Projetos de Camada Física da Computação

Feitos por 🙋‍♂️ 🙋‍♀️ :

Henrique Martinelli Frezzatti;
Lívia Sayuri Makuta.

🔲 Projetos desenvolvidos 🔲

Projetos desenvolvidos na disciplina de Camada Física da Computação

Projeto Loopback (Projeto 1) ✔️
Projeto Client-Server (Projeto 2) ✔️
Projeto Datagrama (Projeto 3) ✔️
Projeto Protocolo ponto a ponto (sem CRC: Projeto 4) ✔️
Projeto Protocolo ponto a ponto (com CRC: Projeto 5) ✔️
Projeto Serialização UART (Projeto 6) ✔️
Projeto DTMF (Projeto 7) ✔️
Projeto Modulação AM (Projeto 8) ✔️
Trabalho Científico sobre Computação Quântica.

Objetivos dos projetos 📍 :

A maioria dos projetos trabalharam com transmissão serial entre dois computadores, mais também trabalhamos com um projeto de software para modulação de sinais acústicos e transmissão de sinais modulados. Por fim, ao fim da disciplina também desenvolvemos (com mais outros dois alunos: Bernardo Cuha Capoferri e Guilherme Dantas Rameh) um trabalho científico sobre Computação Quântica.

A seguir, estão as descrições mais detalhadas do que era esperado para cada um dos projetos:

Projeto Loopback [Projeto 1]

Esse software é capaz de :

Enviar uma imagem através da porta de comunicação serial.
Receber a imagem simultaneamente ao envio e salva-la como uma cópia. Para isso a recepção do Arduino(pino rx) deve estar curto-circuitada com o pino de transmissão (pino tx).

Projeto Client-Server [Projeto 2]

Nesse projeto desenvolvemos duas aplicações distintas:

Uma aplicação (client) que deverá enviar via transmissão serial UART uma sequência de comandos que poderiam, por exemplo, controlar o estado da outra aplicação (server). A sequência deve ter entre 10 e 30 comandos, a ser determinada pelo client. O server não sabe a quantidade de comandos que irá receber.
Após a recepção, uma outra aplicação (server) deverá retornar ao client uma mensagem informando o número de estados que foram recebidos. Assim que o cliente receber a resposta com este número, poderá verificar se todos os estados foram recebidos, e o processo termina.

Projeto Datagrama [Projeto 3]

Para esse projeto modificamos o anterior para que todas as mensagens trocadas entre o servidor e o cliente sejam um datagrama completo. Isso significa que mesmo que queira enviar um único byte, deverá enviar um pacote compondo um datagrama. Para isso vamos considerar o seguinte datagrama:

HEAD – 10 BYTES - fixo
PAYLOAD – variável entre 0 e 114 BYTES (pode variar de pacote para pacote)
EOP – 4 BYTES – fixo (valores de sua livre escolha)

Além disso, para iniciar a comunicação entre o servidor e o cliente foi implementado o handshake que funciona da seguinte forma:

Antes do início do envio da mensagem, o cliente deve enviar uma mensagem para verificar se o server está “vivo”, pronto para receber o arquivo a ser enviado. O server então deve responder como uma mensagem informando que ele está pronto para receber. Enquanto a mensagem não seja recebida pelo cliente, este não começa o envio de nada. Caso o cliente não receba a resposta do servidor dentro de 5 segundos, informando que está pronto para receber o arquivo, o usuário recebe uma mensagem: “Servidor inativo. Tentar novamente? S/N”. Se o usuário escolher “S”, outra mensagem de verificação é enviada ao server. Caso escolha não. Tudo se encerra. Caso o servidor responda ao cliente em menos de 5 segundos, o cliente deve iniciar a transmissão do arquivo.

Por fim, é importante ressaltar que foi feita uma fragmentação do payload, isso porque o arquivo a ser enviado é maior que o tamanho do payload, por isso é preciso enviá-lo em pacotes, e todos os pacotes seguem a estrutura do datagrama descrito anteriormente.

Projeto Protocolo ponto a ponto [sem CRC: Projeto 4]

Para esse projeto implementamos uma aplicação para que a comunicação seja feita para sensores se comunicarem serialmente com padrão UART de maneira segura, sem perda de dados. E essa comunicação deve ser feita para envio de arquivos para os servidores, sendo uma rotina de envio executada pelo sensor toda vez que este tem um arquivo a ser enviado. Além disso, a camada superior da comunicação deve funcionar seguindo uma estratégia já definida, onde os arquivos são enviados em pacotes, respeitando o datagrama definido a seguir:

h0 – tipo de mensagem
h1 – id do sensor
h2 – id do servidor
h3 – número total de pacotes do arquivo
h4 – número do pacote sendo enviado
h5 – se tipo for handshake: id do arquivo, se tipo for dados: tamanho do payload.
h6 – pacote solicitado para recomeço quando a erro no envio.
h7 – último pacote recebido com sucesso.
h8 – h9 – CRC
PAYLOAD – variável entre 0 e 114 bytes. Reservado à transmissão dos arquivos.
EOP – 4 bytes: 0xFF 0xAA 0xFF 0xAA

Por fim, existem 6 tipos de mensagens:

TIPO 1 – Esta mensagem representa um chamado do cliente enviado ao servidor convidando-o para a transmissão.
TIPO 2 – Essa mensagem é enviada pelo servidor ao cliente, após o primeiro receber uma mensagem tipo 1 com o número identificador correto.
TIPO 3 – A mensagem tipo 3 é a mensagem de dados. Este tipo de mensagem contém de fato um bloco do dado a ser enviado (payload).
TIPO 4 – Essa mensagem é enviada do servidor para o cliente toda vez que uma mensagem tipo 3 é recebida pelo servidor e averiguada.
TIPO 5 – É uma mensagem de time out.
TIPO 6 – É uma mensagem de erro.

Projeto Protocolo ponto a ponto [com CRC: Projeto 5]

Esse projeto utiliza tudo o que foi desenvolvido anteriormente com o acréscimo do CRC.

Sendo o CRC (Cyclic Redundancy Check) um algoritmo de verificação de integridade usado para detectar erros em dados durante a transmissão ou armazenamento. Ele é aplicado a um conjunto de dados e gera um valor de verificação (checksum) que é enviado juntamente com os dados. No código desenvolvido, o CRC é calculado usando a função binascii.crc_hqx() para obter um valor de verificação de 2 bytes (h8 e h9). Esse valor é adicionado ao pacote como parte do cabeçalho, permitindo que o destinatário verifique se os dados foram recebidos corretamente. Se o valor CRC calculado no destino for diferente do valor recebido, isso indica a presença de erros nos dados transmitidos.

Projeto Serialização UART [Projeto 6]

O objetivo deste projeto é desenvolver um algoritmo que permita a serialização de um byte e seu envio através de um pino digital genérico em um Arduino para outro Arduino. O código receptor está configurado para receber mensagens no padrão UART, com 1 bit de paridade, 1 bit de start, 1 bit de stop e uma taxa de transmissão de 9600 bits/s. O algoritmo deve codificar o byte de acordo com a tabela ASCII e enviar os bits correspondentes ao frame UART. O código receptor irá exibir a mensagem recebida no monitor serial, permitindo verificar se o envio ocorreu corretamente. Observação: para esse projeto partimos de um outro código passado elo professor da disciplina Rodrigo Carareto.

Projeto DTMF [Projeto 7]

Nesse projeto de transmissão do dualtone multi frequency implementamos um emissor e receptor que funcionam da seguinte maneira:

Lado emissor

Perguntar ao usuário qual número, entre 0 e 9 ele quer digitar.
Emitir por alguns segundos as duas frequências relativas ao número escolhido.
Plotar o gráfico no domínio do tempo duas frequências somadas.
Plotar o gráfico no domínio da frequência do sinal emitido (transformada de Fourier)
Salvar o sinal gerado em um arquivo.

Lado receptor

Captar o sinal de áudio emitido pela aplicação do emissor através do microfone. Pesquise como usar a biblioteca sounddevice para gravar sons. Não grave silêncio. Inicie a gravação quando o áudio já esteja sendo produzido pelo outro computador ou celular. Quem não estiver presencial, poderá gravar (com o celular) o som produzido pelo computador emissor e reproduzi-lo para que a aplicação de recepção aquisita-lo.
Fazer o Fourier do sinal captado.
Identificar os picos.
Identificar a tecla relativa aos picos e “printar” o número da tecla. Cuidado! A função de identificação de picos identifica a posição do pico no vetor, não a frequência!!!
Plotar o gráfico no tempo do sinal recebido.
Plotar o gráfico da transformada de Fourier do sinal recebido.

Projeto Modulação AM [Projeto 8]

O objetivo deste projeto é transmitir um áudio que ocupe bandas de baixas frequências (20 Hz a 4 kHz) através de um canal de transmissão limitado às bandas de 10 kHz a 18 kHz. O processo envolve a leitura de um arquivo de áudio, normalização do sinal, filtragem das frequências acima de 4 kHz, modulação do sinal em amplitude (AM) com uma portadora de 14 kHz, envio do áudio modulado, recebimento do áudio modulado, verificação da faixa de frequência recebida (10 kHz a 18 kHz), demodulação do sinal, filtragem das frequências superiores a 4 kHz e reprodução do áudio demodulado.

Lihsayuri/FisCom-Projetos