Пояснительная записка к диплому

ГЛАВА 1. ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Классификация стандартов беспроводной передачи данных

Стремление сделать как можно больше устройств беспроводными привело к созданию множества различных беспроводных технологий и стандартов. Некоторые из них разрабатывались строго для конкретного устройства, другие создавались как гибкое универсальное решения для применения в ряде задач. Современные беспроводные системы контроля и управления базируются на так называемой группе Short Range RF. Для каждого стандарта этой группы существует большое многообразие радиочастотных модулей различного уровня готовности, отличающихся друг от друга техническими параметрами и характеристиками. Для передачи данных по радиоканалу, как правило, применяется не лицензируемый спектр частот, разрешенных к свободному использованию в регионе построения сети: 2,4 ГГц, 868/915 МГц, 433 МГц, 169 МГц и другие [6, с. 46]. Общая классификация наиболее актуальных стандартов беспроводной передачи данных приведена в табл.1.1

Таблица 1.1 – Классификация стандартов беспроводной передачи

Как видно по таблице в рамках работы стандарты сотовой связи GSM/GPRS/EDGE и 3G обсуждаться не будут.

1.1.1 Стандарт ZigBee

ZigBee – это открытый стандарт беспроводной связи, где устройства взаимодействуют друг с другом с помощью радиоприемника. Работа осуществляется по протоколу IEEE 802.15.4 на частоте 2,4 ГГц. В отличие от Wi-Fi, ZigBee имеет меньший радиус действия – около 10-20 метров в помещении, поскольку потребляет меньше энергии. Это значительно увеличивает время автономной работы устройств.

Устройства, работающие на стандарте ZigBee, могут отправлять и получать данные от других подобного рода устройств. Это означает возможность соединения интеллектуальных устройств в цепочку и связи их с центральным концентратором, даже если некоторые из этих устройств находятся вне зоны действия концентратора [7, с. 99].

Характерные особенности данного стандарта:

1.Возможность гибкой настройки отдельных узлов;

2.Высокий уровень защиты во время передачи информации;

3.В одной сети могут работать от нескольких сотен до нескольких тысяч узлов;

4.Скорость обмена данными 250 кбит/c по радиоканалу.

Стандарт ZigBee работает по ячеистой топологии, а значит сеть способна к «самовосстановлению». В случае применения стандарта Wi-Fi, когда маршрутизатор выходит из строя, вся сеть тоже перестает функционировать. Сеть ZigBee способна самостоятельно устранять разрывы и «самовосстанавливаться», поэтому все устройства продолжат работу. Пока другое маршрутизирующее устройство остается в пределах досягаемости, сеть будет просто перемаршрутизирована и продолжит работать.

Сети ZigBee строятся из базовых станций трех основных типов: координаторов, маршрутизаторов и конечных устройств [7, с. 101].

Для каждой сети ZigBee требуется один координатор. Он формирует сеть, выполняет функцию доверительного центра и центра управления сетью. Именно координатор выбирает канал связи и уникальный идентификатор сети, а также дает каждому устройству индивидуальный адрес и осуществляет передачу данных в сети.

Маршрутизатор действует как промежуточный узел между координатором и конечными устройствами. В сети может быть несколько маршрутизаторов, у которых есть право разрешать другим маршрутизаторам

и конечным устройствам подключаться к сети. Поскольку маршрутизатор направляет трафик между различными узлами, он должен работать в непрерывном режиме и быть подключенным к стационарному источнику питания. Именно поэтому маршрутизатор никогда не должен питаться от батареи. Если конечный узел недоступен напрямую, маршрутизатор может хранить сообщение до тех пор, пока конечный узел не вернется из режима энергосбережения. Один маршрутизатор может обслуживать до тридцати двух подключенных к нему устройств в том числе и «спящих».

Конечные устройства обладают достаточной информацией для связи с концентратором или маршрутизатором, а поскольку конечные устройства не запрашиваются сетью постоянно, они могут находиться в «спящем» режиме большую часть времени, что делает конечные устройства подходящим выбором для устройств с батарейным питанием. Если конечное устройство пробуждается, оно отвечает на запрос любых ожидающих сообщений своего родителя. Именно к конечным устройствам подключаются датчики, исполнительные механизмы и локальные контроллеры [7, с. 102].

Радиочастота ZigBee связана с частотой WiFi. Для ZigBee назначены три полосы частот, но в сети используется только один канал [3, с. 7]:

1.Европа: Канал 0: 868,3 МГц;

2.США и Австралия: Каналы 1-10: 902–928 МГц (по 2 МГц на каждый канал);

3.По всему миру: каналы 11–26: 2,4–2,4835 ГГц (по 5 МГц на каждом канале).

Существуют два метода доступа устройств в сети ZigBee. Первый метод не требует согласования устройств и называется сетью с поддержкой маячков. Второй метод требует согласования между устройствами и называется сетью без маячков.

В сети с использованием маячков координатор выделяет каждому устройству определенный временной интервал, называемый гарантированным временным интервалом (рис.1.1.1).

4.Коммерческое строительство — мониторинг энергии, света, контроль доступа.

5.Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

1.1.2 Стандарт Wi-Fi

Стандарт Wi-Fi, или IEEE 802.11a/b/g/n, является самым распространённым техническим решением организации беспроводной TCP/IP сети для пользовательских и промышленных устройств. Этот стандарт беспроводной передачи данных был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Рассмотрим подробнее спецификации стандартов Wi-Fi.

802.11b

Стандарт 802.11b использовал частоту 2,4 ГГц, как и оригинальный стандарт 802.11. Поддерживал максимальную теоретическую скорость в 11 Мбит/с и имел дальность связи до 45 метров. Дешевый в эксплуатации, но среди остальных стандартов он имел самую низкую максимальную скорость передачи данных. Это связано с тем, что на частоте 2,4 ГГц работают различные бытовые приборы, которые могут создавать помехи [1, с. 205].

802.11a

Стандарт 802.11а вышел одновременно с 802.11b, но в отличии от него имел более сложную модуляцию, известную как OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), для генерации беспроводного сигнала. Этот стандарт работал в менее загруженном частотном диапазоне 5 ГГц, что делало его более помехоустойчивым, и обладал теоретической максимальной скоростью передачи данных 54 Мбит/с [1, с. 208].

802.11g

Стандарт 802.11g использовал ту же модуляцию OFDM, что и 802.11a. Как и 802.11a, он поддерживал максимальную теоретическую скорость 54 Мбит/с. Но, как и 802.11b, он работал на переполненной частоте 2,4 ГГц (и поэтому был подвержен тем же проблемам с помехами, что и 802.11b) [1, с.

209].

Благодаря 802.11g потребители получили значительный прирост скорости и зоны покрытия Wi-Fi.

802.11n

Современный стандарт 802.11n используется по сей день. Он работает на частотах 2,4 и 5 ГГц, и теоретических может поддерживать максимальную скорость передачи данных 300 Мбит/c. Стандарт 802.11n использует технологию MIMO (метод пространственного кодирования сигнала), при которой несколько передатчиков/приемников могут одновременно работать

на одном или обоих концах канала связи с одним устройством. Это обеспечивает значительное увеличение объема данных без необходимости увеличения пропускной способности или мощности передатчика [1, с. 203].

802.11ac

Сверхмощный стандарт, максимальная скорость передачи которого варьируется от 433 Мбит/с до нескольких гигабит в секунду. Для достижения такой производительности стандарт работает исключительно на частоте 5 ГГц, использует ширину канала до 80 МГц и поддерживает до восьми пространственных потоков (по сравнению с четырьмя потоками 802.11n) [1, с.

206].

Беря в расчет ключевые особенности стандарта Wi-Fi можно выделить следующие достоинства:

1.Компактность устройств;

2.Высокая производительность;

3.Большое разнообразие модулей под разные задачи;

4.Высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей.

Стандарт Wi-Fi находит применение в следующих системах [2, с. 501]:

1.Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi применяются в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.

2.Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi применяются наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.

3.Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

1.1.3 Стандарт Bluetooth

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. Основным преимуществом технологии Bluetooth по сравнению с другими коммуникационными технологиями является дешевизна. Технология передачи данных, сравнимая с Bluetooth, — это IrDA или инфракрасная связь, очень похожая на ту, которую устройства дистанционного управления используют для управления телевизором, стереосистемой, кондиционером и т. д. Однако большим недостатком этого типа технологии является требование, чтобы два устройства были в пределах видимости друг друга для передачи. Управлять инфракрасными устройствами можно только направив пульт дистанционного управления непосредственно на устройство или совместив инфракрасные порты обоих устройств с поддержкой ИК [8, с. 2].

Устройства Bluetooth могут связываться друг с другом, даже если они не находятся в одной комнате. На самом деле, даже при низком энергопотреблении устройство Bluetooth может связываться с другим устройством, находящимся в радиусе десяти метров, независимо от стен, окон или других физических препятствий. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием. Как было указано в таблице 1, существует всего три класса устройств Bluetooth, если градировать их по излучаемой мощности: 1- й — до 100 метров (до 100 мВт); 2-й — до 10 метров (до 2,5 мВт); 3-й — до 1 метра (до 1 мВт).

Для определения модели действия при установлении соединения между различными типами устройств в технологии Bluetooth введено понятие профиль. Данным термином обозначается набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки.

В соответствии с характером взаимодействия со внешними устройствами и приложениями, архитектуру всех имеющихся модулей Bluetooth можно разделить на три типа [2, с. 3].

Модули с двухпроцессорной архитектурой не содержат программного высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей. Это означает, что необходимые профили Bluetooth должны быть реализованы на внешнем процессоре. Взаимодействие внешнего процессора с модулем

происходит через виртуальный интерфейс HCI (Host Controller Interface). В конкретном случае HCI может быть реализован через аппаратный интерфейс

SPI или UART.

Наиболее распространены модули Bluetooth со встроенной двухпроцессорной архитектурой. Такая архитектура подразумевает наличие высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей непосредственно во внутреннем процессоре модуля. В этом случае приложение, работающее на внешнем процессоре, взаимодействует с модулем Bluetooth через аппаратные интерфейсы.

Однопроцессорная архитектура является наименее распространенной. Для ее реализации разработчик должен создать специальное приложение, которое будет работать на внутреннем процессоре модуля Bluetooth. В этом случае модуль превращается в автономное устройство, доступ к которому через внешние аппаратные интерфейсы закрыт [8, с. 5].

Принадлежность модуля к той или иной архитектуре может определяться как его аппаратной реализацией, так и внутренним программным обеспечением. Например, в конкретном случае один и тот же Bluetooth-модуль может быть отнесен к любому из трех типов архитектуры, в зависимости от типа прошивки, загруженной во внутренний процессор модуля. Данный подход является наиболее популярным среди зарубежных производителей.

Рассмотрим поподробнее поколения Bluetooth [8, с. 6].

Bluetooth 1.0a и 1.0b имели пиковую скорость передачи данных 732,2 Кбит/с, а максимальную дальность связи 10 метров. Ревизия 1.2 немного улучшила характеристики, увеличив пиковую скорость передачи данных до 1 Мбит/c.

Bluetooth 2.0 был самым настоящим прорывом. Дальнейшее развитие технологии Bluetooth было связано с увеличением глобального спроса на устройства с поддержкой Bluetooth. В этом поколении пиковая скорость передачи данных увеличилась до 3 Мбит/c, а максимальная дальность связи возросла до 30 метров.

Bluetooth 3.0 воспользовался технологией Wi-Fi для увеличения скорости передачи данных. Пиковая скорость возросла до 24 Мбит/c, а максимальная дальность связи осталась без изменений.

Bluetooth 4.0 значительно уменьшил энергопотребление при той же пиковой скорости 24 Мбит/c, а также внедрил защиту от перекрестных помех

при совместной работе с LTE-модулями.

Принимая все вышеперечисленное, можно выделить следующие достоинства стандарта Bluetooth [9, с. 170]:

1.Высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей;

2.Защита передаваемых данных;

3.Низкая стоимость;

4.Высокая дальность действия (до 1000 м);

5.Универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев практически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения [9, с. 171]:

1.Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления.

2.Системы удаленного управления и телеметрии. Здесь устройства Bluetooth могут использоваться наряду с модулями технологий Wi-

Fi, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц.

3.Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth. Это применение характерно в основном для зарубежных производителей.