Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27)

Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tsz. I.B.228, T:19-25, [email protected]

Tartalom - 11/04/05  

Bluetooth Bluetooth kontra ZigBee

 

Érzékelés, szenzorok definíciója Szenzortípusok

2

Mi a Bluetooth?   

A Bluetooth egy hálózati és vezeték-kiváltó rádiós technológia. IEEE 802.15.1 szabvány alacsony fogyasztás, rövid hatósugár, alacsony árú adóvevő mikrochip

Miért jó nekünk? 

Autón belüli kommunikáció   

GPS és PDA/fedélzeti számítógép között Fedélzeti számítógép és headset/PDA között Telefon és autó hifi között

Megcélzott alkalmazási terület

IEEE 802.15 WG for WPAN (ism.) 

Személyi hálózatok (PAN) és rövid távolságú vezetéknélküli hálózatok szabványosítása.  



Hordozható, mobil eszközök (pl. PDA, mobiltelefon, PC, személyhívó, ...) vezetéknélküli hálózata. Együttműködés, egymás mellett élés.

Task Groups  

802.15.TG1: Bluetooth WPAN 802.15.TG2: Coexistence TG  



802.15.TG3: High Rate TG 



WPAN (802.15) és WLAN (802.11) együttélése Modell a kölcsönös interferencia számszerű meghatározására >20 Mbps WPAN szabvány (MAC, PHY rétegek)

802.15.TG4: Low Rate (LR) TG 

Alacsony sebeség, nagyon kis komplexitás, hosszú élettartam

A 802.15.1 Bluetooth helye

Bluetooth alkalmazási területek

Alkalmazási példák Néhány példa a jelenleg használatos eszközökből:  mobiltelefonok 

  

mikrofon-fülhallgatók gépkocsi kihangosító készletek nyomtatók 



PCMCIA vagy USB csatolón keresztül

PC-k 

 

beépített Ipaq3870, vagy CF, PCMCIA kártyás megoldás)

notebookok 



még többnyire USB vagy parallel átalakítón keresztül

PDA-k 



2006-ra a telefonok 70%-a rendelkezik ezzel a felülettel

PCI vagy USB csatolón keresztül

billentyűzetek videokamerák (pl. Sony DCR-PC7E)

BT kontra kábel

BT kontra IrDA

BT kontra WiFi

Rádiós hatótávolság   

Class 1: 100 mW ~100 méter Class 2: 2.5 mW ~20 méter Class 3: 1 mW ~10 méter

Bluetooth név eredete  Harald Blåtand király (940-981)   

Dánia viking királya Az országot egységesítette, bevezette a kereszténységet A viking államok között volt Svédország is, innen a kapcsolat az Ericssonnal (Bluetooth megalkotója)

Történelem    

Bluetooth Special Interest Group (SIG): Ericsson, Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba és Nokia Formálisan bejelentve: 1999. május 20-án Ma több mint 8000 vállalat tagja Jelenlegi verziók: Bluetooth Core Specification 3.0 High Speed   

visszafelé kompatibilis 24 Mbps adatátviteli sebesség (3 Mbps helyett) Protocol Adaptation Layer (PAL) – WiFi technológia 

nagyobb fogyasztás is!

Bluetooth 4.0 (2009. december) 

Tartalmazza a Bluetooth Low Energy (korábbi Wibree) megoldás

Alap működés  piconet (1 mester, max 7 aktív szolga)

Hálótzat: scatternet 

Nagyobb hálózatok (scatternet) alakíthatók ki ún. híd állomások segítségével, amelyek egynél több piconethez is tartoznak időosztásban.

BT protokoll verem

Bluetooth Radio  a 2,4 GHz-es frekvenciasávban működő rádió adóvevővel szemben támasztott követelményeket (pl. teljesítmény, moduláció, érzékenység) definiálja.

BT protokoll verem Baseband/Link Controller  a rendszer tulajdonképpeni fizikai rétegét jelenti.  Feladata a fizikai csatorna menedzselése.  A felette levő rétegnek nyújtott szolgáltatások:     

más Bluetooth készülékek keresése, hibajavítás, torlódásvédelem, szinkronizáció, alapvető biztonság.

BT protokoll verem 



Az LMP (Link Manager Protocol) által küldött PDUk a kapcsolat felépítését, authentikációt, konfigurációt tesznek lehetõvé. A kommunikáló felek ezen protokoll keretein belül veszik fel a kapcsolatot, azonosítják egymást, egyezkednek az egymás közötti kódolásról, jelzik a másik fél felé a kapcsolattípus, -minőség megváltoztatásának szándékát.






Az L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) az adatkapcsolati rétegben helyezkedik el. AZ L2CAP implementációjanak képesnek kell lennie protokoll multiplexelésre, csomagtördelésre és összeállításra, a kapcsolat minőségi paramétereinek kontrollására és címzési csoportok kezelésére. A SCO és ACL kapcsolatok közül az L2CAP csak az ACL kapcsolatokat támogatja, így az audiocsatornák a Baseband SCO kapcsolatain futnak.










Az SDP (Service Discovery Protocol) feladata az elérhető szolgáltatások felfedezése és ezek jellemzőinek megállapítása. A protokoll alapja a szerverkliens felépítésen alapuló kérésválasz modell. Lehetőség van a környezetben fellelhető szolgáltatások felfedezése mellett konkrét szolgáltatás keresésére is. A szolgáltatás lehet információszolgáltató entitás, valamilyen akció végrehajtása, vagy más entitás viselkedését befolyásoló paraméterek kezelése. Az SDP-nek nagy szerepe van a hálózatok erőforrásmegosztásának támogatásában is.






Az RFCOMM protokoll az L2CAP felett soros port(ok) emulációját nyújtja, a Bluetooth szállítási rétegének protokollja. A protokoll maximálisan 60 szimultán kapcsolatot képes biztosítani két Bluetooth eszköz között, a tényleges szám implementációfüggő. Erre a szállítási rétegére épülve számos protokollt alkalmazó készülék használhatja a Bluetooth technológiát: alkalmazható IrDA-val ellátott eszközök (OBEX protokoll), mobil (WAP), illetve vezetékes internetet nyújtó készülékek (IP protokoll) alatt, kiszélesítve a Bluetooth lehetõségeit.

BT fizikai réteg rádió specifikáció 

Adó (transmitter)    



2.4 GHz-s licensz nélküli ISM sávban működik 79 ugrás (hop) frekvencia: f = 2402+k MHz, k= 0,..78. Nominális kimeneti teljesítmény = 0 dBm (1 mW). GFSK és 8DPSK (3 Mbps-ig) moduláció

BT alapsáv     

Szimbólumsebesség = 1 Mbps. (3 Mbps-ig a 2.0-ás verziótól) Réselt csatorna 625 μs-os időréssel (1600 ugrás/mp). Időosztásos duplex (TDD) full-duplex átvitelhez. Támogatja a 64 kbps-os szinkron (hang) csatornát mindkét irányban. Támogatja a 721 kbps-os aszinkron csatornákat (2.1 Mbps a 2.0-ás verziótól) szimmetrikus módban, vagy 432.6 kbps (1.3 Mbps a 2.0-ás verziótól) szimmetrikus módban.

BT alapsáv: fizikai csatorna      

Ál-véletlen frekvenciaugratásos sorozat 79 frekvenciát használva. Az ugratásos sorozatot (hop sequence) a piconet mester címe határozza meg (48 bit „bedrótozva”). A mester a páros résekben kezdi az adást, míg a szolgák a páratlan időrésekben. Csomagok továbbítása 5 rést is elfoglalhat. Minden adáshoz egyetlen frekvencia ugrás (1600 hop/mp) Kétféle link a mester és szolga között: 1.

Szinkron, kapcsolat-orientált (SCO és eSCO nyugtákkal)  

2.

SCO egy pont-pont kapcsolat. SCO link lefoglal időréseket szabályos intervallumonként.

Aszinkron, kapcsolat nélküli (ACL)  

ACL egy csomagkapcsolt link a mester és a piconet összes szolgája között. A legtöbb alkalmazás ezt használja.

Eszközök összekapcsolása   

A frekvenciaugratás miatt az eszközök összepárosítása (pairing) bonyolult! Minden kapcsolat mester-szolga viszonyt feltételez. 4 féle kapcsolati csatorna: 

alap (basic) piconet csatorna  



adaptált (adaptive) piconet csatorna  



redukált csatornaszám (20-79) széles körben használt, adatátvitelre

„felderítés” (inquiry) csatorna 



mind a 79 csatorna használatban van ritkán használt mód

eszközök felderítéséhez használt a mester által

„értesítés” (paging) csatorna 

fizikai kapcsolat kiépítéséhez használt a mester és szolga között

Párosítás (pairing) 

Eszközök párosításához (összekapcsolásához) használt séma:   



Miután az eszközök párosítása megtörtént, a továbbiakban már automatikusan képesek egymással összekapcsolódni. 



Általában a felhasználó kezdeményezi az eszközön A Bluetooth link láthatóvá válik a másik eszköz számára Ezután a két eszköz összekapcsolható (passkey)

Természetesen a párosítás bármikor törölhető

Bluetooth biztonság (security): nem tárgyaljuk…

Felderítés (inquiry)  

 







Hatósugáron belüli egyéb egységek felderítéséhez. Az érdeklődő (inquiry) állomás General Inquiry Access Code (GIAC) tartalmú ID csomagokat küld. Az ID csomagokat a GIAC-ból származtatott ugratási sorozattal küldi ki az eszköz. Az felderítő eszköz 2 ID csomagot küld ki különböző frekvencián a páros időrésben, majd a páratlan időrésben várakozik a válaszra. 32 inquiry frekvencia két 16 hosszú részre (A és B „vonat” – train) van osztva. Minden vonat 10 msec hosszú (16 időrés). Egy szkennelő eszköz a 32 inquiry frekvencia egyikére figyel 12.25 msec hosszan legalább egyszer 2.56 másodpercenként. Az ID csomagok A/B vonatait 256-szor ismétli meg.

Értesítés (paging)  

 

Csatlakozás ismert (felderített) eszközökhöz. A 32 ugrásos sorozat a felderített eszköz címéből származtatható. A/B vonatok egyszer, 128-szor vagy 256-szor kerülnek kiküldésre a paging módtól függően. Egy felderített eszköz továbbra is végez felderítést (folyamatosan, vagy egyszer 1.28 vagy 2.56 másodpercenként)

Aktív kapcsolat állapota 

„Active” (aktív) mód   



„Sniff” (szimatoló) mód  



Az eszközök nem figyelnek a mester minden adatküldésére A mester lekérdezi ezen eszközöket egy spec. „sniff” időrésben

„Hold” (tartó) mód  



A Bluetooth eszköz figyeli a mester minden küldését. Szolgák, amelyeket nem címeztek meg átaludhatják az átvitelt. Periódikus mester adatküldés a szinkronizációhoz

A mester és a szolga megállapodnak egy intervallumban, amíg a mester nem kérdezi le a szolgát. Pl: Tipikusan ez a mód használatos több piconetben szereplő híd állomás esetében.

„Park” (parkoló) mód  

A szolga feladja az AM_ADDR(LT_ADDR) címét. Periódikusan figyel egy beacon csomagra a szinkronizációhoz, majd PM_ADDR/AR_ADDR címet használ a parkolás megszűntetéséhez.

Funkcionális áttekintés 

Standby 



Inquiry 



Adott rádióhoz csatlakozik

Connected 



Rádióra keres a csatlakozáshoz

Page 



Piconethez csatlakozásra vár

Aktív egy pikonetben (mester vagy szolga)

Park/Hold 

kisfogyasztású, de kapcsolódott

Bluetooth profilok  

A Bluetooth protokoll verem konfigurációjának leírása különböző típusú alkalmazások esetén Megadja a minimum követelményeket a Bluetooth rétegekkel szemben

Tartalom - 11/04/05  


 


33

Bluetooth kontra ZigBee 

„Versenyzők vagy kiegészítők?”



Bluetooth a jobb…   



ad-hoc hálózatokhoz eszközök között kéz használata nélküli telefonálás fájl átvitel, grafika, kép megjelenítése

de a ZigBee még jobb…    

statikus hálózat esetében sok eszköz esetén amelyek ritkán használtak kis adatcsomagokkal kommunikálnak

Bluetooth kontra ZigBee 

Teljesítményfelvétel 



Gyártási/előállítási költség (2005-ös adat) 



ZigBee: AES (128bit) <==> BT: SAFER (64/128bit)

Késleltetés követelmények 



ZigBee: 65536 (in a mesh) <==> BT: 7 (in a star)

Biztonság 



ZigBee: -92dbm(0,63pW) <==> BT: -82dbm(6,2pW)

Rugalmasság (eszközök száma) 



Codesize ZB/codesize BT = ½

Érzékenység 



ZigBee: 1.1 $ <==> BT: 3 $

Fejlesztési költség 



ZigBee: 10mA <==> BT: 100mA

ZigBee: opcionáli garantált időrések, BT (is)

Hatósugár 

ZigBee: max 75 m direkt rálátás estén <==> BT: ~10 m

Bluetooth kontra ZigBee  Protokoll verem komplexitása: ZigBee Bluetooth

Bluetooth kontra ZigBee Időzítési kérdések:  ZigBee   



új szolga számbavétele = 30 ms (tipikusan) alvás -> ébrenlét átmenet = 15 ms csatornahozzáférési idő = 15 ms

Bluetooth   

új szolga számbavétele => 3 s alvás -> ébrenlét átmenet = 3 s csatornahozzáférési idő = 2 ms

 A ZigBee protokoll időkritikus alkalmazásokra optimalizált

Bluetooth kontra ZigBee Teljesítményfelvétel:  ZigBee  



2+ év „normál” elemről a szolga eszköz teljesítmény-hatékonyságára optimalizált

Bluetooth 

Mobiltelefonhoz hasonló teljesítmény profil (rendszeres töltést igényel)

Bluetooth kontra ZigBee Konklúzió: ZigBee és Bluetooth két külön megoldás két külön alkalmazási területre.

Tartalom - 11/04/05  




Szenzorok

40

Tartalom - 11/04/05  


 


41

Bevezetés: Szituáció leírása 

Egy adott szituáció detektálása és leírása nem mindig egyszerű!     

Egy autó komoly balesetet szenved hamarosan (pl. légzsákok nyitása) Két személy határozatlan abban, hogy mit vásároljanak Valaki alszik a szobában Egy család ebédel …

Szenzorok alkalmazása 

Példa: Valaki alszik a szobában az idősek otthonában



Szenzorokat alkalmazhatunk:      



Mozgásdetektor a szobában (ON/OFF) Súly szenzor az ágy lábain (0-100) Fénymérő (0-100) Ajtó szenzor (nyitva/csukva) Nyomásérzékelő szőnyeg a földön (ON/OFF) Mikrofon a zajszint megállapításához (0-100)

Feladat: Megkeresni azt a függvényt, amely a szenzorok mért értékeit mint bemenetet használva megmondja, hogy alszik-e valaki a szobában vagy sem.

Szenzorok alkalmazása (folyt.) 

Példa: Valaki alszik a szobában az idősek otthonában



Megoldandó kérdések:      

Időben folyamatosan kell megfigyelést végezni Kalibráció (legalább az elején) A függvény a szenzorok és a célszemély viselkedésének függvénye Néhány szenzor nem működik együtt (pl. kiesések) Tanulás egy lehetőség! A rendszer felállítása egyáltalán nem triviális (még egy ilyen látszólag egyszerű esetben sem)

Érzékelés a természetben  



Senses in nature can not be directly compared to sensors in a technical world. Senses comprise the whole process from the (1)reception of the stimulus, (2)translation from stimulus to signal, (3)signal transport and the (4)processing on several levels. Senses:          

Vision Hearing Smell Taste Touch Temperature Gravity and acceleration Position and constellation of (body) parts Magnetic fields Electric fields

Figyelmeztetés: vannak korlátok…  “The physical world is a partially observable dynamic system...”  “... sensors are physical devices, and have inherent accuracy and precision limitations”

Mi a szenzor? 









A sensor is a device that converts physical quantities typically to (easily handable) electrical or human readable signals. A sensor is a technological device or biological organ that detects, or senses, a signal or physical condition and chemical compounds. A sensor is an electronic, electrical, micro-mechanic or electromechanical device that responds to a stimulus, such as heat, light, or pressure, and generates a signal that can be measured or interpreted. A sensor is a function of time that returns a value (binary, number,vector, array) dependent on a measured parameter. A sensor has crucial role in most control applications.

Néhány „klasszikus” szenzor                 

light sensors: photocells, phototransistors, CCDs,.. sound sensors: microphones, seismic sensors… temperature sensors: thermometers, thermocouples, thermistors radiation sensors: Geiger counter, dosimeter electrical resistance sensors electrical current sensors electrical voltage sensors electrical power sensors magnetism sensors: magnetic compass, Hall effect device, … pressure sensors: barometer,pressure gauge, … gas and liquid flow sensors chemical sensors: pH glass electrodes, lambda sensors, … motion sensors: speedometer, tachometer, … orientation sensors: gyroscope accelerometer, … mechanical sensors: switch, straingauge, … proximity sensor …

Információs „szenzorok”  

Sensors that are related to the device or system Examples       

battery voltage, RSSI, real-time, current packet loss, current power consumption location sensors devices in vicinity

Bio-szenzorok   

Sensors to measure physiological parameters in humans and animals Towards sensing emotions… Example      

Galvanic skin response Hearth rate Blood pressure Blood oxygen saturation EEG, ECG …

Szenzorok jellemzői 

Accuracy (pontosság) 



Resolution (felbontás) 



Variation of sensor measurements when the same quantity is measured several times

Range (tartomány) 



The smallest change in measured variable to which the sensor will respond

Repeatability (ismételhetőség) 



The agreement between the actual value (the input) and the measured value (the output)

Upper and lower limits of the variable that can be measured

Linearity (linearitás) 

equal increments in the input should produce equal increments in the output

Tartalom - 11/04/05  


 


52

Sebességmérő  

A jármű pillanatnyi sebességét méri. Hagyományos sebességmérő autókban:    



Bowden, amit a végáttétel forgat a sebességváltóban. A sebességmérő két forgó mágnesből áll, az egyik mágnes a bowden köpenyében, a másik a forgó kábelhez rögzítve. Kalibrálni szükséges (pl. kerekek átmérője) Legtöbbször egy kilométerórát is hajt.

Modern elektronikus sebességmérő    

Fordulatszámmérő szenzor elektromos impulzusokat küld Az impulzussorozat frekvenciája átkonvertálható sebességre A sebesség kijelezhető digitális kijelzőn, vagy egy analóg stílusú mutatós eszközön. Az impulzusok leszámlálásával kilométeróra is kapható.

Fordulatszámmérő

 

„Tachometer” Egy tengely vagy tárcsa fordulatszámát méri (a görög tachos = sebesség és metron = mérés szavakból) fordulatok száma percenként kalibrált analóg vagy digitális kijelzővel



Fordulatszámmérő példák:

 

 

Generátor meghajtásával: „inverz” motor inkrementális számlálókkal

„kilométeróra” (odometer)



„Odometer” A jármű által megtett út rögzítése. A görög hodós = út és metron = mérés szavakból Elektronikus vagy mechanikus



Mechanikus kilométeróra

  

  

Precíz fogaskerék áttételek Az utolsó csigakerék hajtja a tized-kilométer számlálót. Minden további helyiértéket egy pöcök fordít tovább.

Gyorsulásmérő  

Gyorsulás mérésére szolgáló eszköz Gyorsuló tömeg tehetetlenségét mérve MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems) eszközzel:   



Piezo kristály torzulása, erőmérő kapacitás változás tartókar elmozdulása

Piezoelektromos gyorsulásmérő   

Kristály, amely nyomás hatására töltést bocsájt ki. Gyorsulás következtében a tömeg hatást gyakorol a kristályra, amely ezzel arányos áramot indít meg. A kimenet elektródákkal mérhető

Nyúlásmérő bélyeg    

Mechanikus alakváltozás ellenállásváltozást okoz. Vékony fém-film felhordva egy szigetelő hordozóra 30 Ohm-tól 3 kOhm-ig (alapállapot) Az ellenállás csak néhány százalékkal változik

Kapacitív gyorsulásmérő   

A B lemez adott tömegű, A és C lemezek között egyenlő távolságban rugókkal rögzített. Gyorsulás/lassulás (pl. fékezés) hatására a B lemez közelebb/távolabb kerül a C lemezhez. Ha B C-hez közelít, a mérhető feszültségérték a két lemez között megnő.

Giroszkóp    

A giroszkóp irány mérésére (ill. megtartására) szolgál. A perdületmegmaradás törvényén alapszik. Egy forgó eszköz igyekszik megtartani mozgásának irányát az impulzusmomentuma miatt. Az erőhatás következtében fellépő deformáció mérhető (pl. piezoelektromos érzékelőkkel)

Dőlésmérő (tilt sensor)  



Amint a szenzor megdől, a folyak szintje vízsszintes marad. A folyadék vezetőképes, így az ellenállás két elektróda között arányos lesz a folyadékba merülő rész hosszával. (Elektrolízis kivédésére váltóáramú gerjesztés ajánlott.)

Közelségi szenzor 

Kapcsolók: 



Optikai szenzorok: 



nem kopik, de elvakítható. Pontos beállítás szükséges, poroskoszos környezetben nem jó

Induktív szenzorok: 



fizikai kapcsolatot követel meg, elhasználódhat (kopás)

A helyi mágneses erőtérben bekövetkező változás detektálható. (Pl. autók közelsége)

Kapacitív szenzorok: 

A helyi kapacitív viszonyokban bekövetkező változás mérhető nem mágnesezhető anyagok esetében is.

Ultrahangos közelségi szenzor

Lézeres távolságmérő 





Az „adó' (lézerdióda) egy fényfoltot vetít a célra, a visszavert fénysugarat pedig egy optikai lencse egy fényérzékeny szenzorra („vevő‟) gyűjti. A felület egyenetlenségei, anyaga és a dőlésszög kiküszöbölhető DSP alkalmazásával. Zárthurkú szabályozás a kibocsájtott teljesítmény beállításához a vett jel intenzitásának függvényében.

Radar   

 

RAdio Detection And Ranging Távoli objektumok detektálása, távolás és sebességmérés. Az adó rádióhullámokat bocsájt ki, amelyek visszaverődnek a célról. A visszavert hullámokat egy érzékelő detektálja, tipikusan az adó pozíciójában. A visszavert rádióhullám tipikusan nagyon gyenge. Bay Zoltán készítette az első megbízható prototípust, megmérte vele a Hold távolságát 1936-ban.

Hőmérséklet mérése  

Thermistor: „thermal” + „resistor” Típusok:  

NTC-Negative Temperature Coefficient PTC-Positive Temperature Coefficient

Páratartalom mérése  



Relatív páratartalom mérésére Alapelv: Kapacitív mérések, fém kapacitorok különböző szubsztráton (pl. kerámia, üveg). A dielektrikum polimer anyaga magába szívja a nedvességet a környezet páratartalmával arányosan. A kapacitása változik, ez egy egyszerű áramkörrel mérhető. Általában hőmérővel kombinált a kompenzáció miatt.

Nyomásmérő  

Egy diafragma két oldalára ható nyomásértékek különbsége mérhető az alakváltozás következtében. Például:  

Piezoelektromosság elvén Erőmérővel

Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27)

Recommend Documents