с траекторией восхода или заката солнца).

Использование простых рекомендаций при установке позволит избегать влияния солнца на канал в большинстве случаев.

Как часто необходимо проводить настройку оборудования или профилактические работы?

При правильной установке, FSO-система PAV требует очень мало внимания, однако существует ряд простейших профилактических работ (очистка защитных стекол, проверка настройки), которые стоит проводить раз в два года.

Дополнительно, можно заключить контракт на обслуживание FSO-систем.

Какие погодные условия влияют на стабильность оптического канала связи?

Особые погодные условия, такие, как дождь, снег, туман и т.д., могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон инфракрасной связи.

Такие условия изменчивы, тем не менее, общие сезонные тенденции определяются климатической зоной, широтой и другими известными географическими параметрами местности, где планируется установка оборудования.

Другие факторы, ухудшающие видимость – это песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей.

Компания MicroMax применяет специальное программное обеспечение MILE Pro, обеспечивающее быстрый расчет параметров канала оптической передачи данных через реальную окружающую среду (атмосферу) между конкретными инфракрасными устройствами.

Программа вычисляет возможную дальность связи при заданной скорости передачи с учетом требуемых значений уровня ошибок и существующих (или ожидаемых) погодных и местных условий для предполагаемого географического положения.

Кроме того, основываясь на базе данных о погодных условиях, программа MILE Pro предоставляет графики готовности FSO-систем в зависимости от рабочей дистанции.

Программа обладает набором утилит, позволяющих производителям оборудования оптимизировать свои системы для получения наилучших характеристик канала передачи.

Кроме базы данных о погоде различных регионов России и мира, в состав программного обеспечения входит база данных по широкому спектру инфракрасных устройств, электронным и оптическим компонентам, применяемым в FSO-системах.

Каково значение MTBF для FSO-систем компании PAV?

Среднее время безотказной работы (Mean Time Between Failures – MTBF) FSO-систем компании PAV Data Systems вычисляется с помощью программного комплекса Milstres 217F и составляет 105.000 часов (около 12 лет).

Какие ограничения существуют для установки ИК-систем?

Для надежной работы FSO-систем перед их установкой необходимо учитывать целый ряд факторов:

наличие прямой линии видимости между точками установки приемо-передающих блоков. Т.к. FSO-системы работают по принципу «точка-точка», то для них необходима прямая линия видимости. При установке должны быть учтены любые преграды на пути луча (деревья, здания и т.д.), которые могут создавать помехи передаче данных. Типичными помехами, на которые стоит обращать внимание, являются молодые деревья, способные вырасти и пространства, на которых впоследствии возможна застройка.

дистанция между точками установки приемо-передающих блоков. В зависимости от требуемого уровня готовности оптического канала связи компания PAV предлагает оборудование с рабочей дистанцией до 4 км. На этих расстояниях инфракрасное оборудование намного рентабельнее, чем радиочастотные или арендованные линии.

Справочные таблицы

Соответствие лазерных систем PAV требованиям безопасности:

Уровень безопасности:	Класс I	Класс II
Модели:	PAVExpress PAVLight 622-1TX PAVLight 1G-1TX	Серия SkyCell Серия SkyNet Серия PAVLight 155 PAVLight 622-3TX PAVLight 1G-3TX
Выходная мощность ИК блока:	25 или 35 мВт	3×25, 100 или 3×100 мВт
Рабочая дистанция:	200 или 500 м	500, 1000, 1500, 2000 или 4000 м

Классификация оптических передатчиков лазерных систем компании PAV:

Выходная мощность оптического передатчика	Класс	Длина волны	Мощность в поле максимального облучения (при апертуре 7 мм)
25 мВт	I	810, 830 или 910 нм	0.075 мВт
35 мВт	I	830 нм	0.1 мВт
100 мВт	II	910 нм	0.51 мВт