VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A INFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER SCIENCE POUŽITÍ BEZDRÁTOVÝCH TECHNOLOGIÍ PRO KOMUNIKACI V MOBILNÍ ROBOTICE USING OF WIRELESS TECHNOLOGIES FOR COMMUNICATION IN MOBILE ROBOTICS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR PAVEL NEKULA ING. TOMÁŠ MARADA, PH.D.

2 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 2

3 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 3 Zadání bakalářské práce

4 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 4

5 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 5 Licenční smlouva POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO 1. Pan/paní Jméno a příjmení: Pavel Nekula uzavřená mezi smluvními stranami: Bytem: Dyjákovičky 140, Znojmo Narozen/a: , Znojmo (dále jen autor ) 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství se sídlem Technická 2896/2, Brno jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: Doc. RNDr. Ing. Miloš Šeda, Ph.D., ředitel ÚAI (dále jen nabyvatel ) Čl. 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce bakalářská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako... (dále jen VŠKP nebo dílo) a Název VŠKP: Vedoucí/školitel VŠKP: Ústav: Datum obhajoby VŠKP: Použití bezdrátových technologií pro komunikaci v mobilní robotice Ing. Tomáš Marada, Ph.D. Ústav automatizace a informatiky VŠKP odevzdal autor nabyvateli v * : tištěné formě počet exemplářů : 2 elektronické formě počet exemplářů : 3 * hodící se zaškrtněte

6 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 6 2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti ihned po uzavření této smlouvy 1 rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením 47b zákona č. 111/ 1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona. Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami. V Brně dne:. Nabyvatel.. Autor

7 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 7 Abstrakt V této práci je provedena detailní rešerše bezdrátových technologií, které lze aplikovat při přenosu dat mezi mobilními roboty a PC nebo mezi mobilními roboty navzájem. Dalším cílem bylo detailní srovnáni jednotlivých technologií a návrh konkrétní vhodné technologie s ohledem na velikost a další schopnosti a vlastnosti konkrétního robota. Posledním ze stanovených cílu bylo navrhnout skupinu komunikačních modulů pro již jmenovanou skupinu bezdrátových technologií a v závěru porovnat jejich základní parametry. Abstract In this work are documented detailed solutions of wireless technologies, which are able to be applied in transfers of daters between mobile robots and PC or mobile robots with each other. Intend was detailed comparing of individual technologies and proposal of suitable specific technology bearing in mind the size and other characteristics and nature of particular robot. Last from all given aims was to design a group of communication modules for above referred group of wireless technologies and in the end to compare their basic levels. Klíčová slova Mobilní robot, bezdrátové technologie, IrDA, Bluetooth, ZigBee, WiFi. Keywords Mobile robot, wireless technology, IrDA, Bluetooth, ZigBee, WiFi.

8 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 8

9 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 9 Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat všem, kteří mi byli nápomocní při zhotovování bakalářské práce. Především děkuji vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Tomášovi Maradovi, Ph.D. za cenné rady a připomínky.

10 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 10

11 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 11 Obsah Zadání bakalářské práce...3 Licenční smlouva...5 Abstrakt...7 Klíčová slova...7 Poděkování...9 Seznam použitých zkratek Úvod Irda Úvod Historie Fyzická vrstva Irda Irda Irda Linkové vrstvy Vrstva IrLAP Vrstva IrLMP Irda Transport Protocols Vysílač a přijímač použitelný v mobilní robotice VF moduly Úvod Modulace Amplitudová modulace Frekvenční modulace Kódování DTFM Modulace Zabezpečení cyklickým kódem CRC Zabezpečení paritou Kódy pro odstranění stejnosměrné složky Bitové kódování Bytové kódování VF moduly použitelné v mobilní robotice AC Integra One 433 MHz Transceiver BiM Vysílač TX-SAW 433 a přijímač RX-BC-NBK Bluetooth Úvod Historie Topologie sítě Technická řešení Frekvenční pásma Základní koncepce komunikační jednotky Definice kanálu Synchronní a asynchronní přenos Komunikační profily a architektura přenosových protokolů Baseband, link layer kontrol Link manager protocol...31

12 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Host controller interface Logical link kontrol and adaptation protocol Radio frequency communications port Service discovery protocol Telephony control binary Audio Telephony control AT commands Point-to-point Protokol TCP/IP WAP Protokol OBEX Profily v Bluetooth Generic access profile Service discovery application profile Serial port profile Dial-up networking profile LAN access profile Generic object exchange profile File transfer profile Bezpečnost a spolehlivost přenosu Moduly Bluetooth pro mobilní robotiku BT Module F2M03GLA LinkMatik Ezurio TRBLU C-Com BTM ZigBee Úvod Historie Topologie sítě Technická řešení Frekvenční pásma Referenční model Synchronizace zařízení ZigBee Spotřeba zařízení Zabezpečení komunikace Moduly ZigBee pro mobilní robotiku ZigBee RC 230x Pixie DS ZigBee Zebra ZigBee ZMN Wifi Úvod Historie Přehled standardů IEEE Topologie sítě Infrastrukturní sítě Ad hoc Rozdělení kmitočtových pásem Bezlicenční pásmo ISM...47

13 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Licenční pásmo UNII Fyzická vrstva standardu Rozprostřené spektrum Spojová vrstva a MAC podvrstva Koordinace přístupu k médiu Formát MAC rámce Struktura Frame Control Zabezpečení Moduly Wifi pro mobiliní robotiku Ezurio wireless Lan modul EZL 80c HW Závěr...55 Použitá literatura...59

14 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 14

15 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 15 Seznam použitých zkratek PAN SIG ISM MIMO CSMA/CA DCF RTS CTS PCF DoS WEP MAC IrDA Wifi SIR MIR PPM FIR CRC SCO ACL IEEE AES MIC CAP CFP GTS DSSS AP OFDM FHSS WLAN WECA Personal Area Network Special Interest Group Industrial Scientific Medical Multiple Input Multiple Output Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Distributed Coordination Function Request To Send Clear To Send Point Coordination Function Denial of Services Wired Equivalent Privacy Media Access Control Infrared Data Association Wireless Fidelity Serial InfraRed Medium InafraRed Pulse Position Modulation Fast Infrared Cyclic Redundancy Check Synchronous Connection Oriented Asynchronous Connectionless The Institute of Electrical and Electronics Engineers Advanced Encryption Standard Message Integrity Code Contention Access Period Contention Free Period Guaranteed Time Slot Direct Sequence Spread Spektrum Access Points Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Hopping Spread Spectrum Wireless Local Area Network Wireless Ethernet Compatibility Alliance

16 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 16

17 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 17 1 Úvod Bezdrátové komunikace tvoří jednu z nejdynamičtěji se rozvíjejících komunikačních oblastí. V současné době jsou bezdrátové spoje alternativou metalických nebo optických linek. Jejich rozvoj umožňuje realizovat propojení sítí velmi vysokými rychlostmi na čím dál větší vzdálenosti, integrovat hlas a data. Současná popularita bezdrátových přenosů není zdaleka dána jen potřebami mobilních uživatelů. Bezdrátové technologie se dnes uplatňují všude, kde prakticky k žádným pohybům nedochází právě díky své bez-drátovosti, neboli díky absenci hmotných vodičů, resp. drátů. Mnohdy má tento moment rozhodující roli. V historicky chráněných budovách není možné zasahovat do stěn kopáním či natahováním kabelů, tak se zde musí zvolit jiné řešení bezdrátové. Mnozí z nás se vystavují bezdrátové komunikaci prakticky denně a dovolím si tvrdit, že o tom ani sami neví. Ano je to tak, neboť mám na mysli komunikaci formou mobilních telefonů, popřípadě obsluhu televizorů pomocí dálkového ovladače, který v sobě skrývá IrDA vysílač. V současné době vítězí volba bezdrátového řešení, nad volbou použít vedení metalické. Tak je tomu i v robotice. Do popředí se dostává mobilní robot, který je řízen bezdrátově a můžeme s ním snadněji komunikovat a následně poté i manipulovat. Cílem mé práce je nastínit komunikační bezdrátové standardy, pomocí kterých lze bezdrátově komunikovat mezi mobilním robotem a PC nebo mezi více mobilními roboty navzájem. Po prostudování mnoha různých materiálů o bezdrátových standardech jsem došel k názoru, že pro již zmíněnou komunikaci mezi mobilní robotem a PC bude nejvhodnější následující pětice bezdrátových technologií: IrDA, VF technologii, Bluetooth, ZigBee a WiFi. Technologie bezdrátového přenosu dat jsou níže stručně popsány a jsou u nich rovněž uvedeny moduly, které lze aplikovat na samotného mobilního robota o různých vlastnostech.

18 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 18

19 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 19 2 Irda 2.1 Úvod do problematiky IrDA je standard vytvořený IrDA konsorciem definující bezdrátový přenos dat díky infračervenému zářeni. IrDA ve svých specifikacích definuje standardy fyzických koncových zařízeni a protokolů, jimiž komunikují IrDA zařízení. Tento standard vznikl pro potřebu mobilně propojit různé zařízení mezi sebou. Hlavní využití IrDA je pro spojení notebooků, PDA a mobilních telefonů, ale hlavně kde je IrDA přenos využívaný je u ovládání televizorů a audio techniky.[16] 2.2 Historie V roce 1993 vzniklo IrDA konsorcium za přispění 20 různých společností. Hlavním úkolem bylo navrhnout standard pro bezdrátový přenos dat na velmi krátkou vzdálenost pomocí infračervených paprsků. V roce 1994 byla vydána první verze IrDA standardu. Nyní tento standard popisuje fyzickou vrstvu a protokoly potřebné pro komunikaci dvou zařízení. První standard, značený jako IrDA 1.0, popisuje přenos dat rychlostmi maximálně bit/s, novější verze IrDA 1.1 obsahuje vylepšení na fyzické vrstvě umožňující přenos dat rychlostí až 4 Mbit/s. V současnosti IrDA sdružuje více než 150 společností, mimo jiné například Hewlett-Packard, IBM, Sharp, Apple, Canon a další, které vydaná doporučení aplikují na své výrobky.[16] 2.3 Fyzická vrstva Irda IrDA zařízení komunikují pomocí infračervených LED diod s vlnovými délkami vyzařovaného světla 875 nm. PIN fotodiody jsou přijímačem pracujícím v generačním režimu, kdy při dopadu světla na přijímač světlo vyšle elektrony, které se odvádí do elektronického filtru, jenž propustí jen ty frekvence, které jsou povoleny pro daný typ IrDA modulace. Přímou úměru nalezneme mezi energií dopadnutého záření a nábojem, který optická část přijímače vygeneruje. IrDA zařízení dle normy IrDA 1.0 a 1.1 pracují do vzdálenosti 1.0 m při bitové chybovosti BER, které se pohybují kolem 10-9 a maximální úrovni okolního osvětlení 10 lux. Dané hodnoty jsou definovány pro nesouosost vysílače a přijímače 15 stupňů, pro jednotlivé optické prvky se měří výkon do 30 stupňů. Pro větší vzdálenosti existují i směrové vysílače, ty však nedodržují přesně definovaný standard.[16] Irda 1.0 Přenosové rychlosti používané pro IrDA 1.0 jsou od 2400 do kbit/s. Prvotní komunikace probíhá vždy rychlostí 9600 bit/s, a proto je podpora této rychlosti oproti ostatním povinná. Používá se pulsní modulace, doba vyzařování světelné energie odpovídá 3/16 délky původní doby trvání bitu a pulsy odpovídají bitům s nulovou hodnotou. Tato metoda se také nazývá SIR. [14]

20 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 20 Obr.1: Doba trvání IR impulsu. Formát dat je stejný jako na sériovém portu, tedy asynchronně vysílané slovo uvozené startovacím prvkem. Obr.2: Formát vysílaných dat pří sériovém a IR přenosu Irda 1.1 IrDA 1.1 definuje navíc rychlosti 0,576 Mbit/s a 1,152 Mbit/s s pulsní modulací 1/4 délky doby trvání původního bitu. Metoda se někdy označuje jako MIR. Obr.3: Doba trvání IR impulzu.

21 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 21 Při těchto rychlostech je již paket vysílán synchronně a je uvozen startovací sekvencí (2 x 8 bitů). Následuje cílová adresa (8 bitů), data ukončená 16 bity ochranného kódu CRC a koncová sekvence (8 bitů). Startovací a koncová sekvence se nikde jinde v toku dat nemůže vyskytnout. Pro rychlost 4 Mbit/s se používá impulsová polohová modulace PPM, v níž se 2 bity informace zakódují do pulsu v jedné ze čtyř možných časových pozic - nositelem informace je zde tedy pozice pulsu v čase namísto existence pulsu jako u předchozích modulací. Například bity 00 se vyšlou jako sekvence 1000, bity 01 jako Tato metoda je nazývá FIR. Důvodem použití 4PPM modulace je to, že je zapotřebí 2x méně bliknutí LED diody než v předcházejících modulacích. Lze tedy přenášet data 2x rychleji. Kromě toho se přijímači lépe udržuje úroveň ostatního osvětlení. Při 4PPM modulaci dopadá na přijímač konstantní počet optických pulzů za danou dobu. Vysílač při bitové rychlosti 4Mbps bliká frekvencí 2MHz. Pakety při této modulaci mají ovšem narozdíl od rychlosti 0.576Mbps a Mbps použít kontrolní součet CRC-32. [14] 2.4 Linkové vrstvy Obr.4: Doba trvání IR impulzu Vrstva IrLAP Úkolem vrstvy Link Access Protocol je ovládání přístupu k přenosovému médiu. Její součástí jsou různé procedury pro navázání spojení, nastavení parametrů přenosu, výměnu informací a další funkce. Přístup k médiu pro stanice neúčastnící se spojení je řízen tak, že stanice předtím než začne vysílat, musí sledovat přenosový kanál po dobu minimálně 500 ms, aby bylo jisté, že zde neprobíhá jiná komunikace. Stanice, která se spojení účastní, naopak musí v průběhu 500 ms vyslat data. Přístup stanic, které se účastní spojení, je řízen Poll/Final bitem v každém rámci. Hlavním cílem procedury zajišťující navázání spojení mezi stanicemi, je výměna identifikačních čísel ID obou stanic. Iniciátor spojení vyšle několikrát opakovaně broadcast obsahující jeho vlastní ID. Stanice mezi těmito broadcasty sleduje přenosový kanál. Stanice reagující na tento broadcast vyšlou zpět své vlastní ID. Pokud se vyskytne chyba, může se procedura opakovat. Procedura pro nastavení parametrů slouží ke zjištění a nastavení parametrů komunikace, kterým mohou vyhovět obě strany přenosu. Některé z těchto parametrů, jako například přenosová rychlost, musí být identické pro obě strany přenosu. Další parametry, například maximální délka dat, jsou limitující faktory pro jednu stranu a strana druhá je musí respektovat. Předtím, než jsou známy tyto parametry, probíhá komunikace rychlostí 9.6 kbps asynchronně, s maximální délkou dat 64 byte. Poté, co je uskutečněno spojení, je možno přenosovou rychlost zvýšit až na 115,2 kbps (IrDA 1.0), nebo 4 Mbps (IrDA 1.1) a maximální délku dat nastavit až na 2048 byte. Spojení mezi stanicemi může být typu oneto-one, nebo one-to-many. Jedna ze stanic vždy hraje roli stanice primární, ostatní jsou

22 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 22 pak sekundární. Cílem primární stanice je kromě správné funkce spojení i znovuobnovení spojení při kolizi v průběhu 500 ms. [16] Vrstva IrLMP Vrstva Link Management Protocol je nejvyšší vrstva IrDA protokolu a je složena ze dvou částí. První, nazvaná LM-IAS, zabezpečuje údržbu informační báze, ze které mohou ostatní IrDA stanice zjistit, jaká služba je nabízena. Tato informace je reprezentována určitým výčtem objektů asociovaných se skupinou atributů. Druhá část IrLMP vrstvy, nazvaná LM-MUX, zajišťuje vícenásobné spojení nad jednoduchým spojením, které je zprostředkované vrstvou IrLAP. [16] Irda Transport Protocols Vrstva, jež udržuje pomyslný kanál mezi zařízeními a sama opravuje chyby na lince (ztráta paketu apod.), provádí rozčlenění dat do paketu a jejich znovu sestavení. Nejvíce se podobá TCP. [16] 2.5 Vysílač a přijímač použitelný v mobilní robotice K přenosu informace infračerveným přenosovým kanálem je zapotřebí vysílač a přijímač infračerveného záření převádějící elektrický signál na optické záření a naopak. Pro infračervený přenos se dosud používala výhradně oblast blízkého infračerveného záření s vlnovou délkou v rozmezí nm. V současné době se však již objevuje nový standart pokrývající pásmo nm. Kritickými místy IR přenosového systému jsou právě vysílací a přijímací bloky. Záření je vysíláno v určitém úhlu a vyzářený výkon na jednotku plochy se vzdáleností poměrně rychle klesá. Z toho vyplývají požadavky kladené na vysílací a přijímací diodu. Pro zajištění bezpečného přenosu na větší vzdálenost by vysílací dioda měla mít co největší výkon, tj. intenzita záření Ie by měla být co největší. Tento požadavek však naráží jednak na omezení maximálního proudu protékajícího infra-diodou a jednak na skutečnost, že velká část IR vysílačů jsou mobilní jednotky napájené z baterií či akumulátorů s poměrně malou kapacitou. Na přijímací straně je potřeba, aby přijímací dioda měla co největší citlivost na záření v přijímaném pásmu. Doporučil bych součástky od firmy VISHAY ( která vyrábí samotné IrDA vysílače, přijímače i transceivery, které slouží pro vysílání, ale i pro příjem dat. Pro rychlosti do 115 kbps (IrDA 1.0) se prodává transceiver TFDU 4100, jenž je snadno použitelný v kombinaci s komunikací po sériové lince. Další ze součástek VISHAY jsou vysílací LED infradiody TFDU6102 a TFDU6301. Jsou to LED diody, které snesou rychlost modulace až 10 Mbitu. V nabídce je více variant, ale mezi součástkami je minimální rozdíl. Obr.5: Vysílač a přijímač IR signálu.

23 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 23 3 VF moduly 3.1 Úvod do problematiky Rozvoj radiokomunikačních prostředků souvisí s vývojem poznatků z oblasti elektromagnetického pole. Po Hertzových pokusech s vyzařováním elektromagnetického pole bylo v roce 1842 dosaženo Morseho telegrafem spojení na vzdálenost 65 km. Roku 1901 se podařilo uskutečnit radiový přenos přes oceán. Revolučním krokem v rozvoji rádiové komunikace byl Flemingův objev vakuové diody a pozdější Lee De Orestův objev vakuové zesilovací triody. Roku 1912 Armstrog a Colpitts použili triodu ke konstrukci zpětnovazebního oscilátoru a roku 1913 byl objeven první anodový modulátor pro amplitudovou modulaci. Díky těmto objevům bylo v roce 1920 zahájeno v USA první rozhlasové vysílání. V poválečných letech byl vývoj elektroniky ovlivněn realizací tranzistoru, která o několik let později umožnila nástup monolitických integrovaných obvodů. [12] 3.2 Modulace Amplitudová modulace Méně odolná proti rušení je AM modulace. Zejména impulsní rušení vznikající při spínání spotřebičů nebo v nedokonale odrušené tyristorové regulaci může zapříčinit větší chybovost přenosu. Systém s AM modulací dosahuje nižších přenosových rychlostí typicky do 2400 bit/s. Výhodou je nízká cena modulů. Data lze přenášet kódem, jenž obsahuje stejnosměrnou složku. U modulů pracujících s AM modulací se nejčastěji používá pro přenos digitálních dat On/Off klíčování vysílače. Prakticky se u vysílače zapíná a vypíná nosná vlna logickým signálem. Na přijímací straně se opět kontroluje přítomnost nebo nepřítomnost nosné frekvence a podle toho se nastavuje výstupní logická úroveň. V nabídce jsou však i typy, které lze řídit analogově a tedy spojitě modulovat nosnou vlnu. Tento typ zařízení je určen především pro nenáročný přenos dat malou rychlostí. [7] Obr.6: Amplitudová modulace Frekvenční modulace FM modulace dosahuje vyšší spolehlivosti přenosu. Je prakticky odolná proti impulsnímu rušení. Dosahuje se vyšších přenosových rychlostí kolem bit/s než u systémů s AM modulací. Ústřední nevýhodou je částečná nemožnost přenášet data kódem, který obsahuje stejnosměrnou složku a také vysoká cena modulů. [7]

24 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 24 Obr.7: Frekvenční modulace. 3.3 Kódování Pro zvýšení spolehlivosti na úkor snížení rychlosti přenosu lze využít různé metody jako např. zabezpečení dat samo opravnými protokoly, parita a redundance dat DTFM Modulace Jako nejjednodušší způsob pro zvýšení spolehlivosti je možnost použití dvoutónové modulace. DTMF modulátor využívá součtu 2 sinusových průběhů o různých frekvencích. Vždy jedné frekvence z dolního pásma (697 až 941 Hz) a jedné z horního pásma (1209 až 1633 Hz). Dohromady je to 16 kombinací, což znamená, že se na vstup modulátoru přivádí 4 bity (paralelně). Následující výhodou proč tento způsob modulace zvolit je, že se DTMF modulátor i demodulátor dodává ve formě integrovaného obvodu s malým odběrem. Pro VF modul, na jehož vstup je možno přivést pouze logický signál, je potřeba předřadit omezovač, který z analogového signálu vytváří logický signál. Z minimální požadované doby vysílání tónů (0,040 s) a z minimální doby prodlevy mezi tóny (0,040 s) můžeme vypočítat max. rychlost přenosu dat tohoto systému: RYAM 1 = 0,5 = 6, 25 / ( 0, ,040) [ bit s] (1) kde RYAM je rychlost přenosu dat při amplitudové modulaci VF modulů (dvě 4 bitové slabiky se musí spojit, aby byl vytvořen 1 bajt, proto 0,5 ve vztahu (1)). Uvedený způsob kódování je vhodný pouze v případě, že vyhovuje nízká rychlost přenosu dat. Tento typ kódování je vhodný v aplikacích, kde se měřená hodnota mění pomalu, např. úroveň hladiny v nádržích, měření teploty, pro telemetrický přenos tepové frekvence atd Zabezpečení cyklickým kódem CRC Kontrola přenášených dat se provádí pomocí tzv. generujícího polynomu. Z bloku přenášených dat se vypočte zabezpečující kód a ten se připojí za tato data. Po přijetí a provedení zpětného výpočtu lze odhalit, na kterém místě chyba vznikla a můžeme ji opravit. [1] Zabezpečení paritou Za vysílaný byte se přidává tzv. paritní bit, který sděluje, jestli má vysílaný byte sudý nebo lichý počet jedniček. Jednoduchá a často užívaná metoda kódování. [1]

25 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Kódy pro odstranění stejnosměrné složky Jelikož vysílač FM neumožňuje přenos stejnosměrné složky, je nevhodné pro přenos použít sériového signálu, ale je zapotřebí použít některého kódu, který nemá stejnosměrnou složku Bitové kódování Doba každého vysílaného bitu je rozdělena na polovinu. V první polovině je vysílána hodnota bitu a ve druhé polovině doplněk bitu. Každý bit má zajištěno vysílání přesně v poměru 1:1. Jedná se o dvoufázové nebo též Manchesterské kódování a z toho vyplývají dobré výsledky, avšak redundance 100% snižuje přenosovou rychlost na polovinu Bytové kódování Jestliže k přenosu dat stačí podmnožina ASCII kódu, poté se vysílají tyto požadované ASCII kódy jako osmibitové číslo. Všechny tyto kódy mají poměr jedniček a nul při sériovém vysílání přesně 1 : 1. Z 256 možných 8-bitových čísel jich 70 obsahuje 4 jedničky a 4 nuly. Dohromady 68 Hex ASCII kódů má poměr jedniček a nul přesně 1:1. Lze je přímo vysílat sériovým portem za použití jednoho start bitu a stop bitu. Využití této podmnožiny navíc umožňuje jednoduchý test chyb na straně přijímače, neboť všechny přijaté znaky musí obsahovat právě 4 jedničky a 4 nuly. 3.5 VF moduly použitelné v mobilní robotice AC Jedná se o produkt firmy Aerocomm ( která se zabývá vytvářením zařízení komunikujících přes bezdrátové technologie. Jde především o radiové moduly a ZigBee technologii. Základní parametry: Integrovaná anténa Pracovní frekvence 869,4-869,65 MHz Rychlost až bit/s Zabezpečení přenosu CRC Vyzářený výkon: 250 mw Spotřeba ma Napětí 3,3 5,5 V Dosah při přímé viditelnosti až 15 km Integra One 433 MHz Jedná se o produkt rakouské firmy OneRF ( která se zabývá vytvářením zařízení komunikujících přes bezdrátové technologie. Jedná se především o VF moduly na frekvenci 868 a 433 MHz a ZigBee technologii.

26 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 26 Základní parametry: Externí anténa různého typu ( šroubovice, smyčka, prut) Pracovní frekvence 433,05 434,79 MHz 8 10 kanálů Rychlost až 40 Kbps Zabezpečení přenosu CRC Vyzářený výkon: 100 mw Spotřeba ma (příjem/vysílání) Napětí 3-5 V Dosah až 1000 m Transceiver BiM1 Jedná se o produkt firmy Radiometrix ( která se zabývá vytvářením zařízení komunikujících přes bezdrátové technologie. Tuto firmu v ČR zastupuje firma ART Brno ( Jde především o VF moduly na frekvenci 868 a 433MHz. Základní parametry: FM modul s integrovanou anténou Pracovní frekvence 151,300 MHz, pro ČR 155,725 MHz Rychlost až 10 Kbit/s Zabezpečení přenosu CRC Vyzářený výkon: 100 mw Spotřeba 8-80 ma (příjem/vysílání) Napětí 3,8-15 V Dosah až 10 km Vysílač TX-SAW 433 a přijímač RX-BC-NBK Jedná se o produkty firmy Aurel ( která se zabývá výrobou bezdrátových zařízení použitelných v automatizaci. V některých případech nelze použít univerzální transceiver.v takovém případě je nutno použít přijímač a vysílač. Základní parametry vysílače: AM modul s externí anténou Pracovní frekvence 433,92 MHz Rychlost až 9,6 bps Spotřeba 3,5-9,5 ma Napětí 3-12 V Dosah až 100 m Základní parametry přijímače: AM modul s integrovanou anténou Pracovní frekvence 433,92 MHz Rychlost až 2,5 bps Spotřeba 3 ma Napětí 4,5 5,5 V Dosah až 100 m

27 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 27 4 Bluetooth 4.1 Úvod do problematiky Popis standardu pro zařízení připojených bezdrátově na krátké vzdálenosti označeného jako Bluetooth byl vydán roku Jeho aplikace jsou využity i v průmyslovém prostředí. Tady je Bluetooth využíván pro propojení senzorů, akčních členů, pro telemetrii a přenos informací v měřicích systémech. Standard Bluetooth byl navržen jako bezdrátový komunikační standard, jenž využívá komunikační frekvenční pásmo ISM. Je volně k použití za předpokladu dodržení závazných podmínek pro vyzářený výkon a technické řešení vysílače a přijímače. Volné použití pásma znamená, že není potřeba žádat o přidělení frekvenčního pásma ani platit poplatky. Komunikace využívá techniku přeskakující rádiové frekvence (frequency hoping). Standard je navržen tak, aby podporoval typy přenosů point-to-point i point-to-multipoint. Dosah standardního komunikačního uzlu je od 10 do 100 m, podle toho jak je daný modul navržen. [2] 4.2 Historie Standard Bluetooth vznikl jako produkt společného úsilí firem 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba, které na počátku roku 1998 daly vzniknout konsorciu SIG. Bluetooth je první globálně akceptovaná technologie kategorie PAN. Je zahrnuta do řady specifikací PAN IEEE pod označením IEEE Roku 1999 byl ustanoven nový standart Bluetooth 1.0, který definoval základní vlastnosti. V roce 2000 vznikla specifikace 1.1, která odstranila nedostatky a problémy verze 1.0. S verzí 1.2 přišlo lepší zabezpečení komunikace a potlačení hluku a ozvěn. Roku 2005 byla uvedena verze 2.0, která přináší zvýšení přenosové rychlosti, nižší energetickou náročnost a nové profily komunikace. Výhodou verze 2.0 je uvedení technologie EDR. Přináší totiž trojnásobný růst přenosové rychlosti a nižší spotřebu energie. Za pomoci EDR je vylepšená práce ve více profilech. Rozhodující je zpětná kompatibilita, což znamená, že starší výrobky budou moci komunikovat s novými výrobky. [2] 4.3 Topologie sítě Bluetooth umožňuje dva způsoby spojení. Jednodušší spojuje dvě zařízení mezi sebou a označuje se jako,,point to point. Složitější zařízení je,,point to multipoint, kde je spojeno s více zařízeními, pak můžeme hovořit o sdílení přenosového kanálu. Sestava dvou nebo více jednotek, které sdílejí stejný přenosový kanál, se nazývá piconet. V rámci piconet je jedno zařízení nadřízené, které nazýváme master. Ostatní jsou podřízená a jsou označená jako slave. Může být až sedm podřízených zařízení. Master řídí provoz ve sdíleném komunikačním kanálu. Piconety lze dále seskupovat do tzv. scatternetů. Dochází k vzájemnému překrývání funkcí a každá jednotka může figurovat ve více pikonetech. Nadřízená jednotka v jednom pikonetu může mít funkci slave v jiném pikonetu. Podřízená jednotka se může podílet na komunikaci ve více piconetech. [20]

28 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 28 Obr.8: Buňka piconet. Obr.9: Buňka scatternet. 4.4 Technická řešení Frekvenční pásma Standard Bluetooth specifikuje komunikaci mezi účastníky spojení pomocí rádiového spoje v pásmu ISM. Včetně ČR je to pro většinu zemí světa až 2483,5 MHz. Provoz tohoto pásma není vázán povolením nebo registrací ze strany ČTÚ. V pásmu ISM definuje standard 79 frekvenčních pozic se šířkou pásma 1 MHz, jejichž základní frekvence jsou dány vztahem. [2] Kde k je celé číslo, k = 0, a f k frekvence (MHz). fk = k (2)

29 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 29 Výstupní výkon Dosah Třída Minimální [mw] Nominální [mw] Maximální [mw] [m] ,25 1 2, Tab.1: Rozdělění tříd podle vyzářeného výkonu. Zařízení dodržující specifikaci normy Bluetooth jsou z hlediska maximálního vyzářeného výkonu rozčleněna do tří skupin, jak ukazuje tabulka 1. V České republice je max. povolený výkon vyzářený zařízením pracujícím v tomto pásmu 100 mw. Standard dále definuje, že výkonová třída 1 nesmí být využita k přenosu paketů mezi stanicemi v případě, že přijímací stanice nepodporuje mechanismus zpětného řízení výkonu vysílací strany. Tím pádem smí vysílací strana odpovídat pouze výkonové třídě 2 a 3. Nemůžeme tvrdit, že třída 1 je lepší než třída 2 nebo třída 3, neboť s rostoucím dosahem roste i energetická náročnost, což je u mobilních zařízení velmi důležité. Obě hodnoty musí být vyrovnané, aby jejich poměr výrobek neznehodnotil. Co se týče dosahu, je zde jeden důležitý aspekt. Jestliže má jedno zařízení dosah 10 m a druhé taktéž 10 m, neznamená to, že mohou spolu komunikovat na vzdálenost 20 m. Signál z vysílacího zařízení se musí dostat do přijímacího zařízení, a to můžeme uskutečnit tak, že se přijímací část dostane na dohled vysílači. Problém s dosahem je v zastavěném prostoru. Zvláště tam, kde jsou využity kovové konstrukční prvky, může být situace zcela jiná a přes některé překážky se signál nemusí nutně dostat. [9] Základní koncepce komunikační jednotky Na obrázku číslo 10. je zobrazena základní koncepce komunikační jednotky. Obr.10: Část modulu Bluetooth.

30 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 30 Rádiový vysílač (2,4 GHz Bluetooth radio) zajištující samotný rádiový přenos, linkový ovladač (link controller) ovládající rádiový vysílač, správce linky a I/O obvodů spoje (link manager & I/O) zajištující komunikace mezi I/O obvody spoje a poskytující uživateli terminálové rozhraní Definice kanálu Kanál je reprezentován pseudonáhodnou sekvencí změn vysílací frekvence (přeskakující radiová frekvence) mezi frekvenčními pozicemi 0 až 78 (viz. kapitola 4.1). Všechny buňky piconet sdílejí stejné 80 MHz frekvenční pásmo. Každá buňka piconet ale užívá odlišné sekvence změn pro rozmítání vysílací frekvence do 1 MHz frekvenčních pozic. Každý kanál je rozčleněn do stejně dlouhých časových rámců (doba trvání časového rámce činí 625 µs). Rozlišujeme dva druhy časování kanálů: TDD a multi-slot. TDD časování odpovídá situaci, v níž se střídají ve vysílání řídicí a řízená jednotka postupně. Multi-slot časování odpovídá využití přeskokové sekvence pro přenos tak, aby paket mohl obsadit více než jeden rámec Synchronní a asynchronní přenos Standard Bluetooth umožňuje využívat dva typy komunikačních kanálů lišící se diametrálně přenosovými schopnostmi: synchronní (SCO) a asynchronní (ACL). Tyto typy můžeme využít k zajištění přenosů dat dle požadavků jednotlivých jednotek. Jestliže půjde o zajištění komplikovanějších přenosů kombinujících oba typy kanálů, je možné v průběhu spojení měnit typ kanálu. Kanál asynchronního typu užívá časování multi-slot, při kterém můžeme dosáhnout přenosové rychlosti 721 kb/s v jenom směru. V opačném směru (asymetrický kanál) 57,6 kb/s a v obou směrech (symetrický kanál) 433 kb/s. Uvedené přenosové rychlosti jsou platné v případě, že se nevyužívá možnost opravy chyb při přenosu. Kanál synchronního typu umožňuje realizovat přenos dat rychlostí 64 kb/s v synchronním režimu. Také se využívá pro přenos dat, u kterých jsou zvýšené nároky na časový determinismus datového toku. Obecně můžeme říci, že kanál typu ACL je vhodný k přenosu běžných dat a pro přenos dat zajišťujících a řídících komunikaci v rámci buňky. Jeho výhodou je větší přenosová rychlost. Kanál typu SCO je vhodný pro přenos zvuku a obrazu. [9]

31 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Komunikační profily a architektura přenosových protokolů Na obrázku číslo 11. je zobrazena architektura komunikačních profilů a přenosových protokolů. [20] Obr.11: Architektura přenosových protokolů standardu Bluetooth Baseband, link layer kontrol Vrstva baseband zajišťuje realizaci fyzického propojení s dalšími jednotkami v rámci buňky piconet. Stará se o základní synchronizaci a řídí komunikaci pomocí algoritmu pseudonáhodné přeskokové sekvence. Spravují oba typy kanálů definovaných ve standardu Bluetooth SCO a ACL. [2] Link manager protocol Úkolem vrstvy link manager protocol (LMP) je navázání spojení mezi jednotkami Bluetooth. Zodpovídá za řízení a sestavení komunikace, potažmo dohodnutí délky paketů používaných ke komunikaci. Tato vrstva také zajišťuje řízení napájecích módů a s tím související řízení spotřeby. Další důležitou činností je generování, výměna, řízení kanálu a výměna šifrovacích klíčů pro autentifikaci a šifrování. [2] Host controller interface Vrstva host controller interface (HCI) poskytuje jednotné rozhraní a jednotnou metodu přístupu k hardwaru Bluetooth. Umožňuje nezávislost na konkrétní implementaci Bluetooth, tedy považovanou univerzálnost této technologie. Její součástí je příkazové rozhraní, správa kanálu, monitor stavu hardwaru, řídící registry a registry událostí. [2]

32 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Logical link kontrol and adaptation protocol Vrstva logical link control and adaptation protocol (L2CAP) zajišťuje služby vyšším vrstvám pro spojované a nespojované přenosy dat. Obecně zastává tyto úlohy: Multiplexing: podporuje multiplexování několika typů protokolů. Ty jsou definovány vyššími vrstvami architektury protokolů Bluetooth. Jde předeším o protokoly SDP, RFCOMM a TCS Binary, popsané v dalších kapitolách. Segmentation and Reasembly: vrstva zajišťující rozdělení a opětovné složení datových paketů přesahujících maximální přípustnou délku přenášených paketů. Dlouhé pakety musí být před odesláním rozděleny. Přijímací strana musí opět inverzně zrekonstruovat z přenesených paketů celý datový rámec. Quality of Services: úloha zajišťuje předem dohodnuté a definované parametry, jako jsou přenosová rychlost a zpoždění. Groups: další úlohou vrstvy je implementace práv pro mapování skupin jednotek do buňky piconet. [2] Radio frequency communications port Protokol radio frequency communications port (RFCOMM) slouží jako emulace protokolu sériového portu. Je vhodný pro aplikace, které se používají k přenosu dat - klasický sériový port a sériový protokol. Proto je protokol RFCOMM vybaven emulací řízení portu RS-232 a ovládání signálů přes fyzickou vrstvu Bluetooth. Protokol zajišťuje služby vyšším vrstvám, které používají pro přenos dat sériovou linku. [2] Service discovery protocol Jedná se o protokol service discovery protocol (SDP) definující jakým způsobem klientská jednotka Bluetooth hledá využitelné služby serverů Bluetooth. Existují definice mechanismů, jak může klientská stanice vyhledávat služby serverů bez apriorní znalosti o jejich existenci. Součástí služeb je prozkoumávání nově dostupných služeb v síti a také detekce služeb, jejichž poskytování bylo ukončeno. [2] Telephony control binary Protokol telephony control binary (TCS Binary) je bitově orientovaný protokol, který definuje řízení, sestavení přenosové linky a přenos hlasu a dat mezi jednotkami Bluetooth. [2] Audio Standard Bluetooth definuje služby pro přenos zvuku mezi jednou nebo více jednotkami Bluetooth. Přenos zvuku nevyužívá služby vrstvy L2CAP, neboť je po otevření a sestavení přenosové linky mezi dvěma jednotkami Bluetooth zajišťován přímo. [2] Telephony control AT commands Standard Bluetooth podporuje skupinu servisních příkazů AT, které jsou využívány obvykle pro řízení a konfiguraci sériových telefonních modemů. Příkazy AT jsou textové příkazy, přičemž je plně definována jejich syntaxe. Tato služba využívá vrstvu RFCOMM, emulující služby sériového portu, a umožňuje komunikaci s jednotkou Bluetooth pomocí textových příkazů. [2]

33 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Point-to-point Protokol point-to-point (PPP) je paketově orientovaný protokol, jehož součástí je např. TCP/IP, kde se využívá k přenosu paketů IP přes sériové rozhraní RS-232. Popřípadě pro přenos paketů IP v rámci komutovaných linek přes modem. Protokol využívá vrstvy RFCOMM k zajištění spojení služby. [2] Protokol TCP/IP Skladba protokolů TCP/IP umožňuje propojení jednotky Bluetooth se zařízeními k internetu. Aplikace využívající k přenosu dat protokol IP je přenášejí přes protokol PPP, který je dále předává vrstvě RFCOMM. V budoucnu se počítá s využitím protokolu OBEX, který je charakterizován dále v textu. [2] WAP Wireless application protocol (WAP) jedná se o protokol pro bezdrátovou komunikaci, který je určený ke zpřístupnění internetových služeb v rámci různých bezdrátových komunikačních síťových řešení. Protokol WAP je primárně vytvořen pro mobilní zařízení. Bluetooth může být v tomto ohledu bázovou bezdrátovou sítí pro přenos informací od řídicí jednotky WAP ke klientu WAP. V kontextu Bluetooth se počítá s využitím protokolu WAP k předávání lokálních dat do přenosných zařízení v případě přihlášení klientské stanice do zóny spravované řídící jednotkou. [2] Protokol OBEX Protokol OBject EXchange je volitelný protokol aplikační vrstvy navržený k výměně dat a řídících informací pro jednotky podporující komunikaci prostřednictvím infračerveného paprsku. Využívá architekturu klient-server a je nezávislý na transportním mechanismu a přenosovém programovém rozhraní. Jako hlavní transportní protokol OBEX používá RFCOMM. [2] 4.6 Profily v Bluetooth Jednotky komunikující prostřednictvím standardu Bluetooth využívají pro definici svých vlastností tzv. komunikační profily. Profily definují služby, které jednotlivá zařízení nabízejí a nebo poskytují svému okolí. [2] Generic access profile Umožňuje navázání spojení mezi dvěma jednotkami Bluetooth. Zajišťuje vyhledání okolních jednotek, navázání spojení a základní zabezpečení. Tento profil je povinný pro všechna zařízení Service discovery application profile Je určen k vyhledání služeb poskytovaných ostatními dostupnými jednotkami Bluetooth a zajišťuje jejich vzájemnou výměnu Serial port profile Umožňuje emulovat sériové rozhraní RS-232 až do rychlosti 128 kb/s. Umožňuje jednoduše nahradit sériovou linku bezdrátovým rozhraním.

34 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Dial-up networking profile Umožňuje bezdrátově navázat modemové spojení prostřednictvím veřejné telefonní sítě, což dovolí bezdrátově připojit k internetu např. notebook, PDA nebo jiné obdobné zařízení LAN access profile Definuje datové spojení mezi jednotkami Bluetooth a lokální sítí LAN. Tento profil zajišťuje jednotkám se bezdrátově připojit k místní LAN nebo k internetu protokolem PPP Generic object exchange profile Definuje protokoly a procedury určené k předávání objektů mezi zařízeními. Je určen např. pro přenos souborů a synchronizaci mezi zařízeními. Aplikace využívající tento profil spoléhají na to, že spojení je navázáno a udržováno pomocí profilu File transfer profile Určen k přenosu souborů mezi jednotkami Bluetooth a založen na protokolu Bezpečnost a spolehlivost přenosu V každé jednotce Bluetooth je zabezpečení přenosu zajišťováno na několika úrovních. Každá jednotka Bluetooth má unikátní 48 bitovou adresu zařízení. Dále jednotka využívá 128 bitový autentifikační privátní klíč, 8 bitový až 128 bitový šifrovací klíč a 128bitové pseudonáhodné číslo. Pro generování klíčů se ještě využívá PIN v délce do 128 bitů. Na základě využití těchto čísel je možné provozovat zařízení v různých úrovních zabezpečení. Profil GAP definuje úrovně zabezpečení takto: Zabezpečovací mód 1: žádné zabezpečení, zabezpečovací mód 2: zabezpečení na úrovni služeb (ne všechny služby jsou dostupné pro všechna zařízení), zabezpečovací mód 3: zabezpečení na úrovni linkové vrstvy (přenos probíhá po zašifrovaném kanálu). Co se týče zařízení jsou z hlediska poskytovatele služeb rozdělena na důvěryhodná (trusted devices) a nedůvěryhodná (untrusted devices). Z hlediska služeb se poskytované služby dělí na služby, u kterých se vyžaduje jak autentifikace (ověření identity zařízení), tak autorizace (oprávnění k využití služby) služby. Vyžaduje se pouze autentifikace a služby, které jsou dostupné všem zařízením. [1]

35 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Moduly Bluetooth pro mobilní robotiku BT Module F2M03GLA Jedná se o modul firmy Free2move ( ). Tato firma se zabývá bezdrátovými zařízeními pro přenos hlasu a dat ze snímačů. Jde především o BT zařízení a o infraportové zařízení. Základní parametry: Kompletní BT systém s integrovanou anténou Bluetooth ERD Integrovaná anténa s vysokým výkonem Dosah až 350 m Planá podpora piconetu (7x Slave) PCM audio profil UART nebo USB 1.1 Minimální napětí 3V Přenosová rychlost až 228 kbit/s Malé rozměry Výkonnostní třída LinkMatik 2.0 Jedná se o produkt firmy Flexipanel ( která se zabývá vytvářením zařízení komunikujících přes bezdrátové technologie. Jde především o Bluetooth a ZigBee technologii. Základní parametry: Kompletní BT systém s integrovanou anténou Bluetooth 2.0 Dosah až 100 m PCM audio profil UART Minimální napětí 3,3 V Nízká spotřeba 25 ma (sleep 370 µa ) Přenosová rychlost až 570 kbit/s Malé rozměry Výkonnostní třída 1

36 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana Ezurio TRBLU Jedná se o produkt firmy Ezurio ( která se zabývá vytvářením zařízení komunikujících přes bezdrátové technologie. Především půjde o Bluetooth a wifi technologii. Základní parametry: Kompletní BT systém s integrovanou anténou Bluetooth 2.0 Dosah až 300 m UART Minimální napětí 3,3 V Nízká spotřeba 25 ma Přenosová rychlost až 300 kbit/s Malé rozměry Výkonnostní třída C-Com BTM-105 Jedná se o produkt firmy C-Com ( ), která se zabývá výrobou modemů, voip a Bluetooth modulů. Skupina Bluetooth modulů poskytuje velký výběr pro různá konstrukční řešení. Základní parametry: Kompletní BT systém s integrovanou anténou Bluetooth 1.1 Dosah až 300 m UART Minimální napětí 3,3 V Nízká spotřeba 25 ma Přenosová rychlost až 723 kbit/s Malé rozměry Výkonnostní třída 1

37 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 37 5 ZigBee 5.1 Úvod do problematiky Komunikační technologie ZigBee je zcela nový standard bezdrátové komunikace, který je zaměřený především na oblasti automatizace a řídicí techniky. Jde o bezdrátovou komunikační technologii schválenou jako mezinárodní standard nadnárodní organizací ZigBee Alliance a standardizační organizací IEEE. Tato perspektivní bezdrátová komunikační technologie nachází uplatnění zejména v takových oborech, jako jsou řízení budov, dálkové ovládání, monitorování a diagnostika zařízení, vzdálené čtení měřených hodnot, počítačové periferie nebo spotřební elektronika. [23] 5.2 Historie Standard ZigBee byl vyvinut a sestaven institucí IEEE. Je rozvíjen a podporován ZigBee Aliance, která sdružuje přední výrobce elektronických součástek a snaží se dosáhnout návrhu co nejjednodušší jednotky s nízkou spotřebou. Počátky ZigBee Aliance najdeme v září roku Jde tedy o asociaci společností pracujících společně na vytvoření standardu pro levný obousměrný bezdrátový přenos vyžadující minimum spotřeby elektrické energie. V současné době má ZigBee Aliance 150 členů. Z nejznámější bych jmenoval společnosti Philips, Motorola a Honeywell. Na účasti se pochopitelně nepodílí společnosti Nokia a Ericsson, které stály u zrodu technologie Bluetooth. Z tohoto důvodu se proto nepodílí na vývoji technologie, která by mohla pro Bluetooth znamenat jistou konkurenci. Standard ZigBee je navržen jako jednoduchá bezdrátová komunikační síť a vyznačuje se vlastnostmi, jako jsou jednoduchost, velmi nízká spotřeba energie, schopnost vytvářet statickou síťovou strukturu, spolehlivost a především příznivá cena. Nadále je zahrnut do řady specifikací PAN IEEE pod označením IEEE [23] 5.3 Topologie sítě Standard ZigBee je založený na fyzické a linkové vrstvě IEEE a definuje tři typy síťové topologie. Základní je topologie typu hvězda, ve které je vždy definováno jedno zařízení, které je pověřeno funkci koordinátora sítě. Ostatní zařízení působí jako koncová zařízení. V topologii typu strom slouží jedno zařízení jako koordinátor a ostatní jako koncová zařízení. Na rozdíl od topologie hvězda však nemusí všechna zařízení komunikovat přímo s koordinátorem, ale mohou využít jiné koncové zařízení v konfiguraci FFD ve funkci směrovače jako prostředníka. Díky tomu umožňuje uvedená konfigurace zvětšit vzdálenosti mezi koncovým zařízením a koordinátorem. Poslední definovanou topologií je topologie typu síť spojující vlastnosti topologií strom a hvězda. Síťová topologie přináší největší funkčnost, protože umožňuje sestavit síť libovolným způsobem. Uzly sítě jsou buď plně funkční zařízení (FFD), která mohou vykonávat funkce koordinátora, směrovače nebo koncového zařízení, a nebo redukovaná zařízení (RFD), která mohou pracovat pouze jako koncová zařízení. Síť je řízena ZigBee koordinátorem. V topologii typu hvězda komunikují ostatní zařízení, označovaná jako koncová, přímo s koordinátorem. V topologii typu síť a strom koordinátor spouští komunikaci a stanovuje parametry sítě. Síť lze rozšířit použitím ZigBee směrovačů. V síti typu strom se pro přenos dat a řidících zpráv používá hierarchické směrování. Topologie typu síť umožňuje samostatnou komunikaci mezi rovnocennými uzly (peer-to-peer).

38 ÚAI FSI VUT v Brně Bakalářská práce Strana 38 Dále můžeme rozlišit další dva typy sítí: beacon-enabled a non-beacon síť. V síti beacon-enabled koordinátor pravidelně vysílá signál, který koncová zařízení využívají k připojení se k síti a vlastní synchronizaci pro následný přenos dat. Pro navázaní spojení se tedy užívají superrámce popsané níže. V non-beacon síti koordinátor také periodicky vysílá signál, který však slouží pouze k jeho vlastní identifikaci a koncovým zařízením k detekci. Koncová zařízení komunikují s koordinátorem pomocí požadavků na vysílání dat a potvrzovacích rámců. Musí být neustále připraveny podporovat komunikaci mezi rovnocennými uzly. [17] 5.4 Technická řešení Obr.12: Topologie sítě Zigbee typu hvězda, síť a strom Frekvenční pásma Komunikace probíhá v jednom ze tří bezlicenčních radiových pásem ISM 868 až 868,6 MHz (Evropa), 902 až 928 MHz (Severní Amerika, Austrálie), 2400 až 2483,5 MHz (celosvětově). V těchto pásmech je celkový počet využitelných kanálů 27. V pásmu 868 MHz je možné využít jeden kanál s přenosovou rychlostí 20 kb/s, v pásmu 915 MHz 10 kanálů s přenosovou rychlostí 40 kb/s a zbývajících 16 v pásmu 2,4 GHz s přenosovou rychlostí 250 kb/s. V tabulce 2 jsou uvedeny vztahy pro výpočet středního kmitočtu kanálů pro jednotlivá pásma. [23]