Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Введення

Інтернет речей [ 1 ] - це майбутня технологічна революція сфери обчислень і комунікацій, заснована на концепції безперервної і повсюдної зв’язку будь-яких пристроїв. Навіть на нинішніх ранніх етапах Інтернет речей призвів до того, що змінилося взаємодія між корпораціями, споживачами і навколишніми предметами. Технології Інтернету речей вплинули на такі області рішень, як інтелектуальні енергосистеми, управління ланцюгами поставок, розумні міста і розумні будинки. Інтернет речей являє собою парадигму обчислень, яка змінить бізнес-моделі, інвестиції в технології, обслуговування споживачів і повсякденне життя. Інтернет речей також є мережею фізичних об’єктів, що підключаються до Інтернету, таких як нанотехнології, споживча електроніка, побутова техніка, всілякі датчики, вбудовані системи і персональні мобільні пристрої. У ньому задіяні мережеві і комунікаційні технології, наприклад IPv6, веб-служби, радіочастотна ідентифікація і мережі 4G. Ми вже застосовуємо на практиці рішення на основі Інтернету речей, коли використовуємо мобільні пристрої. Наприклад, ви можете стежити за системою безпеки, освітленням, обігрівом і кондиціюванням свого будинку на смартфоні. Ви можете придбати холодильник, який відстежує свої процеси і відправляє звіти на ваш смартфон. Галузеві прогнози говорять про те, що до 2020 року можуть бути об’єднані 50 мільярдів пристроїв. Це в 10 разів перевищує кількість усіх нині існуючих інтернет-хостів, включаючи з’єднані мобільні телефони. Таке вражаюче кількість з’єднаних пристроїв і необхідність в спеціальних умовах для підтримки і ефективного управління приведуть до виникнення складних і заплутаних завдань, від вирішення яких буде залежати виникнення і розвиток Інтернету речей.

Рисунок 1 — Процесс подключения устройств "интернета вещей" (бесконечное повторение цикла,36кб)

1.Мета і завдання

Метою даної роботи є: зниження рівня економічних витрат за рахунок розробки методики організації радіоканалу максимальної дальності з урахуванням необхідних параметрів .

Основні завдання дослідження:

  1. Аналіз складової послуги IoT і виявлення витратної частини з технічними витратами оператора
  2. Аналіз умов організації радіоканалу
  3. Імітаційне моделювання каналу для умов, враховують запропоновану методику
  4. Аналіз економічної ефективності запропонованої методики

2.Опісаніе IoT з точки зору ІКС (інфокомунікацій)

Мережева топологія системи IoT базується на простих вузлах, які збирають і передають обмежена кількість інформації до центрального контролера або шлюзу, який забезпечує підключення до інтернету і хмарних сервісів. Вузли та шлюзи повинні бути розроблені таким чином, щоб звести до мінімуму споживання енергії, забезпечити надійні мережеві з’єднання і розширити діапазон бездротового підключення до мережі, наскільки це можливо. В основі системи IoT знаходиться процесор або мікроконтролер, який обробляє дані і запускає програмні стеки, які підключаються до пристрою бездротового зв’язку. MCU і бездротовий пристрій є специфічними для кінцевого застосування і вимог до системи. Розширений IoT сенсорні вузли виконують функції датчиків і використовуються як 8-розрядний мікроконтролер або 32-бітове пристрій, для запуску стек протоколів невеликий радіочастоти Ці пристрої, як правило, з живленням від батарей і підключаються до шлюзів, де відбувається масивна обробка і передача даних. Датчики вузлів, як правило передають невеликі обсяги даних і часто виконують операції на батареях протягом декількох років. Ці пристрої також повинні бути портативними, надійно з’єднані і здатні працювати в різних умовах навколишнього середовища, незалежно від радіочастотних перешкод або фізичних бар’єрів. Оскільки ці пристрої є частиною мереж, виконання обробки даних датчиків і відображення інформація також повинні бути розглянуті. Комбінований вибір відповідного MCU і бездротового зв’язку або підключення до РЧ для цих пристроїв, а також засобів розробки і програмних стеків мають вирішальне значення для їх успішного створення.

2.1 Особливості організації радіоканалу

для організації радіоканалу, для передачі інформації в середовищі IoT, перш за все необхідно звернути увагу на бездротовий спосіб передачі даних, для цього порівняємо основні технології з метою отримання найбільш прийнятного варіанту. Zigbee, Bluetooth, Wi-fi.

2.1.2 Технологія бездротової передачі даних Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11 є базовим стандартом для побудови бездротових локальних мереж (Wireless Local Network - WLAN) [ 1 ]. Стандарт IEEE 802.11 постійно вдосконалювався, і в даний час існує ціле сімейство, до якого відносять специфікації IEEE 802.11 з літерними індексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o , p, q, r, s, u, v, w. Однак тільки чотири з них (а, b, g і i) є основними і користуються найбільшою популярністю у виробників обладнання, інші ж (з-f, h-n) є доповнення, удосконалення або виправлення прийнятих специфікацій. У свою чергу, Інститут інженерів з електроніки та електротехніки (IEEE) тільки розробляє і приймає специфікації, на перераховані вище стандарти. В його обов’язки не входять роботи з тестування обладнання різних виробників на сумісність. Для просування на ринку обладнання для бездротових локальних мереж (WLAN) була створена група, яка отримала назву Альянс Wi-Fi. Цей альянс здійснює керівництво роботами по сертифікації обладнання різних виробників і видачі дозволу на використання членами Альянсу Wi-Fi логотипу торгової марки Wi-Fi. Наявність на обладнанні логотипу Wi-Fi гарантує надійну роботу і сумісність обладнання при побудові бездротової локальної мережі (WLAN) на обладнанні різних виробників. В даний час Wi-Fi-сумісним є обладнання, побудоване за стандартом IEEE 802.11a, b і g (може також використовувати стандарт IEEE 802.11i для забезпечення захищеного з’єднання). Крім того, наявність на обладнанні логотипу Wi-Fi означає, що робота обладнання здійснюється в діапазоні 2,4 ГГц або 5 ГГц. Отже, під Wi-Fi слід розуміти сумісність обладнання різних виробників, призначеного для побудови бездротових локальних мереж, з урахуванням викладених вище обмежень.

Первісна специфікація стандарту IEEE 802.11, прийнята в 1997 році, встановлювала передачу даних на швидкості 1 і 2 Мбіт / с в неліцензованому діапазоні частот 2,4 ГГц, а також спосіб управління доступом до фізичної середовищі (радіоканалу), який використовує метод множинного доступу з пізнанням несучої і усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Метод CSMA-CA полягає в наступному. Для визначення стану каналу (зайнятий або вільний) використовується алгоритм оцінки рівня сигналу в каналі, відповідно до якого виконується вимір потужності сигналів на вході приймача і якість сигналу. Якщо потужність прийнятих сигналів на вході приймача нижче порогового значення, то канал вважається вільним, якщо ж їх потужність вище порогового значення, то канал вважається зайнятим. Після прийняття специфікації стандарту IEEE 802.11 кілька виробників представили на ринку своє обладнання. Однак обладнання стандарту IEEE 802.11 не отримало широкого поширення внаслідок того, що в специфікації стандарту не були однозначно визначені правила взаємодії рівнів стека протоколу. Тому кожен виробник представив свою версію реалізації стандарту IEEE 802.11, не сумісну з іншими.

Для виправлення ситуації, що склалася в 1999 році, IEEE приймає перше доповнення до специфікації стандарту IEEE 802.11 під назвою IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b став першим стандартом побудови бездротових локальних мереж, які мають широке поширення. Максимальна швидкість передачі даних в ньому становить 11 Мбіт / с. Таку швидкість розробникам стандарту вдалося отримати за рахунок використання методу кодування послідовністю додаткових кодів (Complementary Code Keying). Для управління доступом до радіоканалу використовується той же метод, що і в первісної специфікації стандарту IEEE 802.11 - CSMA-CA. Наведене вище значення максимальної швидкості передачі даних, звичайно ж, є теоретичним значенням, так як для доступу до радіоканалу використовується метод CSMACA, що не гарантує наявності вільного каналу в будь-який момент часу. Тому на практиці при передачі даних по протоколу TCP / IP максимальна пропускна спроможність складе близько 5,9 Мбіт / с, а при використанні протоколу UDP - близько 7,1 Мбіт / с. У разі погіршення електромагнітної обстановки обладнання автоматично знижує швидкість передачі на початку до 5,5 Мбіт / с, потім до 2 Мбіт / с, використовуючи для цього метод адаптивного вибору швидкості (Adaptive Rate Selection, ARS). Зниження швидкості дозволяє використовувати більш прості і менш надлишкові методи кодування, чому передаються сигнали стають менш схильними до загасання і спотворень внаслідок інтерференції. Завдяки методу адаптивного вибору швидкості обладнання стандарту IEEE 802.11b може здійснювати обмін даними в різній електромагнітній обстановці.

Наступним стандартом, що поповнив сімейство стандарту IEEE 802.11, є стандарт IEEE 802.11a, специфікація якого була прийнята IEEE в 1999 році. Основна відмінність специфікації стандарту IEEE 802.11a від початкової специфікації стандарту IEEE 802.11 полягає в наступному:
передача даних здійснюється в неліцензованому діапазоні частот 5 ГГц;
використовується ортогональна частотна модуляція (OFDM);
максимальна швидкість передачі даних складає 54 Мбіт / с (реальна швидкість - близько 20 Мбіт / с).

Так само, як в стандарті 802.11b, в 802.11a реалізований метод вибору адаптивної швидкості (ARS) , що знижує швидкість передачі даних в наступній послідовності: 48, 36, 24, 18, 12, 9 і 6 Мбіт / с. Передача інформації здійснюється по одному з 12 каналів, виділених в діапазоні 5 ГГц. Використання діапазону 5 ГГц при розробці специфікації 802.11a обумовлено перш за все тим, що даний діапазон менш завантажений, ніж діапазон 2,4 ГГц, а отже, передані в ньому сигнали менш схильні до впливу інтерференції. Безсумнівно, даний факт є перевагою, але в той же час використання діапазону 5 ГГц призводить до того, що надійна робота обладнання стандарту IEEE 802.11a забезпечується тільки на прямої видимості. Тому при побудові бездротової мережі потрібна установка більшої кількості точок доступу, що, в свою чергу, впливає на вартість розгортання бездротової мережі. Крім того, сигнали, що передаються в діапазоні 5 ГГц, більш схильні до поглинання (потужність випромінювання обладнання IEEE 802.11b і 802.11a одна і та ж).

Перші зразки обладнання стандарту IEEE 802.11a були представлені на ринку в 2001 році. Слід зазначити, що обладнання, яке підтримує тільки стандарт IEEE 802.11a, не користувалося великим попитом на ринку з кількох причин. По-перше, на той момент обладнання стандарту IEEE 802.11b вже зарекомендувало себе на ринку, по-друге, все відзначали недоліки використання діапазону 5 ГГц і, по-третє, обладнання стандарту IEEE 802.11a не сумісно з IEEE 802.11b. Однак згодом виробники для просування IEEE 802.11a запропонували пристрої, що підтримують обидва стандарти, а також обладнання, що дозволяє адаптуватися в мережах, побудованих на обладнанні стандарту IEEE 802.11b, 802.11а, 802.11g. У 2003 році була прийнята специфікація стандарту IEEE 802.11g, що встановлює передачу даних в діапазоні 2,4 ГГц зі швидкістю 54 Мбіт / с (реальна швидкість складає близько 24,7 Мбіт / с). Для управління доступом до радіоканалу використовується той же метод, що і в первісної специфікації стандарту IEEE 802.11 - CSMACA, а також ортогональна частотна модуляція (OFDM). Обладнання стандарту IEEE 802.11g повністю сумісний з 802.11b, однак, через вплив інтерференції, в більшості випадків реальна швидкість передачі даних 802.11g порівнянна зі швидкістю, яка забезпечується обладнанням стандарту 802.11b. Тому єдиним правильним рішенням для потенційних користувачів бездротових локальних мереж є купівля обладнання, що підтримує відразу три стандарти: 802.11a, b і g. Wi-Fi-сумісне обладнання у більшості розробників асоціюється насамперед з організацією точок доступу для виходу в Інтернет і з абонентським обладнанням. Слід зазначити, що і індустрія вбудованих систем не оминула своєю увагою стандарти IEEE 802.11a, b і g. Вже зараз на цьому сегменті ринку є пропозиції, що дозволяють зробити будь-який пристрій Wi-Fi-сумісним. Йдеться про ОЕМ-модулях стандарту IEEE 802.11b, до складу яких входять: приймач, процесор обробки додатків і виконання ПЗ. Таким чином, ці модулі є повністю закінчене рішення, що дозволяє істотно скоротити час і вартість реалізації Wi-Fi-сумісності розробляється виробу. В основному ОЕМ-модулі стандарту IEEE 802.11b інтегруються в вироби для віддаленого моніторингу та управління через Інтернет. Для підключення ОЕМ-модуля стандарту IEEE 802.11b до виробу використовується послідовний інтерфейс RS-232, а управління модулем виконується AT-командами. Максимальна відстань між OEM модулем стандарту IEEE 802.11b і точкою доступу при використанні спеціальної виносної антени може становити до 500 м. В приміщення максимальна відстань не перевищує 100 м, а при наявності прямої видимості збільшується до 300 м. Істотним недоліком таких ОЕМ-модулів є їх висока вартість.

В таблиці 1 наведені основні технічні характеристики стандартів IEEE 802.11a, b і g.

2.1.3Технологія бездротової передачі даних ZigBee

Технологія бездротової передачі даних ZigBee була представлена ​​на ринку вже після появи технологій бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi. Поява технології ZigBee обумовлено, перш за все, тим, що для деяких додатків (наприклад, для віддаленого управління освітленням або гаражними воротами, або зчитування інформації з датчиків) основними критеріями при виборі технології бездротової передачі є мале енергоспоживання апаратної частини і її низька вартість. З цього випливає мала пропускна здатність, так як в більшості випадків електроживлення датчиків здійснюється від вбудованої батареї, час роботи від якої повинно перевищувати кілька місяців і навіть років. Інакше щомісячна заміна батареї для датчика відкривання-закривання гаражних воріт кардинально змінить ставлення користувача до бездротових технологій. Існуючі на той момент часу технології бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi не відповідали цим критеріям, забезпечуючи передачу даних на високих швидкостях, з високим рівнем енергоспоживання і вартості апаратної частини. У 2001 році робочою групою № 4 IEEE 802.15 були розпочаті роботи зі створення нового стандарту, який би відповідав наступним вимогам:
дуже мале енергоспоживання апаратної частини, що реалізує технологію бездротової передачі даних (час роботи від батареї має становити від декількох місяців до декількох років )
передача інформації повинна здійснюватися на не високій швидкості
низька вартість апаратної частини. < / p>

Результатом стала розробка стандарту IEEE 802.15.4. У багатьох публікаціях під стандартом IEEE 802.15.4 розуміють технологію ZigBee і навпаки під ZigBee - стандарт IEEE 802.15.4. Однак це не так. На рис. 5 приведена модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee і кінцевого користувача.

Рис. 1. Модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee і кінцевого користувача

Рис. 1. Модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee і кінцевого користувача < / p>

Стандарт IEEE 802.15.4 [ 3 ] визначає взаємодію тільки двох нижчих рівнів моделі взаємодії: фізичного рівня (PHY) і рівня управління доступом до радіоканалу для трьох неліцензованому діапазонів частот: 2,4 ГГц, 868 МГц і 915 МГц. У таблиці 2 наведені основні характеристики обладнання, яке функціонує в цих діапазонах частот.

Таблиця 2. Основні характеристики обладнання

Таблиця 2. Основні характеристики обладнання

Рівень MAC відповідає за управління доступом до радіоканалу з використанням методу множинного доступу з пізнанням несучої і усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а також за управління підключенням і відключенням від мережі передачі даних і забезпечення захисту переданої інформації симетричним ключем (AES-128). У свою чергу, технологія бездротової передачі даних ZigBee, запропонована альянсом ZigBee, визначає інші рівні моделі взаємодії, до яких відносять мережевий рівень, рівень безпеки, рівень структури програми та рівень профілю додатки. Мережевий рівень, технології бездротової передачі даних ZigBee, відповідає за виявлення пристроїв і конфігурацію мережі і підтримує три варіанти топології мережі, наведені на рис. 2.

Рис. 2. Три варіанти топології мережі

Рис. 2. Три варіанти топології мережі

Для забезпечення низької вартості інтеграції технології бездротової передачі ZigBee в різні додатки фізична реалізація апаратної частини стандарту IEEE 802.15.4 виконується в двох виконаннях: пристрої з обмеженим набором функції (RFD ) і повністю функціональні пристрої (FFD). При реалізації однієї з топологій мережі, наведеної на рис. 6, потрібна наявність, принаймні, одного FFD-пристрою, що виконує роль мережевого координатора. У таблиці 3 наведено перелік функцій, які виконуються пристроями FFD і RFD.

Таблиця 3. Перелік функцій, які виконуються пристроями FFD і RFD

Таблиця 3. Перелік функцій, які виконуються пристроями FFD і RFD

Низька вартість апаратної частини RFD-пристроїв [ 4 ] забезпечується за рахунок обмеження набору функцій при організації взаємодії з мережевим координатором або FFD-пристроєм. Це в свою чергу, відбивається на неповній реалізації моделі взаємодії, наведеної на рис. 1, а також ставить мінімальні вимоги до ресурсів пам’яті. Крім поділу пристроїв на RFD і FFD, альянсом ZigBee визначені три типи логічних пристроїв: ZigBee-координатор (пристрій, що погодить), ZigBee-маршрутизатор і кінцевий пристрій ZigBee. Координатор здійснює ініціалізацію мережі, управління вузлами, а також зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, приєднаного до мережі. ZigBee-маршрутизатор відповідає за маршрутизацію повідомлень, переданих по мережі від одного вузла до іншого. Під кінцевим пристроєм розуміють будь-який термінал, підключений до мережі. Розглянуті вище пристрої RFD і FFD якраз і є кінцевими пристроями. Тип логічного пристрою при побудові мережі визначає кінцевий користувач за допомогою вибору певного профілю (рис. 1), запропонованого альянсом ZigBee. При побудові мережі з топологією «кожен з кожним» передача повідомлень від одного вузла мережі до іншого може здійснюватися за різними маршрутами, що дозволяє будувати розподілені мережі (що поєднують кілька невеликих мереж в одну велику - кластерне дерево) з установкою одного вузла від іншого на досить великій відстані і забезпечити надійну доставку повідомлень.

Трафік, який передається по мережі ZigBee, як правило, поділяють на періодичний, переривчастий і повторюється (характеризується невеликим тимчасовим інтервалом між посилками інформаційних повідомлень). Періодичний трафік характерний для додатків, в яких необхідно дистанційно отримувати інформацію, наприклад від бездротових сенсорних датчиків або лічильників. У таких додатках отримання інформації від датчиків або лічильників здійснюється наступним чином. Як уже згадувалося раніше, будь-термінал, в якості якого в даному прикладі виступає бездротової датчик, переважну частину часу роботи повинно знаходитися в режимі «засипання», забезпечуючи тим самим дуже низьке енергоспоживання. Для передачі інформації термінал в певні моменти часу виходить з режиму «засипання» і виконує пошук в радіоефірі спеціального сигналу (маяка), переданого пристроєм управління мережею (ZigBee-координатором або ZigBee-маршрутизатором), до якої під’єднано бездротової лічильник. При наявності в радіоефірі спеціального сигналу (маяка) термінал здійснює передачу інформації пристрою керування мережею і відразу ж переходить в режим «засинання» до наступного сеансу зв’язку. Переривчастий трафік властивий, наприклад, для пристроїв дистанційного керування освітленням. Уявімо ситуацію, коли необхідно при спрацьовуванні датчика руху, встановленого біля вхідних дверей, передати команду на включення освітлення в передпокої. Передача команди в даному випадку здійснюється наступним чином. При отриманні пристроєм управління мережею сигналу про спрацювання датчика руху воно видає команду кінцевого пристрою (бездротовому вимикача) підключитися до бездротової мережі ZigBee. Потім встановлюється з’єднання з кінцевим пристроєм (бездротовим вимикачем) і виконується передача інформаційного повідомлення, що містить команду на включення освітлення. Після прийому команди з’єднання розривається і виконується відключення бездротового вимикача від мережі ZigBee.

Підключення та відключення кінцевого пристрою до мережі ZigBee тільки в необхідні для цього моменти дозволяє істотно збільшити час перебування кінцевого пристрою в режимі «засипання», забезпечуючи тим самим мінімальне енергоспоживання. Метод використання спеціального сигналу (маяка) є набагато більш енергоємним. У деяких додатках, наприклад охоронних системах, передача інформації про спрацювання датчиків повинна здійснюватися практично миттєво і без затримок. Але треба враховувати той факт, що в певний момент часу можуть «спрацювати» відразу кілька датчиків, генеруючи в мережі так званий циклічний трафік. Імовірність цієї події невелика, але не враховувати його в охоронних системах неприпустимо. У бездротової мережі ZigBee для повідомлень, переданих в бездротову мережу при спрацьовуванні відразу декількох охоронних датчиків (кінцевих пристроїв), передбачена передача даних від кожного датчика в спеціально виділеному часовому слоті. В технології ZigBee спеціально виділяється тимчасовий слот називають гарантованим тимчасовим слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наявність в технології ZigBee можливості надавати гарантований тимчасовий слот для передачі невідкладних повідомлень дозволяє говорити про реалізацію в ZigBee методу QoS (якість обслуговування). Виділення гарантованого тимчасового слота для передачі невідкладних повідомлень здійснюється мережевим координатором (рис. 3, PAN Coordinator). < / p>

При розробці апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee, що реалізує модель взаємодії, практично всі виробники дотримуються концепції, відповідно до якої вся апаратна частина розміщується на одному чіпі. На рис. 3 приведена концепція виконання апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee. < / p>

Рис. 3. Концепція виконання апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee

Рис. 3. Концепція виконання апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee

Для побудови бездротової мережі (наприклад, мережа з топологією «зірка») на основі технології ZigBee розробнику необхідно придбати принаймні один мережевий координатор і необхідну кількість кінцевих пристроїв. При плануванні мережі слід враховувати, що максимальна кількість активних кінцевих пристроїв, приєднаних до мережевого координатору, не повинно перевищувати 240. Крім того, необхідно придбати у виробника ZigBee-чіпів програмні засоби для розробки, конфігурації мережі та створення призначених для користувача додатків і профілів. Практично всі виробники ZigBee-чіпів пропонують на ринку цілу лінійку продукції, що відрізняється, як правило, тільки об’ємом пам’яті ROM і RAM. Наприклад, чіп з 128 Кбайт ROM і 8 Кбайт RAM може бути запрограмований на роботу в якості координатора, маршрутизатора і кінцевого пристрою. Висока вартість отладочного комплекту, до складу якого входить набір програмних і апаратних засобів для побудови бездротових мереж ZigBee будь-якої складності, є одним із стримуючих чинників масового поширення технології ZigBee на ринку Росії. Необхідно відзначити, що поява технології бездротової передачі ZigBee стало певною відповіддю на потреби ринку створення інтелектуальних систем управління приватними будинками і будівлями, попит на які з кожним роком збільшується. Уже в найближчому майбутньому приватні будинки і будівлі будуть оснащені величезною кількістю бездротових мережевих вузлів, які здійснюють моніторинг і управління системами життєзабезпечення будинку. Інсталяція даних систем може бути проведена в будь-який час і за короткі терміни, оскільки не вимагає розведення в будівлі кабелів.

Перерахуємо додатки, в які може бути інтегрована технологія ZigBee:
Системи автоматизації життєзабезпечення будинків і будов (віддалене управління мережевими розетками, вимикачами, реостатами і т. Д.).


системи управління побутовою електронікою
системи автоматичного зняття показань з різних лічильників (газу, води, електрики і т. д.)
системи безпеки (датчики задимлення, датчики доступу і охорони, датчики витоку газу, води, датчики руху і т . д.)
Системи моніторингу навколишнього середовища (датчики температури, д авленія, вологості, вібрації і т. д.)
Системи промислової автоматизації

2.1.4 Технологія бездротової передачі даних BlueTooth

Технологія BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала першою технологією, що дозволяє організувати бездротову персональну мережу передачі даних (WPAN - Wireless Personal Network). Вона дозволяє здійснювати передачу даних і голосу по радіоканалу на невеликі відстані (10-100 м) в неліцензованому діапазоні частот 2,4 ГГц і з’єднувати ПК, мобільні телефони та інші пристрої при відсутності прямої видимості. Своєму народженню BlueTooth зобов’язана фірмі Ericsson, яка в 1994 році почала розробку нової технології зв’язку. Спочатку основною метою була розробка радіоінтерфейсу з низьким рівнем енергоспоживання і невисокою вартістю, який дозволяв би встановлювати зв’язок між стільниковими телефонами і бездротовими гарнітурами. Однак згодом роботи з розробки радіоінтерфейсу плавно переросли в створення нової технології.

На телекомунікаційному ринку, а також на ринку комп’ютерних засобів успіх нової технології забезпечують провідні фірми-виробники, які приймають рішення про доцільність і економічну вигоду від інтеграції нової технології в свої нові розробки. Тому, щоб забезпечити своєму дітищу гідне майбутнє і подальший розвиток, в 1998 році фірма Ericsson організувала консорціум BlueTooth SIG (Spesial Interest Group), перед яким ставилися наступні завдання:
подальша розробка технології BlueTooth
просування нової технології на ринку телекомунікаційних засобів

До консорціуму BlueTooth SIG [ 5 ] входять такі фірми, як Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor. Логічно було б припустити, що перші кроки, що вживаються консорціумом BlueTooth SIG, будуть полягати в стандартизації нової технології з метою сумісності BlueTooth-пристроїв, розроблених різними фірмами. Це і було реалізовано. Для цього були розроблені специфікації, детально описують методи використання нового стандарту і характеристики протоколів передачі даних.

В результаті був розроблений пакет протоколів бездротової передачі даних BlueTooth (рис.4).

Рис. 4 . Стек протоколу Bluetooth

Рис. 4. Стек протоколу Bluetooth < / p>

Технологія BlueTooth підтримує як з’єднання типу «точка-точка», так і «точка-многоточек». Два або більше використовують один і той же канал пристрою утворюють пікомережа (piconet). Одне з пристроїв працює як основне (master), а решта - як підлеглі (slave). В одній пікомережі може бути до семи активних підлеглих пристроїв, при цьому інші підлеглі пристрої знаходяться в стані «паркування», залишаючись синхронізованими з основним пристроєм. Взаємодіючі пікомережі утворюють «розподілену мережу» (scatternet). У кожній пікомережі діє тільки одне основне пристрій, проте підлеглі пристрої можуть входити в різні пікомережі. Крім того, основний пристрій однієї пікомережі може бути підлеглим в інший (рис. 5). < / p>

Рис. 5. пікомережі з підлеглими пристроями. А) з одним підлеглим пристроєм. Б) декількома. В) розподілена мережа

Рис. 5. пікомережі з підлеглими пристроями. а) з одним підлеглим пристроєм. б) декількома. в) розподілена мережа

З моменту появи на ринку перших модулів BlueTooth їх широкому застосуванню в нових додатках перешкоджала складна програмна реалізація стека протоколу BlueTooth. Розробнику необхідно було самостійно реалізувати управління BlueTooth-модулем і розробити профілі, що визначають взаємодію модуля з іншими BlueTooth-устрій ствами за допомогою команд інтерфейсу хост-контролера (HCI - Host Controller Interface). Інтерес до технології BlueTooth зростав з кожним днем, з’являлися все нові і нові фірми, які розробляють для неї компоненти, але не було рішення, яке б в значній мірі спростило б управління BlueTooth-модулями. І таке рішення було знайдено. Фінська фірма, вивчивши ситуацію на ринку, однією з перших запропонувала розробникам наступне рішення. У більшості випадків технологія BlueTooth використовується розробниками для заміни проводового послідовного з’єднання між двома пристроями на бездротове. Для організації з’єднання і виконання передачі даних розробнику необхідно програмно, за допомогою команд інтерфейсу хост-контролера реалізувати верхні рівні стека протоколу BlueTooth, до яких відносять: L2CAP, RFCOMM, SDP, а також профіль взаємодії по послідовному порту - SPP (Serial Port Profi le) і профіль виявлення послуг SDP (Service Discovery Profi le). На цьому і вирішила зіграти фінська фірма, розробивши варіант прошивки BlueTooth-модулів, що представляє закінчену програмну реалізацію всього стека протоколу BlueTooth (рис. 1), а також профілів SPP і SDP. Це рішення дає можливість розробнику здійснювати управління модулем, або для бездротового послідовне з’єднання і виконувати передачу даних за допомогою спеціальних символьних команд, точно так же, як це робиться при роботі з звичайними модемами через стандартні AT-команди.

На перший погляд, розглянуте вище рішення дозволяє істотно скоротити час інтеграції технології BlueTooth у знову розробляються вироби. Однак це накладає певні обмеження на використання можливостей технології BlueTooth. В основному це позначається на зменшенні максимальної пропускної здатності і кількості одночасних асинхронних з’єднань, підтримуваних BlueTooth-модулем. < / p>

В середині 2004 року на зміну специфікації BlueTooth версії 1.1, яка була опублікована в 2001 році, прийнята специфікація BlueTooth версії 1.2 . До основних відмінностей специфікації 1.2 від 1.1 відносять:
1. Реалізація технології адаптивної перебудови частоти каналу (Adaptive Friquency hopping, AFH).
2. Удосконалення голосового з’єднання.
3. Скорочення часу, що витрачається на встановлення з’єднання між двома модулями BlueTooth.

Відомо, що BlueTooth і Wi-Fi використовують один і той же неліцензірумий діапазон 2,4 ГГц. Отже, в тих випадках, коли BlueTooth-пристрої знаходяться в зоні дії пристроїв Wi-Fi і здійснюють обмін даними між собою, це може привести до колізій і вплинути на працездатність пристроїв. Технологія AFH дозволяє уникнути появи колізій: під час обміну інформацією для боротьби з інтерференцією технологія BlueTooth використовує стрибкоподібну перебудову частоти каналу, при виборі якого не враховуються частотні канали, на яких здійснюють обмін даними пристрої Wi-Fi. На рис. 6 проілюстрований принцип дії технології AFH < / p>

Рис. 6. Принцип дії технології AFH. А) колізії б) відхід від колізій за допомогою адаптивної перебудови частоти каналу

Рис. 6. Принцип дії технології AFH. а) колізії б) відхід від колізій за допомогою адаптивної перебудови частоти каналу < / p>

В даний час на ринку працює велика кількість фірм, що пропонують модулі BlueTooth, а також компоненти для самостійної реалізації апаратної частини BlueTooth-пристрої . Практично всі виробники пропонують модулі, що підтримують специфікації BlueTooth версії 1.1 і 1.2 і відповідають класу 2 (діапазон дії 10 м) і класу 1 (діапазон дії 100 м). Однак, незважаючи на те, що версія 1.1 повністю сумісна з 1.2, всі розглянуті вище вдосконалення, реалізовані у версії 1.2, можуть бути отримані, тільки якщо обидва пристрої відповідають версії 1.2. У листопаді 2004 року була прийнята специфікація BlueTooth версії 2.0 [ 6 ], що підтримує технологію розширеної передачі даних (Enhanced Data Rate, EDR). Специфікація 2.0 з підтримкою EDR дозволяє здійснювати обмін даними на швидкості до 3 Мбіт / с. Перші серійно виготовляються зразки модулів, відповідні версії 2.0 і підтримують технологію розширеної передачі даних EDR, були запропоновані виробниками в кінці 2005 року. Радіус дії таких модулів становить 10 м при відсутності прямої видимості, що відповідає класу 2, а при наявності прямої видимості він може досягати 30 м.

Як вже зазначалося раніше, основне призначення технології BlueTooth - заміна проводового послідовного з’єднання. При цьому профіль SPP [ 7 ], який використовується для організації з’єднання, звичайно ж, не єдиний профіль, який розробники можуть використовувати в своїх виробах. Технологією BlueTooth визначені наступні профілі: профіль загального доступу (Generic Access Profile), профіль виявлення послуг (Service Discovery Profile), профіль взаємодії з бездротовими телефонами (Cordless Telephony Profile), профіль интеркома (Intercom Profile), профіль бездротових гарнітур для мобільних телефонів (Headset Profile), профіль віддаленого доступу (Dial-up Networking Profile), профіль факсимільного зв’язку (Fax Profile), профіль локальної мережі (Lan Access Profile), профіль обміну даними (Generic Object Exchange), режим передачі даних (Profile Object Push Profile), профіль обміну файлами (File Transfer Profile), профіль синхронізаці і (Synchronization Profile).

Підводячи підсумки з вибору технології для бездротової передачі даних, наведемо в таблиці короткі характеристики розглянутих варіантів.

Висновки

Підводячи підсумки з вибору технології для бездротової передачі даних, наведемо в таблиці короткі характеристики розглянутих варіантів.

Таблиця 4. Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee

Таблиця 4. Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee

Виходячи з наведених даних, для бездротової передачі інформації, буде доцільно вибрати технологію Wi-FI оскільки, він має найбільший діапазон дії, а саме 20-300, найбільшу пропускну здатність 11 0 00, а також можливість передачі мультимедійної інформації.

Примітка

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Передбачувана дата завершення: травень 2018 року. Повний текст роботи, а також матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список источников

  1. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, BlueTooth, Wi-Fi.[Электронный ресурс] : http://wireless-e.ru/....
  2. Internet of Things.[Электронный ресурс] : https://www.redbooks.ibm.com/...
  3. Управление доступом к среде.Википедия[Электронный ресурс] : https://ru.wikipedia.org/...
  4. RFID-технология. Все о радиочастотной идентификации.[Электронный ресурс] : http://www.rst-invent.ru/...
  5. BLUETOOTH SIG: НАСТОЯЩИЙ ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ НА ОСНОВЕ BLE – ВОПРОС БЛИЖАЙШЕГО ВРЕМЕНИ.[Электронный ресурс] : https://www.gadgetstyle.com.ua/...
  6. Bluetooth-2.0 + EDR: первое впечатление.[Электронный ресурс] : https://itc.ua/...
  7. Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана Bauman National Library.[Электронный ресурс] : https://ru.bmstu.wiki/...