Memoire pour la transmission d'une image par Li Fi

Transmission d’une image par Li-Fi

1

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherché Scientifique

Université des Sciences et de la Technologie d’Oran, Mohamed Boudiaf

التعليـــــن العالــــي والبحث العلوــــــــي وزارة

ا بوهراىـــــجاهعــــت العـلــــــوم والتكنولوجي هحود بوضيــــــا ف

FACULTÉ DE GÉNIE ELECTRIQUE

DÉPARTEMENT D’ELECTRONIQUE

Mémoire de projet de fin d’études Pour l’obtention du diplôme de

MASTER

Spécialité : Electronique

Option : Réseaux, Télécommunication, Vision et Multimédia

Présente par:

Mr Ssewannonda Keith Edwin

Thème

Soutenu le: 31Mai 2016

Devant le jury composé de:

Mr. K. AL BOUDADI USTO, MB Président

Mr A. MECHE USTO, MB Encadreur

Mr B. ALSHAQAQI USTO, MB Examinateur

Année Universitaire : 2015 /2016

Transmission d’une image par LIFI


2

Table des matières Tableau du figures ........................................................................................................................................... 5

Tableau des tableaux ...................................................................................................................................... 6

Dédicaces ........................................................................................................................................................ 7

Remerciements ............................................................................................................................................... 8

Introduction .................................................................................................................................................... 9

Chapitre 1 : Les généralités ........................................................................................................................... 10

1.1 La définition de la lumière ............................................................................................................ 10

1.2 Les sources courantes ......................................................................................................................... 11

1.2.1 La fluorescence ............................................................................................................................ 11

1.2.2 La lumière incandescence ............................................................................................................ 11

1.2.3 Les lampes halogènes .................................................................................................................. 11

1.2.4 Les lampes fluo compactes (CFL) ................................................................................................. 11

1.2.5 Les lampes à LED .......................................................................................................................... 11

1.3 Facteurs considéréslors du choix d'une source de lumière ................................................................ 11

1.3.1 L’efficacité .................................................................................................................................... 11

1.3.2 La performance de couleur .......................................................................................................... 12

1.3.3 La contrôlabilité ........................................................................................................................... 12

1.3.4 La durée de vie et le coût ............................................................................................................. 12

1.4 Les détecteurs de lumière ................................................................................................................... 13

1.4.1 L’œil .............................................................................................................................................. 13

1.4.2 Les détecteurs photochimiques ................................................................................................... 13

1.4.3Les détecteurs photo électroniques ............................................................................................. 13

1.4.4 Les photodiodes ........................................................................................................................... 13

1.4.5 Les phototransistors..................................................................................................................... 13

1.4.6 Les photo-Darlington ................................................................................................................... 14

1.4.7 Les photo-Thyristor ...................................................................................................................... 14

1.4.8 Les photo coupleurs ..................................................................................................................... 14

1.4.9 Les cellules photovoltaïques ........................................................................................................ 14

Chapitre 2 : Principe et applications du LIFI.................................................................................................. 15

2.1 La définition de LIFI ............................................................................................................................. 15


3

2.2 Le protocole 802.15.7-2011 ................................................................................................................ 15

2.3 L'internet par LIFI ................................................................................................................................ 16

2.3.1 L’envoi des informations numériques dans le réseau électrique ................................................ 16

2.3.2 La conversion du signal électrique en un signal lumineux ........................................................... 16

2.3.3 La réception et traitement des signaux lumineux ....................................................................... 16

2.4 Autres applications du LIFI .................................................................................................................. 16

Chapitre 3 : Conception des logiciels et descircuits ...................................................................................... 18

3.1 Introduction ........................................................................................................................................ 18

3.2L'information à transmettre ................................................................................................................ 19

3.3Le transmetteur basé sur Android ....................................................................................................... 19

3.3.1 La lecture des fichiers sur l’Android ............................................................................................. 22

3.3.2 Les déclarations ........................................................................................................................... 22

3.3.3 La vérification de la disponibilité d’une mémoire externe .......................................................... 22

3.3.4 camera vs camera2 ...................................................................................................................... 22

3.5Conception des circuits émetteur et récepteur ................................................................................... 22

3.5.1 PCB(Printed Circuit Board) ........................................................................................................... 23

3.5.2 Le circuit réalisé pour la communication LIFI .............................................................................. 23

3.5.3 L’Arduino Uno .............................................................................................................................. 24

3.5.4Adaptation des signaux RS-232..................................................................................................... 25

Chapitre 4 :Expérimentation de latransmission LIFI ..................................................................................... 28

4.1 Implémentationdu LsiLifi16 ................................................................................................................ 28

4.2 Implémentation du circuit crée .......................................................................................................... 29

Chapitre 5 : Le LIFI, quel avenir? ................................................................................................................... 33

5.1 Impact socioéconomique ................................................................................................................ 33

5.2 Etats du SEIA ................................................................................................................................... 33

5.3 Le marché VLC/LIFI .......................................................................................................................... 33

5.4 Le marché mondialdes lampes ....................................................................................................... 34

5.5 Les fichiers transmettent sur les portables et tablettes ................................................................. 34

5.6 Les achats pour les Smartphones et tablettes ................................................................................ 35

5.7 Le marché Moyen-Orient et Afrique pour les appareils ................................................................. 35

Conclusion ..................................................................................................................................................... 36

Les abréviations ............................................................................................................................................ 37


4

Bibliographie ................................................................................................................................................. 38


5

Tableau du figures Figure 1 : La comparaison entre les ondes radio et les ondes visibles ......................................................... 10

Figure 2 : L’efficacité des sources du la lumière ........................................................................................... 12

Figure 3 : Une photodiode avec son graphique I-V ...................................................................................... 13

Figure 4 : Une cellule photovoltaïque ........................................................................................................... 14

Figure 5 : Harald Haas (2011) ........................................................................................................................ 15

Figure 6 : Dahmani Mohammed (2015) ........................................................................................................ 15

Figure 7: Un système Li-Fi ............................................................................................................................. 16

Figure 8: Dans le ROV sous-marine Figure 9 : Le réseau dans l’avion ............................ 17

Figure 10: La transmission des données entre les portables Figure 11: La communication

inter-véhicule ................................................................................................................................................ 17

Figure 12: Synoptique d'un système de transmission numérique ............................................................... 18

Figure 13 : Synoptique du système transmission réalisé .............................................................................. 18

Figure 14 : Interface graphique de l’application LsiLifi16 ............................................................................. 20

Figure 15 : L'organigramme simplifié du transmetteur Android .................................................................. 20

Figure 16 : L'organigramme bouton Lire ....................................................................................................... 21

Figure 17 : L'organigramme pour le bouton envoyé ..................................................................................... 21

Figure 18 : L'organigramme pour les boutons effacer et annuler ................................................................ 21

Figure 19 : Les 3 outils en Proteus 8 ............................................................................................................. 23

Figure 20 : Schéma équivalent pour le circuit............................................................................................... 24

Figure 21 : Le circuit visualisé en 3D ............................................................................................................. 24

Figure 22 : L'Arduino Uno, vue de face et de dos ......................................................................................... 24

Figure 23 : Les câbles RS-232 et l'adaptateur USB/série .............................................................................. 26

Figure 24 : Le schéma de branchement de l'adaptation réalisé ................................................................... 26

Figure 25 : Visualisation 3D de l'adaptateur réalisé ..................................................................................... 26

Figure 26 : Le schéma électronique de l'émetteur récepteur LIFI réalisé avec l'interface série .................. 27

Figure 27 : Visualisation 3D de l'émetteur récepteur LIFI réalisé avec l'interface série ............................... 27

Figure 28 : Paquet pour ASCII A .................................................................................................................... 28

Figure 29 : L'envoie des contenus pour un fichier texte ............................................................................... 28

Figure 30 : Limage lifi.jpg et les contenus en binaire et le temps pour converti en ms ............................... 29

Figure 31 : Le signal emis par la LED ............................................................................................................. 30

Figure 32 : L'émetteur la LED et le récepteur La photodiode ....................................................................... 30

Figure 33 : Le signal reçoit par la photodiode ............................................................................................... 31

Figure 34 : Les deux signaux à la photodiode et à la LED ............................................................................. 31

Figure 35 : L'émetteur à l'Arduino ET le récepteur (notre circuit) ................................................................ 31

Figure 36 : Les composantes d'impact d'environnement ............................................................................. 33

Figure 37 : La taille de la Marche VLC/LIFI (en $ Millions) ............................................................................ 34

Figure 38 : % de la Marche mondiale les lampes à LED ................................................................................ 34

Figure 39 : Les achats pour les Smartphones ET tablettes 1990-2012 ......................................................... 35

Figure 40 : Le marché Moyen-Orient et Afrique prédit pour les appareils (Les unités en millions)............. 35


6

Tableau des tableaux Tableau 1: Les valeurs CRI pour les différentes sources de la lumière ......................................................... 12

Tableau 2: Le coût et la durée de vie des lampes pour la décade (1999-2009) ........................................... 12

Tableau 3 : La sommaire des caractéristiques d'un Arduino Uno ................................................................ 24

Tableau 4 : Les fichiers transmettent sur les portables et tablettes en téraoctet entre 2014 -2019* ........ 34


7

Dédicaces

A ma mère, à mon père

A mon frère et mes sœurs

A tous mes amis(es)

A tous mes maitres et professeurs du premier au supérieur

A tous ceux qu’en contribue n’importe quel effort pour cette

mémoire

Ceux qui donnent le respect à l’électronique et le LIFI


8

Remerciements

Le master est une aventure scientifique et humaine riche en émotions. Il comporte

ses moments de joie, d’excitation, mais aussi ses moments d’hésitation et de doute.

A toutes ces personnes, je prends le temps de ces quelques lignes pour les

remercier.

Je voudrai remercier Dieu tout puissant qui et à cause de son grâce mon à vie et

cette opportunité à l'Algérie est possible.

Je n’oublie pas mes parents M. Francis et Me. Oliva qui ses sont occupés moi depuis

je suis un bébé !

Ce travail est réalisé sous la direction du M. Meche Abdelkrim mon encadreur et M.

Dahmani les deux sont professeurs au département automatique. Je voudrai aussi

les remercier pour les aides et le support pour l'achèvement de ce mémoire. Ils ne

sont pas seulement sacrifiés leurs temps mais ils sont toujours disponibles pour la

consultation.

Je remercie aussi les professeurs qui m'ont enseignés depuis la licence et en master.

La connaissance et la conduite qu’ils ont donnée, je jamais oublie.

Je remercie madame Fatiha responsables du laboratoire LSI, pour m’avoir la

coordination avec le département électronique, l’espace et les composantes

nécessaire pour réaliser ce travail.

Je remercie les différents membres du jury pour avoir évalué ce travail de mémoire.

Je suis honoré que M. Kaddour Al Boudadi ait présidé le jury. Je remercie

également à M. Alshaqaqi mon examinateur.

Je pense aussi à mes amis de RTVM M2 2015-2016 et ceux qui m’ont soutenu, J’ai

spécifié Benildo Augusto que je fais de recherches concernant Li-Fi.


9

Introduction

La communication été depuis le temps un des soucis majeurs de l'homme. On peut classer les techniques

de communications en deux grandes familles : les techniques filaires et les techniques sans fils. Le LIFI

(abréviation des termes anglais Light Fidelity), à l'instar du WIFI (Wireless Fidelity) appartient aux

deuxièmes familles. Le WIFI utilise des ondes hertziennes, tandis que le LIFI utilise la lumière.

La technologie ainsi que les techniques du LIFI sont actuellement en phase de développement, mais à

grande vitesse. Cette technologie qui est lancée ce siècle, présente une innovation qui peut faciliter la vie

humaine. Elle doit être adaptée aux applications et aux besoins de la vie quotidienne. La technique du

LIFI permet d'atteindre des vitesses de transmission qui dépassent de loin celles du WIFI. Ce qui a orienté

les travaux actuelles vers l'exploitation du LIFI dans l'internet bidirectionnelle en très haut débit (>1

Gb/s).

Les travaux effectués dans notre laboratoire (Laboratoire signaux et Image LSI), se sont limités

actuellement aux débits faibles (quelques kb/s). Le but de ce projet est d'effectué la transmission via le

LIFI avec une vitesse voisine de quelques Mb/s. Cette limite est imposée par deux raisons: La première

raison c'est qu'on a commencé les travaux de recherche sur ce domaine que ces deux dernières années.

La seconde raison étant le matériel limité qu'on s'est procuré cette année.

L'application visée dans ce projet est la transmission d'une image. A cet effet, on a envisagé deux cas de

figures. Le premier est la transmission entre deux ordinateurs, le second est la transmission entre un

Smartphone et un ordinateur. On note que ce dernier cas nécessite la programmation par Androïde.

Le reste du mémoire, est organisé comme suit: Dans le premier chapitre on aborde les généralités

concernant la lumière et les composants électroniques associés à son exploitation. Dans le second

chapitre on présente le principe de la technologie LIFI ainsi que ces applications. Le troisième chapitre

portera sur la programmation des logiciels et la description et conception du matériel associé à

l'application. En dernier chapitre on présentera l'impact socioéconomique de notre projet. En fin on

conclut notre travail et on donnera certaines perspectives.


10

Chapitre 1 : Les généralités

1.1 La définition de la lumière La lumière visible fait partie des ondes électromagnétique du rayonnement lumineux auquel notre œil est sensible [1]. Il est caractérisé par :

Sa fréquence [1014, 1016] Hz.

Sa longueur d’onde [400,700] nm.

Figure 1:La comparaison entre les ondes radio et les ondes visibles

Comme source de lumière on distingue:

Les sources primaires : Le soleil, bougies, lampe à incandescence, tube fluorescent… Elles produisent la lumière qu’elles émettent. Les éclairages artificiels tendent à produire une lumière la

plus voisine possible de celle du Soleil (lumière blanche) afin que notre perception des couleurs se

rapproche le plus possible de celle de la lumière du jour.

Les sources secondaires : La Lune, les planètes, l’écran d’un projecteur, etc.…, absorbent la lumière produite par une source primaire et la diffusent.

La lune et les planètes du système solaire ne produisent aucune lumière. Elles renvoient en partie la lumière qu’elles reçoivent du Soleil. Ces différentes sources peuvent être des sources ponctuelles ou des sources étendues


11

1.2 Les sources courantes

1.2.1 La fluorescence

Pour le tube fluorescent, le courant génère une décharge par les atomes de mercure en vapeur qui

émettent l’énergie ultraviolet invisible. Cette énergie est absorbé par le phosphore à l’intérieur du tube

cela émet de la lumière visible [2].

1.2.2 La lumière incandescence

Après échauffent, certains corps émettent de la lumière, ce phénomène s'appelle l’incandescence. Pour

les sources incandescentes, on doit fournir beaucoup d’énergie afin d'obtenir une lumière acceptable [2].

1.2.3 Les lampes halogènes

Ces sont également des lampes à incandescence mais l’ampoule contient des vapeurs de brome ou

d’iode qui permet aux fragments de tungstène de se détaché du filament et de s’y redéposer. Le filament

se dégrade moins vite et autorise un échauffement beaucoup plus important, produisant une lumière

plus forte et plus blanche qu’une lampe ordinaire. En plus, l’ampoule ne noircit pas. La puissance varie

entre 20 à 500Watts [2].

1.2.4 Les lampes fluo compactes (CFL)

Ces lampes « basse énergie » sont une variante moins encombrante des tubes fluorescents. Le tube est

disposé en cercle ou en U. Parfois, il est enveloppé en verre et plus mince et plus court. Certain modèles

possèdent un régulateur électronique de courant pour éviter le clignotement à l'allumage [2].

1.2.5 Les lampes à LED

C’est souvent un ensemble de LED. Elle constitue un dispositif semi-conducteur au silicium qui est traversé par un courant très faible (quelques milliampères) et une tension à partir 3.5V. Les LED fournissent une lumière très forte. Les diodes utilisées dans l’éclairage, le dispositif émetteur, diffuse de la lumière selon un angle de 120° [2].

1.3 Facteurs considérés lors du choix d'une source de lumière Selon Ian Rowbottom [3], il y a certains facteurs très importants qu'on doit considérer afin de sélectionner une source de lumière pour une application donnée :

1.3.1 L’efficacité

C’est la mesure de la conversion de l'énergie électrique (Watts) en une lumière (Lumens).Les LED offrent une très haute efficacité suivie par les CFL. Tandis que les lampes d’incandescence et de l’halogène ont une efficacité plus basse. Théoriquement, l’efficacité maximale pour un LED est de 683 lumens/watt mais en pratique elle est voisine de 60 lumens/watt [3].


12

Figure 2 : L’efficacité des sources du la lumière

1.3.2 La performance de couleur

Le CRI est une mesure quantifiant la capacité de la source lumineuse à reproduire les couleurs d’un objet comparé à celles données par la lumière des jours. Le tableau suivant donne quelques indications [3]:

Source de la lumière CRI

Le soleil 100

Incandescence 100

Halogène 100

CFL 82

LED 80

Tableau 1: Les valeurs CRI pour les différentes sources de la lumière

1.3.3 La contrôlabilité

Elle peut être considérée comme étant la capacité d'allumer et d'éteindre suivant un temporisateur ou

d'un capteur. En comparaison avec toutes les autres types, les lampes à LED sont les plus stables vis-à-vis

de ce facteur [3].

1.3.4 La durée de vie et le coût

Le tableau ci-dessous montre le prix, la puissance ainsi que la durée de vie de différentes sources de

lumière pour10 ans, utilisées3 heures pendant 365jours par année [3].

Lampe Prix (en $) La puissance utile (en watts)

Durée de vie (en heures)

L’incandescence 1,75 60 1000

L’halogène 5,00 40 3000

CFL 15,00 15 12000

LED 100 15 25000 Tableau 2: Le coût et la durée de vie des lampes pour la décade (1999-2009)


13

1.4 Les détecteurs de lumière Les détecteurs de lumière sont les corps qui réagissent à la lumière.

1.4.1 L’œil

Il reçoit les rayons lumineux qui traversent une succession de milieux transparents et viennent

impressionner la rétine. Par l’intermédiaire, des fibres nerveuses formant le nerf optique, les cellules de

la rétine (cônes et bâtonnets) transmettent au cerveau un influx nerveux [4].

1.4.2 Les détecteurs photochimiques

Ce sont des substances chimiques qui réagissent sous l’action de la lumière (ex : les sels d’argent des

pellicules photographiques qui noircissent sous l’effet de la lumière) [5].

1.4.3Les détecteurs photo électroniques

Ce sont des composants électroniques qui ont un comportement qui dépend de la lumière reçue ainsi

que de la température de la cellule. Les appareils photographiques et les caméscopes par exemple

utilisent ces composants [5].

1.4.4 Les photodiodes

Considérons une jonction P-N polarisée en inverse (figure 3). Lorsque cette jonction est dans l’obscurité, elle est le siège d'un courant de fuite que l'on appelle courant d'obscurité .Si l'on illumine cette jonction avec une radiation de longueur d'onde suffisamment faible, il y a création de paires électron-trou au sein du cristal.

Figure 3 : Une photodiode avec son graphique I-V

Dans la pratique les photodiodes ne sont jamais utilisées seules du fait de la faiblesse du courant qu'elles

peuvent délivrer. Elles sont donc généralement associées à un amplificateur qui est souvent intégré à la

même puce. Les caractéristiques du composant ainsi formé deviennent alors celles de l'ensemble

photodiode + amplificateur [5].

1.4.5 Les phototransistors

Le phototransistor est la combinaison la plus simple d'une photodiode et de son amplificateur. En dirigeant la lumière sur la jonction collecteur-base (qui est polarisée en inverse), on génère un courant de

base d'origine photonique qui est amplifié par le gain en courant du transistor


14

Si la base est accessible de l'extérieur une polarisation du transistor est possible, on a :

IE = (Ip + IB) (+ 1) (1)

Avec Ip courant base d'origine photonique, IB courant de base extérieur, IE : courant émetteur et gain en courant du transistor. On remarque que la sensibilité et la réponse du phototransistor varient avec le gain du transistor. La vitesse de réponse du phototransistor est très inférieure à celle d'un transistor équivalent [5].

1.4.6 Les photo-Darlington

Il s'agit d'un composant très voisin du phototransistor à l'exception du gain beaucoup plus élevé du fait de la structure à deux étages. Le photo-Darlington se révèle un détecteur extrêmement sensible par contre, son temps de réponse est beaucoup plus long que celui du phototransistor. De même, le courant d'obscurité du photo-Darlington est très supérieur à celui du phototransistor [5].

1.4.7 Les photo-Thyristor

Le schéma équivalent du thyristor à l'aide de deux transistors NPN et PNP permet de mieux saisir le mécanisme d'amorçage. Le courant d'origine photonique généré dans la jonction collecteur-base du transistor NPN provoque la conduction de celui-ci entraînant l'amorçage du thyristor de manière identique à un courant injecté dans la gâchette [5].

1.4.8 Les photo coupleurs

Les photo-coupleurs ou coupleurs optoélectroniques sont des composants intégrant dans le même

boîtier une diode émettrice infrarouge et une photo détectrice (phototransistor par exemple). Ces deux

éléments sont couplés optiquement mais sont électriquement isolés [5].

1.4.9 Les cellules photovoltaïques

Elles présentent une combinaison de plusieurs photodiodes et formant ainsi un panneau solaire, appelé

aussi module photovoltaïque (module PV)[6].

Figure 4 : Une cellule photovoltaïque


15

Chapitre 2 : Principe et applications du LIFI

2.1 La définition de LIFI LIFI est un acronyme pour le terme anglais 'Light Fidelity', il a été proposé par Harald Haas université d’Edinburgh [7]. C’est une technique de communication sans fils à très haut débit en utilisant la lumière. Le principe étant simple, Harald Haas à proposer ce qui suit: si une LED est allumée on transmet1, et si elle est éteinte ontransmet0.

Figure 5 : Harald Haas (2011)

En Algérie, Dahmani Mohammed au laboratoire LSI à l’USTO en Mai, 2015, fut le premier en Algérie qui a

réaliser un système de transmission via le LIFI [8].

Figure 6 : Dahmani Mohammed (2015)

2.2 Le protocole 802.15.7-2011 Il définit les couches PHY et MAC pour la communication sans fil optique à courte distance [9]. Ce protocole fourni standard global pour la communication optique utilisant la lumière visible. Ce standard ce caractérise par :

a) Plusieurs THZ b) Immunité à l’interférence et non interférence électromagnétique avec les systèmes RF c) Augment de la sécurité par permit l’utilisateur voir le canal de la communication d) Augment la communication et complément les services existant d’infrastructure de la lumière

visible.


16

2.3 L'internet par LIFI

2.3.1 L’envoi des informations numériques dans le réseau électrique

L’ordinateur est branché au réseau électrique par un adaptateur CPL. Ce dernier permet à l’ordinateur,

tout en étant alimenté, d’envoyer ses données directement via le réseau électrique. Les informations

sont superposées au courant électrique à 50 Hz par l’ajout d’un signal à plus haute fréquence [10].

Figure 7: Un système Li-Fi

2.3.2 La conversion du signal électrique en un signal lumineux

Le signal électrique parvient jusqu’à une LED qui est également connectée au réseau via un adaptateur CPL. Équipée d’un système de traitement à la fois analogique et numérique, la diode convertie le signal électrique en un signal lumineux qu’elle émet quand elle est allumée. La transmission est semblable à celle de morse, et utilisant le système binaire : 0 = éteint, 1 = allumé [7]. On peut atteindre le haut débit soit 100 Mbit/s tel le cas du WIFI, comme on peut aller plus loin.

2.3.3 La réception et traitement des signaux lumineux

Les appareils (ordinateur, tablette, téléphone) situés dans la zone d’éclairage reçoivent les données transmises grâce à leur récepteur LIFI. Il se compose d’une photo détectrice et un amplificateur pour la conversion en signal électrique et d’un système de traitement du signal pour démoduler les données numériques [10].

2.4 Autres applications du LIFI L’application du LIFI peut être généralisée à toutes les activités de la vie quotidienne. On présente ici

quelques exemples:


17

Figure 8: Dans le ROV sous-marine Figure 9 : Le réseau dans l’avion

Figure 10: La transmission des données entre les portables Figure 11: La communication inter-véhicule


18

Chapitre 3 : Conception des logiciels et des circuits

3.1 Introduction Les systèmes de transmission numériques véhiculent l’information entre l’émetteur et le récepteur via un support, dans ce projet c’est la lumière. Notre projet porte sur la transmission d'une image par LIFI entre deux appareils. Le schéma synoptique d’un système de transmission numérique de base est donné à la figure ci-dessous [11] :

La source émet un message numérique en binaire,

le codeur effectue le codage le codage de l'information,

le modulateur a pour rôle l’adaptation du spectre du signal transmis au milieu.

à la réception, le destinataire doit être équipé d'un démodulateur et d'un décodeur.

Figure 12: Synoptique d'un système de transmission numérique

Le système de transmission réalisé est illustré sur la figure 13, et comporte:

La source et la destination : ordinateurs ou Smartphones

Une interface de transmission à base de LED

Une interface de réception à base d'une diode photosensible.

Figure 13 : Synoptique du système transmission réalisé


19

Remarques

On a opté pour l'utilisation des cartes Arduino, car elles présentent une flexibilité accrue et une simplicité d'étude et d'intervention au niveau de la programmation. Cela nous a permis de se focalisé sur le LIFI et de comprendre et d'améliorer notre circuit.

En ce qui concerne le Smartphone, on a utilisé un Samsung S4 doté d'un Android Lollipop 5.0.1. La programmation sous Android se réalise par l'utilisation de logiciels tels que Eclipse ou Android studio on note que ces logiciels nécessitent des modules complémentaires comme Android SDK Manager et Android JDK.

Pour la manipulation des E/S (entrées sorties) coté ordinateur on a utilisé le logiciel Matlab.

Le logiciel PROTEUS nous a permis une conception aisée des circuits imprimés.

Par la suite, on va détailler les différentes parties du système réalisé en commençant par l'information à transmettre.

3.2L'information à transmettre Le système qu'on a réalisé peut transmettre n'importe quel type de données, à condition que la taille ne

soit pas trop grande (quelques Méga octets). Dans le cas contraire, la durée de transmission sera trop

longue. Dans notre cas, on a opté pour la transmission d'une image. Une image digitale est composée de

pixels formant ainsi une matrice 2D. Ainsi les objets peuvent être distingués par l’ajustement de la

couleur de chaque pixel [12]. On trouve plusieurs standards ou types d'images, cependant, on se limite

aux types supportés par le système Android suivant. L’Android supporte seulement 5 types d'images [13]:

JPEG

PNG

GIF

WEBP

BMP

3.3Le transmetteur basé sur Android Pour envoyer les données à partir d'un Smartphone, on a créé une application Android qu'on a nommée

LsiLifi16. Cette application utilise la LED de la montée sur le portable, elle est utilisée soit comme flash de

la caméra soit comme une lampe de poche. On a utilisé cette LED comme étant un transmetteur

d'informations.

L'interface choisis pour l'application LsiLifi16 qu'on a développée est illustré sur la figure 14. L'utilisation

de cet interface requière principalement : a) la saisie du nom du fichier, b) l'activation du bouton lire et c)

la pression sur le boutons envoyé. D'autres boutons ont été ajoutés Après, nommés : effacer et annuler.

Enfin le logo de laboratoire d’étude est fait LSI. La figure 15 montre l’organigramme de l’application qu'on

a développée. La séquence d'instructions appropriée à chaque bouton est illustrée sur les figures16-18.


20

Figure 14: Interface graphique de l’applicationLsiLifi16

Figure 15 : L'organigramme simplifié du transmetteur Android

L'application est lancée

Le saisie du nom de fichier

L'activation du bouton pour lire le contenu du fichier

L'activation du bouton pour

l'envoie du fichier par LIFI

La remise à zéro du champ de saisie du

nom du fichier


21

Figure 16 : L'organigramme bouton Lire

Figure 17 : L'organigramme pour le bouton envoyé

Figure 18 : L'organigramme pour les boutons effacer et annuler


22

Le développent de l'application ainsi que la gestion des fichiers sous Android présentent certaines

difficultés. A cet effet, on présente ici les problèmes qu'on peut rencontrer.

3.3.1 La lecture des fichiers sur l’Android

Dans Android, par défaut, la lecture des fichiers enregistrés en interne est privée à application en cours,

alors les autres applications non pas la permission d'y accéder[14].

Chaque appareil compatible avec Android support un stockage externe soit pour sauvegarder soit pour

lire les fichiers via une carte SD ou en stockage interne. Les fichiers sauvegardés sur le stockage externe

sont lus et modifiés par l’utilisateur quand on permet la liaison USB via un ordinateur.

Comme les class et méthodes pour Java E/S, l’Android aussi offre la fonction openFileOutput pour

modifier le flux de données des fichiers locaux. Cette fonction appartient aux bibliothèques suivantes

[15]:

Java.io.File : Les objets que représente un fichier ou un répertoire.

Java.io.InputStream : Un objet de flux de données que représente le flux de données d’une

source.

3.3.2 Les déclarations

On a besoin d'ajouter des déclarations appropriées dans l’Android manifest pour permettre l’utilisation

du matériel disponible sur le portable. Pour la caméra et pour le stockage on cite:

Camera Permission : L’application doit formuler une requête pour utiliser la camera. <uses-

permission android:name="android.permission.CAMERA" /> [16]

Camera Features : L’application doit aussi être autorisée pour utiliser les informations offertes

par la camera. <uses-featureandroid:name="android.hardware.camera" / >[16]

Storage Permission : L'application doit aussi être autorisée à lire depuis une mémoire externe

<uses-permission android:name="android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE"/> [14]

3.3.3 La vérification de la disponibilité d’une mémoire externe

Avant l’utilisation des mémoires externes, on évoque les méthodes getExternalStorageAvailable() et

isExternalStorageReadOnly(), pour vérifier la disponibilité du média de stockage [14].

3.3.4 camera vs camera2

L’Android fourni 2 APIs pour contrôler une ou plusieurs caméra(s) et leurs caractéristiques c.à.d. camera

et android.hardware.camera2 [16][17]. Le dernier est ajouté dans l'API 21 alors que le premier depuis

l'API 1. On a choisis d'intégré la deuxième API afin de permettre une couverture d’une large gamme

d'Android jusqu’à Marshmallow [16].

3.5Conception des circuits émetteur et récepteur Pour effectuer la transmission par LIFI entre deux PC par exemple, on a besoin d'un circuit bien adapté.

On a opté pour une solution standard. On s'est proposé l'utilisation de l'interface standard de

communication connu sous le nom RS232 [18]. On remarque que ce choix est aussi dû au non

disponibilité de certains composants dédiés pour la communication via USB [19].


23

3.5.1 PCB (Printed Circuit Board)

Un circuit imprimé est une technique de câblage par rubans de cuivre déposés sur un support isolant. Il

permet de remplacer, une grande partie du câblage traditionnel[20]. On a utilisé le logiciel Proteus

version 8 pour la conception du PCB. Ce logiciel comportes principalement 3 outils importants : plus

important ;

ISIS Shematic capture pour crée un schéma équivalent

ARES PCB layout pour crée une disposition du PCB

3D visualiser pour voir le PCB crée en 3d

Figure 19 : Les 3 outils en Proteus 8

A. Les avantages pour fabriquer un PCB [20]

Toutes les composantes pour PCB sont soudées.

élimination des problèmes tels que les circuits courts et le mauvais câblage.

Peu coûteux pour une production de masse.

B. Les inconvénients pour fabriquer un PCB [20]

dans la plupart des cas, il est presque impossible de réparer un PCB endommagé.

La production a un effet nocif pour l'environnement.

Après la production, les modifications ne sont plus possibles.

3.5.2 Le circuit réalisé pour la communication LIFI

Il est constitué de deux parties, l’émission et la réception. Pour l’émission, on a mis une LED en série avec

une résistance. Cette diode est attaquée par une tension de 5V pour la transmission d'un 1 et par 0V pour

la transmission d'un 0. Quand à la réception, on a mis une photodiode en série avec une résistance reliée

à la masse. La tension aux bornes de la résistance attaque un étage à base d'amplificateur opérationnel

avec un gain d'environ 16. Les figures 20-21 illustrent ce circuit.


24

Figure 20 : Schémaéquivalent pour le circuit

Figure 21 : Le circuit visualisé en 3D

3.5.3 L’Arduino Uno

C’est une carte dotée d'un micro-Controller ATMEGA 328 dotée d'une liaison USB [21]. Arduino est open

source alors, on peut trouver des programmes qui sont gratuits.

Figure 22: L'Arduino Uno, vue de face et de dos

A. Sommaire des caractéristiques de la carte Arduino Uno

Microcontrôleur ATmega328

Tension d’alimentation 3-5V

Les ports d’entrées analogues 6

Les ports d’entrées digitales 14 (avec 6 PWM)

DC pour chaque port E/S 40 mA

DC pour le port 3.3V 50 mA

Mémoire flash 32 KB

SRAM 2 KB

EEPROM 1 KB

La fréquence 16 MHz Tableau 3 : La sommaire des caractéristiques d'un Arduino Uno


25

Pour l’Arduino Uno R3 on a en plus:

Les SDA et SCL.

Un nouveau circuit RAZ.

ATmega 16U2 programmé comme un convertir USB-to-serial. Pour le schématique voir [22].

B.L'alimentation

L'alimentation de la carte se met soit avec une connexion USB soit avec une alimentation externe par exemple un adapter AC-to-DC ou une pile de 7 à 12V.

C. La communication

L’ATmega328est doté des 3 types de communications suivants:

Une communication série UART TTL (5V) disponible aux pins numérique 1 (TX) et 0 (RX). Une

librairie appelée Software Serial permet là l'exploitation de cet interface, comme on peut utiliser

n’importe quel pin numérique comme émulateur du port série [23].

Une communication I2C (TWI) avec configurable via la librairie Wire[24].

Une communication SPI avec librairie SPI [25].

D. La programmation

a) La programmation de l’Arduino

Il est programmable soit par Arduino IDE [26] soit Matlab©1 avec le package du support d’Arduino [27]. L’Arduino IDE est écrit sous Java. Il a un éditeur de code pour compiler et télécharger les sketches à une carte arduino. Les sketches sont écrits en C ou C++. L’Arduino a plusieurs bibliothèques pour mener les opérations d'entrée/sortie facilement.

b) La programmation de l’Arduino avec Matlab

Le logiciel Hardware support packages rend possible la programmation de l'Arduino sous MATLAB et

Simulink [27]. Ce logiciel facilite le contrôle direct et la lecture des entrées analogiques et numériques

dans un Arduino.

c) La programmation l’Arduino dans Simulink

Les programmes d’Arduino sont facilement intégrables dans l'environnement de développement comme les modèles Simulink [28]. A cet effet, on utilise la boite d’outils Arduino Target. Le programme Arduino Simulink peut être automatiquement converti en code machine approprié et téléchargé dans la carte Arduino via la liaison USB.

3.5.4Adaptation des signaux RS-232

Pour rendre notre circuit indépendant de la carte Arduino, on a utilisé le circuit intégré MAX232. Ce

dernier permet l'adaptation entre les tensions logiques (0, 5V) et les tensions du standard RS232 (+12, -

12V). Cependant, on doit utiliser un adaptateur USB/Série pour qu'il soit intégré aux niveaux ordinateurs

qui ne sont pas doté de la liaison série. Il est à remarquer que ce circuit est limité à 120 kb/s[19].

1 La versions R2014a au minimale par ce que Mathworks© créer seulement les packages pour les versions Matlab©

2014 et ensuite téléchargeable sur son site du web.


26

Figure 23 : Les câbles RS-232 et l'adaptateur USB/série

Figure 24 : Le schéma de branchement de l'adaptation réalisé

Figure 25 : Visualisation 3D de l'adaptateur réalisé

3.5.5Autonomie du circuit

Les deux circuits réalisés peuvent être connectés ensemble formant ainsi un circuit autonome. Par

autonomie en sous entant être indépendant de la carte Arduino. La figure 26 montre le circuit réalisé, on

mentionne que l'interface RS232 ne fournit pas la tension d'alimentation, de ce fait, notre circuit requière

une alimentation de 5V.


27

Figure 26 : Le schéma électronique de l'émetteur récepteur LIFI réalisé avec l'interface série

Figure 27 : Visualisation 3D de l'émetteur récepteur LIFI réalisé avec l'interface série


28

Chapitre 4 : Expérimentation de la transmission LIFI Ce chapitre expliquera l’intégration de notre circuit ainsi que les expérimentations qu’on a fait pour

envoyer une image par LIFI.

4.1 Implémentation du LsiLifi16 L’application LsiLifi16 déjà présentée dans le chapitre précédent, est déployée dans un portable Android

soit par l’utilisation de l’application Eclipse soit par l’application Android Studio [29].

La première expérimentation été d’envoyé un caractère pour vérifier si l’application marche bien. On a

utilisé un fichier pour la sauvegarde de ce caractère qu’on a nommé ‘aww.txt’.

Figure 28 : Paquet pour ASCII A

Figure 29 : L'envoie des contenus pour un fichier texte

La figure 29 montre les résultats de l’ouverture, de conversion et d’envoie lorsque nous appuyons sur les

boutons Lire et Envoyé respectivement. Le caractère, dans ce cas, ‘A’ est bien lue. Après les données sont

converties en signal optique modulé en OOK et la durée de la transmission et finalement affichée.


29

Une fois que nous avons vérifié que la transmission fonctionne correctement, nous procédons pour

envoyer d’une image d’une taille moyenne. Nous avons utilisé un Samsung S4 et on a mis une image

lifi.jpg dans le dossier picture. Nous avons lancé LsiLifi16 et tapez le nom pour notre image avec son

extension. Nous tapons ensuite le bouton lire. La figure au-dessous montre deux illustrations la première

pour les octets d’une image convertie en bits et l’autre le temps pour faire cette conversion.

Figure 30 : Illustration des étapes d'une transmission

Quand le bouton envoyé est appuie, les bits lus sont transmis par LIFI sur la LED du portable.

4.2 Implémentation du circuit crée Pour la transmission entre deux ordinateurs, nous déployons un circuit à chaque côté. Chaque circuit

contient une LED comme un émetteur et une photodiode comme un récepteur pour LIFI. Sur l’IDE

d’Arduino, nous créons un sketch pour effectuer la transmission [23]. Nous avons ensuite programmé la

carte Arduino pour lire les contenus et les envoyées sur l’émetteur.

En premier lieu, nous envoyons un caractère ‘A’ en ASCII pour vérifier la transmission (l’Arduino envoie

bien comme le premier cas). Nous avons utilisé un oscilloscope pour voir si les signaux ont une forme

carrée. La figure 28 est utilisée comme une référence pour vérifier le signal reçu sur l’oscilloscope.


30

Figure 31 : Le signal emis par la LED

Une fois que nous vérifions si la transmission marche, et nous avons détecté la trame dans l’oscilloscope,

nous avons connecté la carte Arduino Uno R3 à l’émetteur. Les données sont transformées en signal

optique par la LED, de l’autre côté, une photodiode reçois le signal lumineux et le circuit de réception le

renvoie ver l’autre ordinateur. La figure ci-dessus montre les émetteur et récepteur en proximité pour

faire la transmission par LIFI.

Figure 32 : L'émetteur la LED et le récepteur La photodiode


31

Figure 33 : Le signal reçu par la photodiode

La figure au-dessus montre le signal reçu par la photodiode qui est même envoyé par la LED donc la

transmission s'effectue bien. La figure au-dessous montre les deux signaux pour la photodiode et la LED

respectivement pour confirmer que sont les mêmes caractéristiques.

Figure 34 : Les deux signaux émis et reçu

Figure 35 : L'émetteur à l'Arduino ET le récepteur (notre circuit)


32

La figure au-dessus montre les moniteurs séries pour l’émetteur et le récepteur. Le caractère ‘A’ est

envoyé dans la boucle infini est reçu par notre circuit. La vitesse maximale possible pour cette

transmission est de 57600 baud.

Alors nous envoyons une image qui représente le logo du laboratoire LSI de taille 1.3 ko à l’autre PC.

Cette image était envoie avec la même vitesse maximale trouvée avant.

Figure 36 : La cote de la réception d'une image

La transmission s'est effectuée avec succès et le temps de transmission est approximativement égale à

t=0.86s.

Ce temps est acceptable car l’image est de taille moyenne.


33

Chapitre 5 : Le LIFI, quel avenir? Chaque projet réalisé doit avoir une étude d’impact socioéconomique pour voir la fiabilité et les

bénéfices pour son implémentation. Et pour répondre enfin à la question: Quel avenir à ce projet?

5.1 Impact socioéconomique

SEIA abréviation pour Socio-Economic Impact Assessment est une analyse systématique permettant d'évaluer les impacts potentiels socio-économiques et culturels d’un développement proposé et sur la vie et les circonstances des peuples, leurs familles, et leurs communautés [30]. Cette définition montre l’importance de l'interaction des relations entre les peuples, la culture, les activités économiques et même de l'environnement biophysique.

Figure 37 : Les composantes d'impact d'environnement

5.2 Etats du SEIA

L'analyse SEIA comporte les six étapes énumérées ci-dessous

1. La portée. 2. Le typage les conditions base. 3. Prédit les impacts. 4. Identifier les atténuations. 5. Evaluer la signifiance. 6. Application les atténuations et le surveille.

5.3 Le marché VLC/LIFI

Le taux d’accroissement 87.313% à partir 2014 à 2020. La technologie en phase de la recherche et développement. La commercialisation commence en 2015 alors il a besoin des projets que harnais ça [31].


34

Figure 38: La taille de la Marche VLC/LIFI (en $ Millions)

5.4 Le marché mondial des lampes

Le pourcentage pour les à LED installé est projeté pour augment pour chaque année avec une CAGR 29,1%. L’intégration d’un système Li Fi est possible au monde.

Figure 39 : % de la Marche mondiale les lampes à LED

5.5 Les fichiers transmettent sur les portables et tablettes

Les fichiers augment pour chaque année pour les 4 catégories le web, la vidéo, le Stream audio et les

fichiers partage en téraoctet exponentiellement. Alors une solution Li-Fi donne la perspicacité pour

transmettre les fichiers en temps réel [32].

Tableau 4 : Les fichiers transmettent sur les portables et tablettes en téraoctet entre 2014 -2019*


35

5.6 Les achats pour les Smartphones et tablettes

Les achats pour les Smartphones augment exponentiellement entre 2002 – 2012. Pour les PC, il augment

linéairement depuis 1990 jusqu’à 2012. Pour les tablettes il augment linéairement depuis 2010. Par

conséquent, un projet concentreur sur les Smartphones et tablettes est sensible parce qu’ilsont 700

millions plus![33]

Figure 40 : Les achats pour les Smartphones ET tablettes 1990-2012

5.7 Le marché Moyen-Orient et Afrique pour les appareils

Les appareils que sont accordé avec OS Android augment pour chaque année en Afrique et Moyen orient

alors une application basée sur Android est valide.

Figure 41: Le marché Moyen-Orient et Afrique prédit pour les appareils (Les unités en millions)


36

Conclusion

Une transmission LIFI offre la possibilité de communiquer efficacement par la lumière. Cependant, au

début de nos travaux, un enjeu important résidait dans l’obtention d’une transmission LIFI efficace. Dans

ce contexte, ce projet dont nous avait pour objectif la réalisation d’un circuit LIFI répondant aux

exigences de standard 802.15.7. Une LED est utilisée comme un émetteur tandis que le récepteur est à

base d’une photodiode. Les travaux rapportés dans ce mémoire, en grande partie, en présente les

expériences que nous avons menées au long de la recherche.

Dans le premier chapitre on aborde les généralités concernant la lumière et les composants

électroniques associés à son exploitation. Nous avons montré qu’une LED est bien adaptée comme un

émetteur LIFI. Avec une efficacité de 60 lumens/watt et peut atteindre une grande vitesse commutation.

Dans le deuxième chapitre on présente le principe de la technologie LIFI ainsi que ces applications. Nous

avons vu l’historique en bref pour le LIFI et son standard IEEE 802.15.7. L’étude de certains systèmes

existants, nous a permis de construire notre propre système.

Le troisième chapitre, il s’agit de la programmation des logiciels et de la description et conception du

matériel associé à l'application. Nous avons deux méthodes pour faire une transmission d’une image,

entre deux ordinateurs, et un Smartphone avec un ordinateur. Nous avons créé Lsilifi16 une application

Android qui permet à un Smartphone Android doté d’un flash d’envoyer une image par LIFI en utilisant la

modulation OOK. Malheureusement, l’Android supporte seulement 5 types d’images. Nous avons

fabriqué un PCB que comporte un émetteur donc une LED et un récepteur a part. Les avantages d’un PCB

ont menés à un circuit ingénieux, compact et portable.

Le quatrième chapitre contient les implémentations des deux méthodes pour effecteur une transmission

d’une image par LIFI. Nous avons était capable d’envoyer une image par LIFI avec les limites déjà vus à

l’introduction. Nous utilisons le RS232 pour réaliser la communication entre deux ordinateurs.

Le cinquième chapitre on présentera l'impact socioéconomique de la technologie LIFI, dont notre projet

fait partie. Notre solution pour transmettre une image par LIFI donnera une alternative pour le partage

des fichiers entre les appareils. Les Smartphones et tablettes basées sur Android sont très répondus dans

l’Afrique et le Moyen Orient, ce qui ouvre à notre application Lsilifi16 les voies vers les deux régions.


37

Les abréviations 2D: Two Dimensional 3D: Three Dimensional AC: Alternating Current API: Android Programming Interface BMP: Windows Bitmap CFL: Compact Fluorescent Light CPL: Courant Porteur en Ligne DC: Direct Current E/S: Entrée ET Sortie EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory GIF: Graphics Interchange Format I2C: Inter-Integrated Circuit IDE: Integrated Development Environment IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers JDK: Java Development Kit JPEG: Joint Photographic Experts Group LIFI: Light Fidelity LED: Light Emitting Diode LSB: Least Significant Bit MAC: Media Access Control MSB: Most Significant Bit OOK: On Off Keying OS: Operating System PC: Personal Computer PCB: Printed Circuit Board PHY: Physical Layer PNG: Portable Network Graphics RAZ: Remise à Zero ROV: Remotely operated underwater Vehicle RS-232: Recommended Standard 232 RX: Receiver SCL: Serial Clock Line SD: Secure Digital SDA: Serial Data Line SDK: Software Development Kit SEIA: Socio-Economic Impact Assessment SPI: Serial Peripheral Interface SRAM: Static Random Access Memory TX: Transmitter UART: Universal asynchronous receiver/transmitter USB: Universal Serial Bus VLC: Visible Light Communication WIFI: Wireless Fidelity


38

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