Использование технологии BLUETOOTH при построении распределённых управляющих систем

В статье представлено теоретическое обоснование целесообразности использования технологии Bluetooth с четом таких критериев, как доступность, функциональность, экономичность, открытость стандарта, совместимость устройств различных производителей, низкая цена, возможность построения сетей различной архитектуры. 

При выборе беспроводной технологии для проектируемой системы одним из главных требований является открытость стандарта, совместимость устройств различных производителей, доступность таких устройств в длительной перспективе, надежность и отработанность технологии, низкая цена, экономичность, возможность построения сетей различной архитектуры. Из всех существующих сегодня технологий в наибольшей степени этим требованиям соответствуют ZigBee (IEEE 802.15.4), WLAN (Wireless Local Area Network - беспроводная локальная вычислительная сеть. IEEE 802.11) и Bluetooth (IEEE 802.15.1). WLAN обеспечивает высокие скорости передачи информации (в зависимости от версии—11 или 54 Мбит/с) и, очевидно, предпочтительнее в системах, базирующихся на сетях Ethernet. Однако этот стандарт отличается повышенным энергопотреблением, да и цена на модули заметно выше, чем у ZigBee и Bluetooth.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка–точка» и  «звезда»), но  и сложные  беспроводные   сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений с топологиями «дерево» или «ячеистая сеть». Модули ZigBee из всех перечисленных технологий отличаются самым низким энергопотреблением, однако скорость передачи информации в этих сетях не превышает 250 кбит/с. Области применения данной технологии  —  беспроводные  сети  датчиков,  системы  автоматизации  зданий,  системы     управления в промышленности [1].

Bluetooth по скорости передачи информации и энергопотреблению занимает промежуточное положение между ZigBee и WLAN. Сейчас это самая популярная радиотехнология ближнего радиуса действия.

По радиусу действия и назначению современные беспроводные сети можно разделить на персональные (Wireless Personal Area Network, WPAN), локальные (Wireless Local Area Network, WLAN), городские (Wireless Metropolitan Area Network, WMAN) и глобальные (Wireless Wide Area Network, WWAN. Основные характеристики вышеперечисленных сетей представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительные характеристики беспроводных сетей

 Сравнительные характеристики беспроводных сетей

Чаще всего технология Bluetooth применяется в мобильных телефонах, широкому потребителю она известна также как удобный способ соединения домашней и офисной электроники. Большинство профилей  как  раз  и  ориентировано  прежде  всего  на  решение  этих  задач.  Количество       профилей в настоящий момент достигает трех десятков, в их числе:

Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) — для передачи двухканального стерео аудиопотока, например музыки, к беспроводной гарнитуре или любому другому устройству;

Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) — для пересылки изображений между устройствами;

Basic Printing Profile (BPP) — позволяет пересылать текст, e-mails, vCard и другие элементы на принтер; Hands-Free Profile (HFP) — используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона;

Human Interface Device Profile (HIDP) — для поддержки устройств с HID (Human Interface Device), таких как мышки, джойстики, клавиатуры;

SIM Access Profile (SAP) — позволяет получить доступ к SIM-карте телефона;

Dial-up Networking Profile (DUN) — предоставляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису через Bleutooth;

Video Distribution Profile (VDP) — позволяет передавать потоковое видео;

Serial Port Profile (SPP) — эмулирует последовательный порт, предоставляя возможность замены стандартного RS-232 беспроводным соединением.

Однако рынок устройств, использующих Bluetooth, не ограничивается только бытовыми и офисными применениями. В промышленных системах эта технология все чаще используется как замена проводов в широко распространенном интерфейсе RS-232 (Recommended Standard 232 - стандарт последовательной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и коммуникационным устройством) [1].

Радиоудлинители    на    базе    Bluetooth-модулей    с    поддержкой    SPP    позволяют организовать «прозрачную»  передачу  данных  по   последовательному  протоколу  и  быстрый   ввод/вывод    данных и сигналов управления в режиме реального времени. Следует, однако, учесть, что понятие «режим реального времени» в данном случае несколько условно, так как время прохождения информации через все уровни стека Bluetooth может быть различным для разных модулей и достигать 35 мс. 

Bluetooth-системы относятся к классу взаимодействующих открытых систем. Bluetooth-устройства физически представляют собой микросхемы, обеспечивающие связь в диапазоне 2,4 ГГц. Этот диапазон в большей части европейских стран и США относится к полосе для приборов промышленного, научного и медицинского применения - ISM (Industrial, Ssientific, Medical). Его эксплуатация не требует лицензирования. Площадь  кристаллов в Bluetooth-устройствах не  превышает квадратного   сантиметра, а потребляемая мощность весьма мала (1…2,5 мВт ). Устройства обеспечивают связь на расстояния до 10 метров, а при увеличении мощности до 100 мВт - до 100 м. 

Технология Bluetooth использует метод расширения спектра скачкообразным изменением частоты (FHSS  —  Frequency  Hopping  Spread  Spectrum).  Выделенный  частотный  диапазон  разбивается     на 79 каналов, переключение которых происходит 1600 раз в секунду. Такой механизм позволяет обеспечить надежную защиту от помех и предсказуемую передачу данных. В версии Bluetooth 2.0 этот механизм усовершенствован, что позволяет более полно использовать возможности стандарта.

Передача данных осуществляется двумя способами: посредством синхронного и асинхронного канала связи. Синхронный канал передаѐт данные в обоих направлениях с пропускной способностью 64 килобита в секунду и разработан специально для передачи голоса. Асинхронный канал передаѐт данные с  максимальной  скоростью  достигающей  721  килобита  в  секунду  в  одном  и  57,6  килобита в секунду в другом направлении. При симметричной передаче, на этом канале, скорость в 432,6 килобита в секунду достижима в обоих направлениях. В целом же, производительность Bluetooth в начальных версиях составляла примерно 1 МБ / s.

Со спецификацией 2.0 + Enhanced Data Rate стало возможным увеличить скорость передачи данных Bluetooth втрое. Благодаря этому стандарту скорость передачи достигает 3 МБ/s. Таким образом, между двумя устройствами может передаваться 240 КБайт в секунду. Еще более удобной стала спецификация 2.1 + EDR, благодаря которой соединение устройств между собой стало гораздо проще («pairing»). К тому же, устройства использующие Bluetooth 2.1 + EDR стали более энего-экономными. 

Современные решения архитектур модулей Bluetooth проектируются, исходя из дешевизны, малого потребления и малых габаритов микросхемы. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802. В состав модулей входят приемопередатчик (трансивер), контроллер связи (процессор) и управляющее устройство,   реализующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Если трансивер и контроллер связи - это специализированные микросхемы, то устройства управления связью реализованы на стандартных микроконтроллерах, либо его функции поддерживают центральные процессоры терминальных устройств, например, ноутбуков. Основной инновацией здесь является однокристальный приѐмопередатчик, объединяющий высокочастотную схему и схему обработки цифровых потоков на одном кремниевом кристалле [2]. 

Для  беспроводных  решений  Bluetooth   производятся   различные   Bluetooth-модули.   В отличие от ZigBee-модулей,  Bluetooth-решения  не  предназначены   для   многомесячной   автономной  работы от батарей. Bluetooth-модули могут передавать как голосовую информацию, так и цифровые данные на расстояние 10-100 метров. Благодаря наличию стандартных интерфейсов, Bluetooth-модули могут легко интегрироваться в приборы различного назначения. Практически все Bluetooth-модули поддерживают профиль последовательного порта и могут использоваться для замены кабеля RS-232. При этом существующее программное обеспечение устройства практически не потребует никакой модернизации. 

Система Bluetooth предоставляет услуги по соединениям типа «точка-точка» для двух устройств Bluetooth или «точка-много точек». В последнем случае устройства Bluetooth способны соединяться друг с другом, формируя пикосети, когда одно из устройств является ведущим (Master), еще семь - ведомыми (Slave). Несколько пикосетей могут перекрываться, образуя распределенную сеть (scatternet) с общим число  устройств  до  256.  В  момент  присоединения  к  пикосети  каждое  Slave-устройство   получает от мастера пакет, в котором содержится идентификатор Global_ID, используемый для определения номера последовательности перестройки частоты, а также трехбитный адрес AMA (Active Member Adress) для общения с соседями.

Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - универсальный асинхронный приѐмопередатчик) / PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция) - интерфейса. Хост направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию данного интерфейса [1].

Использование OEM (Original Equipment Manufacturer - производитель изначальной комплектации) модулей Bluetooth коммерческого или промышленного температурного диапазона можно рассматривать как быстрый путь для интеграции беспроводной связи Bluetooth в разрабатываемое устройство. Так как Bluetooth работает в том же диапазоне частот что и IEEE802.11 (WiFi), то многие производители Bluetooth чипсетов закладывают функцию сосуществования с WiFi инфраструктурой (Bluetooth-WiFi coexistance).

Bluetooth-технология является идеальным решением в сфере мобильных устройств, компьютеров, PDA (карманные персональные компьютеры), слуховых аппаратов, устройств диагностики и т.д [3].

Сегодня беспроводная коммуникация стала обычным  делом для телемедицины.  Она  используется в больничных системах телеметрии и системах реанимации. Она все шире применяется и в слуховой индустрии. Средствами данной технологии возможно не только организовать беспроводную связь между ноутбуком, сотовым телефоном либо КПК, но и подключить периферийные устройства, такие как: клавиатура, аудио гарнитура, Web камера, радиоудлинитель звукового сигнала, bluetooth адаптер для принтера и т.д.

Bluetooth поддерживается такими гигантами современной индустрии, как Ericsson, IBM, Microsoft, Nokia, Motorola, Intel, Toshiba. Это обеспечивает инновационность, стабильность и финансирование новых разработок.

Все стандарты беспроводной связи - от инфракрасной передачи до услуги GPRS (General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего пользования) — имеют свои сертификаты, правила, действующие по всему миру, описанные в сопутствующей документации. В свое время они были централизованно разработаны и согласованы с множественными инстанциями. Это означает, что любой производитель с согласия соответствующей организации (как в случае с GSM и CDMA) либо без него (как в случае с Bluetooth или Wi-Fi) может встраивать в свои изделия модули, построенные на основе этих технологий. При этом он получает гарантию совместимости своего продукта с устройствами, поддерживающими эти единые правила.

Bluetooth-модули в зависимости от излучаемой мощности делятся на три класса. Модули класса 1 (Pвых ≤ 100 мВт), применяемые прежде всего в промышленных устройствах, имеют радиус действия до 100 м. Устройства, относящиеся к классу 2 (Pвых ≤ 2,5 мВт), работают на расстояниях до 15–20 м. Изделия класса 3 ((Pвых ≤ 1 мВт), который обычно используется в бытовых мобильных устройствах, имеют диапазон действия до 3–5 м.

Еще одним требованием является простота использования. Готовые устройства Bluetooth полностью удовлетворяют  этому   требованию.   Большинство   модулей   являются   законченными   устройствами и требуют для подключения минимум внешних элементов. Чаще всего применение Bluetooth для прибора сводится к эмуляции обычного асинхронного последовательного порта (UART). Отличия лишь в том, что сначала должна установиться связь по радиоканалу, а далее Bluetooth-модуль используется практически как обычный нуль-модемный кабель.

С аппаратной точки зрения подключение модуля осуществляется очень просто — к выводу RF присоединяется  антенна,  подключаются  UART,  на  соответствующий  вывод  подается  питание  3-4  В (в зависимости от модели) и в момент включения формируется импульс сброса на вывод Reset длительностью не менее 5 мс. При подключении выводов последовательного интерфейса следует обратить внимание на то, что помимо линий прием/передача (Rx/Tx) должны быть задействованы линии аппаратного контроля потока (CTS/RTS). Это необходимо для того, чтобы исключить возможность потери информации при переполнении внутреннего буфера модуля в случае, если возникают задержки в передаче информации по радиоканалу, вызванные повторной передачей при обнаружении ошибки или задержкой при переключении канала. Для индикации статуса модуля (Connect или Disconnect) используется вывод общего назначения GPIO7, к которому может быть подключен светодиод. Выводы GPIO0 и GPIO1 предназначены для индикации состояния радиопередающего тракта (прием/передача соответственно).

В большинстве случаев различные модули от различных фирм производителей, отличаются классом, версией протокола, внутренним ПО либо типом корпуса, логика же работы с ними остается той же самой. Развитое внутреннее программное обеспечение некоторых из модулей позволяет более гибко конфигурировать данные устройства. Для подобных целей существуют специализированные утилиты, запускаемые на персональном компьютере под операционной системой семейства Windows. Конфигурация модулей осуществляется по последовательному порту, при этом сам модуль не должен находиться в состоянии Connect. Пользователь может задать имя устройства, выбрать режим работы Master или Slave, сконфигурировать асинхронный последовательный интерфейс. Есть возможность задать режим установления соединения — с аутентификацией, в режиме парного соединения, с шифрованием данных или без этих опций. Эта конфигурация сохраняется во внутренней Flash-памяти модуля. Конфигурация модуля может осуществляться по последовательному интерфейсу с помощью набора АТ-команд. Это значит, что сконфигурировать модуль можно в любой момент в процессе эксплуатации с помощью обычного микроконтроллера [4].

Технология Bluetooth в настоящее время удовлетворяет всем основным требованиям, предъявляемым к беспроводной передаче данных даже в сложных условиях промышленного производства. Массовое применение привело к тому, что сегодня - это самая дешевая технология. Модули Bluetooth обеспечивают надежную передачу информации в условиях высокого уровня электромагнитного излучения различной природы, имеют низкую цену, невысокое энергопотребление, просты в использовании. Они позволяют получать удаленный доступ к устройствам и механизмам, проводная связь с которыми невозможна или затруднена. Bluetooth уже встроен во многие современные устройства — ноутбуки, КПК, телефоны, и имеет встроенную поддержку в наиболее распространенных операционных системах. Это дает возможность легко интегрировать данную технологию в создаваемые беспроводные системы управления и сбора информации.

 

Литература

  1. Федоров В. Модули Bluetooth в промышленных приложениях и системах сбора информации. - Москва: Электронное издание «Компоненты и технологии, 2007. - №
  2. Попов М. Применение Bluetooth в радиолюбительских устройствах // Радио. - 2010. - № 6. - 64 с.
  3. Курт Ф. Bluetooth: решения на все или почти все случаи жизни. - Москва: Электронное издание «Компоненты и технологии». - 2004. -  № 3.
  4. А. Рестович, И. Стоян, И. Чубич. Bluetooth технология беспроводной связи и ее применение. - Загреб, Хорватия: Эрикссон Никола Тесла, 2005 – 86 с.
  5. Архипкин В.Я., Архипкин А.В. Bluetooth технические требования практическая реализация приложения. - Москва: Мобильные коммуникации, 2002 – 203 с.
  6. Лепихин И. Существует ли альтернатива Bluetooth?. - Москва: Компоненты и технологии, 2003. -№ 7.
  7. Кратько А., Александров Р. Обзор компонентов Bluetooth. - Москва: Электронное издание «Компоненты и технологии. - 2005. - № 9.
  8. Финогеев А.Г.  Беспроводные  технологии  передачи  данных  для  создания  систем      управления и персональной информационной поддержки // Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических        статей по           приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы». - 2008. - 51 с.
Фамилия автора: А.В. Мануковский, М.Ю. Пантелеев 
Год: 2011
Город: Павлодар
Яндекс.Метрика