Fakulta elektrotechnická

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka ˇ´ıdic´ı techniky Katedra r

´ PRACE ´ DIPLOMOVA D´ alkov´ eˇ r´ızen´ı modelu

Praha, 2005

Petr Muˇ z´ıˇ cek

Zad´ an´ı diplomov´ e pr´ ace Student: Petr Muˇz´ıˇcek Obor: Technická kybernetika N´ azev t´ ematu: Dálkové ˇr´ızen´ı modelu

Z´ asady pro vypracov´ an´ı: 1. Navrhnˇete uspoˇrádán´ı ˇcidel modelu vozidla pro orientaci v rovinˇe. 2. Upravte model podle Vaˇseho návrhu. Pro pˇrenos ˇr´ıdic´ıch signál˚ u vyuˇzijte bezdrátové spojen´ı. 3. Porovnejte moˇznosti ˇr´ıdic´ıch systému pro ˇr´ızen´ı tohoto modelu. 4. Vybran´ ym ˇr´ıdic´ım systémem demonstrujte navrˇzen´ y algoritmus ˇr´ızen´ı pohybu modelu po zadané dráze.

Seznam odborn´ e literatury: Dodá vedouc´ı práce

Vedouc´ı diplomov´ e pr´ ace: doc.Ing.Jan B´ılek, CSc. Datum zad´ an´ı diplomov´ e pr´ ace: prosinec 2003 Datum odevzd´ an´ı diplomov´ e pr´ ace: kvˇeten 2003

II

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

Nemám závaˇzn´ y d˚ uvod proti uˇzit´ı tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu § 60 Zákona ˇc.121/2000 Sb. , o právu autorském, o právech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych zákon˚ u (autorsk´ y zákon).

V Praze dne Petr Muˇz´ıˇcek

III

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu diplomové práce Doc.Ing. Janu B´ılkovi CSc. za cenné rady, podnˇety a pˇripom´ınky. Dále bych také rád podˇekoval za cenné rady Ing. Pavlu R˚ uˇziˇckovi a Ing. Petru Jurˇc´ıkovi. Dále m˚ uj vdˇek patˇr´ı vˇsem, kteˇr´ı mˇe pˇri práci podporovali i jinak neˇz odborn´ ymi radami.

IV

Abstrakt V této diplomové práci je popsán zp˚ usob ˇr´ızen´ı modelu auta poˇc´ıtaˇcem a mobiln´ım telefonem prostˇrednictv´ım bezdrátové technologie Bluetooth a ˇr´ızen´ı pomoc´ı optick´ ych ˇcidel. V prvém pˇr´ıpadˇe je model auta ˇr´ızen pokyny zaslan´ ymi z poˇc´ıtaˇce respektive z mobiln´ıho telefonu pˇres moduly Bluetooth, které jsou k poˇc´ıtaˇci a k elektronice v autˇe pˇripojeny. Komunikace s tˇemito moduly je uskuteˇcnˇena pˇres sériové rozhran´ı. V druhém pˇr´ıpadˇe je model ˇr´ızen mikroprocesorem na základˇe signál˚ u pˇrijat´ ych z optick´ ych ˇcidel na podvozku auta. C´ılem práce je ovˇeˇrit vyuˇzit´ı bezdrátového propojen´ı pro ˇr´ızen´ı objektu v reálném ˇcase.

Abstract In this diploma thesis is beeing described the way of remote control of a car model by personal computer and by a mobile phone via wireless technology Bluetooth and optical sensors control. In the first case is the car model controlled by the instructions, which are sent from computer to microprocessor situated in the car model. Communication between computer and microprocessor is realised by two Bluetooth modules, which are connected to computer and microprocessor via serial interface. In the second case is the car model controlled by microprocessor based on the signals received from the optical senzors that are on car chassis. The goal of this diploma thesis is to verify wireless connection for the real-time control.

V

Obsah ´ 1 Uvod

1

2 D´ alkov´ eˇ r´ızen´ı 2.1 Moˇznosti bezdrátové komunikace . . . . . . . . . . . 2.1.1 IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 IEEE 802.15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Srovnán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Rádio specifikace . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Baseband specifikace . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1 Komunikaˇcn´ı jednotka Bluetooth . . 2.2.2.2 Pˇrenosov´ y kanál . . . . . . . . . . . 2.2.2.3 Fyzické linky . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.4 Pakety . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.5 Logické kanály . . . . . . . . . . . . 2.2.2.6 Adresován´ı zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . 2.2.2.7 Vys´ılac´ı a pˇrij´ımac´ı proces . . . . . . ˇ 2.2.2.8 Casov´ an´ı vys´ılán´ı a pˇr´ıjmu . . . . . . 2.2.2.9 Stavy zaˇr´ızen´ı a ˇr´ızen´ı kanálu . . . . 2.2.2.10 Vytvoˇren´ı spojen´ı . . . . . . . . . . . 2.2.2.11 Reˇzimy zaˇr´ızen´ı ve stavu Connection 2.2.3 Link Manager Protocol . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 HCI specifikace . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.1 HCI pˇr´ıkazy . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.2 HCI události . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.3 HCI datové pakety . . . . . . . . . . 2.2.5 HCI RS232 transportn´ı vrstva . . . . . . . . . 2.2.6 L2CAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Realizace vzd´ alen´ eho ˇ r´ızen´ı 3.1 Modely aut . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Model auta pro DP . . . . 3.1.1.1 Potˇrebné u ´pravy 3.1.1.2 Mikroprocesor . VI

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 3 5 7 10 11 11 12 13 14 14 15 17 17 17 18 20 20 20 21 21 23 27 29 30 31

. . . .

32 33 33 33 34

3.2

3.1.1.3 Bluetooth modul . . . . 3.1.1.4 Akˇcn´ı ˇclen - servomotor 3.1.1.5 Akˇcn´ı ˇclen - ss motor . . 3.1.1.6 A/D pˇrevodn´ık . . . . . 3.1.1.7 DC-DC mˇeniˇc . . . . . . 3.1.1.8 Optická ˇcidla . . . . . . 3.1.1.9 V´ ysledná deska ploˇsn´ ych 3.1.2 Model auta pro BTRC . . . . . . ˇ ıdic´ı systém . . . . . . . . . . . . . . . R´ 3.2.1 PC s Bluetooth modulem . . . . 3.2.2 Mobiln´ı telefon . . . . . . . . . .

4 Softwarov´ eˇ reˇ sen´ı vzd´ alen´ eho ˇ r´ızen´ı 4.1 Komunikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . 4.2 Mikroprocesor PIC . . . . . . . . . . . 4.2.1 Pamˇet’ová organizace procesoru 4.2.2 Komunikace pˇres RS232 . . . . 4.2.3 Pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . 4.2.4 A/D pˇrevodn´ık . . . . . . . . . ˇ 4.2.5 Casovaˇ c a PWM . . . . . . . . 4.2.6 Struktura programu pro DP . . 4.2.7 Struktura programu pro BTRC 4.2.8 Oˇsetˇren´ı chybov´ ych stav˚ u . . . 4.3 Poˇc´ıtaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Práce s programem . . . . . . . 4.3.2 Komunikace s modelem auta . . 4.3.3 Oˇsetˇren´ı chybov´ ych stav˚ u . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

35 37 39 40 41 42 44 45 47 47 47

. . . . . . . . . . . . . .

49 49 51 51 52 54 54 56 57 60 61 62 63 64 66

5 Z´ avˇ er

67

Literatura

67

A Struktura pˇ riloˇ zen´ eho CD ROM

69

B Realizace v´ ysledn´ e desky

70

C Komunikace RS232

72

VII

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15

Funkˇcn´ı bloky v systému Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . Point-to-point (a), Piconet (b), Scatternet (c) . . . . . . . . . . . TDD schéma a ˇcasován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multi-slot pakety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formát standardn´ıho paketu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuknˇcn´ı diagram vys´ılán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cyklus TX a RX z pohledu Mastera . . . . . . . . . . . . . . . . Komunikace Mastera s v´ıce Slave . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇrehled niˇzˇs´ıch softwarov´ ych vrstev . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇrehled niˇzˇs´ıch softwarov´ ych vrstev vzhledem k pˇrenosu informace Stavba paketu HCI pˇr´ıkazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stavba paketu HCI události . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . HCI ACL datov´ y paket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . HCI RS232 transportn´ı vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L2CAP v architektuˇre Bluetooth protokolu . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

13 13 14 15 16 18 19 19 22 22 23 28 30 30 31

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19

Soustava bezdrátového ˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı pomoc´ı ˇcidel . . . . . . . . . . . . . . . . R´ Model auta pro DP . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma elektroniky . . . . . . . . . . . . . . . . Mikroprocesor PIC 16F874 . . . . . . . . . . . . Bluetooth modul v modelu auta . . . . . . . . . Schéma 74LVX245 . . . . . . . . . . . . . . . . Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ e pr˚ ubˇehy PWM pro servomotor . . . . . Zp˚ usob pˇripojen´ı serva k pˇredn´ı nápravˇe . . . . Schéma zapojen´ı H-m˚ ustku pro ˇr´ızen´ı ss motoru Diferenˇcn´ı zesilovaˇc a), napˇet’ov´ y sledovaˇc b) . . Integrovan´ y obvod NE5532 . . . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı obvodu dc-dc . . . . . . . . . . Optické ˇcidlo CNY70 . . . . . . . . . . . . . . . Funkce ˇcidla CNY70 . . . . . . . . . . . . . . . Moˇznosti orientace v rovinˇe . . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı optick´ ych ˇcidel . . . . . . . . . V´ ysledná deska . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32 32 33 34 34 35 37 38 38 39 40 41 41 42 42 43 43 44 45

VIII

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.20 3.21 3.22 3.23

Model auta pro BTRC . . . . . . . . Blokové schéma pˇr´ıdavné elektroniky Schéma ˇr´ıdic´ıho systému . . . . . . . Mobiln´ı telefon Nokia 6600 . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15

Zjednoduˇsené schéma komunikace mezi PC a modelem . . . . . . . . Schéma 1 komunikaˇcn´ıho cyklu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zjednoduˇsené schéma komunikace mezi telefonem a modelem . . . . . Programátor PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma programu pro PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma komunikace mezi procesorem a Bluetooth modulem . . . . . . Struktura programu pro BTRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma komunikace mezi procesorem a Bluetooth modulem . . . . . . Hlavn´ı okno aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informace o pˇripojeném (a) a vzdáleném (b) Bluetooth modulu . . . Informace o nalezen´ ych Slave zaˇr´ızen´ıch . . . . . . . . . . . . . . . . . Okno ovládán´ı modelu auta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informace o napˇet´ı akumulátor˚ u, stavu optick´ ych ˇcidel a kvality spojen´ı Informace o odeslan´ ych a pˇrijat´ ych paketech . . . . . . . . . . . . . .

46 46 47 48 50 50 51 51 55 57 59 60 61 63 64 64 65 65 66

A.1 Schéma zapojen´ı elektroniky pro DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 B.1 Schéma zapojen´ı elektroniky pro DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 B.2 Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 B.3 Schéma zapojen´ı pˇr´ıdavné elektroniky pro BTRC . . . . . . . . . . . 71

IX

Seznam tabulek 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Porovnán´ı rychlost´ı s´ıt´ı WPAN a WLAN . . . . . . . Porovnán´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı ZigBee a Bluetooth . Obecné porovnán´ı Wi-Fi, ZigBee a Bluetooth . . . . Porovnán´ı ZigBee a Bluetooth . . . . . . . . . . . . . V´ ykonové tˇr´ıdy Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . Identifikátory HCI paket˚ u pˇri komunikaci pˇres RS232

3.1 3.2 3.3

Popis pouˇzit´ ych pin˚ u mikroprocesoru PIC . . . . . . . . . . . . . . . 36 Popis pin˚ u pouˇzitého modulu Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Popis pin˚ u pˇrevodn´ıku 74LVX245 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 4.2

V´ ybˇer banky v registru Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇcasovaˇce procesoru . . . . . . . . . . . . . . . . 56

X

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. 3 . 7 . 8 . 8 . 12 . 30

Kapitola 1 ´ Uvod Bezdrátová komunikace je v dneˇsn´ı dobˇe velmi pouˇz´ıvan´ y zp˚ usob pro ovládán´ı a komunikaci r˚ uzn´ ych zaˇr´ızen´ı i technologick´ ych proces˚ u. V této diplomové práci jsou popsány dva z moˇzn´ ych zp˚ usob˚ u realizace bezdrátové komunikace. Prvn´ım zp˚ usobem je bezdrátová komunikace osobn´ıho poˇc´ıtaˇce s mikroprocesorem. Byl poˇr´ızen RC model automobilu, kter´ y zvládal j´ızdu maximáln´ı rychlost´ı vpˇred, vzad a zatáˇcet jednopolohovˇe vlevo a vpravo. Model byl upraven tak, aby zvládal na základˇe pokyn˚ u proporcionáln´ı ˇr´ızen´ı. Pˇridán byl modul Bluetooth firmy Siemens (SieMo), mikroprocesor PIC firmy Microchip a dalˇs´ı elektronika potˇrebná ke komunikaci modulu s mikroprocesorem a k samotnému ˇr´ızen´ı modelu. Jako ˇr´ıdic´ı systém slouˇz´ı SW v poˇc´ıtaˇci, kter´ y je pˇres rozhran´ı RS232 pˇripojen k druhému Bluetooth modulu. Takto bylo zrealizováno bezdrátové ˇr´ızen´ı modelu. Kromˇe ˇr´ızen´ı z poˇc´ıtaˇce je model jeˇstˇe moˇzné ˇr´ıdit nezávisle na ˇr´ıdic´ım systému. K tomuto je vybaven optick´ ymi ˇcidly pˇripevnˇen´ ymi k pˇredn´ı ˇcásti podvozku. Model auta se pak pohybuje na základˇe signálu z tˇechto ˇcidel. Uˇzivatelsk´ y SW v PC umoˇzn ˇuje pˇrep´ınán´ı mezi tˇemito zp˚ usoby ˇr´ızen´ı (poˇc´ıtaˇcem nebo ˇcidly). Existence spojen´ı mezi modelem a poˇc´ıtaˇcem je ovˇeˇrována pravideln´ ym zas´ılán´ım paketu obsahuj´ıc´ıho informaci o napˇet´ı nab´ıjec´ıch akumulátor˚ u v modelu auta a stavu optick´ ych ˇcidel. Druh´ ym zp˚ usobem je komunikace mobiln´ıho telefonu s mikroprocesorem. Tento zp˚ usob ˇr´ızen´ı byl realizován v rámci projektu “Bluetooth Remote Control” pro V´ yzkumné a v´ yvojové centrum v Praze (www.rdc.cz). Pro tento projekt byl poˇr´ızen jin´ y model auta. D˚ uleˇzitá je pˇredevˇs´ım SW ˇcást, jej´ıˇz popis následuje vˇzdy po popisu samotné diplomové práce. Text je rozdˇelen do tˇr´ı kapitol, které pojednávaj´ı o moˇzn´ ych zp˚ usobech bezdrátové komunikace, realizaci zvolené technologie na modelu auta, návrhu a realizaci ˇr´ıdic´ıho systému a posledn´ı kapitola o softwarovém ˇreˇsen´ı obou projekt˚ u.

1

Kapitola 2 D´ alkov´ eˇ r´ızen´ı 2.1

Moˇ znosti bezdr´ atov´ e komunikace

Dneˇsn´ı poˇc´ıtaˇcov´ y svˇet je doslova pˇrehlcen r˚ uzn´ ymi druhy s´ıt´ı. Klasické drátové jsou z hlediska volnosti problematické, protoˇze je potˇreba pˇr´ıstupov´ y konektor. Bezdrátové jsou oproti tomu v´ıtanou zmˇenou. Rádiové ˇci infraˇcervené vlny jsou volnˇe okolo nás. Bezdrátové s´ıtˇe nab´ızej´ı v principu podobné sluˇzby a flexibilitu jako s´ıtˇe drátové. Z hlediska funkˇcnosti a v´ ysledku jsou kromˇe dosahovan´ ych pˇrenosov´ ych rychlost´ı ekvivalentn´ı k s´ıt´ım drátov´ ym (napˇr. ethernetu). Rádiové vys´ılán´ı je náchylné na ruˇsen´ı, a to vˇsemi zaˇr´ızen´ımi, které mohou na pˇr´ısluˇsn´ ych kmitoˇctech pracovat. T´ yká se to zejména bezlicenˇcn´ıho pásma 2.4GHz. Optické bezdrátové s´ıtˇe ˇci s´ıtˇe zaloˇzené na infraˇcerveném záˇren´ı zase nemohou m´ıt pˇrekáˇzky mezi vys´ılaˇcem a pˇrij´ımaˇcem. Dosah souvisej´ıc´ı s kvalitou pˇrenosu pak omezuje jejich velikost i poˇcet systém˚ u, které se v rámci daného prostoru mohou nacházet, aby nedocházelo ke vzájemnému ruˇsen´ı. Zajiˇstˇen´ı bezpeˇcnosti bezdrátové komunikace je pˇri rádiovém vys´ılán´ı jedn´ım z nejobt´ıˇznˇejˇs´ıch problém˚ u, podobnˇe jako roaming a smˇerován´ı mezi r˚ uzn´ ymi s´ıtˇemi. Bezdr´ atov´ e s´ıtˇ e podle IEEE IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) se specifikac´ı bezdrátov´ ych LAN zab´ yvá od roku 1990. Jedná se o následuj´ıc´ı standardy: • IEEE 802.11 - bezdrátové lokáln´ı s´ıtˇe WLAN (Wireless Local Area Network) • IEEE 802.15 - bezdrátové osobn´ı s´ıtˇe WPAN (Wireless Personal Area Network) • IEEE 802.16 - ˇsirokopásmov´ y bezdrátov´ y pˇr´ıstup (metropolitn´ı s´ıtˇe) Bezdrátové lokáln´ı s´ıtˇe WLAN a osobn´ı s´ıtˇe WPAN se ˇrad´ı k technologi´ım nenároˇcn´ ym na napájen´ı, s mal´ ym dosahem a malou prostorovou kapacitou. WLAN byly vym´ yˇsleny sp´ıˇse pro podnikové vyuˇzit´ı a osobn´ı s´ıtˇe naopak pro domácnosti. Ultra-ˇsirokopásmová technologie má stˇredn´ı dosah a vyznaˇcuje se vysokou prostorovou kapacitou. Osobn´ı s´ıtˇe maj´ı menˇs´ı dosah i pˇrenosovou kapacitu neˇz lokáln´ı. 2

2.1 Moˇ znosti bezdr´ atov´ e komunikace

3

Topologie WLAN je realizovaná pˇredevˇs´ım s návaznost´ı na s´ıt’ovou infrastrukturu, v pˇr´ıpadˇe WPAN se primárnˇe jedná o náhodné seskupen´ı komunikuj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı (zaˇr´ızen´ı se m˚ uˇze snadno pˇripojit nebo odpojit od s´ıtˇe). Souˇcasnˇe je vˇsak moˇzné vyuˇz´ıt pˇripojen´ı k pˇr´ıstupovému bodu AP (Access Point) jako ve vˇsech typech WLAN. Frekvenˇ cn´ı rozsahy Bezdrátové s´ıtˇe WLAN a WPAN pracuj´ı ve frekvenˇcn´ım pásmu 2.4 - 2.4835GHz, tedy zjednoduˇsenˇe ˇreˇceno v pásmu 2.4GHz. Toto pásmo se také ˇcasto oznaˇcuje jako ISM (Industrial, Scientific, Medical)1 . V tomto pásmu pracuje mnoho r˚ uzn´ ych bezdrátov´ ych zaˇr´ızen´ı, napˇr. bluetooth produkty, ale i mikrovlnné trouby a v zahraniˇc´ı i bezdrátové telefony. Kromˇe tohoto pásma se vyhrazuje jeˇstˇe pásmo 5GHz. To pouˇz´ıvá zat´ım pouze technologie 802.11a. Frekvenˇcn´ı rozsah se ovˇsem liˇs´ı zemˇe od zemˇe - v nˇekter´ ych státech nen´ı povolené ˇ plné frekvenˇcn´ı spektrum, protoˇze jeho ˇcásti jsou jiˇz vyuˇz´ıvány pro jiné u ´ˇcely. V CR ˇ U ´ (Cesk´ ˇ y telekomunikaˇcn´ı u CT ´ˇrad) povoluje plné frekvenˇcn´ı spektrum, jako je tomu v USA nebo ve vˇetˇsinˇe státech Evropy. Základn´ı porovnán´ı rychlost´ı obou typ˚ u s´ıt´ı je v tabulce 2.1. WPAN 2.4GHz ZigBee 250 kbps

WLAN 2.4GHz

Bluetooth 802.11b 1 Mbps 11 Mbps

802.11g 54 Mbps

Tabulka 2.1: Porovnán´ı rychlost´ı s´ıt´ı WPAN a WLAN

2.1.1

IEEE 802.11

Standard IEEE 802.11 definuj´ıc´ı bezdrátové LAN (WLAN) zaˇcal vznikat poˇca´tkem devadesát´ ych let, dokonˇcen byl v roce 1997. V roce 1999 bylo uvedeno rozˇs´ıˇren´ı tohoto standardu v podobˇe nové varianty nesouc´ı název IEEE 802.11b, které pˇrineslo nˇekteré podstatné zmˇeny, pˇredevˇs´ım v´ yrazné zv´ yˇsen´ı rychlosti z maximálnˇe 2Mbps aˇz na 11Mbps. Standard od svého vzniku poˇc´ıtal se tˇremi základn´ımi druhy pˇrenosu. Dva vyuˇz´ıvaly technologie rozprostˇreného spektra (Spread Spectrum) na klasick´ ych rádiov´ ych vlnách, tˇret´ı typ byl definován pro infraˇcerven´ y pˇrenos. Ujaly se pouze prvn´ı dvˇe technologie - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) a FHSS (Frequency Hopping Spread Spectum). DSSS (Wi-Fi, ZigBee) vyuˇz´ıvá k pˇrenosu prostˇrednictv´ım ˇsirokého spektra frekvenc´ı tzv. Barkerovo kódován´ı, nejˇcastˇeji v jeho 11bitové podobˇe a jako modulaˇcn´ı metodu diferenˇcn´ı QPSK (Quadrature Phase Shift Keyed). P˚ uvodn´ı technologie DSSS pracuje na rychlosti 1 nebo 2Mbps (tato rychlost je spoleˇcná pro vˇsechna ˇreˇsen´ı v p˚ uvodn´ım IEEE 802.11). V souˇcasné dobˇe vˇsak DSSS d´ıky zlepˇsené 1

Bezlicenˇcn´ı frekvenˇcn´ı p´ asmo urˇcené pro u ´ˇcely v´ yzkumu a medic´ıny.


4

pˇrenosové technologii nab´ız´ı pˇrenosové rychlosti aˇz 11Mbps. Pro tento pˇrenos vˇsak DSSS vyˇzaduje pásmo o ˇs´ıˇrce pln´ ych 22MHz. Protoˇze ˇs´ıˇrka celého bezlicenˇcn´ıho pásma ISM je 83.5MHz, mohou b´ yt souˇcasnˇe pouˇz´ıvány pouze tˇri nezávislé DSSS systémy. FHSS (Bluetooth) vyuˇz´ıvá modulaˇcn´ı metodu GSFK (Gaussian Frequency Shift Keyed). V souˇcasn´ ych proveden´ıch nab´ız´ı pˇrenosovou rychlost 1.6 nebo 3.2Mbps. Pro pˇrenos pouˇz´ıvá 78 skokov´ ych frekvenc´ı z nichˇz kaˇzdá má 79 skok˚ u. Teoreticky m˚ uˇze b´ yt provozováno souˇcasnˇe aˇz 79 FHSS systém˚ u, prakticky se tato hodnota pohybuje kolem 15. Poˇzadovaná ˇs´ıˇrka pásma je totiˇz kolem 6MHz. Naprosto bezproblémového pˇrenosu je dosaˇzeno pˇri poˇctu 12-ti souˇcasnˇe provozovan´ ych FHSS systém˚ u. Obˇe technologie byly p˚ uvodnˇe navrˇzeny pro bezdrátové LAN (WLAN), a to pˇredevˇs´ım v budovách a jin´ ych uzavˇren´ ych prostorách. Podle Generáln´ı licence GL 12/R/2000 nesm´ı v´ ykon pˇrevyˇsovat 100mW. Hlavn´ı v´ yhodou DSSS je pˇredevˇs´ım vyˇsˇs´ı pˇrenosová rychlost, té je vˇsak dosahováno na u ´kor kvality pˇrenosu. DSSS je nav´ıc podstatnˇe ménˇe efektivn´ı a náchylné k ruˇsen´ı a jin´ ym negativn´ım vliv˚ um. FHSS sice nab´ız´ı niˇzˇs´ı pˇrenosovou rychlost, pˇrenosové pásmo je vˇsak efektivnˇeji vyuˇzito a technologie jako taková je podstatnˇe robustnˇejˇs´ı a následnˇe odolnˇejˇs´ı. D´ıky zmˇenám frekvence se dokáˇze “vyhnout” nepˇr´ızniv´ ym vliv˚ um, byt’ se sn´ıˇz´ı pˇrenosová rychlost. Typy standard˚ u 802.11: • 802.11a - WLAN v pásmu 5GHz a s rychlost´ı aˇz 54Mbps • 802.11b - WLAN v pásmu 2.4GHz a s rychlost´ı aˇz 11Mbps • 802.11c - definice procedur pro s´ıt’ové mosty (bridge), standard pro pˇr´ıstupové body • 802.11d - mezinárodn´ı harmonizace. Se vznikem standardu 802.11 se ukázalo, ˇze je potˇreba mezinárodn´ı kooperace a harmonizace. Zejména pásmo 5GHz se pouˇz´ıvá v mnoha státech r˚ uznˇe a bylo tˇreba tomu standardizaci pˇrizp˚ usobit tak, aby nevycházela vstˇr´ıc pouze potˇrebám USA a Japonska. • 802.11e - rozˇs´ıˇren´ı MAC2 pro QoS. Zkratka QoS oznaˇcuje sluˇzbu Quality of Service zajiˇst’uj´ıc´ı vyrovnanou kvalitu sluˇzby d˚ uleˇzitou napˇr´ıklad pro multimédia. • 802.11f - Inter Access Point Protocol (IAPP) - stávaj´ıc´ı specifikace 802.11 nezahrnuj´ı standardizaci komunikace mezi jednotliv´ ymi pˇr´ıstupov´ ymi body pro zajiˇstˇen´ı bezproblémového roamingu. • 802.11g - zv´ yˇsen´ı rychlosti v pásmu 2.4GHz na 20Mbps se zpˇetnou kompatibilitou s 802.11b. 2

protokol pˇr´ıstupu k médiu (Media Access Protocol)


5

• 802.11h - zmˇeny v ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu k spektru 5GHz, které by mˇely reflektovat pˇripom´ınky regulátor˚ u evropsk´ ych zem´ı tak, aby bylo moˇzno s´ıtˇe v pásmu 5GHz vyuˇz´ıvat i mimo budovy. • 802.11i - zlepˇsen´ı bezpeˇcnosti v 802.11 bezdrátov´ ych s´ıt´ıch vylepˇsen´ım autentifikaˇcn´ıho a ˇsifrovac´ıho algoritmu.

Zkratka Wi-Fi (Wireless Fidelity) se ˇcasto zamˇen ˇuje s v´ yrazem IEEE 802.11a/b/g. Samotn´ y název Wi-Fi vytvoˇrila WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Jde o oznaˇcen´ı a logo udˇelované v´ yrobk˚ um pracuj´ıc´ım podle standardu 802.11a/b/g, které jsou mezi sebou vzájemnˇe propojitelné. Vˇetˇsina s´ıt´ı zaloˇzen´ ych na Wi-Fi funguje na buˇ nkovém principu, kdy centráln´ı pˇr´ıstupov´ y bod zprostˇredkovává pˇripojen´ı vˇsem stanic´ım v dosahu - analogicky s GSM s´ıt´ı. Z d˚ uvodu zabezpeˇcen´ı proti zneuˇzit´ı disponuj´ı souˇcasná zaˇr´ızen´ı podporou 128 bitového ˇsifrován´ı protokolem WEP (Wireless Encryption Protocol), ale obecné principy zabezpeˇcen´ı Wi-Fi nejsou dostateˇcné pro vˇsechny aplikace. Nahradit WEP by mˇel WPA (Wi-Fi Protected Access). WPA bude obsahovat nˇekolik nov´ ych technologi´ı, které se ve WEPu nenacházej´ı, napˇr´ıklad zlepˇsen´ y management kl´ıˇc˚ u a TKIP (Temporal Key Integrity Protocol). V´ıce v [14].

2.1.2

IEEE 802.15

Bezdrátové s´ıtˇe s mal´ ym dosahem do nˇekolika metr˚ u se nejˇcastˇeji realizuj´ı rádiovou bezdrátovou s´ıt´ı WPAN (Wireless Personal Area Network), zaloˇzenou na specifikaci Bluetooth. Vedle této specifikace existuj´ı i nové typy mal´ ych bezdrátov´ ych s´ıt´ı a vˇsechny vznikaj´ı pod hlaviˇckou IEEE 802.15: • 802.15.1 WPAN/Bluetooth (2002) - norma pro WPAN na základˇe specifikace Bluetooth 1.1, pracuj´ıc´ı v pásmu 2.4GHz rychlost´ı 1Mbps • 802.15.2 Coexistence - zab´ yvá se koexistenc´ı vˇsech bezdrátov´ ych technologi´ı vytvoˇren´ ych v rámci IEEE 802, nejen samotn´ ych WPAN, ale i WLAN a WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) • 802.15.3 WPAN High Rate (2003) - norma pro rychlou bezdrátovou osobn´ı s´ıt’ (11-55Mbps), pˇrezd´ıvaná WiMedia, pracuj´ıc´ı v pásmu 2.4GHz, se zabudovanou podporou pro kvalitu sluˇzby (QoS) pro nároˇcné domác´ı multimediáln´ı aplikace, c´ılem je jeˇstˇe rychlejˇs´ı verze s´ıtˇe (802.15.3a) s kapacitou od 110Mbps, která bude zaloˇzena na technologii UWB (UltraWideBand) • 802.15.4 WPAN Low Rate (2003) - norma pro pomalejˇs´ı osobn´ı rádiové s´ıtˇe do 250kbps s minimáln´ımi energetick´ ymi potˇrebami; jako sv˚ uj základ pouˇz´ıvá 802.15.4 také pr˚ umyslová specifikace pod oznaˇcen´ım ZigBee Mezi nejznámnˇejˇs´ı zástupce WPAN patˇr´ı Bluetooth (IEEE 802.15.1) a ZigBee (IEEE 802.15.4).


6

Bluetooth Prvn´ı bezdrátovou osobn´ı s´ıt´ı byl rádiov´ y systém Bluetooth. Mezi nejv´ yznamnˇejˇs´ı prosazovatele Bluetooth patˇr´ı vedle zakladatel˚ u SIG (Bluetooth Special Interested Group) spoleˇcnosti 3Com, Agere, Microsoft a Motorola. Specifikace Bluetooth (prvn´ı verze byla k dispozici v roce 1999) je charakteristická n´ızk´ ymi nároky na napájen´ı a spoluprac´ı s mal´ ymi koncov´ ymi zaˇr´ızen´ımi. Rychlost na fyzické vrstvˇe dosahuje 1Mbps, pˇriˇcemˇz skuteˇcná propustnost dat se pohybuje maximálnˇe kolem 720kbps. Komunikace po Bluetooth nab´ız´ı aˇz tˇri hlasové kanály. Bluetooth pracuje podobnˇe jako WLAN 802.11b v bezlicenˇcn´ım pásmu 2.4GHz. Na rozd´ıl od 802.11b ale Bluetooth vyuˇz´ıvá metody rozprostˇreného spektra s pˇreskakován´ım kmitoˇct˚ u FHSS, kdy rádiov´ y signál velmi rychle (1600krát za sekundu) náhodnˇe pˇreskakuje mezi 79 jedno-MHz kanály. Veˇskerou komunikaci v s´ıti Bluetooth ˇr´ıd´ı hlavn´ı stanice (master) prostˇrednictv´ım protokolu v´ yzvy: podˇr´ızená stanice (slave) m˚ uˇze komunikovat s ostatn´ımi v´ yhradnˇe prostˇrednictv´ım hlavn´ı stanice. Bluetooth pro zabezpeˇcen´ı pouˇz´ıvá stejn´ y protokol jako WLAN, protokol WEP (Wired Equivalent Privacy) s 128bitov´ ym kl´ıˇcem. Menˇs´ı dosah s´ıtˇe ve srovnán´ı se s´ıtˇemi 802.11 je s ohledem na bezpeˇcnost velkou v´ yhodou. UWB a ZigBee Mezi nejvˇetˇs´ı konkurenty Bluetooth m˚ uˇzeme poˇc´ıtat pˇredevˇs´ım standardy IEEE 802.15.3 (UWB) a 802.15.4 (ZigBee). Oba pˇritom nab´ız´ı ponˇekud jiné vlastnosti, neˇz jaké má Bluetooth. Jeden z hlavn´ıch rozd´ıl˚ u je v pˇrenosové rychlosti. UWB nab´ız´ı 100Mbps, coˇz je pˇribliˇznˇe stonásobek pˇrenosové rychlosti Bluetooth. ZigBee je ze vˇsech tˇechto tˇr´ı bezdrátov´ ych standard˚ u nejpomalejˇs´ı: 20 - 250kbps. D´ıky své jednoduchosti je ale také ze vˇsech zde uveden´ ych standard˚ u nejlevnˇejˇs´ım produktem. ZigBee Standard ZigBee, s pˇresn´ ym oznaˇcen´ım IEEE 802.15.4, je urˇcen pro tzv. LRWPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network), tedy bezdrátové s´ıtˇe s krátk´ ym dosahem v ˇrádu des´ıtek metr˚ u a s pomˇernˇe mal´ ymi pˇrenosov´ ymi rychlostmi (tab. 2.1) a je tedy pˇr´ım´ ym konkurentem standardu Bluetooth. Vyuˇz´ıvá metody rozprostˇreného spektra DSSS stejnˇe jako IEEE 802.11. Byl vyvinut a sestaven instituc´ı IEEE a dále je rozv´ıjen a podporován ZigBee Aliance (ZBA). ZBA sdruˇzuje pˇredn´ı v´ yrobce elektronick´ ych souˇcástek a snaˇz´ı se dosáhnout návrhu co nejjednoduˇsˇs´ı jednotky s n´ızkou spotˇrebou. ZBA byla zaloˇzena v záˇr´ı roku 2002 a jde o asociaci spoleˇcnost´ı pracuj´ıc´ıch spoleˇcnˇe na vytvoˇren´ı standardu pro levn´ y obousmˇern´ y bezdrátov´ y pˇrenos vyˇzaduj´ıc´ı minimum spotˇreby elektrické energie. Mezi nejznámˇejˇs´ı ˇcleny ZBA patˇr´ı spoleˇcnosti Philips, Motorola a Honeywell. Podrobnˇejˇs´ı a u ´pln´ y seznam vˇsech ˇclen˚ u aliance je uveden na internetov´ ych stránkách www.zigbee.org.


7

Podle standardu ZigBee se zaˇr´ızen´ı dˇel´ı na zaˇr´ızen´ı se vˇsemi funkcemi FFD (FullFunctional Device) a zaˇr´ızen´ı s redukovan´ ymi funkcemi RFD (Reduced-Functionality ’ Device). Kaˇzdá s´ıt pracuj´ıc´ı se standardem ZigBee mus´ı obsahovat alespoˇ n jedno ˇ zaˇr´ızen´ı RFD nebo FFD a ˇr´ıdic´ı jednotku. R´ıd´ıc´ı jednotka ˇr´ıd´ı a koordinuje celou nebo urˇcitou ˇcást s´ıtˇe. Tyto funkce m˚ uˇze plnit jen zaˇr´ızen´ı tˇr´ıdy FFD. Pouˇz´ıvané topologie s´ıt´ı pracuj´ıc´ı se standardem ZigBee mohou b´ yt typu hvˇezda, strom nebo kombinace obou pˇredchoz´ıch. V s´ıti m˚ uˇze b´ yt zapojeno najednou aˇz 254 zaˇr´ızen´ı k jedné ˇr´ıd´ıc´ı jednotce. Pro srovnán´ı: u technologie Bluetooth m˚ uˇze v s´ıti (Piconetu) pracovat najednou pouze osm zaˇr´ızen´ı. Zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı podle standardu ZigBee mohou pracovat nejen v pásmu 2.4GHz (tab. 2.2), ale i v pásmu 915MHz (USA) nebo 868MHz (Evropa). Pro pˇrenos informac´ı v kmitoˇctovém pásmu 2.4 aˇz 2.4835GHz je pro zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı podle standardu ZigBee k dispozici 16 pˇrenosov´ ych subkanál˚ u s odstupem 5MHz o celkové pˇrenosové kapacitˇe 250kbps. V pásmu 868.3MHz je k dispozici jeden pˇrenosov´ y subkanál s celkovou pˇrenosovou kapacitou 20kbps a v pásmu 902 aˇz 928MHz je k dispozici pˇrenosov´ ych subkanál˚ u deset s odstupem 2MHz a celkovou pˇrenosovou kapacitou 40kbps. ZigBee IEEE 802.15.4 20kbps 868MHz

40kbps 915MHz (USA)

250kbps

Bluetooth IEEE 802.15.1 1Mbps 2.4MHz

Tabulka 2.2: Porovnán´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı ZigBee a Bluetooth

Technologie ZigBee se nedá vyuˇz´ıt pro nároˇcné datové pˇrenosy, ale je vhodná pro osobn´ı bezdrátové s´ıtˇe WPAN (Wireless Personal Area Network) na vˇetˇs´ı vzdálenosti neˇz technologie Bluetooth. ZigBee nen´ı technicky nároˇcná technologie, má jednoduchou architekturu a vyˇzaduje minimáln´ı pˇr´ıkon elektrické energie - hod´ı se pˇredevˇs´ım pro automatizaci a regulaci v budovách a pr˚ umyslov´ ych provozech (klimatizace, osvˇetlen´ı, r˚ uzné senzory a sn´ımaˇce, zabezpeˇcovac´ı technika a podobnˇe). V´ıce o ZigBee v [13].

2.1.3

Srovn´ an´ı

Bluetooth vs ZigBee ZigBee je robustn´ı protokol urˇcen´ y k stavovému pˇrenosu informac´ı nebo k bezpeˇcnému pˇrenosu dat niˇzˇs´ı rychlost´ı. ZigBee pˇrenáˇs´ı stavy - pˇrenáˇs´ı informace o tom, ˇze se zapnulo topen´ı, nebo ˇze kamera detekuje pohyb. Bluetooth oproti tomu je náhrada datov´ ych kabel˚ u a slouˇz´ı k propojen´ı “vyˇsˇs´ı elektroniky” - tedy k pˇrenáˇsen´ı nároˇcnˇejˇs´ıch datov´ ych objem˚ u. ZigBee se v mnohém podobá Bluetooth, standard je vˇsak optimalizován s ohledem na cenu a hlavnˇe na n´ızkou spotˇrebu - pomoc´ı ZigBee by mˇela komunikovat zaˇr´ızen´ı napájená nˇekolik let jednou bateri´ı. ZigBee proto umoˇzn ˇuje reˇzim hibernace, kdy modul naslouchá, ale spotˇreba klesá na pouh´ y jeden ˇci dva mikroampéry.


8

Bluetooth potˇrebuje 100 µA, Wi-Fi des´ıtky miliampér˚ u. Vlastnosti

Wi-Fi

Bluetooth

ZigBee

Doba provozu Poˇcet zaˇr´ızen´ı SLAVE v s´ıti Dosah Pˇrenosová rychlost

hodiny 32 100m 11Mbps

dny 7 10m 1Mbps

roky 255 70-300m 250kbps

Tabulka 2.3: Obecné porovnán´ı Wi-Fi, ZigBee a Bluetooth

Dalˇs´ım podstatn´ ym rozd´ılem je lepˇs´ı podpora ˇcasovˇe kritick´ ych aplikac´ı - v´ yraznˇe niˇzˇs´ı zpoˇzdˇen´ı pˇri pˇrenosu krátk´ ych datov´ ych paket˚ u, rychlejˇs´ı “probuzen´ı” a navázán´ı spojen´ı (tab. 2.4). Akce Pˇridán´ı nového Slave Aktivace Slave z reˇzimu Sleep

ZigBee Bluetooth 30 ms 15 ms

3s 3s

Tabulka 2.4: Porovnán´ı ZigBee a Bluetooth

Jak je vidˇet z tabulky 2.2, ZigBee je koncipováno pro niˇzˇs´ı pˇrenosové rychlosti, takˇze se nehod´ı pro aplikace vyˇzaduj´ıc´ı rychl´ y pˇrenos vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı dat. Bluetooth vs Wi-Fi Bluetooth a Wi-Fi pouˇz´ıvaj´ı stejné frekvenˇcn´ı pásmo 2.4GHz. Koexistence technologi´ı v tˇesné bl´ızkosti je velice sloˇzitá, zaˇr´ızen´ı se totiˇz navzájem silnˇe ruˇs´ı. Bluetooth byl od samého zaˇcátku vyv´ıjen pro komunikaci mezi kapesn´ımi zaˇr´ızen´ımi na vzdálenost jednotek metr˚ u. Této skuteˇcnosti bylo pˇrizp˚ usobeno vˇse. Vys´ılac´ı v´ ykony se pohybuj´ı v ˇrádu mW (0,001W). Technologie Wi-Fi byla primárnˇe navrˇzena jako alternativa lokáln´ıch poˇc´ıtaˇcov´ ych s´ıt´ı do m´ıst, kde je sloˇzité, popˇr´ıpadˇe neˇzádouc´ı pokládán´ı kabelov´ ych rozvod˚ u. Do vzdálenosti 300 metr˚ u na volném prostranstv´ı nab´ız´ı Wi-Fi maximáln´ı pˇrenosovou rychlost 11Mbps, pˇriˇcemˇz s pouˇzit´ım speciáln´ıch antén m˚ uˇze b´ yt dosah prodlouˇzen pˇribliˇznˇe aˇz na dva kilometry. Bluetooth má niˇzˇs´ı poˇzadavky na napájen´ı neˇz Wi-Fi. Zaˇr´ızen´ı, která na principu Bluetooth pracuj´ı, mohou proto b´ yt menˇs´ı, coˇz je pro pouˇzit´ı ve spotˇrebn´ı elektronice velmi v´ yhodné. Bluetooth je vhodná volba pro jednoduchá zaˇr´ızen´ı, u nichˇz rychlost nen´ı rozhoduj´ıc´ım faktorem; je nejvhodnˇejˇs´ı pro PDA, mobily, digitáln´ı fotoaparáty a eventuálnˇe pro propojen´ı domác´ıch spotˇrebiˇc˚ u, které od sebe nejsou pˇr´ıliˇs vzdáleny. Bluetooth naopak nen´ı dobrou náhradou kabelov´ ych veden´ı mezi poˇc´ıtaˇci, popˇr´ıpadˇe mezi zaˇr´ızen´ımi pracuj´ıc´ımi s vysok´ ymi objemy dat, jako jsou napˇr´ıklad digitáln´ı videokamery. Tam je jednoznaˇcnˇe nevhodnˇejˇs´ı Wi-Fi.


9

Bluetooth byl vyv´ıjen s poˇzadavky na jednoduchost, miniaturizaci a n´ızkou spotˇrebu, maximáln´ı pˇrenosová kapacita byla ménˇe d˚ uleˇzitá neˇz u bezdrátové poˇc´ıtaˇ sen´ı ˇcové s´ıtˇe. Proto Bluetooth vyuˇz´ıvá modulaci FHSS a ˇspatnˇe se snáˇs´ı s Wi-Fi. Reˇ pro souˇzit´ı obou technologi´ı vyv´ıj´ı nˇekteˇr´ı dodavatelé ˇcip˚ u pro komunikaci v pásmu 2.4GHz, jako jsou Texas Instruments, Intersil a Silicon Wave, o koexistenci Bluetooth s Wi-Fi se snaˇz´ı i novˇe ustavená komise IEEE 802.15.2 Task Force. V nejjednoduˇsˇs´ım pˇr´ıpadˇe by mohl uˇzivatel ruˇcnˇe pˇrep´ınat mezi Wi-Fi a Bluetooth, uvaˇzuje se i o rychlém pˇrep´ınán´ı mezi Wi-Fi a Bluetooth nebo o modifikaci omezuj´ıc´ı pˇreskakován´ı nosné frekvence Bluetooth pouze na ˇcásti kmitoˇctového spektra nevyuˇzité Wi-Fi. Dalˇ s´ı moˇ znosti K bezdrátovému pˇrenosu informace lze pouˇz´ıt i dalˇs´ı technologie jako napˇr. IrDA nebo magnetickou indukci. IrDA je standard vytvoˇren´ y IrDA konsorciem (Infrared Data Association), kter´ y definuje jak bezdrátovˇe pˇrenáˇset digitáln´ı data pomoc´ı infraˇcerveného záˇren´ı. IrDA ve sv´ ych specifikac´ıch definuje standardy jak fyzick´ ych koncovych zaˇr´ızen´ı, tak protokol˚ u jimiˇz komunikuji IrDA zaˇr´ızen´ı. IrDA standard vznikl z potˇreby mobilnˇe propojit r˚ uzná zaˇr´ızen´ı mezi sebou. IrDA zaˇr´ızen´ı komunikuj´ı pomoc´ı infraˇcerven´ ych LED diod s vlnov´ ymi délkami vyzaˇrovaného svˇetla 875nm ± 30nm. Na tuto vlnovou délku jsou citlivé i mnohé CCD kamery. Pˇrij´ımaˇcem jsou PIN fotodiody. IrDA zaˇr´ızen´ı dle normy IrDA 1.0 a 1.1 pracuj´ı do vzdálenosti 1.0 m pˇri bitové chybovosti BER3 10-9 a maximáln´ı u ´rovn´ı okoln´ıho osvˇetlen´ı 10klux (denn´ı svit slunce). Tyto hodnoty jsou definovány pro nesouosost vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce 15 stupˇ n˚ u, pro jednotlivé optické prvky se mˇeˇr´ı v´ ykon do 30 stupˇ n˚ u. Existuj´ı smˇerové vys´ılaˇce (IR LED) pro vˇetˇs´ı vzdálenosti, které nedodrˇzuj´ı pˇredepsan´ y u ´hel 30 stupˇ n˚ u od osy a pro kter´ y má vys´ılaˇc u ´tlum 3dB. Rychlosti jsou pro IrDA v. 1.0 od 2400 do 115200kbps, pouˇz´ıvá se pulsn´ı modulace 3/16 délky p˚ uvodn´ı doby trvan´ı bitu. Formát dat je stejn´ y jako na sériovem portu, tedy asynchronnˇe vys´ılané slovo uvozené startbitem. IrDA v. 1.1 definuje nav´ıc rychlosti 0.576 a 1.152Mbps s pulsn´ım kódovan´ım 1/4 délky doby trvan´ı p˚ uvodn´ıho bitu (stˇr´ıda 1/4). Pˇri tˇechto rychlostech je jiˇz paket vys´ılán synchronnˇe uvozen startovn´ı sekvenc´ı. Integrované IrDA (kombinovaná vys´ılac´ı infra LED dioda a pˇrij´ımac´ı PIN fotodioda) maj´ı jiˇz zabudované filtry, které zabraˇ nuj´ı ruˇsen´ı mimo frekvenˇcn´ı oblast IrDA 2400-115200bps a 0.576-4Mbps. Magnetick´ a indukce m˚ uˇze slouˇzit pro dvoubodovou i v´ıcebodovou komunikaci mezi zaˇr´ızen´ımi na velmi krátkou vzdálenost, ˇc´ımˇz dokáˇze nahradit aplikace Bluetooth nebo m˚ uˇze slouˇzit pro domác´ı s´ıtˇe ˇci jiné s´ıtˇe s velmi mal´ ym dosahem. Pˇrenos dat je realizován po elektromagnetick´ ych vlnách pole vytvoˇreného magnetickou indukc´ı. Elektrick´ y proud procházej´ıc´ı magneticko-indukˇcn´ım systémem 3

bit error ratio, pomˇer chybnˇe pˇrenesen´ ych bit˚ u ku správnˇe pˇrenesen´ ym


10

vytváˇr´ı magnetické pole a ASIC (Application Specific Integrated Circuit) pak moduluje signál tak, aby v sobˇe zakódoval pˇrenáˇsená data. Jedniˇcky a nuly binárn´ıch dat reprezentuj´ı 90-ti stupˇ nové posuny fáze signálu v jednom ze dvou smˇer˚ u. Anténa pak zesiluje a vys´ılá signál. Signál ovˇsem podléhá rychlému u ´tlumu, takˇze dosah komunikace je pouhé dva aˇz tˇri metry. Mal´ y dosah ale znamená také menˇs´ı náchylnost na odposlech, pˇriˇcemˇz bezpeˇcnost lze jeˇstˇe zv´ yˇsit ˇsifrován´ım a autentizac´ı. Dosah s´ıtˇe je ovˇsem kompenzován minimáln´ı spotˇrebou. Spotˇreba energie u magneticko-indukˇcn´ıho systému je pˇetkrát aˇz desetkrát niˇzˇs´ı neˇz u Bluetooth. Magneticko-indukˇcn´ı systémy se nepot´ ykaj´ı s ruˇsen´ım, protoˇze v jejich pásmu nep˚ usob´ı mnoho dalˇs´ıch systém˚ u. Pracuj´ı totiˇz v pásmu 13.5MHz urˇceném pro u ´ˇcely ISM, kde ˇzádná jiná komunikaˇcn´ı s´ıt’ zat´ım neoperuje. To je samozˇrejmˇe velká v´ yzva systém˚ um Wi-Fi nebo Bluetooth, které pracuj´ı vedle bezˇsn ˇ˚ urov´ ych telefon˚ u a mikrovlnek v pˇret´ıˇzeném volném pásmu 2.4GHz. Magnetická indukce nemá problém s pˇrekáˇzkami (narozd´ıl od napˇr. infraˇcervené komunikace, která pevn´ ymi pˇrekáˇzkami neproniká, nebo rádiové komunikace, pot´ ykaj´ıc´ı se s odrazy od pˇrekáˇzek). Magnetické pole je principiálnˇe jednosmˇerné, takˇze je potˇreba pouˇz´ıt elektronické prvky a zpracován´ı signálu pro nasmˇerován´ı pole potˇrebn´ ym smˇerem. Nejvˇetˇs´ım konkurentem magneticko-indukˇcn´ı komunikace je UWB. UWB je totiˇz podobnˇe jako magnetická indukce velice bezpeˇcné, nenáchylné k ruˇsen´ı a pracuje také na velmi krátkou vzdálenost nˇekolika metr˚ u. Pˇrednost´ı UWB je rychlost, která je o mnoho ˇrád˚ u vyˇsˇs´ı (100-450Mbps) neˇz u magneticko-indukˇcn´ıch s´ıt´ı (nˇekolik set kbps).

2.1.4

Shrnut´ı

C´ılem této práce bylo bezdrátové ˇr´ızen´ı modelu automobilu za pouˇzit´ı co nejv´ yhodnˇejˇs´ı technologie. Omezen´ı: • dosah alespoˇ n 25m • malá spotˇreba (v´ ykon) • jednoduchost technologie (myˇsleno pro pouˇzit´ı v modelu auta) • dostupnost technologie Model automobilu je urˇcen pro v´ yuku v laboratoˇri na Karlovˇe námˇest´ı. T´ım je omezen maximáln´ı poˇzadovan´ y dosah na zhruba 25m. Vzhledem ke ˇclenitosti “terénu” (stoly, roboti a dalˇs´ı zaˇr´ızen´ı) je nepouˇzitelná technologie IrDA i technologie zaloˇzená na magnetické indukci. Poˇzadavky splˇ nuj´ı ZigBee, Wi-Fi a Bluetooth.

2.2 Bluetooth

11

Nejmenˇs´ı spotˇrebu a nejjednoduˇsˇs´ı je ZigBee, následuje Bluetooth a kritéria nesplˇ nuje Wi-Fi. Objem pˇrenáˇsen´ ych dat nen´ı potˇreba velk´ y, pˇrenáˇset se budou pouze pˇr´ıkazy a stavy ˇcidel, popˇr´ıpadˇe bateri´ı v modelu auta. Nejlepˇs´ım ˇreˇsen´ım by tedy byla technologie ZigBee, která má vˇetˇs´ı dosah neˇz Bluetooth, je jednoduˇsˇs´ı a má i menˇs´ı spotˇrebu. Zásadn´ı rozd´ıl byl vˇsak v dostupnosti na trhu. Zat´ımco technologie Bluetooth byla jiˇz rozˇs´ıˇren´ y standard, ZigBee byla teprve v poˇcátc´ıch. Specifikace ZigBee byla standardizována v prosinci roku 2004. Z tohoto d˚ uvodu byla pro tuto práci pouˇzita právˇe technologie Bluetooth.

2.2

Bluetooth

Bluetooth definuje globáln´ı standard (protokol) urˇcen´ y dvˇema a v´ıce zaˇr´ızen´ım na krátké vzdálenosti prostˇrednictv´ım rádiového spojen´ı. Pouˇz´ıvá se mezi mobiln´ımi telefony, poˇc´ıtaˇci, PDA zaˇr´ızen´ımi, atd. Prvn´ı základn´ı kámen Bluetooth byl poloˇzen v kvˇetnu roku 1998, kdy vzniklo sdruˇzen´ı The Bluetooth special interest group (SIG). U jeho zrodu stály renomované spoleˇcnosti Ericsson, IBM, Intel, Nokia a Toshiba. Pˇribliˇznˇe za rok SIG pˇripravila standard Bluetooth 1.0. V roce 2000 se do v´ yvoje tohoto bezdrátového standardu zapojilo Japonsko a Jiˇzn´ı Korea. Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym mezn´ıkem ve v´ yvoji Bluetooth se stal bˇrezen roku 2001, kdy byla pˇredstavena vylepˇsená verze Bluetooth 1.1. V Bluetooth SIG jsou v této dobˇe zastoupené vˇsechny v´ yznamné spoleˇcnosti z oblasti informaˇcn´ıch technologi´ı a komunikac´ı jako jsou 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia a dalˇs´ıch témˇeˇr 2000 spoleˇcnost´ı. Specifikace Bluetooth zahrnuje vˇsechny ˇcásti, které se z´ uˇcastˇ nuj´ı komunikace od specifikace rádiov´ ych signál˚ u aˇz po protokoly vyˇsˇs´ıch vrstev. Informace uvedené v následuj´ıc´ıch kapitolách jsou d˚ uleˇzité pro pochopen´ı technologie Bluetooth. V´ıce v [10].

2.2.1

R´ adio specifikace

Bluetooth (pˇrij´ımaˇc a vys´ılaˇc) operuje v bezlicenˇcn´ım frekvenˇcn´ım pásmu ISM ˇıˇrka frekvenˇcn´ıho pásma pro (Industrial Scientific Medicine) na frekvenci 2.4GHz. S´ ˇıˇrka rádiového Bluetooth zaˇr´ızen´ı je ve vˇetˇsinˇe stát˚ u Evropy4 2400 - 2483.5MHz. S´ signálu je 1MHz, takˇze je k dispozici 79 rádiov´ ych kanál˚ u. Pro nosné frekvence plat´ı vztah: f = 2402 + k [MHz], kde k = 0, ..., 78 Aby byly dodrˇzeny normy mimo pásmo, jsou definována tzv. doln´ı a horn´ı ochranná pásma. Doln´ı ochranné pásmo má ˇs´ıˇrku 2MHz, horn´ı ochranné pásmo 3.5MHz. ˇ Napˇr´ıklad Spanˇ elsko a Francie má toto pásmo v rozmez´ı 2446.5 - 2483.5MHz se ˇs´ıˇrkou kanálu opˇet 1MHz. 4

2.2 Bluetooth

12

V´ ykonov´ e tˇ r´ıdy Zaˇr´ızen´ı dodrˇzuj´ıc´ı specifikaci Bluetooth jsou z hlediska vyzáˇreného v´ ykonu rozdˇelena do tˇr´ı kategori´ı (tab. 2.5). Tˇr´ıda maximáln´ı 1 2 3

100mW (20dBm) 2.5mW (4dBm) 1mW (0dBm)

V´ ystupn´ı v´ ykon nomináln´ı

Dosah minimáln´ı

nespecifikováno 1mW (0dBm) 1mW (0dBm) 0.25mW (-6dBm) nespecifikováno nespecifikováno

100m 10m 0.01m

Tabulka 2.5: V´ ykonové tˇr´ıdy Bluetooth ˇ e republice je maximáln´ı povolen´ V Cesk´ y v´ ykon vyzáˇren´ y zaˇr´ızen´ım pracuj´ıc´ım v tomto pásmu 100mW, minimáln´ı je nepovinn´ y. U zaˇr´ızen´ı tˇr´ıdy 1 je poˇzadováno ˇr´ızen´ı v´ ystupn´ıho v´ ykonu, které se pouˇz´ıvá pro omezen´ı vys´ılac´ıho v´ ykonu nad u ´rovn´ı 0dBm (1dBm). Pokud toto zaˇr´ızen´ı nepodporuje, sm´ı vys´ılac´ı strana odpov´ıdat pouze tˇr´ıdˇe 2 nebo 3. Zaˇr´ızen´ı s implementovan´ ym ˇr´ızen´ım v´ ykonu (spotˇreby) optimalizuje v´ ystupn´ı v´ ykon pomoc´ı pˇr´ıkaz˚ u LMP (Link Manager Protocol). Ruˇ siv´ e vyzaˇ rov´ an´ı Ruˇsivé vyzaˇrován´ı uvnitˇr i vnˇe pracovn´ıho frekvenˇcn´ıho pásma se mˇeˇr´ı se skákán´ım nosné frekvence (frequency hopping) vys´ılaˇce na jediné frekvenci. Znamená to, ˇze kmitoˇctov´ y syntezátor mus´ı provádˇet pˇreskoky mezi vyslán´ım a pˇrijet´ım ˇcasového (time) slotu, ale v okamˇziku vys´ılán´ı nebo pˇr´ıjmu se mus´ı vˇzdy vrátit na p˚ uvodn´ı frekvenci.

2.2.2

Baseband specifikace

Baseband specifikuje fyzickou vrstvu technologie Bluetooth. Zabezpeˇcuje ˇcinnost fyzick´ ych linek (spojen´ı), korekci chyb, v´ ybˇer skokové frekvence a poskytuje i základn´ı funkce kódován´ı. Baseband protokol je implementovan´ y jako ˇr´ızen´ı linky (Link Controller - LC), kter´ y zabezpeˇcuje funkce jako vytváˇren´ı spojen´ı nebo ˇr´ızen´ı spotˇreby. Kromˇe toho ˇr´ıd´ı také asynchronn´ı a synchronn´ı spojen´ı, pˇrij´ımá pakety, analyzuje (zkoumá a vyhodnocuje) pˇrij´ımané pakety a také vyhledává jiná dostupná zaˇr´ızen´ı Bluetooth. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, Bluetooth operuje v bezlicenˇcn´ım pásmu 2.4GHz. Vzhledem k tomu, ˇze toto pásmo vyuˇz´ıvá i nˇekolik dalˇs´ıch bezdrátov´ ych systému (IEEE 802.11), je nutné zajistit, aby se systémy uvnitˇr kmitoˇctového pásma vzájemnˇe neruˇsily. Technologie Bluetooth vyuˇz´ıvá n´ızké vys´ılac´ı v´ ykony v kombinaci s metodou frekvenˇcn´ıho skákán´ı nosné (Frequency Hopping) v rozprostˇreném spektru (FHSS). Nomináln´ı poˇcet frekvenˇcn´ıch pˇreskok˚ u je 1600s−1 , doba obsazenosti rádiového kanálu je tedy velmi krátká - 625µs. Frekvenˇcn´ım skákán´ım nosné se zabraˇ nuje interferenc´ım (skládán´ı) a kol´ısán´ı rádiového signálu.

2.2 Bluetooth

2.2.2.1

13

Komunikaˇ cn´ı jednotka Bluetooth

Komunikaˇcn´ı jednotka Bluetooth obsahuje (obr. 2.1): • rádiovou jednotku (Radio Unit - kapitola 2.2.1) • jednotku ˇr´ızen´ı spojen´ı (linkov´ y ovladaˇc - Link Control Unit, dále jen LC), která ovládá rádiov´ y vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc • správce linky a I/O5 obvod˚ u spoje (Link Manager - dále LM a I/O), kter´ y zajiˇst’uje komunikace mezi I/O obvody spoje a poskytuje uˇzivateli terminálové rozhrann´ı

Obrázek 2.1: Funkˇcn´ı bloky v systému Bluetooth

Bluetooth systém poskytuje 2 druhy spojen´ı (propojen´ı) : • point-to-point (jeden k druhému) • point-to-multipoint (jeden k v´ıce - Piconet, Scatternet)

Obrázek 2.2: Point-to-point (a), Piconet (b), Scatternet (c)

Spojen´ı point-to-point (obr. 2.2a) je spojen´ı dvou Bluetooth jednotek, z nichˇz jedna pln´ı v rámci spojen´ı roli Mastera (hlavn´ı - vytváˇr´ı spojen´ı) a druhá roli Slave. Spojen´ı point-to-multipoint je spojen´ı jednoho Mastera s v´ıce zaˇr´ızen´ımi typu Slave. 5

Input/Output - vstup/v´ ystup

2.2 Bluetooth

14

Dvˇe a v´ıce Bluetooth jednotek, které sd´ıl´ı stejn´ y komunikaˇcn´ı kanál, tvoˇr´ı s´ıt’, tzv. Piconet (obrázek 2.2b). Aˇz sedm Slave m˚ uˇze b´ yt aktivn´ıch v Piconetu. Dalˇs´ı Slave mohou b´ yt v rámci tohoto Piconetu pouze v reˇzimu Parked (nejsou aktivn´ı, ale stále synchronizovány s Masterem). Dva a v´ıce navzájem provázan´ ych Piconet˚ u tvoˇr´ı Scatternet (obr. 2.2c). Kaˇzd´ y Piconet m˚ uˇze m´ıt pouze jednoho Mastera, ale jedno ze zaˇr´ızen´ı Slave m˚ uˇze plnit roli Mastera v rámci jiného, pˇridruˇzeného Piconetu. 2.2.2.2

Pˇ renosov´ y kan´ al

Kanál je reprezentován pseudonáhodnou sekvenc´ı zmˇen vys´ılac´ı frekvence (pˇreskakuj´ıc´ı rádiová frekvence – frequency hoping) mezi frekvenˇcn´ımi pozicemi 0 aˇz 78. Sekvence zmˇen je jedinˇeˇcná pro kaˇzd´ y Piconet a je odvozena od adresy zaˇr´ızen´ı typu Master a fáze této sekvence je odvozena od jeho Bluetooth hodin. Pˇrenosov´ y kanál je rozdˇelen do stejnˇe dlouh´ ych ˇcasov´ ych rámc˚ u (slot˚ u). Nomináln´ı délka ˇcasového rámce je 625µs. Existuj´ı dva druhy ˇcasován´ı kanál˚ u – TDD (Time-Division Duplex) ˇ a multi-slot. Casován´ı TDD (obrázek 2.3) odpov´ıdá situaci, v n´ıˇz se ˇr´ıdic´ı a ˇr´ızená jednotka postupnˇe stˇr´ıdaj´ı ve vys´ılán´ı. Master zaˇc´ıná komunikaci v sud´ ych ˇcasov´ ych slotech a Slave v lich´ ych. Zaˇcátek paketu je pˇriˇrazen zaˇcátku ˇcasového slotu.

Obrázek 2.3: TDD schéma a ˇcasován´ı ˇ Casov´ an´ı multi-slot (obrázek 2.4) odpov´ıdá vyuˇzit´ı pˇreskokové sekvence pro pˇrenos tak, ˇze paket pos´ılan´ y zaˇr´ızen´ım typu Master nebo Slave m˚ uˇze obsadit v´ıce neˇz jeden rámec (slot), maximálnˇe pˇet. Protokol Bluetooth vyuˇz´ıvá kombinaci kruhu (data jsou zas´ılány v rámci s´ıtˇe postupnˇe od jednoho k druhému aˇz k adresátovi) a zas´ılán´ı paket˚ u (data jsou poslány pˇr´ımo adresátovi). 2.2.2.3

Fyzick´ e linky

Baseband poskytuje dva druhy linek (spojen´ı), které se liˇs´ı pˇrenosov´ ymi schopnostmi: • asynchronn´ı (ACL - Asynchronous Connection - Less)

2.2 Bluetooth

15

Obrázek 2.4: Multi-slot pakety

• synchronn´ı (SCO - Synchronous Connection - Oriented) Oba kanály je moˇzné vyuˇz´ıt k zajiˇstˇen´ı pˇrenos˚ u dat podle poˇzadavk˚ u. Pro zajiˇstˇen´ı komplikovanˇejˇs´ıch pˇrenos˚ u, kombinuj´ıc´ıch oba typy kanál˚ u, je moˇzné v pr˚ ubˇehu spojen´ı mˇenit typ kanálu. SCO je symetrické point-to-point spojen´ı mezi zaˇr´ızen´ımi Master a Slave v Piconetu s pˇrenosovou rychlost´ı 64kbps. Mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi mohou b´ yt tˇri SCO linky najednou. Vyuˇz´ıvaj´ı se pro ˇcasovˇe závislé aplikace jako napˇr. pˇrenos zvuku a obrazu. Pˇri SCO spojen´ı Master pos´ılá v pravideln´ ych intervalech paket zaˇr´ızen´ı Slave, které odpov´ıdá vˇzdy v následuj´ıc´ım ˇcasovém slotu. Vytvoˇren´ı SCO spojen´ı je inicializované (vynucené) zaˇr´ızen´ım Master pomoc´ı LMP. ACL vyuˇz´ıvá ˇcasován´ı multi-slot, pˇriˇcemˇz je moˇzné dosáhnout pˇrenosové rychlosti 721kbps v jenom smˇeru a 57.6kbps v opaˇcném smˇeru (asymetrick´ y kanál), popˇr. 433kbps v obou smˇerech (symetrick´ y kanál). Uvedené pˇrenosové rychlosti plat´ı za pˇredpokladu, ˇze se nevyuˇz´ıvá moˇznost opravy chyb pˇri pˇrenosu. ACL spojen´ı m˚ uˇze b´ yt jak point-to-point spojen´ı mezi Master a Slave, tak i point-to-multipoint mezi Masterem a v´ıce Slave (max. 8). Mezi Masterem a jedn´ım Slavem m˚ uˇze existovat vˇzdy jen jedno ACL spojen´ı (narozd´ıl od SCO). Pokud nen´ı pˇri vys´ılán´ı paketu Masterem adresován ˇzadn´ y ze zaˇr´ızen´ı Slave, pak se jedná o zprávu Broadcast (urˇcená vˇsem). ACL spojen´ı je vhodné k pˇrenosu bˇeˇzn´ ych dat a jeho v´ yhodou je vˇetˇs´ı pˇrenosová rychlost. Vyuˇz´ıvá se také pro pˇrenos dat zajiˇst’uj´ıc´ıch a ˇr´ıdic´ıch komunikaci v rámci buˇ nky. 2.2.2.4

Pakety

Pro pos´ılán´ı paket˚ u plat´ı následuj´ıc´ı: • nejménˇe v´ yznamn´ y bit (LSB - Least Significant Bit) odpov´ıdá bitu b0 • LSB je prvn´ı bit, kter´ y se pos´ılá

2.2 Bluetooth

16

Pokud se napˇr´ıklad pos´ılaj´ı 3 bity b2 b1 b0 = 110, pak informace, která se zas´ılá je b0 b1 b2 = 011. LC interpretuje prvn´ı pˇrijat´ y bit jako b0 . Data jsou rozdˇelena do paket˚ u. Hlavn´ı formát paketu je na obrázku 2.5

Obrázek 2.5: Formát standardn´ıho paketu

Pˇr´ıstupov´ y kód (Acces Code) a hlaviˇcka (Header) maj´ı pevnˇe danou velikost a to 72 a 54 bit˚ u. Uˇziteˇcná data (Payload) mohou m´ıt 0 aˇz 2745 bit˚ u. Existuj´ı r˚ uzné typy paket˚ u, které budou popsány n´ıˇze. Pˇ r´ıstupov´ y k´ od Kaˇzd´ y paket zaˇc´ıná pˇr´ıstupov´ ym kódem - kód pouˇz´ıvan´ y pˇri komunikaci se zaˇr´ızen´ımi. Pokud za n´ım následuje hlaviˇcka paketu je dlouh´ y 72 bit˚ u. Pokud ne, pak 68 bit˚ u. Pouˇz´ıvá se pro synchronizaci a identifikaci. Pˇr´ıstupov´ y kód urˇcuje vˇsechny pakety vymˇenˇené v rámci kanálu Piconetu, tj. vˇsem paket˚ um poslan´ ym v jednom Piconetu pˇredcház´ı stejn´ y pˇr´ıstupov´ y kód. Existuj´ı 3 druhy: CAC (Channel Access Code), DAC (Device Access Code) a IAC (Inquiry Access Code). CAC jednoznaˇcnˇe indentifikuje vytvoˇren´ y Piconet a obsahuje informace potˇrebné k synchronizaci komunikace v rámci Piconetu. DAC a IAC se pouˇz´ıvaj´ı pˇri vyhledáván´ı zaˇr´ızen´ı, která nejsou souˇcást´ı jednoho Piconetu. Hlaviˇ cka paketu Obsahuje LC informace a skládá se ze 6-ti ˇcást´ı: • AM ADDR - 3 bity, adresa uzlu v rámci Piconetu (kapitola 2.2.2.6) • TYPE - 4 bity, typ pˇrenáˇseného paketu (Type Code) • FLOW - 1 bit, pˇr´ıznak ˇr´ızen´ı toku (Flow Control), GO (Flow=1) , STOP (Flow=0) • ARQN - 1 bit, potvrzen´ı u ´spˇeˇsného pˇrijet´ı paketu (Acknowledge Indication) • SEQN - 1 bit, pˇr´ıznak, zda se jedná o opakovan´ y rámec, nebo zda jde o dalˇs´ı paket v poˇrad´ı (Sequence Number) • HEC - 8 bit˚ u, k zabezpeˇcen´ı kontroly integrity hlaviˇcky (Header Error Check) Celkovˇe tedy obsahuje 18 bit˚ u, které jsou vˇsak zakódovány pomˇerem 1/3 FEC6 , coˇz ve v´ ysledku dává dˇr´ıve zm´ınˇen´ ych 54 bit˚ u. 6

Typ k´ odov´ an´ı vych´ azej´ıc´ı z Hammingova kódován´ı - v´ ysledn´ y kód je dán urˇcitou funkc´ı.

2.2 Bluetooth

17

Typy paket˚ u Pakety pouˇz´ıvané v Piconetu souvis´ı s pouˇzit´ım fyzického kanálu, tedy bud’ ACL ˇ ri ˇr´ıdic´ı nebo SCO. Pro kaˇzd´ y z nich je definováno 12 r˚ uzn´ ych typ˚ u paket˚ u. Ctyˇ (Control) pakety jsou spoleˇcné. K rozliˇsen´ı typu paketu slouˇz´ı 4 bity TYPE v hlaviˇcce (Header) paketu. 2.2.2.5

Logick´ e kan´ aly

V systému Bluetooth je definováno 5 logick´ ych kanál˚ u, které mohou b´ yt pouˇzité pro pˇrenos r˚ uzn´ ych typ˚ u informac´ı: • ˇr´ıdic´ı kanál LC (Link Control Control) • ˇr´ıdic´ı kanál LM (Link Manager Control) • uˇzivatelsk´ y kanál UA (User Asynchronous Data) • uˇzivatelsk´ y kanál UI (User Isochronous Data) • uˇzivatelsk´ y kanál US (User Synchronous Data) ˇ ıdic´ı kanály LC a LM jsou pouˇz´ıvány na u R´ ´rovni LC a LM. Uˇzivatelské kanály UA, UI a US jsou vyuˇzity k pˇrenosu asynchronn´ı, isochronn´ı a synchronn´ı uˇzivatelské informace. 2.2.2.6

Adresov´ an´ı zaˇ r´ızen´ı

Existuj´ı 4 druhy adres, které mohou b´ yt pˇriˇrazeny zaˇr´ızen´ı Bluetooth: • BD ADDR (Bluetooth Device Address) - fyzická jedineˇcná 48-bitová adresa. • AM ADDR (Active Member Address) - 3-bitová adresa, která slouˇz´ı k adresován´ı zaˇr´ızen´ı Slave v rámci Piconetu. Je platná pouze po dobu existence Piconetu. • PM ADDR (Parked Member Address) - 8-mi bitová adresa, kterou pouˇz´ıvá Master k adresován´ı zaˇr´ızen´ı Slave, která jsou v rámci Piconetu v reˇzimu PARKED. Adresa je platná jen po dobu setrván´ı Slave v tomto reˇzimu. • AR ADDR (Access Request Address) - tato adresa je pouˇz´ıvána zaˇr´ızen´ımi Slave v reˇzimu PARKED pˇri synchronizaci s Masterem. 2.2.2.7

Vys´ılac´ı a pˇ rij´ımac´ı proces

Vys´ılac´ı proces (dále TX) je oddˇelen´ y pro ACL a SCO spojen´ı. Na obr. 2.6 je 7 ukázán pouze jeden TX ACL buffer a jeden TX SCO buffer. Slave má buffer TX ACL právˇe jeden, Master má jeden pro kaˇzdé zaˇr´ızen´ı Slave. 7

M´ısto v pamˇeti o dané velikosti slouˇz´ıc´ı k ukládán´ı dat procesu - tzv. vyrovnávac´ı pamˇet’.

2.2 Bluetooth

18

Obrázek 2.6: Fuknˇcn´ı diagram vys´ılán´ı

TX buffer se skládá ze dvou FIFO (First In, First Out - data, která byla vloˇzena jako prvn´ı, jsou jako prvn´ı naˇctena) registr˚ u: jeden je zpˇr´ıstupnˇen Bluetooth ˇradiˇci, kter´ y ho ˇcte a z dat tvoˇr´ı pakety, a do druhého LM nahrává data. Mezi tˇemito dvˇema registry se pˇrep´ıná pomoc´ı S1a,b, respektive S2a,b. Pˇrij´ımac´ı proces (dále RX) pracuje obdobnˇe, ale v opaˇcném smˇeru. Pakety pˇrijaté z LC jsou naˇcteny do jednoho bufferu a z druhého jsou LM pˇrevedeny na data. 2.2.2.8

ˇ Casov´ an´ı vys´ıl´ an´ı a pˇ r´ıjmu

Bluetooth vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc pouˇz´ıvá TDD schéma (kapitola 2.2.2.2). V normáln´ım stavu spojen´ı vys´ılá Master v sud´ ych ˇcasov´ ych rámc´ıch a Slave v lich´ ych. ˇ Casov´ a synchronizace Master a Slave Kaˇzdá jednotka Bluetooth má své vlastn´ı vnitˇrn´ı systémové hodiny, které urˇcuj´ı ˇcasován´ı a skokovou frekvenci pˇrij´ımaˇce a vys´ılaˇce. Piconet je synchronizován systémov´ ymi hodinami Mastera. Master dodrˇzuje pˇresn´ y interval m.625µs (m je sudé ˇc´ıslo a vˇzdy vˇetˇs´ı neˇz 0) mezi následuj´ıc´ımi pˇrenosy (vyslán´ı) dat. Zaˇr´ızen´ı typu Slave pˇrizp˚ usob´ı své systémové hodiny pomoc´ı ˇcasového offsetu tak, aby byl synchronizován s Masterem. Toto se dˇeje bˇehem vytváˇren´ı spojen´ı. Offset je poupraven vˇzdy s pˇr´ıchoz´ım paketem od Mastera. Stav spojen´ı Ve stavu spojen´ı Bluetooth stˇr´ıdavˇe vys´ılá a pˇrij´ımá. Na obrázku 2.7 je ukázán Master pˇri pos´ılán´ı a pˇrij´ımán´ı paket˚ u, které zab´ıraj´ı jeden ˇcasov´ y rámec. Maximáln´ı délka uˇziteˇcn´ ych dat (Payload) je 366µs. Kaˇzd´ y nov´ y RX i TX pˇrenos je realizován na jiné skokové frekvenci (hop frequency). Vyj´ımkou jsou pakety, které zab´ıraj´ı v´ıce ˇcasov´ ych rámc˚ u (maximálnˇe vˇsak 5). V tomto pˇr´ıpadˇe dan´ y RX nebo TX pˇrenos pokraˇcuje na stejné skokové frekvenci na jaké zaˇcal.

2.2 Bluetooth

19

Obrázek 2.7: Cyklus TX a RX z pohledu Mastera

FHS pakety Jsou zas´ılány od Mastera ke Slave bˇehem nastavován´ı spojen´ı nebo bˇehem promˇeny Mastera za Slave8 . Slouˇz´ı k frekvenˇcn´ı a ˇcasové synchronizaci. Komunikace s v´ıce Slave Pokud je k Masterovi pˇripojeno v´ıce zaˇr´ızen´ı Slave, prob´ıhá komunikace podle obrázku 2.8. Master zaˇsle paket urˇcitému zaˇr´ızen´ı Slave a ten paket pˇrijme, pokud je adresátem (dáno adresou zaˇr´ızen´ı AM ADDR). Pokud nen´ı adresátem, skonˇc´ı ˇcten´ı paketu po pˇrijet´ı AM ADDR.

Obrázek 2.8: Komunikace Mastera s v´ıce Slave V pˇr´ıpadˇe broadcast (urˇcená vˇsem Slave) zprávy nemohou Slave odpov´ıdat zaslán´ım paketu zpˇet Masterovi. 8

Pokud je povoleno, m˚ uˇze doj´ıt bˇehem spojen´ı k v´ ymˇenˇe rol´ı obou zaˇr´ızen´ı, tzn. Master se stane Slave a opaˇcnˇe.

2.2 Bluetooth

2.2.2.9

20

Stavy zaˇ r´ızen´ı a ˇ r´ızen´ı kan´ alu

Zaˇr´ızen´ı Bluetooth se m˚ uˇze vyskytovat ve dvou základn´ıch stavech: Standby a Connection. Kromˇe tˇechto existuje jeˇstˇe dalˇs´ıch 7 “podstav˚ u”, které slouˇz´ı k pˇridáván´ı zaˇr´ızen´ı Slave do Piconetu, nebo k vytváˇren´ı nov´ ych Piconet˚ u. Standby je poˇcáteˇcn´ı stav zaˇr´ızen´ı Bluetooth s n´ızkou spotˇrebou energie. Bˇeˇz´ı pouze vnitˇrn´ı hodiny a neprob´ıhá komunikace s okol´ım. Ve stavu Connection (spojen´ı) je umoˇznˇeno zaˇr´ızen´ım Slave a Master komunikovat v rámci jednoho Piconetu. 2.2.2.10

Vytvoˇ ren´ı spojen´ı

Vytvoˇren´ı spojen´ı prob´ıhá dvˇema moˇzn´ ymi zp˚ usoby. Pokud o sobˇe zaˇr´ızen´ı nemaj´ı ˇzádné informace (BD ADDR, hodinov´ y offset), pak se vykonaj´ı po sobˇe procedury Inquiry a Page. Pokud zaˇr´ızen´ı uˇz byly spojené, tzn. maj´ı potˇrebné informace (BD ADDR a offset), pak je potˇreba vykonat jen proceduru Page. Procedura Inquiry zabezpeˇcuje nalezen´ı okoln´ıch zaˇr´ızen´ı a v´ ymˇenu jejich HW adres BD ADDR a hodnot hodinov´ ych signál˚ u (Clock offset). Procedura Page slouˇz´ı k vytvoˇren´ı spojen´ı (komunikaˇcn´ı linky) mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi. Vˇetˇsinou následuje po proceduˇre Inquiry. Aby mohla b´ yt vykonána je potˇreba znát BD ADDR. Hodnota hodinového signálu nemus´ı b´ yt známa, pouze urychluje vytvoˇren´ı spojen´ı. Zaˇr´ızen´ı, které inicializovalo vytvoˇren´ı spojen´ı, vykonán´ım procedury Page se automaticky stává Masterem. 2.2.2.11

Reˇ zimy zaˇ r´ızen´ı ve stavu Connection

Zaˇr´ızen´ı ve stavu Connection m˚ uˇze b´ yt v jednom ze 4 reˇzim˚ u: Active, Hold, Sniff a Parked. • Active - v tomto reˇzimu se zaˇr´ızen´ı aktivnˇe u ´ˇcastn´ı komunikace. Master plánuje komunikaci na základˇe poˇzadavk˚ u zaˇr´ızen´ı Slave. Aktivn´ı zaˇr´ızen´ı Slave poslouchá komunikaci ve slotu master-to-slave - sudé a pokud nen´ı adresováno m˚ uˇze “spát” aˇz do dalˇs´ıho pˇrenosu od Mastera. • Hold - zaˇr´ızen´ı Slave v tomto reˇzimu udrˇzuje synchronizaci s Piconetem pomoc´ı vnitˇrn´ıch hodin. Do tohoto reˇzimu se Slave dostane na pˇr´ıkaz zaˇr´ızen´ı Master. • Sniff - Slave se v tomto reˇzimu synchronizuje s Piconetem se sn´ıˇzenou intenzitou (nepˇrij´ımá pakety tak ˇcasto), coˇz mu umoˇzn ˇuje sn´ıˇzit spotˇrebu energie. • Parked - Slave je stále synchronizován s Piconetem, ale ne´ uˇcastn´ı se komunikace. Zaˇr´ızen´ı v tomto reˇzimu má aktivovanou AM ADDR adresu a resynchronizuje se obˇcasn´ ym pˇr´ıjmem broadcast zpráv od Mastera.

2.2 Bluetooth

2.2.3

21

Link Manager Protocol

Protokol správce linky (LMP - Link Manager protokol) zabezpeˇcuje konfigurován´ı linky (spojen´ı), synchronizaci zaˇr´ızen´ı pˇri vytváˇren´ı spojen´ı (ACL i SCO), ˇsifrován´ı spojen´ı, detekci a opravy chyb a dalˇs´ı funkce. Signály jsou zpracovány a filtrovány správcem linky LM (Link Manager) v rámci pˇr´ıjmu dat a nejsou zpˇr´ıstupnˇeny vyˇsˇs´ım vrstvám. LMP zprávy jsou pˇrenáˇseny v rámci uˇziteˇcn´ ych dat (payload) L2CAP (Logical Link Control and Adaptation). Zprávy zas´ılané LM maj´ı vˇetˇs´ı prioritu neˇz uˇzivatelská data. Mezi ˇcinnosti, které LM vykonává patˇr´ı: • párován´ı (Pairing) - vytváˇr´ı se náhodn´ y kl´ıˇc linky (link key) spoleˇcn´ y pro obˇe zaˇr´ızen´ı • autentifikace (Authentification) - ovˇeˇren´ı druhé Bluetooth jednotky • zmˇena kl´ıˇce linky (Change Link Key) • kódován´ı (Encryption) • ˇzádost o zaslán´ı offsetu hodin (Clock Offset) • informace o názvu vzdálené jednotky • uveden´ı do reˇzimu HOLD, SNIFF nebo PARKED • kontrola kvality linky

2.2.4

HCI specifikace

HCI (Host Control Interface - rozhran´ı pro ˇr´ızen´ı hostem) poskytuje pˇr´ıkazové (programové) rozhran´ı pro pˇr´ıstup k funkc´ım, které poskytuj´ı Baseband a správce linky LM. Jedná se o rozhran´ı, které poskytuje jednotn´ y pˇr´ıstup softwarové ˇcásti k fyzické ˇcásti zaˇr´ızen´ı Bluetooth (HW a firmware). Funkce HCI je rozdˇelena do tˇrech oddˇelen´ ych ˇcást´ı: Host, Transportn´ı vrstva a Host Controller (obr. 2.9) • HCI firmware - nacház´ı se v ˇcásti Host Controller (Bluetooth HW). Implementuje HCI pˇr´ıkazy prostˇrednictv´ım pˇr´ıkaz˚ u Baseband a LM vrstvy, pˇr´ıstupu k HW stavov´ ym a ˇr´ıdic´ım registr˚ um a k registr˚ um událost´ı. • HCI driver - nacház´ı se v ˇcásti Host (SW). Zabezpeˇcuje anal´ yzu pˇrijat´ ych událost´ı, na jejichˇz základˇe poskytuje informace vyˇsˇs´ım vrstvám. Zprostˇredkovává komunikaci s vyˇsˇs´ımi vrstavmi. • komunikace HCI driver a HCI firmware - komunikuj´ı pˇres HC transportn´ı vrstvu. Transportn´ı vrstva definuje nˇekolik r˚ uzn´ ych zp˚ usob˚ u komunikace: USB, UART a RS232.

2.2 Bluetooth

22

Obrázek 2.9: Pˇrehled niˇzˇs´ıch softwarov´ ych vrstev

Obrázek 2.10 ukazuje pˇrenos dat z jednoho zaˇr´ızen´ı do druhého. Ovladaˇc HCI u Hosta (Hostem m˚ uˇze b´ yt napˇr´ıklad poˇc´ıtaˇc nebo mobiln´ı telefon) si vymˇen ˇuje data a pˇr´ıkazy s HCI firmwarem, kter´ y je souˇcást´ı HW Bluetooth. Ovladaˇc fyzické vrstvy, neboli vrstva ˇr´ızen´ı a kontroly transportu u Hosta poskytuje obˇema HCI vrstvám moˇznost v´ ymˇeny informac´ı mezi sebou.

Obrázek 2.10: Pˇrehled niˇzˇs´ıch softwarov´ ych vrstev vzhledem k pˇrenosu informace

2.2 Bluetooth

2.2.4.1

23

HCI pˇ r´ıkazy

HC rozhran´ı poskytuje jednotné metody pˇr´ıkaz˚ u k pˇr´ıstupu ke schopnostem HW Bluetooth. Pˇr´ıkazy (Commands) HCI poskytuj´ı Hostovi schopnost ˇr´ıdit spojen´ı (spojovac´ı vrstvu) se vzdálen´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım. Tyto pˇr´ıkazy se vˇetˇsinou t´ ykaj´ı správce spojen´ı LM, kter´ y si na jejich základˇe vymˇen ˇuje LMP pˇr´ıkazy se vzdálen´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım. Nejmenˇs´ı jednotka dat, která m˚ uˇze b´ yt pˇrenesena jedn´ım zaˇr´ızen´ım do druhého je Baseband paket. Klasick´ y paket je zpráva vyˇsˇs´ıho protokolu neˇz je baseband. Kaˇzd´ y z HCI pˇr´ıkaz˚ u potˇrebuje ke svému splnˇen´ı r˚ uzn´ y ˇcas. Splnˇen´ı pˇr´ıkazu je Hostovi oznámeno událost´ı (HCI Event). Vˇse okolo HCI událost´ı je vysvˇetleno v kapitole 2.2.4.2. Pakety s HCI pˇr´ıkazy jsou zas´ılany Hostem do HC (Host Controller) pˇres transportn´ı vrstvu (RS232). Formát paketu je na obr. 2.11. Prvn´ı 2 byty tvoˇr´ı kód (OpCode), kter´ y urˇcuje o jak´ y pˇr´ıkaz se jedná (do jaké skupiny pˇr´ıkaz˚ u patˇr´ı a jeho ˇc´ıslo v této skupinˇe). Kaˇzdá skupina je oznaˇcena jedineˇcn´ ym ˇc´ıslem OGF (OpCode Group Filed), které spolu s oznaˇcen´ım pˇr´ıkazu ve skupinˇe OCF (OpCode Command Field) tvoˇr´ı právˇe OpCode.

Obrázek 2.11: Stavba paketu HCI pˇr´ıkazu

Pro správné proveden´ı pˇr´ıkazu je nutné správnˇe sloˇzit OpCode na základˇe OGF a OCF. Postup sloˇzen´ı OpCode HCI pˇr´ıkazu Reset: V pˇr´ıpadˇe pˇr´ıkazu Reset je OGF 0x03 a OCF 0x0003. OpCode je tvoˇren 10-ti bity OCF a 6-ti bity OGF. OGF 0x03 lze zapsat bitovˇe 00000011. Protoˇze protokol Bluetooth pouˇz´ıvá formát pˇrenosu dat tzv. Little Endian (nejdˇr´ıve se pˇrenáˇs´ı LSB) je potˇreba bity otoˇcit - 11000000. OGF má v OpCode 6 bit˚ u, takˇze oˇr´ızneme dva nejniˇzˇs´ı bity. V´ ysledkem je 110000. OCF 0x0003 je bitovˇe 0000000000000011. Opˇet otoˇc´ıme: 1100000000000000 a oˇr´ızneme na v´ ysledn´ ych 10 bit˚ u: 1100000000. Následuje sloˇzen´ı bit˚ u v poˇrad´ı OCF + OGF: 1100000000 a 110000 = 11000000 00110000. Nakonec je potˇreba bity zpˇetné otoˇcit: 00001100 00000011. V´ ysledkem jsou 2 byty: 0x03 a 0x0C. Pokud tedy pos´ıláme pˇr´ıkaz HCI Reset, prvn´ı a druh´ y byte jsou 030C.

2.2 Bluetooth

24

Tˇret´ı byte (délka parametr˚ u) urˇcuje, kolik následuje byt˚ u s parametry. Samotné parametry jsou dány HCI pˇr´ıkazem, kter´ y chceme HC poslat. Parametry jsou dvoj´ıho typu. Prvn´ı jsou parametry potˇrebné k vykonán´ı daného pˇr´ıkazu (Command Parameters), a které se zas´ılaj´ı v paketu pˇr´ıkazu. Druh´ ym typem jsou návratové parametry, tzn. parametry, které budou nav´ıc obsahovat událost (Event). HCI pˇr´ıkazy jsou rozdˇeleny do 6 skupin:

• pˇr´ıkazy k ˇr´ızen´ı spojen´ı (Link Control Commands) • strategické (zásadn´ı) pˇr´ıkazy (Link Policy Commands) • pˇr´ıkazy HC a baseband (Host Controller and Baseband Commands) • pˇr´ıkazy k z´ıskán´ı informac´ı o parametrech (Informational Parameters) • pˇr´ıkazy ke zjiˇstˇen´ı r˚ uzn´ ych stav˚ u (Status Parameters) • pˇr´ıkazy k testován´ı (Testing Commands) Pˇ r´ıkazy LINK CONTROL Tyto HCI pˇr´ıkazy umoˇzn ˇuj´ı HC ˇr´ıdit spojen´ı se vzdálen´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım. Pˇri pouˇzit´ı tˇechto pˇr´ıkaz˚ u ˇr´ıd´ı správce linky LM vytvoˇren´ı a udrˇzen´ı spojen´ı v s´ıti Piconet, popˇr. Scatternet. OGF je definováno jako 0x01. Podrobn´ y popis jejich parametr˚ u naleznete v [10]. Pˇr´ıkazy, které patˇr´ı do této skupiny, a které jsou v práci pouˇzity: Inquiry - OCF 0x0001 HCI pˇr´ıkaz, kter´ y zp˚ usob´ı pˇrechod Bluetooth zaˇr´ızen´ı do reˇzimu Inquiry - vyhledáván´ı dostupn´ ych Bluetooth zaˇr´ızen´ı. Parametry pˇr´ıkazu jsou LAP, doba vyhledáván´ı a poˇcet odpovˇed´ı. Návratové parametry u pˇr´ıkazu Inquiry nejsou. Odpovˇed´ı je událost Command Status ve chv´ıli, kdy HC spust´ı reˇzim Inquiry. Po skonˇcen´ı vyhledáván´ı poˇsle HC Hostovi událost Inquiry Result (pokud je v dosahu vzdálené zaˇr´ızen´ı), která obsahuje informace o tomto zaˇr´ızen´ı. Nakonec pˇrijde událost Command Complete, která Hostovi oznamuje dokonˇcen´ı vyhledáván´ı. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 01 04 05 33 8B 9E 0A 08 (0104 - OpCode, 05 - délka parametr˚ u, 338B9E - LAP, 0A = 10x1.28 = 12.8s dlouhá doba vyhledáván´ı zaˇr´ızen´ı, 08 - poˇcet moˇzn´ ych odpovˇed´ı na Inquiry). Inquiry Cancel - OCF 0x0002 HCI pˇr´ıkaz, kter´ y zastav´ı prob´ıhaj´ıc´ı reˇzim Inquiry - ukonˇc´ı vyhledáván´ı. Lze pouˇz´ıt pouze po pˇr´ıkazu Inquiry. Pˇr´ıkaz má pouze jeden návratov´ y parametr - Status (1 byte, pokud je 0x00, pak pˇr´ıkaz probˇehl u ´spˇeˇsnˇe), kter´ y pˇrijde s událost´ı Command Complete.

2.2 Bluetooth

25

Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 02 04 00 (0204 - OpCode, 00 - délka parametr˚ u). Create Connection - OCF 0x0005 Pˇr´ıkaz zp˚ usob´ı, ˇze správce spojen´ı LM zaˇcne vytváˇret spojen´ı s vybran´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım. Parametry pˇr´ıkazu jsou napˇr. BD ADDR, typ paketu a hodinov´ y offset. Návratové parametry nemá. Pokud HC pˇrijme tento pˇr´ıkaz, zaˇsle událost Command Status a pokud dojde k vytvoˇren´ı spojen´ı, pak i událost Connection Complete. Stejnou událost poˇsle i vzdálen´ y HC vzdálenému hostovi. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 05 04 0D B2 A1 5E 06 00 08 18 CC 00 00 0E 96 00 (0504 - OpCode, 0D - délka parametr˚ u (13), B2A15E060008 - BD ADDR, 18CC - typ paketu, 00 - reˇzim opakován´ı Page Scan R0, 00 - reˇzim Page Scan (hlavn´ı), 0E96 - hodinov´ y offset, 00 - zakázán´ı v´ ymˇeny rol´ı). Disconnect - OCF 0x0006 Pˇr´ıkaz k ukonˇcen´ı existuj´ıc´ıho spojen´ı. Parametry pˇr´ıkazu jsou Connection Handle a d˚ uvod ukonˇcen´ı spojen´ı. Pˇr´ıkaz Disconnect je bez návratov´ ych parametr˚ u. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 06 04 03 28 00 13 (0604 - OpCode, 03 - délka parametr˚ u, 2800 - Connecion Handle, 13 - vzdálené zaˇr´ızen´ı ukonˇcilo spojen´ı). Remote Name Request - OCF 0x0019 Pˇr´ıkaz urˇcen´ y k z´ıskán´ı informace o jménu vzdáleného Bluetooth zaˇr´ızen´ı. Lze poslat pouze, pokud je spojen´ı vytvoˇreno. HC po pˇrijet´ı tohoto pˇr´ıkazu zas´ılá událost Command Status. Pˇ r´ıkazy LINK POLICY - OGF 0x02 Poskytuj´ı Hostovi moˇznost ovlivnit, jak správce spojen´ı LM pracuje s Piconetem. Patˇr´ı sem pˇr´ıkazy, které uvád´ı Bluetooth zaˇr´ızen´ı do reˇzim˚ u HOLD (pˇr´ıkaz Hold Mode), SNIFF (pˇr´ıkaz Sniff Mode), atd. Pˇ r´ıkazy HC A BASEBAND - OGF 0x03 Poskytuj´ı pˇr´ıstup k ˇr´ızen´ı r˚ uzn´ ych schopnost´ı Bluetooth HW. Pouˇz´ıvaj´ı se ke zmˇenˇe chován´ı lokáln´ıho Bluetooth modulu. Reset - OCF 0x0003 Pˇr´ıkaz zp˚ usob´ı reset HC a správce spojen´ı LM. Bluetooth modul se nastav´ı podle vlastnost´ı ve specifikaci. Návratov´ ym parametrem je Status, kter´ y je obsaˇzen v události Command Complete, pokud k resetu doˇslo. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 03 0C 00 (030C - OpCode, 00 - délka parametr˚ u). Set Event Filter - OCF 0x0005 Pˇr´ıkaz, kter´ ym se nastavuje: jaká zaˇr´ızen´ı budou “vyslyˇsena” pˇri Inquiry, se kter´ ymi

2.2 Bluetooth

26

zaˇr´ızen´ımi m˚ uˇze b´ yt navázáno spojen´ı a povoleno ˇci zakázáno automatické vytvoˇren´ı spojen´ı s Masterem. Pouˇz´ıvá se pro nastaven´ı zaˇr´ızen´ı typu Slave. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 05 0C 03 02 00 02 (050C - OpCode, 03 - délka parametr˚ u, 02 - typ filtru nastavován´ı spojen´ı, 00 - povolen´ı spojen´ı se vˇsemi zaˇr´ızen´ımi bez omezen´ı, 02 - automatické spojen´ı). Change Local Name - OCF 0x0013 Pˇr´ıkaz umoˇzn ˇuj´ıc´ı zmˇenit název lokáln´ıho Bluetooth modulu. Název m˚ uˇze b´ yt dlouh´ y 248 byt˚ u. Jedin´ ym parametrem pˇr´ıkazu je poˇzadované jméno. Návratov´ ym parametrem je Status (událost Command Complete). Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 13 0C 0C 0A 62 74 72 63 2D 73 6C 61 76 65 (130C - OpCode, 0C - délka parametr˚ u, 0A627472632D736C617665 - ’Bluetoothrc slave’). Read Local Name - OCF 0x0014 Pˇr´ıkaz zjiˇst’uj´ıc´ı název lokáln´ıho Bluetooth modulu. Návratov´ ymi parametry jsou Status a jméno (Command Complete). Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 14 0C 00 (140C - OpCode, 00 - délka parametr˚ u). Write Scan Enable - OCF 0x001A Opˇet pˇr´ıkaz pro zaˇr´ızen´ı typu Slave, kter´ y urˇcuje, zda bude povolen ˇci zakázán Inquiry Scan, popˇr. Page Scan. Základn´ı nastaven´ı (po resetu) zakazuje veˇskeré skeny, tzn., ˇze se Bluetooth modul neodpov´ıdá Masterovi pˇri skenu. Parametrem je povolen´ı ˇci zakázan´ı daného skenu, návratov´ ym parametrem je Status (Command Complete). Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 1A 0C 01 03 (1A0C - OpCode, 01 - délka parametr˚ u, 03 - oba skeny povoleny). Write Page Scan Activity - OCF 0x001C Pˇr´ıkaz, kter´ y nastavuje vlastnosti Page Scan. Opˇet pro zaˇr´ızen´ı typu Slave. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 1C 0C 04 40 00 20 00 (1C0C - OpCode, 04 - délka parametr˚ u, 4000 - interval Page skenu = 40x0.625ms = 64ms, 2000 - okno Page skenu = 32x0.625ms = 20ms). Write Inquiry Scan Activity - OCF 0x001E Podobn´ y jako pˇredchoz´ı, ale pro Inquiry Scan. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 1E 0C 04 40 00 20 00 (1A0C - OpCode, 04 - délka parametr˚ u, 4000 - interval Inquiry skenu = 40x0.625ms = 64ms, 2000 - okno Inyquiry skenu = 32x0.625ms = 20ms). ˇ Í PR ˇ ÍKAZY - OGF 0x04 INFORMACN Poskytuj´ı informace o Bluetooth zaˇr´ızen´ı a vlastnostech HC. Read Buffer Size - OCF 0x0005 Pˇr´ıkaz, kter´ y slouˇz´ı ke zjiˇstˇen´ı maximáln´ıho mnoˇzstv´ı dat ACL a SCO paket˚ u, které

2.2 Bluetooth

27

m˚ uˇze b´ yt zas´ıláno od HC k Hostovi. Návratov´ ymi parametry jsou maximáln´ı hodnoty a Status (Command Complete). Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 05 10 00 (0510 - OpCode, 00 - délka parametr˚ u). Read BD ADDR - OCF 0x0009 K pˇreˇcten´ı 6-ti bytové BD adresy lokáln´ıho Bluetooth modulu. Návratové parametry jsou BD ADDR a Status. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 09 10 00 (0910 - OpCode, 00 - délka parametr˚ u). Pˇ r´ıkazy STATUS - OGF 0x05 K zjiˇstˇen´ı souˇcasného stavu HC a LM. Get Quality Link - OCF 0x0003 Pˇr´ıkaz, kter´ y vrac´ı hodnotu kvality vytvoˇreného spojen´ı. Parametrem je Connecion Handle daného spojen´ı a návratov´ ymi Status, Conenction Handle a kvalita linky, která m˚ uˇze b´ yt v rozsahu hodnot 0 - 255. Pˇr´ıklad zaslán´ı pˇr´ıkazu: 03 14 02 28 00 (0314 - OpCode, 02 - délka parametr˚ u, 2800 - Connection Handle).

2.2.4.2

HCI ud´ alosti

Pakety HCI událost´ı pouˇz´ıvá HC k ohláˇsen´ı Hostovi, ˇze doˇslo k nˇejaké události. Host mus´ı b´ yt schopen pˇrijmout paket o velikosti aˇz 255 byt˚ u. Na kaˇzd´ y pˇr´ıkaz, kter´ y Host zaˇsle, obrˇz´ı jednu ˇci v´ıce událost´ı. Jaké události máme oˇcekávat na zaslan´ y pˇr´ıkaz je uvedeno v kapitole 2.2.4.1 u jednotliv´ ych pˇr´ıkaz˚ u. Stavba paketu HCI událost´ı je na obr. 2.12. Kaˇzdá událost je oznaˇcena kódem (tedy nˇeco jako OpCode u pˇr´ıkaz˚ u). Následuje délka parametr˚ u. Parametry jsou opˇet dvoj´ıho typu. Prvn´ım typem jsou parametry samotné události, druh´ ym typem jsou návratové parametry pˇr´ıkaz˚ u. Specifikace Bluetooth 1.1, ze které vycház´ım, definuje 32 r˚ uzn´ ych událost´ı oznaˇcen´ ych 0x01 aˇz 0x20. Opˇet se zm´ın´ım jen o tˇech, se kter´ ymi se v této práci pracuje. Inquiry Complete - 0x01 Událost, která indikuje, ˇze byl ukonˇcen proces vyhledáván´ı Inquiry. Jej´ım parametrem je Status (1 byte, pokud probˇehlo v poˇrádku, pak je Status 0x00). Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 01 01 00 (01 - kód, 01 - délka, 00 - Status) Inquiry Result - 0x02 Indikuje, ˇze na Inquiry odpovˇedˇelo jedno nebo v´ıce vzdálen´ ych zaˇr´ızen´ı. Tˇret´ı aˇz sedmnáct´ y byte pˇrijdou tolikrát, kolik zaˇr´ızen´ı na Inquiry odpovˇedˇelo. Parametry pˇr´ıkazu jsou napˇr. poˇcet odpovˇed´ı, BD ADDR jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı a hodinov´ y offset.

2.2 Bluetooth

28

Obrázek 2.12: Stavba paketu HCI události

Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 02 0F 01 B2 A1 5E 06 00 08 01 00 00 00 00 00 0E 16 (02 - kód, 0F - délka (15), 01 - poˇcet zaˇr´ızen´ı, které odpovˇedˇeli na Inquiry, B2A15E060008 - BD ADDR vzdálené zaˇr´ızen´ı, 010000 - vlastnosti Page skenu, 000000 - tˇr´ıda zaˇr´ızen´ı, 0E16 - hodinov´ y offset). Connection Complete - 0x03 Indikuje obˇema host˚ um (hostovi kaˇzdé z˚ uˇcastnˇené strany), ˇze bylo vytvoˇreno spojen´ı mezi obˇemi zaˇr´ızen´ımi. Parametry pˇr´ıkazu jsou Status, Connection Handle, BD ADDR a typ spojen´ı. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 03 0B 00 28 00 B2 A1 5E 06 00 08 01 00(03 - kód, 0B - délka (11), 00 - Status (OK), 2800 - Connection Handle, B2A15E060008 - BD ADDR, 01 - ACL spojen´ı, 00 - kódován´ı zakázáno). Connection Request - 0x04 ˇ adosti m˚ Indikuje novˇe pˇr´ıchoz´ı ˇzádost pokusu o spojen´ı. Z´ uˇze b´ yt vyhovˇeno nebo m˚ uˇze b´ yt odm´ıtnuta. Parametry jsou BD ADDR, tˇr´ıda zaˇr´ızen´ı a typ spojen´ı. Disconnection Complete - 0x05 Indikuje ukonˇcen´ı spojen´ı mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi. Parametry jsou Status (zda bylo rozpojen´ı u ´spˇeˇsné), Connection Handle a d˚ uvod. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 05 04 00 28 00 13(03 - kód, 04 - délka, 00 - Status (OK), 2800 - Connection Handle, 13 - spojen´ı ukonˇceno vzdálen´ ym zaˇr´ızen´ım). Remote Name Request Complete - 0x07 Indikuje, ˇze ˇzádosti o zjiˇstˇen´ı jména vzdáleného zaˇr´ızen´ı bylo vyhovˇeno. Parametry jsou Status, BD ADDR a jméno vzdáleného zaˇr´ızen´ı. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 07 FF 00 B2 A1 5E 06 00 08 0A 62 74 72 63 2D 73 6C 61 76 65 00 00 ... 00(07 - kód, FF - délka (256), 00 - Status (OK), B2A15E060008 - BD ADDR, 0A 62 74 72 63 2D 73 6C 61 76 65 00 00 ... 00 - jméno, kde kaˇzd´ y byte urˇcuje ordináln´ı hodnotu znaku).

2.2 Bluetooth

29

Command Complete - 0x0E Je pouˇz´ıván HC jako odpovˇed’ na spoustu pˇr´ıkaz˚ u, kdy vrac´ı Status a dalˇs´ı parametry. Indikuje dokonˇcen´ı pˇr´ıkazu. Parametry jsou: poˇcet paket˚ u HCI pˇr´ıkaz˚ u (poˇcet paket˚ u, které m˚ uˇze Host pos´ılat HC), OpCode pˇr´ıkazu (OpCode pˇr´ıkazu, na kter´ y je tato událost odpovˇed´ı) a návratové parametry pˇr´ıkaz˚ u. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 0E 04 05 0C 00(0E - kód, 04 - délka, 05 0C - OpCode pˇr´ıkazu (Set Event Filter), 00 - Status (návratov´ y parametr pˇr´ıkazu Set Event Filter)). Command Status - 0x0F Indikuje, ˇze HC pˇr´ıkaz pˇrijal a zaˇc´ıná s jeho realizac´ı. Je nutn´ y pro asynchronn´ı operace. Pokud pˇr´ıkaz nem˚ uˇze b´ yt vykonán, je zaslána tato událost s ˇc´ıslem chyby (Status). Parametry jsou: Status, poˇcet paket˚ u HCI pˇr´ıkaz˚ u a OpCode pˇr´ıkazu. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 0F 04 00 01 05 04(0F - kód, 04 - délka, 00 - Status (OK), 01 - poˇcet moˇzn´ ych paket˚ u, 0504 OpCode pˇr´ıkazu (Cerate Connection)). Hardware Error - 0x10 Zas´ılá HC v pˇr´ıpadˇe, ˇze doˇslo k HW chybˇe. Parametrem je ˇc´ıslo chyby. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 10 01 00(10 - kód, 01 - délka, 00 - specifické ˇc´ıslo). Number Of Completed Packets - 0x13 Indikuje, kolik HCI datov´ ych paket˚ u bylo pˇrijato a odesláno HC od posledn´ıho zaslán´ı této události. Na kaˇzd´ y zaslan´ y datov´ y paket pˇrijde Hostovi tato událost. Parametry jsou: poˇcet Connection Handle, Connection Handle a poˇcet odeslan´ ych paket˚ u. Pˇr´ıklad pˇrijaté události: 13 04 01 28 00 01(13 - kód, 04 - délka, 01 - poˇcet spojen´ı, 2800 - Connection Handle, 01 - 1 pˇrijat´ y a odeslan´ y paket).

2.2.4.3

HCI datov´ e pakety

Datové pakety slouˇz´ı k v´ ymˇenˇe dat (informac´ı) mezi HC a Hostem. Datové pakety je moˇzné zas´ılat, aˇz ve chv´ıli, kdy je vytvoˇreno spojen´ı se vzdálen´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım. ACL datov´ e pakety ACL datov´ y paket je na obr. 2.13. Prvn´ı 2 byty tvoˇr´ı Connection Handle, tedy jedineˇcné ˇc´ıslo spojen´ı, spolu s dalˇs´ımi ˇctyˇrmi bity, kter´ ymi se urˇcuje o jaká data jde a zda jde o prvn´ı datov´ y paket. Rozd´ıl mezi ACL a SCO datov´ ym paketem je právˇe v tˇechto ˇctyˇrech bitech - u SCO paketu jsou trvale nulové. Pak jiˇz následuj´ı 2 byty urˇcuj´ıc´ı délku dat a samotná data. Pˇr´ıklad datového paketu: 28 20 01 44(2820 - Connection Handle + flag bity (prvn´ı dat. paket), 01 - délka, 44 - zaslaná data).

2.2 Bluetooth

30

Obrázek 2.13: HCI ACL datov´ y paket

2.2.5

HCI RS232 transportn´ı vrstva

Tato transportn´ı vrstva slouˇz´ı k fyzickému pˇrenosu dat mezi Hostem a HC (obr. 2.14).

Obrázek 2.14: HCI RS232 transportn´ı vrstva Základn´ı pravidla: • pakety HCI pˇr´ıkaz˚ u mohou b´ yt pos´ılány pouze Hostem • pakety HCI událost´ı mohou b´ yt zas´ılány pouze HC • datové pakety mohou b´ yt zas´ılány obˇema smˇery HCI nen´ı schopné rozliˇsit typ paketu (pˇr´ıkaz, událost, ...). Proto pˇred t´ım, neˇz je paket odeslán, je potˇreba pˇridat na zaˇcátek paketu identifikátor (1 byte - tabulka 2.6). Typ HCI paketu

Identifikátor

HCI HCI HCI HCI

0x01 0x02 0x03 0x04

pˇr´ıkaz ACL data SCO data událost

Tabulka 2.6: Identifikátory HCI paket˚ u pˇri komunikaci pˇres RS232 Napˇr´ıklad HCI pˇr´ıkaz Reset je pˇres RS232 zas´ılán: 01 03 0C 00 (01 - HCI pˇr´ıkaz, 030C - OpCode, 00 - délka).

2.2 Bluetooth

2.2.6

31

L2CAP

L2CAP je protokol logického ˇr´ızen´ı a adaptace spojen´ı (Logical Link Control And Adaptation Protocol). Podporuje protokoly vyˇsˇs´ıch vrstev, segmentován´ı (rozdˇelen´ı) paket˚ u a jejich opˇetovné sloˇzen´ı. Tento protokol je nad protokolem Baseband a patˇr´ı do vrstvy datového spojen´ı (Basebad patˇr´ı jak do datového, tak i do fyzického spojen´ı). Poskytuje sluˇzby na pˇrenos se spojen´ım (Connection-Oriented) a bez spojen´ı (Connection-Less) vyˇsˇs´ım vrstvám. Existuj´ı dva typy spojen´ı: asynchronn´ı ACL a synchronn´ı SCO. L2CAP podporuje pouze prvn´ı z nich - ACL (Asynchronous Connection-Less). Kam patˇr´ı

Obrázek 2.15: L2CAP v architektuˇre Bluetooth protokolu

L2CAP v celkové architektuˇre protokolu Bluetooth je vidˇet na obrázku 2.15. SDP (Service Discovery Protokol), RFCOMM a TCS jsou vyˇsˇs´ı protokoly, které nejsou pro tuto práci d˚ uleˇzité a jsou vysvˇetleny ve specifikaci Bluetooth.

Kapitola 3 Realizace vzd´ alen´ eho ˇ r´ızen´ı Realizace vzdáleného ˇr´ızen´ı se skládá ze 2 ˇcást´ı: • bezdrátové ˇr´ızen´ı modelu auta pomoc´ı poˇc´ıtaˇce, popˇr. mobiln´ıho telefonu

Obrázek 3.1: Soustava bezdrátového ˇr´ızen´ı

• ˇr´ızen´ı modelu auta pomoc´ı optick´ ych ˇcidel

ˇ ızen´ı pomoc´ı ˇcidel Obrázek 3.2: R´

32

3.1 Modely aut

3.1

33

Modely aut

Realizace vzdáleného ˇr´ızen´ı pomoc´ı poˇc´ıtaˇce s modulem Bluetooth a ˇr´ızen´ı mobiln´ım telefonem byly v rámci dvou souˇcasnˇe bˇeˇz´ıc´ıch projekt˚ u. Prvn´ım projektem byla diplomová práce “Model Remote Control”(dále DP), druh´ ym byl projekt “Bluetooth Remote Control” (BTRC) pro V´ yzkumné a v´ yvojové centrum v Praze (www.rdc.cz). Pro kaˇzd´ y z tˇechto projekt˚ u jsem mˇel k dispozici jin´ y model automobilu, na kter´ ych byly provedeny odliˇsné u ´pravy. Spoleˇcn´ ym c´ılem obou projekt˚ u byla demonstrace bezdrátového ˇr´ızen´ı zvoleného modelu. C´ılem DP byla nav´ıc moˇznost ˇr´ızen´ı ´ pomoc´ı optick´ ych ˇcidel. Upravy model˚ u se liˇsily v závislosti na splnˇen´ı zmiˇ novan´ ych c´ıl˚ u.

3.1.1

Model auta pro DP

Model auta (obr. 3.3) byl zakoupen ˇskolou a jeho v´ ybˇer jsem nemohl ovlivnit. 1 Jednalo se o RC model. Pohánˇen byl stejnosmˇern´ ym motorem, a to pouze jednou rychlost´ı vpˇred a vzad. Zatáˇcen´ı bylo ˇreˇseno pomoc´ı c´ıvky s vinut´ım a dvˇema magnety pˇripojen´ ymi k pˇredn´ı nápravˇe. V závislosti na polaritˇe vinut´ı c´ıvky byl pˇritahován prvn´ı nebo druh´ y magnet. Na ploˇsné desce byl vys´ılaˇc pro pˇr´ıjem pˇr´ıkaz˚ u z vys´ılaˇce. Model byl napájen ˇctyˇrmi dob´ıjec´ımi monoˇclánky, tzn. v nabitém stavu 4x1.2V.

Obrázek 3.3: Model auta pro DP

3.1.1.1

Potˇ rebn´ eu ´ pravy

Aby byl model lépe ovladateln´ y, bylo tˇreba pˇridat k motoru dalˇs´ı elektroniku pro pohyb r˚ uzn´ ymi rychlostmi a obˇema smˇery. Podobnˇe i zatáˇcen´ı bylo potˇreba zmˇenit tak, aby bylo moˇzné nastavit v´ıce u ´hl˚ u natoˇcen´ı vlevo a vpravo. Jelikoˇz stávaj´ıc´ı ˇreˇsen´ı nebylo moˇzné upravit, aby vyhovovalo zadán´ı, bylo nutné ho novˇe navrhnout. Kromˇe u ´pravy akˇcn´ıch ˇclen˚ u, bylo potˇreba pˇridat dálkov´ y pˇrij´ımaˇc a vys´ılaˇc (Bluetooth modul) vˇcetnˇe mikroprocesoru, kter´ y bude komunikovat s Bluetooth modulem 1

Radio Control model - ˇr´ızen radiov´ ymi signály v pásmu 27MHz

3.1 Modely aut

34

a na základˇe pˇrijat´ ych dat ovládat motory a pos´ılat v pravideln´ ych ˇcasov´ ych intervalech informaci o stavu nabit´ı akumulátor˚ u do poˇc´ıtaˇce. Blokové schéma elektroniky v modelu auta je na obr. 3.4. Barevnˇe jsou odliˇseny napájec´ı u ´rovnˇe.

Obrázek 3.4: Schéma elektroniky

3.1.1.2

Mikroprocesor

V´ yrobc˚ u mikroprocesor˚ u je celá ˇrada: Microchip, Atmel, Elan, Nec, Intel, atd.

Obrázek 3.5: Mikroprocesor PIC 16F874

Z celé ˇrady tˇechto v´ yrobc˚ u jsem zvolil firmu Microchip. Hlavn´ım d˚ uvodem bylo, ˇze mikroprocesory této firmy se pouˇz´ıvaj´ı v rámci v´ yuky na katedˇre a tento model

3.1 Modely aut

35

má slouˇzit pro v´ yuku. Ze stejného d˚ uvodu jsem vybral i mikroprocesor PIC 16F874 (obrázek 3.5), se kter´ ym studenti pracuj´ı a zároveˇ n vyhovuje poˇzadavk˚ um této u ´lohy. Z´ akladn´ı parametry PIC16F874: • RISC procesor

2

• 35 instrukc´ı (jednocyklové, instrukce vˇetven´ı dvoucyklové) • extern´ı frekvence aˇz DC 20MHz • 8-mi u ´rovˇ nov´ y zásobn´ık • aˇz 14 zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı • pˇr´ımé, nepˇr´ımé adresován´ı • napájen´ı od 2.5V do 5.5V, n´ızká spotˇreba (do 0.6mA pˇri 3V a 4MHz) • proudové zat´ıˇzen´ı I/O3 pin˚ u (v´ yvod˚ u) ± 25mA • 10-bitov´ y A/D4 pˇrevodn´ık - 8 moˇzn´ ych vstup˚ u • pˇet I/O port˚ u: A,B,C,D,E • 2 piny (TX, RX) pro komunikaci pˇres RS232 • datová pamˇet’ 192 byt˚ u V tabulce 3.1 jsou vysvˇetleny jednotlivé piny, které jsem v práci vyuˇzil. Zapojen´ı mikroprocesoru s krystalem je souˇcást´ı pˇr´ılohy. Krystal jsem pouˇzil extern´ı s maximáln´ı moˇznou frekvenc´ı 20MHz - jeden strojov´ y cyklus mikroprocesoru trvá 200ns (1/20000000/4[s]). 3.1.1.3

Bluetooth modul

Bluetooth modul pln´ı v modelu auta roli rádiového pˇrij´ımaˇce a vys´ılaˇce. S mikroprocesorem je propojen sériov´ ym rozhran´ım (kapitola 3.1.1.2).

Obrázek 3.6: Bluetooth modul v modelu auta 2

Procesor s redukovanou (omezenou) instrukˇcn´ı sadou. I - input, vstupn´ı; O - output, v´ ystupn´ı 4 Analogovˇe-ˇc´ıslicov´ y pˇrevodn´ık 3

3.1 Modely aut

PIN

N´ azev

1 2 3 4 5 8 9 11 12 24 25 26 31 32 34 35 37 38 39 40

VPP RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2 RA3/AN3 VSS OSC1 VDD VSS RC5 TX RX VSS VDD RB1 RB2 RB4 RB5 RB6 RB7

36

Pouˇ zit´ı Vstup, reset Vstup A/D pˇrevodn´ıku, pˇripojen k akumulátor˚ um v modelu Vstup A/D pˇrevodn´ıku, pˇripojen k 1. optickému ˇcidlu Vstup A/D pˇrevodn´ıku, pˇripojen k 2. optickému ˇcidlu Vstup A/D pˇrevodn´ıku Vstup, napájen´ı 5V Vstup hodinového oscilátoru, signál z ext. krystalu 20MHz Vstup, zem, 0V Vstup, napájen´ı 5V V´ ystup, HW reset modulu Bluetooth V´ ystup, komunikace s modulem Bluetooth pˇres RS232 Vstup, komunikace s modulem Bluetooth pˇres RS232 Vstup, napájen´ı 5V Vstup, zem, 0V V´ ystup, ˇr´ızen´ı stejnosmˇerného motoru smˇerem vpˇred V´ ystup, ˇr´ızen´ı stejnosmˇerného motoru smˇerem vzad V´ ystup, ˇr´ızen´ı servo motoru Vstup/v´ ystup V´ ystup, signalizace LED diody o reˇzimu ˇr´ızen´ı V´ ystup, signalizace LED diody o stavu spojen´ı

Tabulka 3.1: Popis pouˇzit´ ych pin˚ u mikroprocesoru PIC

Modul firmy Siemens, rozˇs´ıˇren´ y o anténu a s vyveden´ ymi piny, byl zakoupen od 5 firmy Czechlabs a je na obrázku 3.6. Um´ıstˇen je v modelu auta a v komunikaci pln´ı roli Slave6 . V tabulce 3.2 jsou uvedeny v´ yznamy jednotliv´ ych pin˚ u Bluetooth modulu, které jsou v práci vyuˇzity (ˇc´ıslovány zleva doprava). PIN

N´ azev

1 2 3 4 5 7 17

VCC CTS RTS TX RX GND Reset

Pouˇ zit´ı Napájen´ı (3.3V) ˇ ızen´ı pˇrenosu (handshake) R´ ˇ ızen´ı pˇrenosu (handshake) R´ Vys´ılán´ı - komunikace s mikroprocesorem pˇres RS232 Pˇr´ıjem - komunikace s mikroprocesorem pˇres RS232 Zem, logická 0 Hardwarov´ y reset

Tabulka 3.2: Popis pin˚ u pouˇzitého modulu Bluetooth Bluetooth modul vyˇzaduje napájen´ı 3.3V, které z´ıskáme z 5V zapojen´ım napˇet’o5 6

V´ıce informac´ı na www.czechlabs.cz. Slave - poslouch´ a pokyny hlavn´ıho modulu - Mastera.

3.1 Modely aut

37

vého stabilizátoru LF33CDT ihned na v´ ystup dc-dc mˇeniˇce. Mikroprocesor PIC je napájen 5V - logická jedniˇcka na v´ ystupn´ım pinu odpov´ıdá tomuto napˇet´ı. Komunikace pˇres RS232 prob´ıha tedy na u ´rovni 0V a 5V. Narozd´ıl od modulu Bluetooth, kter´ y má u ´rovnˇe 0V a 3.3V. Z toho d˚ uvodu bylo potˇreba upravit 5V u ´roveˇ n z PICu (pin TX) na u ´roveˇ n 3.3V, aby mohla b´ yt propojena se vstupem Bluetooth modulu (TX). Opaˇcn´ ym smˇerem nen´ı u ´prava u ´rovnˇe signálu potˇreba, protoˇze PIC rozpoznává 3.3V jiˇz jako logickou jedniˇcku.

Obrázek 3.7: Schéma 74LVX245 Funkci pˇrevodn´ıku 5V na 3.3V ˇreˇs´ı integrovan´ y obvod 74LVX245, jehoˇz schéma je na obrázku 3.7. Popis jednotliv´ ych v´ yvod˚ u je v tabulce 3.3. PIN

N´ azev

Pouˇ zit´ı

1 2-9 10 11-18 19 20

T/R A0-A9 GND B0-B9 CE VCC

Smˇer pˇrenosu Vstupn´ı/v´ ystupn´ı piny Zem, 0V V´ ystupn´ı/vstupn´ı piny Povolen´ı pˇrenosu Napájen´ı 3.3V

Tabulka 3.3: Popis pin˚ u pˇrevodn´ıku 74LVX245

V zavislosti na vstupu T/R je urˇcen smˇer pˇrevodu (pro T/R = 1 je smˇer z Ai do Bi ). Vstupn´ı napˇet´ı, které mus´ı b´ yt v rozsahu 0V aˇz 5.5V je pˇrevádˇeno na napájec´ı napˇet´ı. V naˇsem pˇr´ıpadˇe z napˇet´ı 5V na napˇet´ı 3.3V, kter´ ym mus´ı b´ yt obvod napájen. 3.1.1.4

Akˇ cn´ı ˇ clen - servomotor

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, c´ılem u ´pravy zatáˇcen´ı bylo z´ıskat v´ıce poloh natoˇcen´ı pˇredn´ı nápravy. To znamenalo náhradu stávaj´ıc´ı konstrukce. Náˇs poˇzadavek splˇ nuje servomotor, kter´ y umoˇzn ˇuje nastavit zadanou polohu. Poˇzadavky na servomotor byly dané modelem auta: malé rozmˇery, napájen´ı maximálnˇe 5V a takovou s´ılu, aby zvládl toˇcit pˇredn´ı nápravou i na m´ıstˇe. Model

3.1 Modely aut

38

auta váˇz´ı cca 1 kilogram. Volba nakonec padla na servo HS-81 firmy HITEC (obrázek ˇ ıdic´ı vstup je ˇr´ızen pomoc´ı pulsn´ı ˇs´ıˇrkové modulace PWM (Pulse Width Mo3.8). R´ dulation - obr. 3.9).

Obrázek 3.8: Servomotor Parametry servomotoru: • 3 vstupy: napájen´ı 4.8 - 6V, zem a ˇr´ıdic´ı vstup • pracuje v teplotn´ım rozsahu -20◦ C aˇz +60◦ C • s´ıla 2.6N.m (pˇri 5V) • ˇr´ızen´ı 0.9 - 2.1ms, kdy 1.5ms je neutráln´ı poloha a perioda 20ms • odbˇer pˇri bˇehu 220mA • váha 16.6g

ˇ Obrázek 3.9: Casov´ e pr˚ ubˇehy PWM pro servomotor

Nejvˇetˇs´ım problémem bylo uchycen´ı servomotoru v modelu a jeho spojen´ı s pˇredn´ı nápravou. Moˇzn´ ych ˇreˇsen´ı existuje nˇekolik, ale vˇetˇsina neˇsla realizovat z d˚ uvodu ˇspatné konstrukce modelu, která neumoˇzn ˇovala proporcionáln´ı zatáˇcen´ı. ˇ Cást z umˇelé hmoty, ve které byl um´ıstˇen magnet, byla pˇripevnˇena pˇr´ımo k táhl˚ um pˇredn´ı nápravy a vykazovala velikou v˚ uli.

3.1 Modely aut

39

Obrázek 3.10: Zp˚ usob pˇripojen´ı serva k pˇredn´ı nápravˇe

Nejlepˇs´ım technick´ ym ˇreˇsen´ım by bylo pˇrichytit servomotor pˇr´ımo k tˇemto táhl˚ um, ale toto bylo vzhledem k parametr˚ um modelu nerealizovatelné. Proto nejlepˇs´ım ˇreˇsen´ım bylo pouˇzit´ı ˇcepu (ˇsroubu navrtaného m´ısto magnetu) a vidlice, která je pˇripevnˇena k servomotoru (obr. 3.10). I toto ˇreˇsen´ı vˇsak neumoˇzn ˇuje v´ıce jak 2 polohy vlevo a vpravo. 3.1.1.5

Akˇ cn´ı ˇ clen - ss motor

Zat´ımco u zatáˇcen´ı bylo potˇreba elektroniku nahradit, u stejnosmˇerného motoru bylo moˇzné ponechat pouˇzit´ y motor a jen doplnit elektroniku, která by umoˇzn ˇovala ˇr´ıdit motor obˇema smˇery pomoc´ı PWM. Stejnosmˇern´ y motor roztoˇc´ıme na r˚ uzné strany zmˇenou polarity vstupn´ıho napˇet´ı. Tohoto dosáhneme m˚ ustkem podle [2]. Zapojen´ı takového obvodu z diskrétn´ıch souˇcástek je sloˇzitˇejˇs´ı oproti pouˇzit´ı speciáln´ıho integrovaného obvodu, napˇr. obvodu L293b. Zapojen´ı s t´ımto obvodem bylo souˇcást´ı návrhu desky ploˇsn´ ych spoj˚ u, ale ukázalo se jako nedokonalé. Na tomto obvodu se “ztrác´ı” napˇet´ı (saturaˇcn´ı) u ´mˇerné procházej´ıc´ımu proudu a v naˇsem pˇr´ıpadˇe (0.5A) to bylo aˇz 2.6V. Ve v´ ysledku byl stejnosmˇern´ y motor napájen pouze 2.4V a dodávan´ y proud nepˇrekroˇcil 0.4A. Bohuˇzel i dalˇs´ı integrované obvody pro ˇr´ızen´ı PWM byly dimenzovány pro napájen´ı alespoˇ n 12V. Stejnosmˇern´ y motor v modelu auta potˇrebuje pro okamˇzit´ y rozjezd ˇspiˇckovˇe aˇz 5A, v ustáleném stavu (pˇri bˇehu) cca 0.5A. Pro moˇznost ˇr´ıdit motor pomoc´ı PWM, bylo nutné sestavit m˚ ustek, kter´ y je schopen potˇrebn´ y proud dodat. Z toho d˚ uvodu nen´ı moˇzné pouˇz´ıt bipolárn´ı tranzistory, u kter´ ych se v otevˇreném stavu projevuje saturace a nedojde k jejich u ´plnému otevˇren´ı, coˇz zp˚ usob´ı omezen´ı proudu do motoru a samozˇrejmˇe pokles napˇet´ı, které je na motor pˇrivedeno. Proto je koneˇcn´ ym ˇreˇsen´ım m˚ ustek realizovan´ y z dvojic unipolárn´ıch tranzistor˚ u MOSFET ([4]). Konkrétnˇe jsem pouˇzil tranzistory IRF 7416 (typ P) a 7413 (typ N) pro kaˇzdou vˇetev m˚ ustku. Jejich d˚ uleˇzitou vlastnost´ı je “propustnost” 5A (Drain - Source) jiˇz pˇri napˇet´ı 3V (Gate - Source). Zapojen´ı m˚ ustku je vidˇet na obr.

3.1 Modely aut

40

3.11. M˚ ustek je napájen pˇr´ımo z akumulátor˚ u (tedy vstup dc-dc), aby proudovˇe nezatˇeˇzoval dc-dc mˇeniˇc.

Obrázek 3.11: Schéma zapojen´ı H-m˚ ustku pro ˇr´ızen´ı ss motoru

3.1.1.6

A/D pˇ revodn´ık

A/D pˇrevodn´ık pˇrevád´ı napˇet’ovou u ´roveˇ n na odpov´ıdaj´ıc´ı ˇc´ıslicovou hodnotu v závislosti na nastavené referenci a je pˇr´ımo souˇcást´ı mikroprocesoru. Referenˇcn´ı hodnoty napˇet´ı mohou b´ yt dány napájec´ım napˇet´ım (pouˇzito v této práci) nebo jin´ ymi hodnotami napˇet´ı pˇriveden´ ymi na referenˇcn´ı vstupy. V tomto pˇr´ıpadˇe je spodn´ı mez dána 0V a horn´ı 5V, takˇze minimáln´ı hodnota 0 odpov´ıdá 0V a maximálˇ ıslo 1024 proto, ˇze jsme pouˇzili 10-ti bitov´ n´ı hodnota 1024 odpov´ıdá 5V. C´ y pˇrevodn´ık. A/D pˇrevodn´ık jsem pouˇzil ze dvou d˚ uvod˚ u. Prvn´ım je potˇreba zobrazen´ı aktuáln´ı informace o stavu napˇet´ı akumulátor˚ u. Druh´ ym d˚ uvodem je potˇreba z´ıskán´ı ˇc´ıselné informace z optick´ ych ˇcidel. Zat´ımco informace o stavu akumulátor˚ u je mikroprocesorem pouze poslána do PC, informace z ˇcidel jsou mikroprocesorem vyhodnoceny a pokud je model ve stavu automatického ˇr´ızen´ı, rozhoduje na jejich základˇe o ˇr´ızen´ı motor˚ u. Proto, abychom mohli napˇet’ovou u ´roveˇ n pˇrivádˇet na analogov´ y vstup mikroprocesoru, mus´ıme zajistit jej´ı dostateˇcnˇe mal´ y odpor. K tomuto u ´ˇcelu slouˇz´ı zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem [2]. K u ´pravˇe signál˚ u z ˇcidel jsem pouˇzil zapojen´ı rozd´ılového zesilovaˇce (obr. 3.12a) se zes´ılen´ım rovno jedné. T´ım na v´ ystupu z´ıskám rozd´ılové napˇet´ı a s velmi mal´ ym odporem ([2] a [3]). Napˇet’ová u ´rovˇen ˇ z akumulátor˚ u je nejdˇr´ıve zapojena k odporovému dˇeliˇci (pomˇer 1:2), aby v pˇr´ıpadˇe pˇripojen´ı jiného zdroje energie, nedoˇslo k pˇripojen´ı v´ıce jak 5V na vstup mikroprocesoru (oˇsetˇren´ı pro napájen´ı do 11V). V´ ysledek je pˇriveden na vstup napˇet’ového sledovaˇce (obr. 3.12b), ˇc´ımˇz opˇet zajist´ıme velmi mal´ y v´ ystupn´ı odpor. Operaˇcn´ı zesilovaˇce (dále OZ) jsou realizovány integrovan´ ym obvodem NE5532 (obr. 3.13), kter´ y obsahuje 2 OZ. Pro zapojen´ı signál˚ u z ˇcidel a akumulátor˚ u jsou potˇreba dva tyto obvody.

3.1 Modely aut

41

Obrázek 3.12: Diferenˇcn´ı zesilovaˇc a), napˇet’ov´ y sledovaˇc b)

Obrázek 3.13: Integrovan´ y obvod NE5532

Jednotlivé v´ ystupy ze zesilovaˇc˚ u je moˇzné pˇrivézt pˇr´ımo na vstupy mikroprocesoru a dále ˇreˇsit softwarovˇe. 3.1.1.7

DC-DC mˇ eniˇ c

Aby mohl navrˇzen´ y eletronick´ y systém fungovat a b´ yt napájen akumulátory i pˇri jejich ˇcásteˇcném vybit´ı, bylo potˇreba stabilizovat 5V pomoc´ı bloku s integrovan´ ym 7 obvodem MAX608. Zapojen´ı tohoto obvodu je zvyˇsuj´ıc´ı dc-dc mˇeniˇc [2]. Schéma ymˇenˇe akumulátoru za typ s vyˇsˇs´ım napˇet´ım je moˇznost zapojen´ı je na obr. 3.14. Pˇri v´ oddˇelit tento dc-dc mˇeniˇc od ostatn´ı elektroniky na desce a pˇrivést vlastn´ı napájen´ı. K tomuto slouˇz´ı jumpery (pˇrep´ınaˇce) J9 a J10. Za t´ımto dc-dc mˇeniˇcem je pˇripojen LC filtr (L2, C6), kter´ y sniˇzuje zvlnˇen´ı a pˇrekmity v´ ystupn´ıho napˇet´ı. Hodnoty indukˇcnosti a kapacity byly stanoveny experimentálnˇe a to s v´ ysledkem: zvlnˇen´ı napˇet´ı max. 100mV a maximáln´ı pˇrekmit 250mV se stˇredn´ı hodnotou 5.07V pˇri zátˇeˇzi 200mA. Indukˇcnosti pouˇzité v tomto zapojen´ı mus´ı m´ıt velmi mal´ y vnitˇrn´ı odpor. Pouˇzil jsem indukˇcnosti s odporem 0.1Ω, které jsou k dostán´ı u firmy Spezial (www.spezial.cz). ˇ e republice bˇeˇznˇe k dostán´ı a bylo nutné ho jako vzorek obMAX608 nen´ı v Cesk´ 7

Mˇen´ı stejnosmˇerné napˇet´ı opˇet na stejnosmˇerné, vyˇsˇs´ı nebo stejné hodnoty.

3.1 Modely aut

42

Obrázek 3.14: Schéma zapojen´ı obvodu dc-dc

jednat pˇr´ımo od v´ yrobce (http://www.maxim-ic.com). Mosfet pro toto zapojen´ı byl pouˇzit s rozhodovac´ı u ´rovn´ı 2.7V (LL logika) a opˇet s mal´ ym vnitˇrn´ım odporem. 3.1.1.8

Optick´ aˇ cidla

Základn´ım zp˚ usobem jak realizovat sledován´ı barvy jsou optická ˇcidla. Optick´ ych ˇcidel exituje celá ˇrada, nˇekterá z nich byla jiˇz pouˇzita v jiné diplomové práci na naˇs´ı ˇskole (napˇr. barevné m´ıˇcky). V pˇr´ıpadˇe barevn´ ych m´ıˇck˚ u se jednalo o ˇcidla FX-D1P ([12]), která jsou schopna rozeznat aˇz 5 barev. Tyto ˇcidla se pro tuto u ´lohu nehod´ı: vysoká cena a spotˇreba. ˇ sen´ım jsou optická ˇcidla tvoˇrená infraˇcervenou diodou a optick´ Reˇ ym tranzistorem. Funguj´ı na principu osvˇetlen´ı báze optotranzistoru odraˇzen´ ym svˇetlem z diody. Tranzistor se “otevˇre” v závisloti na intenzitˇe odraˇzeného svˇetla. Pˇri pouˇzit´ı optického ˇcidla CNY70 máme obˇe souˇcástky pohromadˇe (diodu i tranzistor) a nemus´ıme se starat o jejich vzájemnou polohu. Je bˇeˇznˇe dostupné a stoj´ı ˇ ˇrádovˇe des´ıtky korun. Cidlo i jeho schéma ukazuje obr. 3.15. Funkce tohoto ˇcidla

Obrázek 3.15: Optické ˇcidlo CNY70

spoˇc´ıvá v odrazivosti a vzdálenosti d plochy (obr. 3.16). V této práci jsem vyuˇzil matného ˇcerného pap´ıru v kontrastu s leskl´ ym b´ıl´ ym pap´ırem.

3.1 Modely aut

43

Obrázek 3.16: Funkce ˇcidla CNY70

Dráhu jsem zhotovil z matného ˇcerného pap´ıru a jej´ı okol´ı z lesklého b´ıleho. Abychom mohli sledovat cestu v rovinˇe, mus´ıme ˇcidel pouˇz´ıt v´ıce. Minimáln´ı poˇcet jsou dvˇe. P˚ uvodn´ı návrh poˇc´ıtal s tˇremi ˇcidly (obr. 3.17a), kde poˇcáteˇcn´ı stav byl: prostˇredn´ı ˇcidlo na dráze a krajn´ı mimo dráhu. Opuˇstˇen´ı vytyˇcené trasy poznáme ˇıˇrka ˇcáry mus´ı b´ ve chv´ıli, kdy se na ˇcáˇre objev´ı jedno z krajn´ıch ˇcidel. S´ yt rovna vzdálenosti optotranzistor˚ u, ˇc´ımˇz zajist´ıme, ˇze se bude na dráze vˇzdy vyskytovat pouze jedno ˇcidlo. Poˇcet ˇcidel sn´ıˇz´ıme pokud zapoj´ıme pouze dvˇe podle obr. 3.17b. Poˇcáteˇcn´ı stav: obˇe ˇcidla na dráze, vyjet´ı z dráhy nám signalizuje ˇcidlo, které se objev´ı mimo dráhu.

Obrázek 3.17: Moˇznosti orientace v rovinˇe Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u je navrˇzena pro obˇe ˇreˇsen´ı, tedy obsahuje tˇr´ıvstupov´ y konektor pro ˇcidla. V´ ybˇer poˇctu závis´ı jen na zvoleném algoritmu v mikroprocesoru. Napˇet´ı, které namˇeˇr´ıme na kolektoru tranzistoru m˚ uˇzeme zpracovat dvˇema zp˚ usoby: 1. pˇrivézt na vstup komparátoru, kde je druh´ y vstup nastaven na zlomové napˇet´ı

3.1 Modely aut

44

a v´ ystup komparátoru (logická 1 nebo 0) pˇrivézt na binárn´ı vstup mikroprocesoru - HW ˇ reˇ sen´ı 2. pˇrivézt na analogov´ y vstup mikroprocesoru a po A/D pˇrevodu programovˇe nastavit zlomovou hodnotu - SW ˇ reˇ sen´ı V této u ´loze byl pouˇzit druhy zp˚ usob, tedy SW ˇreˇsen´ı. Schéma zapojen´ı desky s tˇremi ˇcidly je na obr. 3.18. Zapojen´ı s dvˇema ˇcidly je analogické.

Obrázek 3.18: Schéma zapojen´ı optick´ ych ˇcidel

3.1.1.9

V´ ysledn´ a deska ploˇ sn´ ych spoj˚ u

Návrh zapojen´ı elektroniky a následn´ y návrh desky jsem vypracoval v programovém prostˇred´ı OrCad v.9.2. Návrh elektroniky a jednotlivé vrstvy jsou v pˇr´ıloze. Samotná deska je na obr. 3.22. Na desce je 11 konektor˚ u: J1 - konektor pro modul Bluetooth. J2 - konektor pro vstup napájen´ı z akumulátor˚ u auta. J3 - konektor pro napájen´ı a ˇr´ızen´ı servomotoru. J4 - konektor pro napájen´ı a zároveˇ n ˇr´ızen´ı stejnosmˇerného motoru. J5 - konektor pro napájen´ı ˇcidel na podvozku auta. J6 - konektor pomocn´ ych vstup˚ u-v´ ystup˚ u. J7 - konektor pro pˇriveden´ı napˇet´ı z ˇcidel a akumulátor˚ u. J8 - konektor pro reset mikroprocesoru. Pokud jsou spojeny piny 1 a 2, PIC pracuje normálnˇe, pˇri spojen´ı pin˚ u 2 a 3 dojde k jeho resetu. J9 a J10 - konektory pro v´ ybˇer vstupn´ıho napájen´ı desky. Pokud jsou spojeny piny 1 a 2, pak je deska napájena z dc-dc mˇeniˇce. Pokud jsou rozpojené, oˇcekává se pˇriveden´ı 5V resp. 0V na pin 2 nebo 3 konektoru J9 resp. J10.

3.1 Modely aut

45

Obrázek 3.19: V´ ysledná deska

J11 - konektor pro v´ ybˇer napájen´ı stejnosmˇerného motoru. Pokud jsou spojeny piny 1 a 2, pak je motor napájen ze vstupu dc-dc mˇeniˇce (z akumulátor˚ u). Pokud jsou rozpojené, oˇcekává se se pˇriveden´ı 5V na pin 2 nebo 3.

3.1.2

Model auta pro BTRC

ym Model auta je opˇet RC model (1:6) (obr. 3.20). Pohon je ˇreˇsen stejnosmˇern´ motorem, kter´ y je napájen pˇr´ımé z dob´ıjec´ıho 12V akumulátoru. Pˇredn´ı náprava je ovládána stejnosmˇern´ ym motorem, kter´ y toˇc´ı koly doleva a doprava. Krajn´ı poloha je signalizována propojen´ım vodiˇc˚ u v konstrukci pˇredn´ı nápravy. Realizace modelu Nenavrhovala se celá elektronika jako u modelu pro DP, ale pouze tzv. pˇr´ıdavná elektronika, která nahradila integrovan´ y obvod, kter´ y byl souˇcást´ı p˚ uvodn´ıho ˇreˇsen´ı a kter´ y ˇr´ıdil model na základˇe signál˚ u pˇrijat´ ych z rádiového pˇrij´ımaˇce. Vstupy tohoto obvodu byly v´ ystupy rádiového pˇrij´ımaˇce na desce, v´ ystupy byly signály vpˇred, vzad, vlevo a vpravo. Napájen byl 3.3V. Blokové schéma pˇr´ıdavné elektroniky je na obr. 3.21. Schéma zapojen´ı pˇr´ıdavné elektroniky naleznete v pˇr´ıloze. Mikroprocesor Mikroprocesor jsme pouˇzili PIC 16F874 firmy Microchip s extern´ım krystalem 4MHz. Pouˇzit´ım pomalejˇs´ıho krystalu doˇslo také ke sn´ıˇzen´ı pˇrenosové rychlosti po RS232 mezi mikroprocesorem a Bluetooth modulem z 57.6kbps na 9.6kbps. Pouˇzit´ı

3.1 Modely aut

46

odliˇsného krystalu o proti DP nebylo nijak u ´myslné, pouze byl “k dispozici” a u ´ˇcel˚ um této u ´lohy vyhovoval.

Obrázek 3.20: Model auta pro BTRC

Obrázek 3.21: Blokové schéma pˇr´ıdavné elektroniky ´ Urovnˇ e v´ ystupn´ıch pin˚ u mikroprocesoru pro ˇr´ızen´ı modelu jsou pˇres pˇrevodn´ık 74LVX245 pˇrevedeny na 0 a 3.3V a poté pˇripojeny na p˚ uvodn´ı v´ ystupy IO. Pˇrevodn´ık je napájen z p˚ uvodn´ı desky 3.3V. Bluetooth modul Dalˇs´ı zmˇenou byl Bluetooth modul. Pro tuto práci jsme pouˇzili modul s vyveden´ ym konektorem pro RS232 (pro PC) a s napájen´ım 5V, opˇet nab´ızen´ y firmou Czechlabs. Tento Bluetooth modul (piny RX a TX) musel b´ yt k mikroprocesoru (k pin˚ um RX a TX) pˇripojen pˇres RS232 konektor a pˇres integrovan´ y obvod MAX232, kter´ y pˇrevád´ı napˇet’ové u ´rovnˇe sériového kanálu poˇc´ıtaˇce na u ´roveˇ n 0 a 5V. Deska s pˇr´ıdavnou elektronikou je napájena 12V pˇr´ımo z akumulátor˚ u. Pˇres napˇet’ov´ y stabilizátor 7805 (5V) je napájen Bluetooth modul, mikroprocesor a MAX 3232. Pokud hodnota akumulátoru neklesne pod 7.5V, je zaruˇcena správná funkce

ˇ ıdic´ı syst´ 3.2 R´ em

47

stabilizátoru 7805. V pˇr´ıpadˇe, ˇze se hodnota bl´ıˇz´ı této hranici, mikroprocesor poˇsle zprávu do mobiln´ıho telefonu. A/D pˇ revodn´ık Napˇet´ı z akumulátor˚ u je pˇres odporov´ y dˇeliˇc (1:3) pˇrivedeno opˇet pˇres napˇet’ov´ y sledovaˇc na analogov´ y pin mikroprocesoru. A/D pˇrevodn´ıkem je zpracovávána informace o stavu nabit´ı akumulátor˚ u.

3.2

ˇ ıdic´ı syst´ R´ em

V této práci jsou ukázány realizace dvou moˇzn´ ych ˇr´ıdic´ıch systému - osobn´ıho poˇc´ıtaˇce s pˇripojen´ ym Bluetooth modulem a mobiln´ım telefonem podporuj´ıc´ım technologii Bluetooth.

3.2.1

PC s Bluetooth modulem

ˇ ıdic´ı systém tvoˇren´ R´ y osobn´ım poˇc´ıtaˇcem s ovládac´ım softwarem a Bluetooth modulem pˇripojen´ ym pˇres rozhran´ı RS232 je na obr. 3.22. Bluetooth modul, kter´ y je k poˇc´ıtaˇci pˇripojen, je ve vytváˇreném spojen´ı v reˇzimu Master, to znamená t´ım, kdo spojen´ı vytváˇr´ı a ˇr´ıd´ı.

Obrázek 3.22: Schéma ˇr´ıdic´ıho systému Zat´ımco v modelu auta je pouˇzit samostatn´ y modul Bluetooth, k poˇc´ıtaˇci je pˇripojena deska firmy Siemens, jej´ıˇz souˇcást´ı modul je. Deska je napájena 5V a k poˇc´ıtaˇci pˇripojena pomoc´ı sériového kabelu. Deska umoˇzn ˇuje i komunikaci pˇres USB, signalizaci pˇrenosu dat, pˇrenos zvuku, atd., ale v rámci této práce jsem vyuˇzil pouze jej´ı základn´ı vlastnosti. Pokud bychom mˇeli pouˇz´ıt stejn´ y Bluetooth modul jako v modelu auta, bylo by potˇreba pouˇz´ıt integrovan´ y obvod MAX3232, kter´ y pˇrevád´ı napˇet’ové u ´rovnˇe Bluetooth (0 a 3.3V) na u ´rovnˇe sériového rozhran´ı PC.

3.2.2

Mobiln´ı telefon

Dalˇs´ım moˇzn´ ym zp˚ usobem realizace ˇr´ıdic´ıho systému je mobiln´ı telefon (popˇr. PDA) podporuj´ıc´ı technologii Bluetooth. Pro tento zp˚ usob ˇr´ızen´ı jsme pouˇzili mo-

ˇ ıdic´ı syst´ 3.2 R´ em

48

biln´ı telefon Nokia 6600 s operaˇcn´ım systémem Symbian (obr. 3.23).

Obrázek 3.23: Mobiln´ı telefon Nokia 6600

Kapitola 4 Softwarov´ eˇ reˇ sen´ı vzd´ alen´ eho ˇ r´ızen´ı Softwarové ˇreˇsen´ı diplomové práce (DP) se skládá ze dvou ˇcásteˇcnˇe samostatn´ ych ˇcást´ı. Prvn´ı z nich je program pro mikroprocesor PIC, kter´ y komunikuje s pˇripojen´ ym Bluetooth modulem (Slave) a podle komunikaˇcn´ıho protokolu i se vzdálen´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım pˇripojen´ ym k poˇc´ıtaˇci (Master). Zároveˇ n PIC ˇr´ıd´ı akˇcn´ı ˇcleny, vyhodnocuje informaci z ˇcidel a pos´ılá jako odpovˇed’ Masterovi (Bluetooth u PC) informaci o stavu napˇet´ı akumulátor˚ u. Druhou je program pro poˇc´ıtaˇc, kter´ y má za u ´kol zas´ılán´ım pˇr´ıkaz˚ u do pˇripojeného Bluetooth modelu ˇr´ıdit model auta a zároveˇ n zobrazovat informace o stavu a kvalitˇe spojen´ı, stavu nabit´ı akumulátor˚ u, atd. Softwarové ˇreˇsen´ı práce v rámci projektu BTRC se skládá z programu pro mikroprocesor a programu pro mobiln´ı telefon, kter´ y byl napsán pro operaˇcn´ı systém Symbian v.6. Tento SW napsal druh´ y ˇclen t´ ymu Aleˇs Kuˇc´ık. Proto se o nˇem nebudu v´ıce zmiˇ novat - zdrojové soubory naleznete na pˇr´ıloˇzeném CD-ROMu. Popis programu je rozdˇelen do tˇr´ı ˇcást´ı. V prvn´ı je vysvˇetlen komunikaˇcn´ı protokol mezi ˇr´ıdic´ım systémem a modelem auta, kter´ y je témˇeˇr shodn´ y pro obˇe práce. V druhé je popsán zp˚ usob, jak´ ym se pracuje s mikroprocesorem a struktury programu pro obˇe práce. Posledn´ı ˇcást popisuje ˇr´ıdic´ı SW pro poˇc´ıtaˇc.

4.1

Komunikaˇ cn´ı protokol

Projekt DP Komunikace mezi obˇema Bluetooth moduly (u poˇc´ıtaˇce a v modelu auta) prob´ıhá ych ˇcasov´ ych u ´sec´ıch. Poˇctem byt˚ u je po jejich spojen´ı dle obr. 4.1 a to v pravideln´ myˇsleno poˇcet datov´ ych byt˚ u, které jsou pˇrenáˇseny v rámci daného paketu. V datovém paketu pˇr´ıkazu se pos´ılá byte obsahuj´ıc´ı informaci o reˇzimu ˇr´ızen´ı (automatick´ y/ruˇcn´ı) a povely pro ˇr´ızen´ı periféri´ı. V datovém paketu odpovˇedi pˇricház´ı 4 byty nesouc´ı informaci z A/D pˇrevodn´ıku o stavu akumulátoru a napˇet´ı z jednotliv´ ych ˇcidel. Jeden cyklus komunikace je na obr. 4.2. Zaˇc´ıná odeslán´ım datového paketu

49

4.1 Komunikaˇ cn´ı protokol

50

Obrázek 4.1: Zjednoduˇsené schéma komunikace mezi PC a modelem

Obrázek 4.2: Schéma 1 komunikaˇcn´ıho cyklu

(Data) z PC do Bluetooth modulu (Master) pˇres RS232, kde je zpracován a odeslán druhému Bluetooth modulu (Slave). Zároveˇ n Master zas´ılá zpˇet poˇc´ıtaˇci potvrzen´ı (ACK) o odeslán´ı datového paketu. Bluetooth Slave po pˇrijet´ı a zpracován´ı zprávy pos´ılá datov´ y paket mikroprocesoru opˇet pˇres rozhran´ı RS232. Tento datov´ y paket je mikroprocesorem zpracován, a dále je poslán datov´ y paket s odpovˇed´ı (Data ACK). Bluetooth Slave opˇet poˇsle informaci smˇerem k Bluetooth Master a zároveˇ n potvrzen´ı o odeslán´ı mikroprocesoru. Cyklus konˇc´ı ve chv´ıli, kdy poˇc´ıtaˇc pˇrijme datov´ y paket s odpovˇed´ı. Projekt BTRC Komunikaˇcn´ı protokol projektu BTRC je opˇet zaloˇzen na pravidelném zas´ılán´ı datov´ ych paket˚ u mobiln´ım telefonem do modelu. Nav´ yˇsen´ı poˇctu datov´ ych byt˚ u je zp˚ usobeno t´ım, ˇze SW v mobiln´ım telefonu pˇristupuje ke sluˇzbám technologie Bluetooth pomoc´ı vyˇsˇs´ı vrstvy L2CAP. Ve skuteˇcnosti se pˇrenáˇs´ı pouze jeden informaˇcn´ı byte (+ 4 byty L2CAP vrstvy) obsahuj´ıc´ı povely pro periférie. Odpovˇed´ı jsou 2 byty (+ 4 byty L2CAP vrstvy), z nichˇz prvn´ı signalizuje, zda byl zaslan´ y pˇr´ıkaz “srozumiteln´ y” a druh´ y byte informaci o nabit´ı akumulátoru. Komunikaˇcn´ı cyklus je shodn´ y s projektem DP (obr. 4.2), pouze poˇc´ıtaˇc je nahrazen mobiln´ım telefonem.

4.2 Mikroprocesor PIC

51

Obrázek 4.3: Zjednoduˇsené schéma komunikace mezi telefonem a modelem

4.2

Mikroprocesor PIC

Pro napsán´ı programu pro PIC je urˇceno v´ yvojové prostˇred´ı MPLAB. Programovat lze, bud’ v jazyce Assembler, jehoˇz pˇrekladaˇc je souˇcást´ı programu, nebo v jazyce C. Pˇrekladaˇc jazyka C pro obvody PIC nen´ı souˇcást´ı programu MPLAB a je potˇreba ho zvláˇst’ zakoupit. Na internetu lze nˇekteré freewarové pˇrekladaˇce jazyka C naj´ıt, ale jen pro nˇekteré typy procesor˚ u ˇrady PIC. Realizovan´ y program je napsan´ y v jazyce Assembler.

Obrázek 4.4: Programátor PIC

K naprogramován´ı procesoru jsem mˇel k dispozici MPLAB ICD desku (obrázek 4.4). Jedná se vlastnˇe o samotn´ y programátor a v´ yvojovou desku, která umoˇzn ˇuje mimo jiné reset procesoru, vyvolán´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı a signalizaci hodnot v´ ystup˚ u diodami LED a v neposledn´ı ˇradˇe komunikaci procesoru pˇres RS232. Programátor se k poˇc´ıtaˇci pˇripojuje opˇet pˇres rozhran´ı RS232.

4.2.1

Pamˇ et’ov´ a organizace procesoru

Programov´ a pamˇ et’ PIC16F874 má adresov´ y prostor 13 bit˚ u a 13-bitov´ y programov´ y ˇc´ıtaˇc1 na adresován´ı 8k x 14b (bit˚ u) programové pamˇeti, dohromady tedy 8192 byt˚ u. Programová pamˇet’ je rozdˇelena na stránky (0000h - 07FFh, 0800h - 0FFFh). Vektor reset je 1

Hodnota ˇc´ıtaˇce urˇcuj´ıc´ı adresov´ y prostor procesoru.


52

na adrese 0000h a vektor pˇreruˇsen´ı na adrese 0004h. Znamená to, ˇze pokud dojde k restartován´ı procesoru, popˇr. k pˇreruˇsen´ı, “skoˇc´ı” program na danou adresu. Pokud dojde k restartován´ı procesoru, provedu opˇetovnou inicializaci a skok na zaˇcátku programu. Pokud dojde k pˇreruˇsen´ı, volám obsluhu pˇreruˇsen´ı, kde ˇreˇs´ım situaci, která nastala. Po proveden´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı se program vrac´ı na m´ısto, kde se v dobˇe vzniku pˇreruˇsen´ı nacházel. Datov´ a pamˇ et’ Datová pamˇet’ je rozdˇelena do 4 bank, které obsahuj´ı, tzv. hlavn´ı u ´ˇcelové registry (General purpose registers) a speciáln´ı funkˇcn´ı registry (Special function registers, dále SFR). V´ ybˇer banky je dán pomˇerem bit˚ u SFR registru Status (tabulka 4.1). RP1:RP0 Banka 00 01 10 11

0 1 2 3

Tabulka 4.1: V´ ybˇer banky v registru Status Speci´ aln´ı funkˇ cn´ı registry Speciáln´ı funkˇcn´ı registry slouˇz´ı k nastaven´ı r˚ uzn´ ych vlastnost´ı procesoru. Patˇr´ı mezi nˇe napˇr´ıklad povolen´ı r˚ uzn´ ych pˇreruˇsen´ı, povolen´ı RS232, nastaven´ı pˇrenosové rychlosti, povolen´ı A/D pˇrevodn´ıku, povolen´ı a nastaven´ı vnitˇrn´ıho ˇcasovaˇce, nastaven´ı a zobrazován´ı r˚ uzn´ ych pˇr´ıznak˚ u, atd. Podrobnˇeji se o tˇechto registrech zm´ın´ım pˇri ˇreˇsen´ı konkrétn´ıch problém˚ u v následuj´ıc´ıch podkapitolách.

4.2.2

Komunikace pˇ res RS232

Pˇres rozhran´ı RS232 komunikuje procesor s Bluetooth modulem (Slave). PIC má k dispozici 2 piny, prvn´ı slouˇz´ı pro zas´ılán´ı dat z procesoru - pin RC6 (TX), druh´ y k pˇrij´ımán´ı dat do procesoru - pin RC7 (RX). USART (The Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter - univerzáln´ı synchronn´ı asynchronn´ı pˇr´ıjem a vys´ılán´ı) je jedn´ım ze dvou2 sériov´ ych 3 I/O modul˚ u. USART m˚ uˇze b´ yt nakonfigurován jako plnˇe-duplexn´ı asynchronn´ı (pˇr´ıjemce a vys´ılaˇc jsou na sobˇe nezávisl´ı, nejsou synchronizováni, data mohou b´ yt poslány kdykoliv) systém, kter´ y m˚ uˇze komunikovat s perifériemi typu CRT terminál nebo osobn´ı poˇc´ıtaˇc. Druhou moˇznost´ı USART je polo-duplexn´ı4 synchronn´ı (pˇr´ıjemce má synchronizovány vnitˇrn´ı hodiny s vys´ılaˇcem - data jsou vys´ılány v pravideln´ ych okamˇzic´ıch) systém ke komunikaci s A/D nebo D/A integrovan´ ymi obvody, sériov´ ymi pamˇetmi, atd. 2

Druh´ ym je MSSP - hlavn´ı synchronn´ı sériov´ y port, pouˇz´ıvan´ y pro komunikaci s jin´ ymi mikrokontroléry. 3 Zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze v jednu chv´ıli jak pˇrij´ımat, tak i vys´ılat. 4 Zaˇr´ızen´ı bud’ pˇrij´ım´ a nebo vys´ıl´ a.


53

V rámci této práce jsem vyuˇzil reˇzim asynchronn´ı: • non-return-zero (NRZ) formát (1 START bit, 8 datov´ ych bit˚ u, 1 STOP bit) • vyhrazen´ y 8-bitov´ y generátor pˇrenosové rychlosti na ˇcipu (k odvozen´ı standardn´ıch frekvenc´ı pˇrenosové rychlosti od oscilátoru) • pos´ılá se a pˇrij´ımá se nejdˇr´ıve LSB (nejménˇe v´ yznamn´ y bit) • vys´ılaˇc a pˇrij´ımaˇc jsou funkˇcnˇe nezávisl´ı, ale pouˇz´ıvaj´ı stejn´ y formát dat a stejnou pˇrenosovou rychlost • parita (paritn´ı bit - kontroln´ı) nen´ı podporována HW, ale lze implementovat v SW jako 9.bit Pro práci s USART jsou potˇreba registry PIE1 - povolen´ı periférn´ıch pˇreruˇsen´ı, PIR1 - pˇr´ıznaky vznikl´ ych pˇreruˇsen´ı, RCSTA - nastaven´ı pˇrij´ımán´ı a povolen´ı USART, TXSTA - nastaven´ı vys´ılán´ı a pˇrenosové rychlosti a SPBRG - registr generátoru pˇrenosové rychlosti. Nastaven´ı asynchronn´ıho vys´ılaˇ ce: 1. Nastaven´ı bitu BRGH v registru (SPBRG) pro vyˇsˇs´ı pˇrenosovou rychlost. 2. Povolen´ı asynchronn´ıho sériového portu resetem bitu SYNC (TXSTA) a nastaven´ım bitu SPEN (RCSTA). 3. Povolen´ı vys´ılán´ı nastaven´ım bitu TXEN. 4. Nahrán´ı dat (bytu) do TXREG registru = start vys´ılán´ı. 5. Neˇz se odeˇsle dalˇs´ı byte, ˇceká se na uvolnˇen´ı TXREG registru - signalizováno bitem TXIF (PIR1 ) v 1. 6. Pro dalˇs´ı odes´ılán´ı se vˇse opakuje od kroku 4. Nastaven´ı asynchronn´ıho pˇ rij´ımaˇ ce: 1. Nastaven´ı bitu BRGH v registru (SPBRG) pro vyˇsˇs´ı pˇrenosovou rychlost. 2. Povolen´ı asynchronn´ıho sériového portu resetem bitu SYNC (TXSTA) a nastaven´ım bitu SPEN (RCSTA). 3. Povolen´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇrijatém bytu nastaven´ım bitu RCIE (PIE1 ). 4. Povolen´ı periférn´ıch pˇreruˇsen´ı nastaven´ım bit˚ u GIE a PEIE registru INTCON. 5. Povolen´ı pˇr´ıjmu nastaven´ım bitu CREN. 6. Flag (pˇr´ıznakov´ y) bit RCIF je v 1, kdyˇz je pˇrijet´ı kompletn´ı a generuje se pˇreruˇsen´ı (pokud je nastaven bit RCIE ).


54

7. Pˇreˇcten´ı bytu z pˇrijat´ ych dat pˇreˇcten´ım RCREG registru. 8. Pokud doˇslo k nˇejaké chybˇe, odstran´ı se resetován´ım bitu CREN. Pˇrenosová rychlost se nastavuje registrem SPBRG a bitem BRGH registru TXSTA. V´ ysledná rychlost (baud rate) je dána vzorcem: Asynchronn´ı pˇrenosová rychlost =

FOSC X(Y +1)

kde X je 16 (pˇri BRGH = 1) nebo 64 (BRGH = 0 ), Y je hodnota v registru SPBRG a FOSC je perioda extern´ıho oscilátoru.

4.2.3

Pˇ reruˇ sen´ı

Procesor PIC 16F874 nab´ız´ı 14 zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı. K nastaven´ı vlastnost´ı pˇreruˇsen´ı a jejich povolen´ı slouˇz´ı jednotlivé bity registru INTCON. Pouˇzité bity: Bit 7 GIE : 1 = povolen´ı vˇsech odmaskovan´ ych (povolen´ ych) pˇreruˇsen´ı, 0 = zákaz vˇsech pˇreruˇsen´ı Bit 6 PEIE : 1 = povolen´ı vˇsech odmaskovan´ ych pˇreruˇsen´ı od periféri´ı, 0 = zákaz vˇsech pˇreruˇsen´ı od periféri´ı Bit 5 T0IE : 1 = povolen´ı pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce TMR0, 0 = zákaz pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce TMR0 Bit 2 T0IF : 1 = pˇr´ıznak, ˇze registr TRM0 pˇretekl (jeho hodnota pˇrekroˇcila 255), 0 = registr nepˇretekl Pokud dojde k pˇreruˇsen´ı, nastav´ı se odpov´ıdaj´ıc´ı pˇr´ıznak do 1. Podle tohoto lze rozpoznat, která událost pˇreruˇsen´ı vyvolala. Po obslouˇzen´ı pˇreruˇsovac´ı rutiny (ˇca´st programu, která je volána pˇri vzniku pˇreruˇsen´ı) se mus´ı pˇr´ıznakové bity resetovat softwarovˇe, jinak by docházelo k opakovanému pˇreruˇsen´ı ihned po opuˇstˇen´ı této rutiny. Dokud nedojde k obslouˇzen´ı pˇreruˇsovac´ı rutiny je bit GIE resetován (automaticky mikroprocesorem). Teprve po opuˇstˇen´ı rutiny je tento bit opˇet nastaven (HW) a je povoleno dalˇs´ı pˇreruˇsen´ı.

4.2.4

A/D pˇ revodn´ık

A/D pˇrevodn´ık je souˇcást´ı procesoru PIC. K dispozici je 8 anologov´ ych pin˚ u: RA0-5, RE0-2 (4.5). K nastaven´ı A/D pˇrevodn´ıku slouˇz´ı registry ADCON0 a ADCON1. K nastaven´ı a spuˇstˇen´ı A/D pˇrevodu je potˇreba: 1. Nastaven´ı A/D modulu: • urˇcit hodiny pˇrevodu (registr ADCON0 ) • urˇcit jak´ y pin (kanál) se bude mˇeˇrit (ADCON0 ) • povolit A/D pˇrevod celkovˇe (ADCON0 ) • nastavit referenci (±) 2. Nastaven´ı pˇreruˇsen´ı:


55

Obrázek 4.5: Blokové schéma A/D pˇrevodn´ıku

• reset bitu ADIF (PIR1 ) • nastaven´ı bitu ADIE (PIE1 ) • nastavené bitu PEIE (INTCON ) • nastaven´ı bitu GIE (INTCON ) ˇ an´ı poˇzadovanou dobu pˇred zahájen´ım A/D pˇrevodu (cca 20µs) 3. Cek´ 4. Spuˇstˇen´ı pˇrevodu nastaven´ım bitu GO (ADCON0 ) ˇ an´ı na dokonˇcen´ı pˇrevodu (pˇreruˇsen´ı - ADIF) 5. Cek´ 6. Pˇreˇcten´ı v´ ysledku z registr˚ u ADRESH a ADRESL 7. Pro dalˇs´ı A/D pˇrevod se opakuje cel´ y cyklus: • od 1 - pokud chceme zmˇenit kanál (vstupn´ı pin, na kterém se mˇeˇr´ı napˇet´ı) • od 2 - pokud pin z˚ ustává stejn´ y Hodiny pˇrevodu (A/D conversion clock) pracuj´ı s danou periodou, která je odvozena od vnitˇrn´ıch hodin procesoru a je jejich násobkem. Perioda vnitˇrn´ıch hodin je TOSC = 41 periody krystalu = 0.2 µs. Nejmenˇs´ı moˇzn´ y ˇcas potˇrebn´ y k pˇrevodu jednoho bitu je TAD = 1.6 µs a jelikoˇz k dispozici jsou násobky 2 TOSC , 8 TOSC a 32 TOSC , pouˇzil jsem násobek posledn´ı. Urˇcen´ı vstupn´ıho pinu se provád´ı tˇremi bity CHS2:0 registru ADCON0. Nastaven´ı reference je dáno opˇet tˇremi bity. Urˇcuje se jimi, zda budou jako analogové vstupy pouˇzity vˇsechny analogové piny a zda bude referenˇcn´ı napˇet´ı dáno napájec´ım


56

(+5V a 0V) nebo zda bude dané hodnotami napˇet´ı na pinech RA3 (horn´ı referenˇcn´ı napˇet´ı) a RA2 (spodn´ı referenˇcn´ı napˇet´ı). Dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu je signalizováno pˇreruˇsen´ım (pokud je povoleno) a resetován´ım bitu GO (vˇzdy). V´ ysledná hodnota (10-ti bitové ˇc´ıslo) je uloˇzena ve dvou registrech. V prvn´ım z nich je uloˇzeno nejvyˇsˇs´ıch 8 bit˚ u a ve druhém zbylé 2 bity doplnˇené nulami. 10-ti bitov´ y A/D pˇrevodn´ık má nejmenˇs´ı d´ıl (rozd´ıl napˇet´ı, pˇri kterém rozpozná zmˇenu) dan´ y pod´ılem rozd´ılu referenˇcn´ıch napˇet´ı a poˇctem bit˚ u. V tomto pˇr´ıpadˇe 5−0 je to 210 = 0.00488 V = 4.88 mV .

4.2.5

ˇ Casovaˇ c a PWM

Následuje ˇreˇsen´ı PWM pro motory. Základem PWM je vnitˇrn´ı ˇcasovaˇc procesoru - registr, kter´ y pˇri pˇreteˇcen´ı5 vyvolá pˇreruˇsen´ı. Dobu, za kterou k pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce dojde jsem zvolil 0.1 ms. Tento minimáln´ı ˇcas je potˇreba pro ˇr´ızen´ı servomotoru. Hodnota ˇcasovaˇce je dána registrem TMR0, to znamená 8 bit˚ u a maximáln´ı decimáln´ı hodnota je tedy 255. Frekvence pˇreruˇsen´ı je dána: 1. hodnotou v registru TMR0 2. frekvenc´ı extern´ıho krystalu procesoru 3. pˇreddˇeliˇckou Frekvence extern´ıho krystalového oscilátoru je 20MHz. Tento kmitoˇcet je pro vnitˇrn´ı ˇcasován´ı procesoru vydˇelen ˇctyˇrmi. Dále jde nastavit, tzv. pˇreddˇeliˇcka, d´ıky které m˚ uˇzeme frekvenci jeˇstˇe sn´ıˇzit. Jej´ı hodnota se nastavuje bity PS2:PS0 registru OPTION REG. Moˇzné hodnoty pˇreddˇeliˇcky jsou v tabulce 4.2. Hodnoty bit˚ u PS2:PS0 Hodnota pˇreddˇeliˇcky 000 001 010 011 100 101 110 111

1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 1:128 1:256

Tabulka 4.2: Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇcasovaˇce procesoru

Abych dosáhl v´ ysledné hodnoty ˇcasu 0.1ms je pˇreddˇeliˇcka nastavena na pomˇer 1:4 a poˇcáteˇcn´ı hodnota v registru TMR0 na 131, takˇze se mˇen´ı jen od 131 do 256, to znamená 125 inkrementac´ı. Tato hodnota se mus´ı pˇri kaˇzdém pˇreruˇsen´ı do registru TMR0 opˇet ukládat. V´ ysledkem je frekvence: 5

Hodnota, kter´ a m´ a b´ yt uloˇzena je vˇetˇs´ı neˇz pamˇet’ pˇridˇelená ˇcasovaˇci.


57 2.107 4.4.125

= 1.104

1 1.104

= 0.1 ms

1 s

a perioda pˇreruˇsen´ı:

Generov´ an´ı PWM Pˇri kaˇzdém pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce je zv´ yˇsena o jedniˇcku promˇenná (registr) Count TMR0 a v kaˇzdém cyklu hlavn´ıho programu je porovnávána s dvˇemi hodnotami. Prvn´ı je poˇzadovaná délka impulsu (T1 ), druhou je poˇzadovaná perioda v´ ysledného PWM signálu (T2 ). Pokud je Count TMR0 mezi 0 a T1 , pak je v´ ysledkem hodnota 1. Pokud je mezi T1 a T2 , pak je hodnota PWM 0. Hodnota T2 je pevnˇe daná, jak pro stejnosmˇern´ y motor, tak i pro servo motor a je T2 = 200. T´ım je dána perioda PWM 20ms (frekvence 50Hz). Hodnota T1 je, bud’ z´ıskána z pˇrijatého paketu z poˇc´ıtaˇce (v reˇzimu ruˇcn´ıho ˇr´ızen´ı) nebo z ˇcásti programu, která zpracovává informaci z ˇcidel (v automatickém reˇzimu). Dalˇs´ı moˇznost´ı jak ˇreˇsit PWM v mikroprocesoru je pouˇzit´ı vnitˇrn´ı PWM jednotky, ale frekvence, kterou bych t´ım dostal, je pˇr´ıliˇs veliká.

4.2.6

Struktura programu pro DP

Blokové schéma programu obsahuj´ıc´ı hlavn´ı ˇcásti je na obrázku 4.6. Program se skládá z osmi hlavn´ıch procedur.

Obrázek 4.6: Blokové schéma programu pro PIC

Program pro mikroprocesor zaˇc´ıná nastaven´ım formátu souboru v´ ypisu pˇrekladu zdrojového kódu a vloˇzen´ım souboru *.inc s definic´ı hardware procesoru. Dále se definuj´ı odskoky do ˇcást´ı programu, které ˇreˇs´ı restart (Start) a pˇreruˇsen´ı (IntProc) procesoru. Po tˇechto nutn´ ych kroc´ıch následuje samotn´ y program sestávaj´ıc´ı se z tˇechto ˇcást´ı:


58

Definice promˇ enn´ ych Definic´ı promˇenn´ ych je myˇsleno pˇridˇelen´ı symbolick´ ych jmen m´ıst˚ um (byt˚ um) v pamˇeti mikroprocesoru. K tomuto je moˇzno vyuˇz´ıt 96 byt˚ u v bance 0, 80 byt˚ u v bance 1 a shodnˇe 96 byt˚ u v bankách 2 a 3. Procedura Start V této ˇcásti jsou promˇenn´ ym (registr˚ um) pˇriˇrazeny hodnoty, napˇr. pro poˇcáteˇcn´ı natoˇcen´ı servomotoru (neutráln´ı poloha), pro poˇcáteˇcn´ı stav stejnosmˇerného motoru (zastaven), atd. Dále se nastavuj´ı speciáln´ı funkˇcn´ı registry, napˇr.: • TXSTA, RXSTA - povolen´ı RS232 (pˇrijem, vys´ılán´ı), povolen´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıjmu dat • SPBRG - nastaven´ı pˇrenosové rychlosti na 57.6kbps • PIE1, INTCON - povolen´ı pˇreruˇsen´ı pˇri dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu • ADCON0, ADCON1 - nastaven´ı a povolen´ı A/D pˇrevodu • TRISA, B, C - povolen´ı a nastaven´ı analogov´ ych vstup˚ u • PORTA, B, C - povolen´ı a nastaven´ı digitáln´ıch vstup˚ u a v´ ystup˚ u Touto ˇcást´ı program zaˇc´ıná - volá se vˇzdy po restartu procesoru a pˇri v´ yskytu chyby v komunikaci (v´ıce v ˇcásti ˇreˇsen´ı chybov´ ych stav˚ u). Procedura Main Tato ˇcást následuje ihned po skonˇcen´ı procedury Start. Je to hlavn´ı smyˇcka programu, která volá procedury BT Comd a BT Event, ze kter´ ych jsou volány jiˇz vˇsechny zb´ yvaj´ıc´ı procedury kromˇe IntProc, která je volána pouze pˇri vzniku pˇreruˇsen´ı. BT Comd a BT Event jsou volány v závislosti na stavu bitu Transmit pomocného registru Proces. Dále se v této ˇcásti programu volá procedura SS Routine, která “ˇr´ıd´ı” v´ ystupn´ı piny mikroprocesoru pro ˇr´ızen´ı stejnosmˇerného motoru. Procedury BT Comd a BT Event BT Comd slouˇz´ı ke komunikaci smˇerem k Bluetooth modulu pˇres rohran´ı RS232 - pos´ılá pakety (HCI pˇr´ıkazy a HCI data). BT Event slouˇz´ı ke komunikaci smˇerem od Bluetooth modulu - zpracovává pˇrijaté pakety (HCI události a HCI data). Kaˇzdému HCI pˇr´ıkazu odpov´ıdá specifická HCI událost. Program po odeslán´ı pˇr´ıkazu nebo dat ˇceká na specifick´ y paket dané délky. Prvn´ım pˇr´ıkazem je Reset, následuje Set Event Filter, Write Page Scan Acitvity, Write Inquiry Scan Activity a Scan Enable, které jsou potˇreba pro navázán´ı spojen´ı s Bluetooth modulem a jeho nastaven´ı jako Slave. Na kaˇzd´ y z tˇechto pˇr´ıkaz˚ u Bluetooth modul odpov´ı událost´ı Command Complete. Po odeslán´ı tˇechto 5 pˇr´ıkaz˚ u se


59

program nacház´ı v tzv. pohotovostn´ım stavu, kdy ˇceká na událost Connection Complete, která signalizuje vytvoˇren´ı spojen´ı se vzdálen´ ym Bluetooth modulem (u PC). Ve stavu “Spojen´ı” se periodicky opakuje ˇcekán´ı mikroprocesoru na datov´ y paket, odeslán´ı datového paketu s odpovˇed´ı (Data ACK) a nakonec pˇrijet´ı události Number Of Completed Packets, která potvrzuje u ´spˇeˇsné odeslán´ı datového paketu. Toto se opakuje, dokud trvá spojen´ı mezi obˇema Bluetooth moduly, tzn. dokud nedojde k chybˇe spojen´ı nebo Bluetooth Master nezaˇsle událost Disconnection Complete znamenaj´ıc´ı ukonˇcen´ı spojen´ı. Celkové schéma komunikace je na obr. 4.7. Pˇresn´ y popis paket˚ u vymˇenˇen´ ych v rámci komunikace mikroprocesoru s Bluetooth modulem je uveden v pˇr´ıloze.

Obrázek 4.7: Schéma komunikace mezi procesorem a Bluetooth modulem Pakety se pos´ılaj´ı byte po bytu nahráván´ım do registru TXREG a ˇctou podob´ ym zp˚ usobem, tedy opˇet byte po bytu, tentokrát z registru RXREG. Procedura User Mode Tato ˇcást programu je volána z procedury BT Event v pˇr´ıpadˇe, ˇze pˇrijat´ y byte v datovém paketu obsahuje informaci o tom, ˇze se ˇr´ızen´ı modelu nacház´ı v uˇzivatelském reˇzimu (nastavuje se v aplikaci v PC). Pokud je zavolána, zpracuje se pˇrijat´ y byte - hodnoty pro PWM servomotoru a stejnosmˇerného motoru jsou zapsány do pˇr´ısluˇsn´ ych pomocn´ ych registr˚ u.


60

Procedura Auto Mode Tato procedura se volá v opaˇcném pˇr´ıpadˇe neˇz User mode a je opˇet volána z procedury BT Event. V tomto pˇr´ıpadˇe je pˇrijat´ y byte zapomenut a hodnoty PWM pro oba motory jsou nastaveny na základˇe informac´ı z optick´ ych ˇcidel. Samotné ˇr´ızen´ı motor˚ u je ˇreˇseno v ˇcásti IntProc. Procedura IntProc Pˇri vzniku pˇreruˇsen´ı se volá blok IntProc, kter´ y obsahuje ˇreˇsen´ı konkrétn´ı pˇr´ıˇciny pˇreruˇsen´ı. Pˇreruˇsen´ı m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobeno ˇcasovaˇcem (kaˇzd´ ych 0.1ms), A/D pˇrevodn´ıkem nebo pˇrijat´ ym bytem. V pˇr´ıpadˇe pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce se generuje PWM pro oba motory (z d˚ uvodu pˇresnosti, obzvláˇstˇe pro servomotor) a také se kaˇzd´ ych 25ms spouˇs´ı A/D pˇrevod. Pˇreruˇsen´ı vzniklé A/D pˇrevodem znamená, ˇze je pˇrevod hotov a je potˇreba v´ ysledek uloˇzit a zpracovat, neˇz se spust´ı dalˇs´ı pˇrevod. Pˇri pˇreruˇsen´ı od sériového rozhran´ı (pˇr´ıjem) se naˇcte pˇrijat´ y byte do jednoho z 25 pˇripraven´ ych registr˚ u. Kaˇzd´ y paket je ukládán samostatnˇe pro lepˇs´ı kontrolu pˇr´ıpadné chyby. V pˇr´ıpadˇe správnosti celého paketu dojde k vynulován´ı vˇsech 25 registr˚ u a dalˇs´ı pˇrijat´ y byte je jiˇz ukládán do 1. registru. Bˇehem v´ yskytu programu v ˇcásti IntProc nedocház´ı k jinému pˇreruˇsen´ı a program, tzv. “ˇceká” v hlavn´ı smyˇcce na obslouˇzen´ı této procedury.

4.2.7

Struktura programu pro BTRC

Struktura programu pro ˇr´ızen´ı mobiln´ım telefonem (obr. 4.8) je velmi podobná té, kdy je ˇr´ızena poˇc´ıtaˇcem. Samozˇrejmˇe chyb´ı procedura Auto mode, protoˇze v této práci je pouze “ruˇcn´ı” reˇzim.

Obrázek 4.8: Struktura programu pro BTRC

Zásadn´ı rozd´ıl je v komunikaci s Bluetooth modulem, kdy komunikace mikro-


61

procesor - Bluetooth Slave z˚ ustává na u ´rovni HCI vrstvy, ale komunikace Bluetooth Master - mobiln´ı telefon prob´ıhá na vrstvˇe L2CAP a t´ım je ovlivnˇena i komunikace HCI. Zat´ımco pˇri komunikaci s poˇc´ıtaˇcem jsme Bluetooth Slave nastavovali pˇeti HCI pˇr´ıkazy, v tomto pˇr´ıpadˇe ho nastavujeme dvˇema - HCI Reset a HCI Set Event Filter. Dalˇs´ı v´ yrazná zmˇena je pˇri vytváˇren´ı spojen´ı. Zat´ımco u DP pˇriˇsla pouze událost Connection Complete, v tomto pˇr´ıpadˇe se mus´ı do vytvoˇren´ı spojen´ı zapojit i jednotka Bluetooth Slave (obr. 4.9). V´ ymˇena dat z˚ ustává stejná, jen sloˇzen´ı a délka datového paketu je jiná.

Obrázek 4.9: Schéma komunikace mezi procesorem a Bluetooth modulem

Pˇresn´ y popis paket˚ u vymˇenˇen´ ych v rámci komunikace mikroprocesoru s Bluetooth modulem je uveden opˇet v pˇr´ıloze.

4.2.8

Oˇ setˇ ren´ı chybov´ ych stav˚ u

Oˇsetˇren´ım chybov´ ych stav˚ u je myˇsleno oˇsetˇren´ı chyb, které mohou vzniknout mezi procesorem a Bluetooth modulem pˇri komunikaci po RS232. Chyby mohou b´ yt rozdˇeleny do 2 skupin: 1. byl pˇrijat správn´ y poˇcet byt˚ u, ale nesprávného obsahu

4.3 Poˇ c´ıtaˇ c

62

2. do daného ˇcasového okamˇziku nebyl pˇrijat správn´ y poˇcet byt˚ u Prvn´ı moˇznost´ı je myˇslen pˇr´ıpad, kdy pˇr´ıjde událost, která nese informaˇcn´ı byte Status, kter´ y pokud je r˚ uzn´ y od 0x00 znamená, ˇze doˇslo k chybˇe. Moˇznost, ˇze by dorazil zcela jin´ y paket neˇz se oˇcekává je témˇeˇr nemoˇzné, Bluetooth jednotka poˇsle paket pouze jako odpovˇed’ na nˇejak´ y podnˇet (HCI pˇr´ıkaz nebo HCI data), kter´ y dostane bud’ od mikroprocesoru nebo od vzdálené Bluetooth jednotky. Protoˇze je komunikaˇcn´ı protokol pevnˇe definován, stejnˇe jako pˇr´ıkazy, které zas´ılá poˇc´ıtaˇc, nem˚ uˇze doj´ıt k pˇr´ıjet´ı “neˇcekaného” paketu. Druhou moˇznost´ı je, ˇze vyprˇsel definovan´ y ˇcas na pˇrijet´ı paketu. Tento ˇcas je dvoj´ıho typu: • mikroprocesor odeˇsle pˇr´ıkaz nebo data a ˇceká na událost od Bluetooth Slave tento ˇcas m˚ uˇze b´ yt velmi krátk´ y • mikroprocesor ˇceká na data od Bluetooth Slave (Master) - tento ˇcas je dán periodicitou zas´ılán´ı datov´ ych paket˚ u z poˇc´ıtaˇce V prvém pˇr´ıpadˇe vzniklá chyba znamená chybu pˇri komunikaci s jednotkou Bluetooth Slave - je potˇreba zaslat pˇr´ıkaz HCI Reset, tedy zavolat znovu proceduru Start. V druhém pˇr´ıpadˇe vzniklá chyba znamená chybu v komunikaci se vzdálen´ ym zaˇr´ızen´ım. D˚ usledek je stejn´ y - opˇet se volá procedura Start.

4.3

Poˇ c´ıtaˇ c

ˇ ıdic´ı software pro poˇc´ıtaˇc se t´ R´ yká projektu DP. Jeho c´ılem je ovládán´ı modelu auta s moˇznost´ı pˇrepnut´ı do reˇzimu, kdy mikroprocesor pˇrij´ımá ˇr´ıdic´ı pakety z PC, ale rozhoduje se o pohybu na základˇe informace pˇrijaté z optick´ ych ˇcidel. Tyto dva zp˚ usoby ˇr´ızen´ı m˚ uˇzeme rozdˇelit na ruˇcn´ı a automatick´ y reˇzim ˇr´ızen´ı. Aplikace je napsaná v Borland C++ Builderu verze 5 a je j´ı moˇzné spustit v systému Microsoft Windows 95 a vyˇsˇs´ım. Po spuˇstˇen´ı souboru aplikace.exe se objev´ı hlavn´ı okno programu (obr. 4.10). Aplikace komunikuje s Bluetooth modulem pomoc´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce. Zp˚ usob˚ u pˇr´ıstup˚ u na sériov´ y port je v´ıce, záleˇz´ı na zvoleném programovac´ım prostˇred´ı a operaˇcn´ım systému. Pro nezávislost na verzi operaˇcn´ıho systému Windows jsem pouˇzil ˇreˇsen´ı pˇr´ıstupu na hardwarov´ y blok pomoc´ı aplikaˇcn´ıho rozhran´ı daného operaˇcn´ıho systému. Operaˇcn´ı systém je multitaskingov´ y - jednotlivé procesy mohou pracovat paralelnˇe. Ve WIN32 je na sériov´ y port po jeho otevˇren´ı hledˇeno jako na soubor, kter´ y je otevˇren pro ˇcten´ı i pro zápis. O komunikaci se sériov´ ym portem se tedy stará jeden konkrétn´ı proces (samostatnˇe bˇeˇz´ıc´ı vlákno aplikace). V´ıce o zp˚ usobech pˇr´ıstupu k port˚ um najdeme v [7], [8] nebo [9].


63

Obrázek 4.10: Hlavn´ı okno aplikace

4.3.1

Pr´ ace s programem

Pˇred samotn´ ym pouˇz´ıván´ım aplikace, tzn. pˇred zapoˇcet´ım práce s pˇripojen´ ym Bluetooth modulem, je potˇreba zkontrolovat, zda jsou nastavené hodnoty pˇrenosové rychlosti a sériového portu správné. Automaticky je nastaven port COM1 a 57600 kbps. Tyto parametry lze zmˇenit v menu, stisknut´ım záloˇzky Nastaven´ı - Sériová linka - Port nebo Baud rate a v´ ybˇerem odpov´ıdaj´ıc´ı hodnoty. V menu se lze pohybovat i klávesov´ ymi zkratkami. Dalˇs´ı nastavitelnou poloˇzkou je perioda vys´ılán´ı, která urˇcuje jak ˇcasto PC pos´ılá po pˇripojen´ı data mikroprocesoru. Základn´ı nastaven´ı je 100ms. Samotná práce s Bluetooth modulem zaˇc´ıná otevˇren´ım zvoleného sériového portu. K dispozici jsou tlaˇc´ıtka Reset a Nastaven´ı Mastera. Stiskem tlaˇc´ıtka Reset dojde k zaslán´ı HCI pˇr´ıkazu Reset do Bluetooth modulu. Pokud nen´ı chyba v komunikaci dojde po kliknut´ı na tlaˇc´ıtko Nastaven´ı Mastera k povolen´ı tlaˇc´ıtka Inquiry a zároveˇ n k zobrazen´ı BD adresy pˇripojeného Bluetooth modulu ( obr. 4.11a). Stisk tlaˇc´ıtka Inquiry zp˚ usob´ı vyhledávan´ı okoln´ıch aktivn´ıch zaˇr´ızen´ı Bluetooth. Vˇsechna dostupná zaˇr´ızen´ı se objev´ı v oknˇe Dostupn´ a Bluetooth zaˇr´ızen´ı (obr. 4.12). Program je pˇrizp˚ usoben 5-ti nov´ ym zaˇr´ızen´ım a vˇzdy ukáˇze BD


64

Obrázek 4.11: Informace o pˇripojeném (a) a vzdáleném (b) Bluetooth modulu

Obrázek 4.12: Informace o nalezen´ ych Slave zaˇr´ızen´ıch

adresy nalezen´ ych zaˇr´ızen´ı pro jejich snaˇzˇs´ı rozpoznán´ı. Spojen´ı s dan´ ym Bluetooth zaˇr´ızen´ım se vytvoˇr´ı jeho vybrán´ım z Checkboxu a stiskem tlaˇc´ıtka Vytvoˇrit spojen´ı. Pokud vˇsechny pˇr´ıkazy spouˇstené stisky tlaˇc´ıtek probˇehnou u ´spˇeˇsnˇe, objev´ı se zelen´ y nápis OK, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe ˇcerven´ y nápis KO.

4.3.2

Komunikace s modelem auta

Po vytvoˇren´ı spojen´ı mezi obˇema Bluetooth moduly se v oknˇe Informace o vzd´ aleném Bluetooth zaˇr´ızen´ı objev´ı BD adresa vzdáleného Bluetooth a jeho hodinov´ y offset (obr. 4.11b) a program zaˇcne zas´ılat v pravideln´ ych ˇcasov´ ych intervalech datov´ y paket, obsahuj´ıc´ı aktuáln´ı informaci o stavu ˇr´ızen´ı, tedy: • o reˇzimu ˇr´ızen´ı (ruˇcn´ı / auto) • o pokynech j´ızdy vpˇred a vzad (3 r˚ uzné rychlosti obˇema smˇery + stán´ı) • o pokynech zatáˇcen´ı (2 smˇery natoˇcen´ı pˇredn´ı nápravy + rovnˇe) Samotné ovládán´ı modelu auta a pˇrep´ınán´ı mezi reˇzimy se nacház´ı v oknˇe Ovl´ adán´ı modelu auta (obr. 4.13). Pokud je model v automatickém reˇzimu, je zobrazen obrázek auta s dráhou. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe poˇc´ıtaˇc, kter´ y signalizuje reˇzim ruˇcn´ıho ˇr´ızen´ı.


65

Obrázek 4.13: Okno ovládán´ı modelu auta

Ovládát lze panel ˇr´ızen´ı, bud’ pomoc´ı myˇsi nebo klávesov´ ych zkratek. Mikroprocesor v odpovˇedi na tento datov´ y paket reaguje zaslán´ım datového paketu nesouc´ıho informaci o stavu nabit´ı akumulátoru a stavu trojice ˇcidel (okna Napˇet´ı akumul´ ator˚ u a Stav optických ˇcidel ). Mimo to se program dotazuje pˇripojeného Bluetooth modulu na kvalitu vytvoˇreného spojen´ı a pˇrijatou informaci ukazuje v oknˇe Kvalita spojen´ı (4.14).

Obrázek 4.14: Informace o napˇet´ı akumulátor˚ u, stavu optick´ ych ˇcidel a kvality spojen´ı

Ukonˇcit vytvoˇrené spojen´ı lze dvˇema zp˚ usoby: • stiskem tlaˇc´ıtka Rozpojen´ı - dojde k zaslán´ı pˇr´ıkazu Disconnect • zavˇren´ım aplikace - dojde k zaslán´ı HCI pˇr´ıkazu Disconnect, k uzavˇren´ı portu a zavˇren´ı aplikace Veˇskerá komunikace po sériové lince je pr˚ ubˇeˇznˇe zobrazována v oknech Poslané byty a Pˇrijaté byty (obr. 4.15).


66

Obrázek 4.15: Informace o odeslan´ ych a pˇrijat´ ych paketech

4.3.3

Oˇ setˇ ren´ı chybov´ ych stav˚ u

Chybové stavy m˚ uˇzeme rozdˇelit na 2 skupiny: 1. Chyby bˇehem komunikace poˇc´ıtaˇce s pˇripojen´ ym Bluetooth modulem bˇehem navazován´ı spojen´ı. 2. Chyby bˇehem komunikace Bluetooth modul˚ u bˇehem vytvoˇreného spojen´ı. Prvn´ı chybu poznáme po stisku tlaˇc´ıtka, kdy se objev´ı ˇcerven´ y nápis KO - znamená to, ˇze je chyba v komunikaci s Bluetooth modulem a je potˇreba zaslat Reset. Pokud ani toto nepom˚ uˇze, je jedin´ ym ˇreˇsen´ım HW Reset, pˇr´ıpadnˇe vypnut´ı a opˇetovné zapnut´ı Bluetooth modulu. Tato situace m˚ uˇze nastat v pˇr´ıpadˇe, ˇze Bluetooth modul po RS232 pˇrijme paket, kterému nerozum´ı, tedy napˇr. pokud nastav´ıme odliˇsnou pˇrenosovou rychlost oproti nastavené v Bluetooth modulu. Druh´ ym chybov´ ym stavem je pˇreruˇsen´ı spojen´ı mezi Bluetooth moduly. Rozpoznáme ji ve chv´ıli, kdy aplikace stále pos´ılá datov´ y paket, ale nepˇricház´ı odpovˇed’. Zp˚ usobit to m˚ uˇze chyba v komunikaci s pˇripojen´ ym Bluetooth modulem, popˇr. poodjet´ı modelu auta z dosaˇzitelné vzdálenosti - dojde k pˇreruˇsen´ı spojen´ı. Program v mikroprocesoru v takovém pˇr´ıpadˇe po urˇcité dobˇe zinicializuje Bluetooth Slave a “pˇriprav´ı” ho k dalˇs´ımu spojen´ı. Aplikace nahlás´ı chybu spojen´ı a je potˇreba znovu zopakovat postup navázán´ı spojen´ı s Bluetooth modulem u poˇc´ıtaˇce.

Kapitola 5 Z´ avˇ er Tato diplomová práce zahrnuje práci na dvou projektech souˇcasnˇe. Hlavn´ım projektem byla samotná diplomová práce na katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky, vedlejˇs´ım byl projekt pro V´ yzkumné a v´ yvojové centrum v Praze. Rozd´ıl mezi obˇema projekty byl v pouˇzit´ı ˇr´ıdic´ıho systému. V prvém pˇr´ıpadˇe je pouˇzit poˇc´ıtaˇc pˇripojen´ y k Bluetooth modulu, v druhém mobiln´ı telefon Nokia 6600. Hlavn´ım pˇr´ınosem druhého projektu je demonstrace zp˚ usobu navázán´ı spojen´ı mikroprocesor - Bluetooth modul - mobiln´ı telefon a jejich vzájemné komunikace. Práci na obou projektech lze rozdˇelit na hardwarovou a softwarovou ˇcást. V hardwarové ˇcásti byla navrˇzena a realizována elektronika v obou modelech automobilu vˇcetnˇe ˇr´ıdic´ıho systému. V softwarové ˇcásti byl vytvoˇren program pro mikroprocesor pro oba projekty a byla naprogramována ˇr´ıdic´ı aplikace pro poˇc´ıtaˇc. Hardwarová ˇcást se skládala z elektrické a mechanické ˇcásti. V elektrické ˇcásti jsem se nejdˇr´ıve zab´ yval komunikac´ı Bluetooth modulu s poˇc´ıtaˇcem pˇres RS232 a vzájemnou komunikac´ı mikroprocesoru s Bluetooth modulem. Dále jsem navrhl zapojen´ı elektroniky potˇrebné pro vzájemnou komunikaci a ovládán´ı periféri´ı mikroprocesorem (motory, ˇcidla, ...). Do mechanické ˇcásti patˇr´ı u ´prava pˇredn´ı nápravy pro proporcionáln´ı ˇr´ızen´ı, um´ıstˇen´ı servomotoru, náhrada p˚ uvodn´ı desky ploˇsn´ ych spoj˚ u za novˇe navrˇzenou a pˇrichycen´ı desky s ˇcidly k podvozku automobilu. Softwarová ˇcást se skládá ze dvou program˚ u. Prvn´ı z nich, program pro mikroprocesor, je napsán ve dvou verz´ıch. Prvá pro komunikaci s poˇc´ıtaˇcem, druhá pro komunikaci s mobiln´ım telefonem. Druh´ ym programem je aplikace pro poˇc´ıtaˇc zajiˇst’uj´ıc´ı komunikaci s pˇripojen´ ym i vzdálen´ ym Bluetooth modulem a umoˇzn ˇuj´ıc´ı pˇrenos uˇzivatelsk´ ych poˇzadavk˚ u. Rychlost pˇrenosu informace mezi ˇr´ıdic´ım systémem a modelem automobilu je dostateˇcná, celková doba jednoho komunikaˇcn´ıho cyklu je kratˇs´ı neˇz 100ms a lze tedy tento zp˚ usob ˇr´ızen´ı povaˇzovat za ˇ r´ızen´ı v re´ aln´ em ˇ case.

67

Literatura [1] Vacek, V.: Uˇcebnice programov´ an´ı PIC . Vydavatelstv´ı BEN - technická literatura, Praha 2002. ˇej Vysoky ´, CSc.: Elektronické systémy II . Vydavatelstv´ı [2] Doc.Ing.Ondr ˇ CVUT, Praha 1999. ˇ ć ˇek, M.: Elektrick´ [3] Haasz, V., Sedla a mˇeˇren´ı. Vydavatelstv´ı CVUT, Praha 1998. ˇ [4] Foit, J., Hudec, L.: Souˇc´ astky modern´ı elektroniky. Vydavatelstv´ı CVUT, Praha 1998. ´hlava, V.: OrCad 10 . Vydavatelstv´ı Grada Publishing, a.s., Praha 2004. [5] Za ˇ [6] Jelen, J.: Fyzika II . Vydavatelstv´ı CVUT, Praha 1998. ćlav: Sériová komunikace ve WIN32 . Vydavatelstv´ı BEN, Praha [7] Vacek, Va 2003. [8] Matouˇ sek, David: C++ Builder vývojové prostˇred´ı 3.d´ıl . Vydavatelstv´ı BEN, Praha 2003. [9] Markus, Linke: Visual Basic 5 . Vydavatelstv´ı Grada Publishing, Praha 1998. [10] The Offical Bluetooth Membership Site: http://www.bluetooth.org [11] Microchip Technology Inc.: http://www.microchip.com [12] Lablink: http://dce.felk.cvut.cz/lablink/main.php [13] ZigBee Alliance: http://www.zigbee.org [14] Wi-Fi Alliance: http://www.wi-fi.org ˇ ´ sdruˇ [15] Ceskoslovensk e zen´ı uˇ zivatel˚ u TeXu: http://www.cstug.cz/

68

Dodatek A Struktura pˇ riloˇ zen´ eho CD ROM Pˇriloˇzen´ y CD ROM v jednotliv´ ych sloˇzkách obsahuje:

Obrázek A.1: Schéma zapojen´ı elektroniky pro DP

Diplomov´ a pr´ ace – Tato diplomová práce ve formátu PDF. Manu´ aly – Dokumentace k pouˇz´ıvanému hardwaru a softwaru ve formátu PDF. Obr´ azky, videa – Veˇskeré pouˇzité obrázky ve formátech PNG a JPG. Projekty – Kompletn´ı projekt pro mikroprocesor v prostˇred´ı MPLAB, kompletn´ı projekt aplikace pro poˇc´ıtaˇc a mobiln´ı telefon, deska ploˇsn´ ych spoj˚ u v programu OrCad.

69

Dodatek B Realizace v´ ysledn´ e desky Schéma zapojen´ı elektroniky projektu DP je na obr. B.1.

Obrázek B.1: Schéma zapojen´ı elektroniky pro DP

70

71

Obrázek B.2: Rozm´ıstˇen´ı souˇcástek Schéma zapojen´ı elektroniky projektu BTRC je na obr. B.3.

Obrázek B.3: Schéma zapojen´ı pˇr´ıdavné elektroniky pro BTRC

Dodatek C Komunikace RS232 Projekt DP Zachycená komunikace bˇehem inicializace a následné komunikace s Bluetooth modulem ************************************************************* Parametrizace Master ************************************************************* 01 05 10 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 0510 - OpCode: Read buffer size, 00 - délka parametr˚ u: 0 byt˚ u 04 0E 0B 01 05 10 00 C0 00 40 08 00 08 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 0B - délka parametr˚ u: 11 byt˚ u, 0510 - OpCode: Read Buffer Size, 00 - Status: OK, C000 - délka datového paketu HC ACL: 192 byt˚ u, 40 - délka datového paketu HC SCO, 0800 - celkov´ y poˇcet HC ACL datov´ ych paket˚ u: 8, 0800 - celkov´ y poˇcet HC SCO datov´ ych paket˚ u: 8 01 09 10 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 0910 - OpCode: Read BD ADDR, 00 - délka parametr˚ u: 0 byt˚ u 04 0E 0A 01 09 10 00 6C 40 60 06 00 08 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 0A - délka parametr˚ u: 10 byt˚ u, 0109 - OpCode: Read BD ADDR, 00 - Status: OK. 6C4060060008 - BD ADDR

************************************************************* Parametrizace Slave ************************************************************* 01 05 0C 03 02 00 02 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 050C - OpCode: HCI Set Event Filter, 03 - délka parametr˚ u: 3 byty, 02 - typ filtru: nastaven´ı spojen´ı, 00 - typ podm´ınky filtru Inquiry Result: nové zaˇr´ızen´ı odpov´ıdá na inquiry, 02 - typ filtru Connection Setup: povoleni spojeni 72

73

se zaˇr´ızen´ım se specif. BD ADDR 04 0E 04 01 05 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 01 - poˇcet HCI paket˚ u: 1, 050C - OpCode: HCI Set Event Filter, 00 - Status: OK 01 1C 0C 04 40 00 20 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 1C0C - OpCode: Write Page Scan Activity, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 4000 - interval Page skenu: 64 x 0.625ms = 40ms, 2000 - interval Page okna: 32 x 0.625ms = 20ms 04 0E 04 01 1C 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 01 - poˇcet HCI paket˚ u: 1, 1C0C - OpCode, 00 - Status: OK 01 1E 0C 04 40 00 20 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 1E0C - OpCode: Write Inquiry Scan Activity, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 4000 - interval Inquiry skenu: 64 x 0.625ms = 40ms, 2000 - interval Inquiry okna: 32 x 0.625ms = 20ms 04 0E 04 01 1E 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 01 - poˇcet HCI paket˚ u: 1, 1E0C - OpCode, 00 - Status: OK 01 1A 0C 01 03 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 1A0C - OpCode: Write Scan Enable, 01 - délka parametr˚ u: 1 byte, 03 - povolen0 skenu: Inquiry a Page skeny povoleny 04 0E 04 01 1A 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 01 - poˇcet HCI paket˚ u: 1, 1A0C - OpCode, 00 - Status: OK

************************************************************* Master vyhledává zaˇr´ızen´ı pomoc´ı pˇr´ıkazu Inquiry ************************************************************* 01 01 04 05 33 8B 9E 0A 08 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 050C - OpCode: HCI Inquiry, 05 - délka parametr˚ u: 5 byt˚ u, 338B9E - LAP, 0A - délka Inquiry: 10 x 1.28 = 12.8s, 08 - poˇcet zaˇr´ızen´ı, od kter´ ych ’ Master pˇrijme odpovˇed na Inquiry : 8 04 0F 04 00 01 01 04 04 02 0F 01 B2 A1 5E 06 00 08 01 00 00 00 00 00 0E 16 04 01 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Status Event, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 00 - Status: OK, 01 - poˇcet HCI paket˚ u: 1, 01 04 - OpCode, 04 oznaˇcen´ı události, 02 - typ události: Inquiry Result, 0F - délka parametr˚ u: 15, 01 poˇcet zaˇr´ızen´ı, která odpovˇedˇela na Inquiry, B2 A1 5E 06 00 08 - BD ADDR: 08 00 06 5E A1 B2, 01 - reˇzim opakován´ı Page skenu: R1, 00 - reˇzim periody Page skenu: P0, 00 - reˇzim Page skenu: hlavn´ı sken, 00 00 00 - tˇr´ıda zaˇr´ızen´ı, 0E 16 - hodinov´ y ofset: 16 0E, 04 - oznaˇcen´ı události, 01 - typ události: Inquiry Complete, 01 - délka

74

parametr˚ u, 00 - Status: OK

************************************************************* Master zaˇsle pˇr´ıkaz na vytvoˇren´ı spojen´ı - reakce na stranˇe Master ************************************************************* 01 05 04 0D B2 A1 5E 06 00 08 18 CC 00 00 0E 96 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 0504 - OpCode: Create Connection, 0D - délka parametr˚ u: 13 byt˚ u, B2 A1 5E 06 00 08 - BD adresa zaˇr´ızen´ı: 08 00 06 5E A1 B2, 18 CC - typ paketu, 00 -reˇzim opakován´ı Page skenu: R0, 00 - reˇzim Page skenu: hlavn´ı, 0E 96 - hodinov´ y ofset: 96 0E, 00 - povolen´ı zámˇeny rol´ı 04 0F 04 00 01 05 04 04 03 0B 00 28 00 B2 A1 5E 06 00 08 01 00 04 1B 03 28 00 05 04 - oznaˇcen´ı události, 0F - typ události: Command Status Event, 04 - délka parametr˚ u: 4 byty, 00 - Status: OK, 01 - poˇcet paket˚ u HCI pˇr´ıkaz˚ u, 05 04 - OpCode Create Connection, 04 - oznaˇcen´ı události, 03 - typ události - Connection Complete, 0B - délka parametr˚ u: 11, 00 - Status: OK, 28 00 - Connection Handle, B2 A1 5E 06 00 08 - BD adresa, 01 - typ vytvoˇreného spojen´ı: ACL, 00 - reˇzim kódován´ı: zakázán, 04 - oznaˇcen´ı události, 1B - typ události: maximáln´ı zmˇena rámc˚ u, 03 délka parametr˚ u, 28 00 - Connection Handle, 05 - LMP Max Slots: mohou b´ yt 1,3 i 5

************************************************************* Master zaˇsle pˇr´ıkaz na vytvoˇren´ı spojen´ı - reakce na stranˇe Slave ************************************************************* 04 03 0B 00 28 00 B2 A1 5E 06 00 08 01 00 04 1B 03 28 00 05 04 - oznaˇcen´ı události, 03 - typ události: Connection Complete, 0B - délka parametr˚ u, 00 - Status: OK, 28 00 - Connection handle, B2 A1 5E 06 00 08 - BD adresa: 08 00 06 5E A1 B2, 01 - typ vytvoˇreného spojen´ı: ACL, 00 - reˇzim kódován´ı: zakázán, 04 - oznaˇcen´ı události, 1B - typ události: Max Slot Change, 03 - délka parametr˚ u: 3, 28 00 - Connection Handle, 05 - LMP Max Slots: m˚ uˇze b´ yt 1, 3 i 5 ˇcasov´ ych slot˚ u

************************************************************* Zaslán´ı dat pomoc´ı ACL spojen´ı ************************************************************* 02 28 20 01 00 73 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 01 00 - délka dat: 1 byte, 73 - datov´ y byte 04 13 05 01 28 00 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 13 - typ události - kompletnˇe odeslané pakety, 05 - délka parametr˚ u, 01 - poˇcet spojen´ı: 1, 28 00 - Connection Handle, 01 00 - poˇcet kompletnˇe odeslan´ ych paket˚ u: 1

75

************************************************************* Pˇrijet´ı dat pomoc´ı ACL spojen´ı ************************************************************* 02 28 20 01 00 73 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 01 00 - délka dat: 1 byte, 73 - datov´ y byte ************************************************************* Slave zaˇsle pˇr´ıkaz rozpojen´ı - reakce na stranˇe Slave ************************************************************* 01 06 04 03 28 00 13 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 06 04 - OpCode: HCI Disconnect, 03 - délka parametr˚ u: 3, 28 00 - Connection Handle, 13 - D˚ uvod -¿ Uˇzivatel ukonˇcil spojen´ı 04 0F 04 00 01 06 04 04 05 04 00 28 00 16 04 - oznaˇcen´ı události, 0F - typ události - Command Status, 04 - délka parametr˚ u, 00 - Status: OK, 01 - poˇcet HCI pˇr´ıkaz˚ u, 06 04 - OpCode, 04 - oznaˇcen´ı události, 05 - typ události - Disconnection Complete, 04 - délka parametr˚ u, 00 - Status: OK, 28 00 - Connection Handle, 16 D˚ uvod: Spojen´ı ukonˇceno lokáln´ım hostem

************************************************************* Slave zaˇsle pˇr´ıkaz rozpojen´ı - reakce na stranˇe Master ************************************************************* 04 05 04 00 28 00 13 04 - znaˇcen´ı události, 05 - typ události - Disconnect Complete, 04 - délka parametr˚ u, 00 - Status: OK, 28 00 - Connection Handle, 13 - d˚ uvod: spojen´ı ukonˇceno na ˇzádost hosta Projekt BTRC Komunikace mezi mobiln´ım telefonem (L2CAP) a bluetooth jednotkou ************************************************************* Nastaven´ı Slave ************************************************************* 01 03 0C 00 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 03 0C - OpCode: Reset, 00 - délka parametr˚ u 04 0E 04 01 03 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 04 - délka parametr˚ u: 4, 01 - poˇcet HCI paket˚ u pˇr´ıkazu: 1, 03 0C - OpCode: Reset, 00 - Status - OK 01 1A 0C 01 03 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 1A0C - OpCode: Write Scan Enable, 01 - délka parametr˚ u, 03 - inquiry sken povolen, page sken povolen,

76

04 0E 04 01 1A 0C 00 04 - oznaˇcen´ı události, 0E - typ události: Command Complete, 00 - status OK

************************************************************ Vytvoˇren´ı spojen´ı + zaslán´ı prvého datového paketu - reakce na stranˇe Slave ************************************************************ 04 04 0a 8e 9f 39 6d 0e 00 04 02 50 01 04 - oznaˇcen´ı události, 04 - typ události: Connection Request, 8e 9f 39 6d 0e 00 BD adresa, 04 02 50 - tˇr´ıda zaˇr´ızen´ı, 01 - typ spojen´ı: ACL 01 09 04 07 8e 9f 39 6d 0e 00 01 01 - oznaˇcen´ı pˇr´ıkazu, 0904 - OpCode: Accept Connection, 8e 9f 39 6d 0e 00 - BD adresa, 01 - role: pouze Slave 04 0F 04 00 01 09 04 04 - oznaˇcen´ı události, typ události: Command Status, 04 - délka: 4, 00 - Status: OK, 01 - poˇcet HCI paket˚ u pˇr´ıkazu: 1, 09 04 - Opcode 04 03 0B 00 28 00 8E 9F 39 6D 0E 00 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 03 - typ události: Connection Complete, 0B - délka parametr˚ u: 11, 00 - Status: OK, 29 00 - Connection Handle, 8E 9F 39 6D 0E 00 - BD adresa, 01 - typ spoejn´ı: ACL, 00 - reˇzim kódován´ı: zakázán 02 28 20 0C 00 08 00 01 00 02 01 04 00 01 20 50 00 02 - datov´ y paket, 2820 Connection Handle, 0C - délka dat: 13, 08 00 - délka paketu L2CAP: 8, 01 00 - CID, 02 - typ L2CAP: Connection Request, 01 - identifikátor L2CAP, 04 00 - délka parametr˚ u, 01 20 - Protocol Service Multiplexor - PSM: nastavuje se v mobil. telefonu, 5F 00 - source CID 04 1B 03 28 00 05 04 - oznaˇcen´ı události, 1B - typ události: Max Slots Change, 03 délka parametr˚ u: 3, 29 00 - Connection Handle, 05 - LMP: lze pouˇz´ıvat 1, 3 i 5 ˇcasov´ ych rámc˚ u 02 28 20 10 00 0c 00 01 00 03 01 08 00 FF 01 50 00 00 00 00 00 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 10 00 - délka dat: 10, 0C 00 - délka L2CAP paketu: 13, 01 00 - CID, 03 - typ L2CAP: Connection Response, 01 - identifikátor, 08 00 - délka parametr˚ u, FF 01 - c´ılové CID, 5F 00 - zdrojové, 00 00 - Status: ˇzádné dalˇs´ı informace, 00 00 - v´ ysledek - Spojen´ı u ´spˇeˇsné 04 13 05 01 28 00 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 13 - typ události: Number Of Completed Packets, 05 - délka parametr˚ u: 5, 01 - poˇcet HCI paket˚ u, 29 00 - Connection Handle, 01 00 - poˇcet u ´spˇeˇsnˇe odeslan´ ych paket˚ u 02 28 20 0c 00 08 00 01 00 04 01 04 00 50 00 00 00 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 0C 00 - délka dat: 13, 08 00 - delka paketu L2CAP, 01 00 - CID, 04 - typ L2CAP paketu: Configuration Request, 01 - identifikátor, 04 00 - délka parametr˚ u: 4, 50 00 - c´ılové CID, 00 00 Pˇr´ıznaky - ˇzádné 04 13 05 01 28 00 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 13 - typ události: Number Of Completed Packets, 05 - délka

77

parametr˚ u: 5, 01 - poˇcet HCI paket˚ u, 29 00 - Connection Handle, 01 00 - poˇcet u ´spˇeˇsnˇe odeslan´ ych paket˚ u 02 28 20 0e 00 0a 00 01 00 05 02 06 00 50 00 00 00 00 00 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 0E 00 - délka parametr˚ u: 14 byt˚ u, 0A 00 - délka paketu L2CAP: 10 byt˚ u, 01 00 - CID, 05 - typ L2CAP paketu: Configure Response, 02 - identifikátor, 06 00 - délka L2CAP paketu, 5F 00 - zdrojové CID, 00 00 - pˇr´ıznaky: ˇzádné, 00 00 - v´ ysledek: OK 04 13 05 01 28 00 01 00 04 - oznaˇcen´ı události, 13 - typ události: Number Of Completed Packets, 05 - délka parametr˚ u: 5, 01 - poˇcet HCI paket˚ u, 29 00 - Connection Handle, 01 00 - poˇcet u ´spˇeˇsnˇe odeslan´ ych paket˚ u 02 28 20 05 00 01 00 FF 01 61 02 - oznaˇcen´ı datového paketu, 28 20 - Connection Handle, 05 00 - délka paketu: 5 byt˚ u, 01 00 - délka paketu L2CAP, FF 01 - CID, 61 - zaslaná data: 61

Fakulta elektrotechnická

Recommend Documents