Mare din Suceava, 2019 [623684]

Universitatea “Ștefan cel
Mare” din Suceava, 2019
Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor , Electronica A plicată

Examen de diplomă
[Îmbunătățirea siguranței și eficienței sistemului de
transport feroviar prin utilizarea comunicațiilor prin
lumină vizibi lă]
Student: [anonimizat] : Alin-Mihai Căilean

1
CUPRINS
ABSTRACT …………………………………………………………………………………………………………….. ..3

CAPITOLUL 1 . INTROD UCERE
1.1 INFRASTRUCTURA FEROVIARĂ ………………… …………………………………………. ……………. 4
1.2 ACCIDENTE FEROVIARE ………………………………….. ………………………… ………………….. …5
1.3 COLIZIUNI PE CĂILE FEROVIARE …………………………….. …………… ………………………….6

CAPITOLUL 2. COMUNICAȚII PRIN LUMINĂ VIZIBILĂ
2.1 TEHNOLOGIA LED (Integrarea acesteia la semafoare) ………………. ………………………….9
2.2 NOȚIUNI TEORETICE DESPRE VLC ……………………………………….. …………………………11
2.3 PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A COMUNICAȚIEI PRIN LUMINĂ VIZIBILĂ …….13
2.4 AVANTAJE VLC ……………………………………………………………………… …………………………14
2.5 PROVOCĂRI VLC………………………………………………………………. ……………………… ……..15
2.6 STRUCTURA EMIȚĂTORUL UI ȘI REC EPTORUL UI VLC………………….. …………. …….16

CAPITOLUL 3. ARHITECTURA HARDWARE A SISTEMULUI PROPUS
3.1 PARTEA MECANICĂ ……………………………………………………………. …………………………17
3.2 PRINCIPIUL DE F UNCȚIONAREA A SISTEMULUI PROPUS ………………….. ……….19
3.3 SISTEMUL DE COMANDĂ A MOTORULUI LOCOMOTIVEI ………………………. …….21
3.4 SISTEMUL DE DETECȚIE A TRENULUI ………………………………. …………………………22
3.5 ARHITECT URA EMIȚĂTORULUI VLC …………………….. …………. ………………………. …25
3.6 ARHITECTURA RECEPTORULUI VLC ………………………………… …………………………28
3.7 SENZORUL ULTRASONIC………………. ………… …………………… ……………………………. 30

2
CAPITOLUL 4. ARHITECTURA SOFTWARE A SISTEMULUI PROPUS
4.1 DATE TEORETICE DESPRE ARDUINO …………………………………………. ………… ……31
4.2 CODURI ARDUINO IMPLEMENTATE ……………………………….. …………………………31

CAPITOLUL 5. EVALUAREA ȘI TESTARE EXPERIMENTALĂ A SISTEMULUI
5.1 EVALUARE A DETECȚIE I LOCOMOTIVEI …………………………… ……………………….. 35
5.2 EVALUARE A EMIȚĂTOR ULUI -RECEPTOR ULUI VLC………………. …………. ……….36
5.3 EVALUAREA SISTEMULUI ÎN ANSAMBLU ……………………….. ………………………….39

CAPITOLUL 6 . CONCLUZII ………………………………………………………….. ………… …….41

REFERINȚE …………………………………………………………………………………………… …….. ..42

3
Abstract
Pentru a reduce numă rul accidentelor , atât rutiere cât și feroviare , o metodă
eficientă a r fi folosirea comunicațiilor prin lumină v izibilă (VLC) , datorită c onstrucției
sale relativ simple și costurilor reduse în comparaț ie cu alte siteme de comunicații .
Integrarea tehnologiei VLC în diferite sfere este un proiect în plină cercetare și
dezvoltare pe parcursul ultimilor 3 -8 ani. Sistemul având încă nevoie de mai multe
optimizări pentru integrarea acestuia în viața de zi cu zi.
În lucrarea „ Îmbunătățirea siguranței și eficienței sistemului de transport feroviar
prin utilizarea comunicațiilor prin lumină vizibilă ” aș vrea să demonstrez o mică parte
din potențialul acestei tehnologii de comunicație , care prin cercetări intense v -a ajunge
cea mai eficientă și rapidă cale de transmitere a informației în viitorul apropiat .
Partea practică a lucrarii implică o locomotivă care va opri la semnalul roșu al
semaforului și va porni la cel verde , folosind sistemul VLC.

4
Capitolul 1. Introducere

1.1 Infrastructura feroviară
Transportul feroviar a fost și rămâne una dintre cele mai principale căi de comunicație atât
între regiunele României cât și între diferite state și regiuni ale pamântului.
Anul 1869 a fost înscris în istorie de prima construcție a infrastructurii feroviare din
România, linia București – Giurgiu [1], constr ucție care pune începutul unui tempou nou al
dezvoltării economice a țării.
La nivel global infrastructura feroviară a avansat foarte mult în ultimii zeci de ani .
Cel mai rapid tren din lume , pus în funcțiune este Shanghai Maglev , acesta atinge viteze de
peste 40 0 km/h , funcționând pe bază de levitație magnetică [2];
Cea mai lungă cale ferată din lume are o lungime de peste 12.900 km și trece prin opt țări
[3];
Una dintre cele mai frumoase că i fera te din lume se afla în Ucraina ș i se întinde pe o lungime
de 3 km, numindu -se Tunelul Iubirii [4].

Figura 1.1 " Tunelul Iubirii " Ukraina

5
Țara cu cea mai bună infrastructura feroviară din Europa este Elveția , România fiind plasată
pe locul 26 din 28 de țări din UE [5]. Putem oare avansa la un loc mai înalt? Da, cu ajutorul
unor sisteme inteli gente de comunicații .

1.2 Accidente feroviare
Un accident feroviar implică unul sau mai multe trenuri î n mișcare, în urma căruia una sau
mai multe persoane se declară decedate sau grav rănite.
Accidentele feroviare pot fi provocate din diferite cauze cum ar fi:
 Factorul uman (neatenția conducă torului , încălcarea tehniciilor de securitate etc… );
 Defecte tehnice (defectarea sistemului de frâne sau al altor sisteme importante pentru
funcționarea normal ă a trenurilor );
 Condiții le climatice .
Chiar dacă transportul feroviar este unul dintre cel mai sigur mijlo c de transport, sunt
numeroase cazuri de accidente feroviare, numai în România anual se produc peste 5 0 de
accidente , potrivit ASFR (Autoritatea de Siguranță Feroviară Română ) [6].

Figura 1.2 Statistica oferită de ASFR despre cauzele și numarul de accidente feroviare din anii 2012 -2016

În tabelul de mai jos avem statistica pentru anii 2010 -2017 privind persoanele decedate , din
UE, în urma accidentelor feroviare ..

6

Fig 1.3 Statistica din 2010 -2017 privind numărul persoanelor decedate în accidente feroviare [7]

Observăm că odată cu dezvoltar ea noilor tehnologii scade și numă rul de cazuri fatale ,
deoarece scade și numarul de accidente.

1.3 Coliziuni pe că ile feroviare
Coliziunile pe că ile feroviare pot fi de tip tren -automobil sau tren -tren.
Coliziunile în tre un tren și un automobil sunt mai des întâ lnite si mai puțin dezastr uoase decât
cele dintr e două trenuri .
În urmă torul t abel sunt prezentate numă rul de coliziuni dintr e o mașină și un tren ( din S.U.A)
între anii 2000 -2018 [8].
ANUL COLIZIUNI MORȚI RĂNIȚI
2000 3502 425 1291
2001 3237 421 1157
2002 3077 357 999
2003 2977 334 1035
2004 3077 372 1092
2005 3057 359 1051
2006 2936 369 1070
2007 2776 339 1062
2008 2429 290 992
2009 1934 249 743

7
2010 2051 260 887
2011 2061 250 1045
2012 1985 230 974
2013 2101 232 975
2014 2296 262 871
2015 2080 237 1047
2016 2049 255 852
2017 2122 271 844
2018 2214 270 819

Coliziunile între trenuri nu sunt fenomene foarte des întâlnite, însa când acestea se întâ mplă ,
numar ul de personae decedate/rănite ș i costurile reparațiilor în urma accidentelor prezintă cifre
destul de mari.
Numarul de coliziuni între trenuri în conformitate cu anul in care acestea sau produs , în UE ,
îl puteți vedea mai jos [9].
ANUL NUMĂRUL DE COLIZIUNI ANUL NUMĂRUL DE COLIZIUNI
2012 28 2016 19
2013 26 2017 24
2014 26 2018 20
2015 17

În 2008 la data de 15 septembrie a avut loc cel mai costisitor accident feroviar din istorie
[10]. Trenul de pasageri a companiei Metrolink s -a ciocnit frontal cu un tren de marfă al
companiei Union Pacific, accidentul a avut loc în Los Angeles, 25 de oameni au decedat în
urma loviturii, mulți alții au fost răn iți, pagubele estimate au fost î n jur de 500 milioane de
dolari . Factorul uman a fost declarat ca fiind principala cauză a p roducerii accidentului. Trenul
companiei Metrolink a avansat pe șine la semnalul roșu al semaforului, din cauza neatenției
conducatorului de tren care nu a observat schimbarea culorii semaforului î ntrucât și -ar fi distras
atenția spre telefonul mobil.

8

Figura 1.4 Cea mai costisitoare coliziune dintre două trenuri

Utilizarea sisteme lor inteligente de comunicații poate contribui la prevenirea accidentelor,
deoarece de cele mai multe ori, anume erorile umane duc la accidente de orice tip. În acest
contex t, propun un sistem de siguranță bazat pe comunicații prin lumină vizibilă , care ar folosi
la prevenirea accidentelor feroviare, rutiere și aeriene , și ar face mult mai neobservate greșelile
umane ce conduc la astfel de accidente.

9
Capitolul 2. Comunicații prin lumină vizibilă

2.1 Tehnologia LED (Integrarea acesteia la semafoare)
Primul semafor din lume a fost creat înca demult în 1912 în Utah, S.U.A [11]. Acesta avea
doar 2 culori care erau schimbate manual de că tre o persoană responsabilă. Pentru a primi
nuanțe (culori) diferite , inventatorul a vopsit cele două becuri cu vopsea de culoare diferită
(roșu și verde).
În zilele noastre nu mai avem nevoie să schimbăm manual culoarea semaforului , acesta fiind
automatizat. Sursa d e lumină folosită la semafoarele moderne constă din becuri cu
incandescență. Culorile (roșu, galben și verde ) sunt primite datorită carcas ei de culoarea
propriu -zisă ce î nconjoară becul.

Figura 2.1 U nul dintre primele semafoare din lume Figura 2.2 S emaforul modern

În anii `90 î ncepe dezvoltarea tehnologiilor LED (Light Emitting Diode) . Un LED este o
diodă ce are proprietat ea de a emite fotoni (particule mici din care e ste formată lumina), când
acesta este conectat la o sursă de tensiune, principiul de funcționare a LED -ului fiind cel de
electroluminiscență. LED -ul deasemenea este capabil de a emite unde luminoase de o anumită
culoare.

10

Figura 2.3 LED -uri de diferite tipur i

Caracteristica unui LED în funcție de culoare pe care o emite o putem observa î n figura de
mai jos .

Figura 2.4 Caracteristica unui LED în funcție de culoarea emisă

Tehnologia LED are o serie de avantaje f ață de becurile incandescente, ș i anume:
 Durată de viață mai lungă (peste 100.000 de ore)
 Un consum redus de energie
 Dimensiuni mai mici
 Comutare mai rapidă

11
Din cele spuse mai sus, ne dăm bine seama că LED -urile ar fi o alternativă foarte bună pentru
înlocuirea becurilor cu incandescen ță din semafoare, în special faptul că acestea au proprietatea
să emi tă lumină de o anumită culoare.
În cazul î n care semafoarele vor fi adaptate cu LED -uri înlocul becurilor incandescente ,
acestea vor putea servi ca sisteme intelegente de comunicații prin lumină vizibilă.

2.2 Noțiuni teoretice despre VLC
Comunicațiile prin lumină vizibilă VLC (Visible -Light-Communication) folosesc un
transmițător pentru transmisia datelor , un receptor pentru preluarea informației și un mediu de
transmisie (aerul, vidul, apa etc…). Lumina se folosește c a sursă de transmisie a informației .
Frecvențele standard folosite pentru aplicațiile VLC în mediul exterior sunt de 200 kHz
pentru OOK (On -Off Keying) și 400 kHz pentru VPPM ( Variable Pulse P osition Modulation )
[12]. Pentru comunicație , VLC folosește lungimi de undă cuprinse între 380 nm și 750 nm
(lungimi de undă asociate spectrului vizibil) ceea ce prezintă doar o mică parte din spectrul
electromagnetic, după cum putem observa în imaginea de mai jos [13].

Fig 2.5 Lungimile de undă asociată luminii vizibi le din spectrul electromagnetic

Tehnologia VLC lucrează la viteze foarte mari, informația va ajunge la receptor și va fi
prelucrată de acesta în timpuri mult mai mici decât oricare tehnologie de comunicație știută
până acum, deci vom obține un timp de răspuns foarte mic, ce ea ce prezintă un avantaj enorm.

12
Comunicațiile prin l umină vizibilă pot fi folosite în diverse ramuri, și anume:
 Comunicații mobile, acces la internet

 Transport rutier, feroviar, aerian

 Armată
 Sisteme intelegente folosite în medicină
 Comunicații subacvatice

 Identificarea unui obiect

13
2.3 Principiul de funcți onare a comunicației prin lumină vizibilă
Pentru funcționare a sitemului , este nevoie de un transmițător VLC pe bază de LED -uri, un
receptor (fotodetector) și un mediu de comunica ție, receptorul primind semnalul de la
transmițător generează un curent proporțional , pe care îl transformă într -o tensiune. Această
tensiune este procesată și analizată în vederea extragerii datelor.
Pentru transmisia datelor la distanță semnalul t ransmis este modulat și codat prin diferite
tehnici. Date le urmând să fie culese de receptor pentru descifrarea acestora.
Conform standardului IEEE 802.15.7 [14] cele mai eficiente tehnici de modulare a datelor
sunt OOK și VPPM , diferența di ntre cele două tipuri de modulare sunt prezentate în figura 2.6.

Figura 2.6 Diferența dintre modularea OOK și VPPM
În cazul modulării OOK 1 binar este caracterizat prin prezența semnalului iar 0 binar este
caracterizat prin lipsa acestuia, acest tip de modulare însă nu ar pute a fi folosit în aplicațiile
externe , fiindcă în ca zul a mai multor biți de 0 consecutivi vom avea lipsa semnalului. O metodă
mai eficientă fiind mod ularea VPPM, în cazul dat unu binar este caracterizat printr -un semnal
crescător iar zero binar este caracterizat printr -un semnal descrescător ceea ce avem prezentat
în figura 2.6 . Pentru preve nirea apariție seriilor de biți de același fel , standardul presupune și
utilizarea de coduri RLL ( Run Length Limited).

Figura 2.7 Semnal crescător 1 logic Figura 2.8 Semnal descrescător 0 logic

14

Figura 2.9 Introducerea VLC în transportul rutier [15]

În figura 2.9 este dat un exemplu de comunicație folosind lumina vizibilă. Fiecare dintre cele
trei culori a semaforului va transmite un mesaj unic către rec eptorul amplasat pe automobil,
deasemenea automobilile vor putea comunica între ele având câte un transmițător ș i câte un
receptor care se află în raza vizibilității unul față de altul.

2.4 Avantaje VLC
Comun icațiile prin lumină vizibilă prezintă o serie de avantaje, printre care:
 Consum de putere redus față de alte tehnologii
 Sistemul VLC nu este afectat de radiații electromagnetice, ceea ce prezintă un avantaj
enorm, odată ce radiațiile electromagnetice sunt pretutindeni
 Nu are nici un efect negativ pentru organismele vii și mediului ambiant
 Viteză de operare foarte mare

15
2.5 Provocări VLC
Sigur, ca la oricare sistem, întâlnim ș i o serie de provocări în impleme ntarea acestei căi de
comunicație intelegentă , provocările de bază a sistemului de comunicație prin lumină vizibilă
fiind:
 Inter ferența cu alte surse de lumină (în deosebi lumina razelor solare)
Dacă problema interferenței cu alte surse de lumină ar putea fi rezolvată relativ simplu,
atunci interferența sistemului VLC cu lumina soarelui prezintă pericolul principal în folosirea
sitemelor VLC .
Soarele reprezintă o sursă puternică de zgomo t, dacă lumina soarelui ajunge la foto detector ,
aceasta induce o componentă DC foarte puternică, ceea ce ar putea pune în pericol funcționarea
sistemului . În acest caz avem nevoie să folosim filtre capacitative pentru înlăturarea
compon entei DC. Însă dac ă razele soarelui lovesc sub un unghi mic receptorul , acesta ar putea
„orbi”, prin aceasta î ntrerupând use comun icația dintre receptor și emițător .
 Arii de acoperire mici
 Transmițătorul și receptorul trebuie să se vadă unul pe altul, de unde primim un mic
unghi de funcțio nare a sistemului de comunicații
 Condițiile climatice nefavorabile ca: ninsoare a, ceața etc… pot duce la funcționarea
greșită a sistemul ui, din cauza vizibilității reduse a semnalului transmis de către LED
spre receptor
Din cauza problemelor, încă nerezolvate , specificate mai sus nu avem sisteme VLC bine
imple mentate în viața de zi cu zi, însă mulți s avanți, profesori, studenți etc… lucrează asupra
soluționării acestor probleme . Nu e nici un dubiu că în curând vom folosi aceasta cale de
comunicație în mai multe domenii .

Figura 2.10 Transmisia datelor prin VLC

16
2.6 Structura emițătorul ui și receptorul ui VLC
Componenta principală a emițătorului VLC este un codificator care convertește datele într –
un mesaj modulat. Acesta comandă întreruperile ledurilor în conformitate cu informația
primită .
Componenta principală al receptorul ui VLC este fotodioda sau fototranzistorul care captează
semnalul modulat , ca mai apoi acesta să fie decodificat în vederea obținerii informație i.
Decodificatorul poate funcționa folosind un microcontroler sau un FPGA (Field Programmable
Gate Array ).
În figurele de mai jos observăm scema bloc a transmițătorului (fig 2.11) și a receptorului (fig
2.12) unui sistem VLC.

Fig 2.11 Schemă bloc e mițător VLC

Fig 2.12 Schemă bloc receptor VLC

17
Capitolul 3. Arhitectura hardware a sistemului propus

3.1 Partea mecanică
Partea mecanică constă într -o machetă de lemn cu o lungime de 130 cm, lățime de 120 cm
și înălțime de 7 cm pe care este lipită calea ferată cu două intersecții.

Figura 3.1 Machetă

Figura 3.2 Intersecție

18
Deasemenea la fiecare intersecție este poziționat câte un semafor (două intersecții, 4
semafoare în total) ce folosesc LED -uri de culoare roșu, verde și orange .

Figura 3.3 Semafor Figura 3.4 LED

Mai av em nevoie și de două locomotive, motorul acestora va fi alimentat de la o baterie
cronă de 9 V .

Figura 3.5 Locomotivă

19
3.2 Principiul de f uncționarea a sistemului propus
Sistemul pe care l -am propus să îl realizez , constă din două locomotive , fiecare dintre ele
având traseul propriu pe care se vor deplasa. Traseele se intersectează în două p uncte. Pentru
ca locomotivele să nu se ciocnească, în intersecțiile date sunt plasate câte două semafoare (câte
un semafor pentru fiecare locomotivă). Led urile (roșu și verde) a semaforului vor emite un
semnal modulat în amplitudine , cu o frecvență diferită unul față de altul. Astfel ledul roșu va
lucra pe o frecvență de aproximativ 400 Hz, iar ledul verde pe o frecvență de aproximativ 80 0
Hz. Locomotiva ur mează să detecteze semnalul primit și să-l transmită placii A rduino (situată
pe tren), care va ră spunde de oprirea sau pornirea locomotivei în funcție de semnalul primit.
În figura 3.6 putem observa cele 2 trasee, Traseul A fiind cel principal iar Traseul B fiind
cel secundar . Deci trenul de pe Traseul A va avea mereu prioritate față de trenul ce se mișcă
pe Traseul B, culoarea semafoarelor S1 și S3 fiind mereu verde.
Inițial toate semafoarele sunt setate la culoarea verde, atunci când trenul ce se mișcă pe
Traseul A este detectat în poziția 1, semafoarele S2 și S4 de pe T raseul B sunt comandate de
către microcontrolerul A rduino să -și schimbe culoarea în roșie . Când trenul trece prin poziția
2, semafo arele S2 și S4 sunt comutate din nou pe culoarea verde . Detecția trenului se va realiza
cu ajutorul unui emițător în infraroșu situat pe tren și a cîte un receptor în infraroșu ce se vor
afla sub șine în pozițiile 1 și 2 . Comutarea culorilor semaforului va fi realizată de o altă placă
Arduino amplasată pe machetă . Iar comunicația între locomotivă și semafor va fi realizată prin
lumină vizibilă și anume modularea luminii provenite de la emițător ( LED ) și preluarea acesteia
de că tre receptorul situat pe locomotivă.
Dease menea în fața locomotivei de pe Traseul A va fi amplasat un senzor ultrasonic, care va
opri motorul locomotivei în caz că va observa un obiect în fața trenului la o d istanță mai mică
sau egală cu 14 cm.
Pe fiecare locomotivă se vor afla câte două baterii de 9V . O baterie va alimenta motorul
locomotivei, cealaltă baterie va alimenta placa A rduino și emițătorul în infraroșu iar receptorul
VLC va fi alimentat la 5V de la placa A rduino.

20

Figura 3.6 Traseele de mișcare a trenurilor

21
3.3 Sistemul de comandă a motorului locomotivei
Pentru controlul locomotivei și anume oprirea și pornirea motorului acesteia folosim
schema de mai jos .
Partea de PC B a schemei date v a fi realizată pe o altă placă PCB (PC B-ul cu receptorul VLC) .

Figura 3.7 Schemă electronică pentru comanda motorului locomotivei

Unul dintre pinii digitali A rduino va controla curentul din baza tranzistorului , dacă pinul
digital va avea starea HIGH atunci motorul lucrează în regim normal , iar acesta va mișca
locomotiva, daca pinul digital va avea stare a LOW motorul nu va funcționa .
Dacă locomotiva detectează un semnal modulat în amplitudine ce corespunde semnalului
roșu emis de semafor, microcontrolerul A rduino va comuta starea pinului digital din baza
tranzistorului din HIGH în LOW astfel trenul oprindu -se, în caz contrar pinul din baza
tranzistorului va fi setat pe HIGH.

22
3.4 Sistemul de detecție a trenului
Sistemul de detecție a trenului de pe Traseul A se realizează cu ajutorul spectrului infraroșu.
Pe tren avem un montaj cu o diodă ce emite lumină modulată în infraroșu cu frecvența de 2
kHZ, iar în pozițiile 1 și 2 din figura 3.6 , sub calea ferată avem câte un montaj cu un senzor ce
receptă lumina infraroșie.
În conformitate cu unde trenul a fost detectat, placa A rduino va executa comanda potrivită
(comutând culoarea potrivită a semafoarelor ).
PCB -urile și traseele cu montajele respective sunt ilustrate mai jos .

Figura 3.8 PCB emițător infraroșu (față-spate )

Figura 3.9 Montaj recepto r infraroșu (față -spate)

23
Schemele electr onice a montajelor sunt prezentate în figurile de mai jos. Figura 3.10 – schema
electronică a emițătorului IR și figura 3.11 – schema electronică a recptorului IR.

Figura 3.10 Schema electronică emițător infraroșu
IR – emițător i nfraroșu , R1 – rezistor de 4,7 Kohm , R2 – rezistor de 1 Kohm , R3 – rezistor de
100 ohm , R4 – rezistor de 1,8 Kohm , C1 – condensator de 0,1 μF (104) , C2 – condensator
de 0,01 μF (103)

În schema de mai sus (figura 3.10) LED -ul IR emite unde în infraroșu modulate în
amplitudine. Circuitul integrat LM 555 generează impulsuri, care modulează undele IR.
Frecvența pulsurilor variază în funcție de condensatorul C1 și rezistoarelor R1, R2 și R4. Cu
cât mai mari sunt valorile acestor elemente cu atât mai mică este frecvența și invers.
Condensatorul C2 joacă rolul de stabilizare a frecvenței. Ieșirea circuitului este dată de pinul 3
la care este conectat printr -un rezistor LED -ul IR, acesta se va aprinde la fiecare impuls generat.
Astfel are l oc emisia razelor IR.
În continuare aflăm cum are loc rec epția acestor raze.

24

Figura 3.11 Schema electronică a receptorului IR
IR – receptor i nfraroșu , D1 – diodă , P1 – potențiometru (50 Kohm) , R1 – rezistor de 1 Kohm,
R2 – rezistor de 10 Kohm , R3 rezistor de 1 Mohm , C1 – condensator de 0,1 μF , C2 –
condensator de 1 μF

În schema dată avem un receptor de lumină infraroșie IR, montajul dat este realizat cu scopul
de a reduce la minim perturbațiile provenite de la diferite surse de lumină, cum ar fi cea a
soarelui. Cu ajutorul potențiometrului P1 putem ajusta valoare receptată de LED în funcție de
sursele de lumină perturbatoare și în funcție de intensitatea undelor IR emise. Condensatorul
C1 are rolul de filtrare a semnalu lui. Rezistența R2 limitează curentul transmis către pinul
Arduino. Rezistența R3 și condensatorul C2 elimină componenta DC de la sursele
perturbatoare de lumină, iar dioda D1 permite doar trecerea alternanței pozitive a semnalului.
Montaj ul va fi alimenta t de la placa A rduino l a 5V. Semnalul va fi cules de că tre un pin analog
Arduino în locul specificat în schema de mai sus. În caz că senzorul de tectează emisii IR
controlerul A rduino comandă imediat schimbarea culorii semaforului .

25
Astfel are loc recepția undelor în infraroșu . Deci LED -ul de pe locomotivă emițând de -a
lungul traseului raze IR, când va trece prin poziți ile specificate 1, 2 în figura 3.6, unde se afla
receptorii IR, cei din urma vor sesiza emisii în infraroșu aflând poziția locomotivei .

3.5 Arhitectura emițătorului VLC
Emițătorul VLC al sistemului propus este semaforul și anume LED -urile. Cum am specificat
și anterior, LED -ul verde lucrează cu o frecvență de aproximativ de 80 0 HZ iar cel roșu
lucrează cu o frecvență de aproximativ 400 HZ.

Figura 3.12 Montaj emițător VLC (față -spate)

26
Schema electronică a emițătorului VLC o avem prezentată în figura 3.13

Figura 3.13 Schema electronică emițător VLC
R1 – rezistor de 4,7 Kohm , R2 – rezistor de 1 Kohm , R3 – rezistor de 200 ohm , R4 – rezistor
de 6,8 Kohm , R5 – rezistor de 18 Kohm , C1 – condensator de 0,1 μF , C2 – condensator de
0,01 μF

În schema de mai sus (figura 3.13) cele două LED -uri emit lumină vizibilă modulată în
amplitud ine. Circuitul integrat LM 555 generează impulsuri care modulează lumina emisă de
LED -uri. Frecvența pulsurilor variază în funcție de condensatorul C1 și rezi stoarelor R1, R2 și
R4 sau R5 . Cu cât mai mari sunt valorile acestor elemente cu atât mai mică este frecvența și
viceversa . Condensatorul C2 joacă rolul de stabilizare a frecvenței. Ieșirea circuitului este dată
de pinul 3 la care sunt conectat e printr -un rezistor LED -urile roșu și verde a semaforului.

27
Cu ajutorul circuitul 4066 vom conecta fie rezistorul R5 fie rezistorul R4 și vom conecta fie
LED -ul roșu fie LED -ul verde.

Figura 3.14 CD4066B datasheet [16]
Dupa cum putem observa circuitul 4066 joacă rolul de întrerupător, astfel când vom aplica
semnal pe pinii de control (pinii 5, 6, 12, 13) întrerupătoarele corespunzătoare, conform figurii
3.14, se vor închide altfel dacă nu avem semnal pe pinii de control, întrerupătoarele vor rămâne
deschise.
În cazul nostru rezistorul R5 cu valoarea de 18 Kohm corespunde LED -ului roșu , deci pentru
obținerea semnalului roșu pe frecvența dorită (400 Hz) vom activa pinul 13 al circuitului 4066
care va închide bornele 1, 2 (figura 3.13) și pinul 6 care va închide bornele 8, 9 (figura 3.13) .
Astfel conform figurii 3.13 LED -ul roșu va emite lumină pe frecvența dorită, în timp ce prin
LED -ul verde nu va trece curent. Când dorim conectarea L ED-ului verde pe frecvența de 80 0
Hz, alimentăm pinul 12 ș i 5 al circuitului 4066, astfel curentul va trece prin rezistorul R4 și
LED -ul verde din figura 3. 13, în timp ce prin rezistorul R5 și LED -ul roșu nu va circula curent.
De alimentarea pinilor de control va răspunde același A rduino. Emițătoarele VLC vor fi
alimentate de la o sursă de tensiune c.c la 9V. Avem nevoie de două emițătoare (câte un
emițător pentru cele două semafoare de pe traseul secundar ).
Astfel semafoarele vor transmite semnale modulate, de diferite frecvențe pe cele două culori ,
semnalul urmând sa fie recepta t de receptorul de pe locomotivă când acesta va pă trunde în raza
vizibilității semaforului (când transmițătorul și receptorul se vor vedea unul pe altul).

28
3.6 Arhitectura receptorului VLC
Receptorul VLC este situat pe tren și are răspunderea de a recepta semnalul modulat provenit
de la leduri le semaforului, transmițândul că tre A rduino.
PCB-ul dat este ilustrat în figura de mai jos .

Figura 3.15 PC B recptor VLC (față -spate)
Partea din stânga sus (figura 3.15) este montajul cu sistemul de comandă a motorului locomotivei
din figura 3.7
Am amplsat pe același PC B atât montajul din figura 3.7 cât și montajul din figura 3.16
pentru economisirea spațiului de pe locomotivă și pentru folosirea a câtor mai puține fire de
conexiune .

29
În continuare avem prezentată schema electronică a receptorului VLC

Figura 3.16 Schemă electronică a receptorului VLC
R1 – rezistor de 24 KΩ , C1 – condensator electrolitic de 10 μF , C2 – condensator electrolitic
de 47 μF , C3 – condensator electrolitic de 10 μF , C4 – cond ensator electrolitic de 100 μF ,
C5 – condensator ceramic 1 μF (105) , Q – fototranzistor

Fototranzistorul Q1 convertește raza de lumină transmisă , într-un cur ent electric variabil
care este condus către intrarea amplificatorului (pinul 3) printr -un condensator electrolitic C1.
R1 asigură tensiunea necesară colectorului tranzistorului. C3 determină amplificarea circuitului
integrat, cu cât valoarea condensatorului C3 e mai mare cu atât vom avea un câștig în
amplifi care mai mare. Condensatorul C2 joacă rolul de filtru introducând stabilitate în circuit.
LM 386 va amplifica semnalul primit de la fototranzistorul Q și îl va tra nsmite pinilor digitali
2 și 3 A rduino , unde microcontrolerul acestuia va calcula durata de timp a fronturilor
ascendente și descendente și va returna valori le corespunzătoare. Astfel receptorul va face
diferența între semnalul roșu și cel verde al semaforului.

30
Odată ce microcontrolerul A rduino va calcula valori corespunzătoare ledului roșu acesta va
comanda imediat oprirea curentului din baza tranzistorul ui din figura 3.7, astfel oprind
locomotiva.

3.7 Senzorul ultrasonic
Principiul de funcționare a senzorului ultrasonic este următorul:
Senzorul emite unde sonore (acustice) de frecvență înaltă, la intervale de timp regulate. Când
undele lovesc un obiect, o mare parte din ele sunt reflectate înapoi către senzor. Știind că undele
se propagă prin aer cu viteza sunetului ( ~ 342 m/s ) și știind timpul de la emiterea undei pâna
la recepția acesteia putem calcula distanța dintre senzor și obiect (figura 3.17) .
x (Distanța) = v (Viteza) * t (Timpul) / 2

Figura 3.17 Principiul de funcționare a senzorului ultrasonic

În proiectul nostru vom folosi un senzor ultrasonic HC-SR04 (figura 3.18) .

Figura 3.18 Senzor ultrasonic HC -SR04

Pinii Vcc și GND vor fi conectați la 5V și la masă respectiv, la placa Arduino, pinul Trig
(emițător unde) și pinul Echo (receptor unde) vor fi conectați la doi pini digitali Arduino.

31
Capitolul 4. Arhitectura software a sistemului propus

4.1 Date teoretice despre Arduino
Pentru implementarea codului vom folosi software -ul Arduino și placa Arduino Uno.

Figura 4.1 Placă Arduino Uno
Arduino este o aplicație (pentru sistemele de operare Windows, macOS, Linux) programată
în Java. Arduino suportă limbajele de proagramare C și C++. Placa Arduino Uno are la bază
microcontrolerul ATmega328P care are viteze de 1 MIPS ( Milion Instruction Per Second) la
frecvența de 1 MHz [17], aceasta este deasemenea echipată cu o serie de pini I/O digitali și
analogi pe care îi vom folosi.

4.2 Coduri Arduino implementate
Pentru partea software vom avea un cod implementat pe placa Arduino situată pe machetă
ce va răspunde de detecția trenului, schimbarea culorii semaforului și comutarea frecvenței de
operare a celor două leduri. Un alt cod se va implementa pe placa Ardu ino situată pe locomotivă
ce va răspunde de preluarea datelor p rimite de la receptorul VLC și oprirea sau pornirea
motorului locomotiv ei.

32
O secvență din codul folosit pentru detectarea trenului, comutarea ledurilor și a frecvenței
acestora o avem preze ntată mai jos ( cod realizat pentru montajul din figura 3.11 ).

Microcontrolerul Arduino va citi câte o valoare, primită, la fiecare milisecundă, apoi va
compara valoarea primită cu valoarea precedentă, în cazul în care valoarea primită este mai
mare sau egală cu valoarea anterioară, și această valoare nu este egal ă cu 0, se va inițializa
numerotarea valorilor primite până când va interveni o valoare mai mică decât valoarea
precedentă. Astfel vom afla numărul valorilor consecutive crescătoare. În caz că senzorul IR
înregistrează o valoare peste „ Val_MAX ” (date primi te din figura 5.1) în momentul de timp
când a numărat între 10 și 25 (date primite din figura 5.1) de valori crescătoare consecutive , se
va comuta culoarea și frecvența necesară. Datele de mai sus reprezintă datele primite
experimental pe care le putem viz ualiza în capitolul 5 (figura 5.1).
Valoarea lui „ TIMER_IR1 ” este setată inițial pe 1 iar valoarea lui „ Val_MAX ” este setată pe
60. Aceste două valo ri ar putea fi schimbate în funcție de datele experimentale primite , care
vor varia în dependență de vit eza trenului. Importanța acestor valori o voi explica în capitolul
următor .
Codul implementat pe placa Arduino nano de pe tren, ce răspun de de oprirea locomotivei la
semnalul roșu al semaforului și pornirea acesteia la semnalul verde , arată astfel:

33

Aici avem pinii de întrerupere externă 2 și 3 cu ajutorul cărora sunt i dentificate fronturile
ascendente și descendente , pe baza cărora sunt determinate durata pulsurilor . În cazul în care
primim valoarea pulsului pozitiv cuprinsă între 1200 și 1600 i ar valoarea pulsului negativ între
1000 și 1400 (valori corespunzătoare semnalului roșu al semaforului) pinul 4 din baza
tranzistorului va fi setat pe LOW . Deci locomotiva se va opri de fiecare dată când va recepta
frecvenț a corespunzătoare LED -ului roșu ș i va aștepta o secundă până la preluarea noilor date.
În caz ul în care receptorul de pe locomotivă primește alte date decât cele specificate mai sus
pinul 4 va fi setat pe HIGH.
Valorile primite pe semnalul verde al semaforului fiind cuprinse între 600 -1000 la pulsul
pozitiv și 400 -800 la pulsul negativ, nu vor fi niciodată confundate cu valorile primite de la
semnalul roșu.

34
Toate valorile au fost primite experimental și variază datorită distanței dintre emițătorul și
receptorul VLC, unghiului de vi zibilitate dintre același emițător și receptor și datorită
intensității luminoase a LED -urilor. În cazul lipsei unui semnal, valorile ambelor pulsuri sunt
aproximativ egale, ~ 300 cu lumina stinsă, ~ 16000 cu lumina aprinsă.
O parte din codul implemen tat pe placa Arduino nano de pe tren, pentru funcționarea
senzorului ultrasonic, arată astfel:

În secvența de cod de mai sus senzorul ultrasonic timp de 10 microsecunde transmite o undă
sonoră, apoi două microsecunde așteaptă, după care iar transmite o altă undă timp de 10
microsecunde și secvența dată se repetă .
În același timp, senzorul c alculează distanța dintre el și obiectul din fața acestuia în caz de
receptare a reflexiei undei sonore.
Dacă distanț a este mai mică sau egală cu 14 cm, microcontrolerul Arduino comandă oprirea
pinului din baza tranzistorului (figura 3.7) , astfel oprin d motorul locomotivei.

35
Capitolul 5 . Evaluarea și testarea experimentală a sistemului

5.1 Evaluarea detecției locomotivei
Pentru testarea experimentală a detecției locomotivei am lăsat trenul cu PCB -ul din figura
3.8 alimentat, să facă 10 cercuri pe traseul A (figura 3.6), la fiecare trecere prin zona de detecție
a montajului din figura 3.9 colectând datele primite de la senz orul IR. Apoi am făcut o medie
a datelor primite și am trasat graficile datelor în funcție de timp (figura 5.1), astfel observând
comportamentul senzorului la trecerea trenului. Următorul pas era să aflu influența neoanelor
asupra senzorului. La aprinderea neoanelor senzorul nu a reacționat, deci am primit doar valori
de 0, am trasat graficul (figura 5.1). În ultimul experiment am trasat graficul datelor primite în
urma expunerii senzorului la lumina zilei, în prezența soarelui, în funcție de timp (figura 5 .1).

Figura 5.1 Graficul valorilor înregistrate în funcție de timp

Comparând graficele, am observat că graficele care reprezintă trecerea trenului au forma
unei parabole , cu valoarea maximală de aproximativ 100. Graficul cu lumina de la neoane are
valorea 0 pe axa y, iar graficul cu lumina de la soare reprezintă o linie aproximativ dreaptă care
crește până la o anumită valoare apoi descrește foarte lent, valoarea maximală fiind în jur de
60.

36
Deci pentru a nu confunda influența LED -ului IR de pe locomotivă, asupra senzorului în
infraroșu, cu influența altor surse de lumină, codul Arduino folosit în capitolul 4 pagina 32,
compară valoarea primită recent, cu valoarea preced entă și doar în cazul preluării unei valori
(Val_MAX) peste 59 , preluată în momentul de timp cuprins între 10 -25 (ceea ce ar însemna
prezența trenului în raza de acțiune a receptorului IR) acesta va efectua instrucțiunile necesare
(comutarea LED -urilor).

5.2 Evaluarea emițătorului -receptorului VLC
Primul test pe care l -am făcut a fost variația semnalelor primite în funcție de distanță .

Figura 5.1 Graficile obținute la distanța Figura 5.2 Graficile obținute la distanța
de 7 cm pentru frecvența de 400 Hz de 7 cm pentru frecvența de 800 Hz

În figurile 5.1 și 5.2 sunt prezentate graficile obținute la o distanță de 7 cm dintre emițător
și receptor p entru frecvențele 400 Hz respectiv 800 HZ.
Semnalul CH1 (portocaliu) prezintă semnalul emis de emițătorul VLC, semnalul CH2
(albastru) prezintă semnalul colectat de pe colectorul fototranzistorului din figura 3.16,
semnalu l CH3 (violet) este primit de pe pinul de intrare a receptorului VLC (pinul 3), iar
semnalul CH4 (verde) prezintă semnalul de la ieșirea amplificatorului (pinul 5).
Prin urmare semnalul CH1 trebuie să fie cât mai identic cu CH4, iar semnalele CH2 și CH3
au rolul de a ilustra reconstrucția progresivă a semnalului CH4 la nivelul diferitor blocuri din
cadrul receptorului.
Graficile au fost obținute în condiția în care receptorul și transmițătorul au fost poziționați
în linie dreaptă unul față de altul.

37
Aceleaș i teste le-am repetat petru distanța de 20 cm și 50 cm, cea din urmă părea a fi distanța
maximă de recepție a semnalului.
Graficile obținute le avem date în figurile 5.3 , 5.4 respectiv 5.5 , 5.6 .

Figura 5.3 Graficile obținute la distanța Figura 5.4 Graficile obținute la distanța
de 20 cm pentru frecvența de 400 Hz de 20 cm pe ntru frecvența de 800 Hz

Figura 5.5 Graficile obținute la distanța Figura 5.6 Graficile obținute la distanța
de 50 cm pentru frecvența de 400 Hz de 50 cm pentru frecvența de 800 Hz

După cum observăm odată cu creșterea distanței dintre receptor și emițător semnalele
colectate de la colectorul foto tranzistorului și de pe pinul de intrare a amplificatorului scad în
amplitudine, semnalul de la ieșirea AO fiind mereu același și aproape identic cu semn alul emis
de emițător datorită amplificării acestuia.
În continuare am făcut alte trei teste și anu me: primul test – receptarea semnalului în prezența
neoanelor, al doilea test – receptarea semnalului în prezența unei surse de lumină ce este
orientată sub un unghi mic (~ 0 grade) spre receptor , al treilea test – receptarea semnalului în
prezența unei surse de lumină îndreptată spre receptor la o distanță relativ mică ( ~ 3-5 cm).

38
Graficile le observați în figurile de mai jos .

Figura 5.7 Graficile obținute la frecvența de 400 Hz Figura 5.8 Graficile obținute la frecvența de 800 HZ
fără surse de lumină perturbatoare fără surse de lumină perturbato are

Figura 5.9 Graficile obținute la frecvența de 400 Hz Figura 5.10 Graficile obținute la frecvența de 800 HZ
în prezența neoanelor în prezența neoanel or

Observăm pentru graficile CH2 și CH3 că mai intervine o frecvență perturbatoare de la
neoane care interferează cu frecvența receptată de fototranzistor și că la frecvența de 800 Hz
acest lucru fiind mai vizibil, semnalul final fiind distorsionat. În cosecință, ar fi necesară
utilizarea unui filtru t rece-sus pentru eliminarea interferențelor produse de sursele de iluminat
artificiale. În acest caz, ar fi nevoie și de creșterea frecvențelor de lucru.

39

Figura 5.11 Graficile obținute la frecvența de 400 Hz Figura 5.12 Graficile obținute la frecvența de 800 HZ
în prezența luminii ledului de la telefon în prezența luminii ledului de la telefon

Figura 5.13 Graficile obținute în prezența unei surse de lumină apl asate exact lângă fotoreceptor

În figura 5.13 semnalele CH2 și CH3 sunt puternic afectate, iar semnalul de la ieșire pierde
din valoarea aplitudinei.

5.3 Evaluarea sistemului în ansamblu
Pentru a verifica funcționarea sistemului am pornit trenurile (fiecare mișcându -se pe calea
sa) și le -am lăsat să funcționeze 15 minute, pe durata dată de timp trenurile sau ciocnit odată ,
trenul de pe traseul A (figura 3.6) făcând 45 de cercuri comple te pe traseul său, astfel comutând
semafoarele pe culoare a roșie de 45 de ori. Trenul de pe traseul B (figura 3 .6) s-a oprit la
semafoare de 33 de ori, 17 ori la semaforul S4 (figura 3.6) și 16 ori la semaforul S2 (figura
3.6). Cu toate acestea, au exista t și 5 cazuri în care trenul de pe traseul B nu s -a oprit la

40
semaforul S2. Posibile cauze ale acestor erori ar putea fi legate de faptul că din cauza mișcării
trenului și a unui unghi de recepție limitat, receptorul nu a mai fost suficient de bine aliniat cu
emițătorul. În acest caz, semnalul recepționat nu poate fi procesat și prin urmare, trenul nu
oprește la culoarea roșie a semaforului. O altă posibilă cauză a acestori erori este legată de
vibrațiile la care este supus receptorul VLC aflat pe tren. S -a constat că aceste vibrații
influențează identificarea fronturilor semnalului. Aceaste posibile deficiențe ale sistemelor
VLC sunt identificate și în referința [12].
A fost testat și senzorul ult rasonic, acesta lucrând perfect.

Figura 5.14 Poze : Înfățișarea proiectului final

41
Capitolul 6. Concluzii

Integrarea sistemelor de comunicații prin lumină vizibilă în controlul traficului feroviar și
cel rutier precum și în alte domenii prezintă numeroase avantaje, potențialul tehnologiei VLC
fiind unul imens, aflânduse în continuă creștere, însă prototipurile VLC existente nu sunt
capabile să îndeplinească în totalmente cerințele de siguranță a traficului feroviar și rutier.
În această lucrare au fost prezentate atât avantajele sistemului cât și părțile slabe ale acestuia,
cele din urmă prezentând o provocare în curs de cercetare în ultimii ani. Una dintre cele mai
mari provocări fiind cea de înlăturarea a luminii parazite, care după cum am observat, din partea
practică a lucrării, prezintă pr incipalul factor de risc care ar putea împiedica funcționarea
normală a sistemului.
O altă provocare ar fi cea de mărire a distanței dintre emițător și receptor astfel încât sistemul
ar funcționa. În partea practică am obținut valori a distanței destul de mici, însă să nu uităm că
aceasta prezintă doar un model pentru a arăta că tehnologia într -adevăr lucrează, iar dist anța
poate fi mărită folosind LED -uri mai puternice, microcontro lere și circuite integrate cu
caracteristici mai bune etc.
În vii tor aș vrea sa dezvolt proiectul dat folosind frecvențe mai apropiate de standarde ,
diferite circuite și filtre , astfel minimalizând efectul luminii perturbatoare asupra receptorului
VLC, deasemenea aș dori să extind partea practică a proiectului adăugând pe machetă și câteva
autoturisme care vor comunica între ele folosind aceiași tehnologie VLC.
Deasemenea pe viitor aș vrea să contribui în dezvoltarea sistemelor VLC și integrarea
acestora în mai multe domenii, pentru ca în viitorul apropiat să primim o tehnologie de
comunica ție ce va îmbunătăți vizibil nivelul de trai în fiecare localitatea în care sistemul va fi
întrebuințat.

42
Referințe
 [1]https://ro.wikipedia.org/wiki/Calea_ferat%C4%83_Bucure%C8%99ti%E2%80%93Giurgiu_Nord%E2
%80%93Giurgiu
 [2] https://www.jurnalistii.ro/top -6-cele-mai-rapide -trenuri -din-lume -in-2018/
 [3] https://www.capital.ro/c ea-mai-lunga -cale-ferata -din-lume -se-opreste -la-madrid.html
 [4] https://adevarul.ro/life -style/travel/cele -mai-frumoase -cai-ferate -lume –
1_5548b56acfbe376e35dedf0f/index.html
 [5] https://adevarul.ro/economie/business -international/Tara -europeana -mai-bun-sistem -feroviar –
loc-afla-romania -1_5adc63cddf52022f751b5c20/index.html
 [6] http://www.afer .ro/asfr/rapoarte%20anuale/RAPORT%20ANUAL%20ASFR%202016.pdf
 [7] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics -explained/index.php/Rail_accident_fatal ities_in_the_EU
 [8] https://oli.org/about -us/news/collisions -casulties
 [9] https://uic.org/com/uic -e-news/623/article/international -union -of-railways -uic-issues -yearly –
report -2018 -on-railway?page=iframe_enews
 [10] https://www.descopera.ro/stiinta/3931228 -top-10-cele-mai-costisitoare -accidente -din-istorie
 [11] https://www.descop era.ro/dnews/16052118 -cand -a-fost-inventat -si-cum -arata -primul -semafor –
din-lume
 [12] A. Căilean and M. Dimian, "Current Challenges for Visible Light Communications Usage in Vehicle
Applications: A Survey," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, no. 4, pp. 2681 -2703,
Fourthquarter 2017
 [13]https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_light_communication#/media/File:EM_spectrum.svg
 [14] A. Caile an and M. Dimian, "Impact of IEEE 802.15.7 Standard on Visible Light Communications
Usage in Automotive Applications," in IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 4, pp. 169 -175,
April 2017.
 [15] https://www.researchgate.net/figure/Illustration -of-road -to-vehicle -and-the-vehicle -tovehicle –
scenarios -Traffic -lights -are_fig1_325131215
 [16] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4066b.pdf
 [17] https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

43
Anexe

Coduri Arduino Implementate Cod machetă

44
Coduri Arduino Implementate Cod locomotivă