Análisis, filtrado en tiempo real y transmisión de datos mediante comunicación por luz visible de células fotovoltaicas

Abstract

Este trabajo se divide en dos fases principales. La primera fase consiste en el diseño, desarrollo y análisis de un sistema de comunicación por luz visible (VLC) basado en tecnología Li-Fi, utilizando como emisor un LED comercial y como receptor una célula fotovoltaica. El objetivo principal es implementar un filtrado en tiempo real que mejore la calidad de la señal recibida. Para ello, se llevó a cabo una evaluación del comportamiento de distintas células bajo diversas condiciones de frecuencia y distancia. En concreto, se analizaron cinco células fotovoltaicas dopadas con diferentes disolventes orgánicos e inorgánico (DMF, DMSO, THF, MeOH y Pb), seleccionando finalmente la célula dopada con DMF, debido a su mejor rendimiento en términos de amplitud y estabilidad. Las pruebas se realizaron con el osciloscopio Analog Discovery 2, controlado mediante el software WaveForms, el cual modifico un script para incluir un sistema automatizado de control de medidas con la capacidad de aplicar filtrado digital en tiempo real. Este sistema permite seleccionar entre distintos tipos de filtros según las condiciones del experimento; en nuestro caso, se utilizó un filtro Butterworth de segundo orden,paso bajo, con una frecuencia de corte de 1 MHz. Esta funcionalidad permitió visualizar en tiempo real el efecto del filtro sobre la señal dentro del propio osciloscopio, y además ofrecía la posibilidad de exportar automáticamente los datos medidos. Para la toma de medidas en función de la distancia, se utilizó un portaplacas fabricado en impresión 3D, el cual incluye un sistema métrico desplazable centímetro a centímetro, facilitando la recolección precisa de los datos a distintas distancias entre el emisor y el receptor. En la segunda fase del trabajo, se llevó a cabo la transmisión real de datos codificados en ASCII. Para ello, se utilizó una placa Arduino Due en el lado del transmisor, encargada de generar tanto el preámbulo como los datos mediante modulación OOK. En el receptor, se empleó otra placa Arduino Due, a la cual se conectó un amplificador operacional LM741CN configurado en modo no inversor. Este amplificador permitió aumentar la señal captada por la célula, asegurando su correcta detección y decodificación. Gracias a este enfoque, fue posible transmitir información de forma estable y precisa, demostrando la viabilidad del uso de células fotovoltaicas orgánicas en sistemas Li-Fi de bajo coste, abriendo la puerta a futuras aplicaciones en entornos donde se requiere comunicación inalámbrica sin el uso de radiofrecuencia.

This work is divided into two main phases. The first phase consists of the design, development and analysis of a visible light communication (VLC) system based on Li-Fi technology, using a commercial LED as emitter and an photovoltaic cell as receiver. The main objective is to implement a real-time filtering that improves the quality of the received signal. For this purpose, an evaluation of the behavior of different cells under different frequency and distance conditions was carried out. Specifically, five photovoltaic cells doped with different organic and inorganic solvents (DMF, DMSO, THF, MeOH and Pb) were tested, finally selecting the cell doped with DMF, due to its better performance in terms of amplitude and stability. The tests were performed with the Analog Discovery 2 oscilloscope, controlled by WaveForms software, which modified a script to include an automated measurement control system with the ability to apply digital filtering in real time. This system allows selecting between different types of filters according to the conditions of the experiment; in our case, a second order Butterworth filter, low pass, with a cut-off frequency of 1 MHz was used. This functionality allowed real-time visualization of the effect of the filter on the signal within the oscilloscope itself, and also offered the possibility of automatically exporting the measured data. For taking measurements as a function of distance, a plate holder made in 3D printing was used, which includes a metric system that can be moved centimeter by centimeter, facilitating the accurate collection of data at different distances between the transmitter and the receiver. In the second phase of the work, the actual transmission of ASCII encoded data was carried out. For this purpose, an Arduino Due board was used on the transmitter side, in charge of generating both the preamble and the data through OOK modulation. At the receiver, another Arduino Due board was used, to which an LM741CN operational amplifier configured in non-inverting mode was connected. Thanks to this approach, it was possible to transmit information in a stable and accurate way, demonstrating the feasibility of using organic photovoltaic cells in low-cost Li-Fi systems, opening the door to future applications in environments where wireless communication is required without the use of radio frequency.