MOŽNOSTI VYUŽITÍ BLUETOOTH KOMUNIKACE PRO MOBILNÍ ROBOTIKU POSSIBILITIES OF USE OF BLUETOOTH COMMUNICATION FOR MOBILE ROBOTICS

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A INFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER SCIENCE

MOŽNOSTI VYUŽITÍ BLUETOOTH KOMUNIKACE PRO MOBILNÍ ROBOTIKU POSSIBILITIES OF USE OF BLUETOOTH COMMUNICATION FOR MOBILE ROBOTICS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR‘S THESIS

AUTOR PRÁCE

MICHAL NEUVIRT

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

ING. TOMÁŠ MARADA, PH.D.

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

2

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a příjmení: Bytem: Narozen/a (datum a místo): (dále jen „autor“) a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství se sídlem Technická 2, 616 69 Brno jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: Prof. Ing. Václav Píštěk, Dr.Sc. (dále jen „nabyvatel“) Čl. 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): □ disertační práce □ diplomová práce □ bakalářská práce □ jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ....................................................... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP: Vedoucí/ školitel VŠKP: Ústav:

Ústav automobilového a dopravního inženýrství

Datum obhajoby VŠKP: VŠKP odevzdal autor nabyvateli v * : □ tištěné formě

*

–

počet exemplářů ………………..

□ elektronické formě –

počet exemplářů ………………..

hodící se zaškrtněte

3

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti □ ihned po uzavření této smlouvy □ 1 rok po uzavření této smlouvy □ 3 roky po uzavření této smlouvy □ 5 let po uzavření této smlouvy □ 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/ 1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona. Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami. V Brně dne: ……………………………………. ……………………………………….. Nabyvatel

………………………………………… Autor

4

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Abstrakt: Cílem této bakalářské práce je podrobně se seznámit s komunikačním standardem Bluetooth, typy modulů, jejich strukturou a možnostmi uplatnění pro mobilní robotiku. Abstrakt: Aim of this bachelor’s work is in detail acquaint with communications standard Bluetooth, types of modulus, their structure and possibilities exercise for mobile robotics.

KLÍČOVÁ SLOVA Mobilní robotika, Bluetooth, technologie, modul, přenos, třída, vlastnosti KEY WORDS Mobil robotics, Bluetooth, technologies, modul, transmission, class, characteristics

5

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Poděkování: Rád bych poděkoval vedoucímu mé práce Ing. Tomáši Maradovi, Ph.D. za odborné vedení, pomoc a trpělivost, bez čehož by tato práce nemohla vzniknout.

6

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Obsah

1

ÚVOD............................................................................................................................................... 9

2

MOBILNÍ ROBOTIKA ............................................................................................................... 11

2.1 2.2 2.3

ZÁKLADNÍ DĚLENÍ MOBILNÍCH ROBOTŮ................................................................................... 11 OBLASTI VYUŽITÍ ........................................................................................................................ 11 SPECIFICKÉ APLIKACE ............................................................................................................... 11

3

ROZDĚLENÍ TECHNOLOGIÍ .................................................................................................. 13

4

APLIKACE BLUETOOTH V MOBILNÍ ROBOTICE ........................................................... 15

4.1 4.2 5

ČTYŘNOHÝ ROBOT JAROMÍR..................................................................................................... 15 LEGO – MINDSTORMS NXT ................................................................................................. 15 TECHNOLOGIE BLUETOOTH................................................................................................ 17

5.1 HISTORIE ..................................................................................................................................... 17 5.2 RADIOVÉ ROZHRANÍ ................................................................................................................... 17 5.3 METODA BLUETOOTH ................................................................................................................ 17 5.4 BLUETOOTH VERZE .................................................................................................................... 18 5.5 PŘENOSY BLUETOOTH ................................................................................................................ 18 5.5.1 PŘENOS HLASU .......................................................................................................................... 18 5.5.2 PŘENOS DAT .............................................................................................................................. 19 5.6 PODPORA BLUETOOTH ............................................................................................................... 19 5.7 ROZDĚLENÍ PODLE VÝSTUPNÍHO VÝKONU ............................................................................... 20 5.7.1 CLASS 1 ..................................................................................................................................... 20 5.7.2 CLASS 2 ..................................................................................................................................... 20 5.7.3 CLASS 3 ..................................................................................................................................... 20 5.8 ZABEZPEČENÍ .............................................................................................................................. 20 5.9 SCHÉMA BLUETOOTH VRSTEV................................................................................................... 20 5.9.1 RADIO ........................................................................................................................................ 21 5.9.2 BASEBAND ................................................................................................................................ 21 5.9.3 LINK MANAGER ........................................................................................................................ 21 5.9.3.1 Formát LM: ............................................................................................................................ 21 5.9.4 HOST CONTROLLER INTERFACE (HCI) ..................................................................................... 22 5.9.5 LOGICAL LINK CONTROL AND ADAPTATION PROTOCOL (L2CAP) .......................................... 22 5.9.6 TCS (TELEPHONY CONTROL SPECIFICATION) .......................................................................... 23 5.9.7 SDP (SERVICE DISCOVERY PROTOCOL) ................................................................................... 23 5.9.8 RFCOMM ................................................................................................................................. 23 5.10 FYZICKÝ KANÁL BLUETOOTH ................................................................................................. 25 5.11 ADRESOVÁNÍ ............................................................................................................................. 25 5.12 PAKETOVÁ STRUKTURA ........................................................................................................... 26

7

FSI VUT Brno

5.12.1 5.12.1.1 5.12.1.2 5.12.2 5.12.3 5.12.4 5.12.5 5.12.6 6

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

OBSAH PAKETŮ ....................................................................................................................... 26 Access code .......................................................................................................................... 26 Header .................................................................................................................................. 27 TYPY PAKETŮ .......................................................................................................................... 27 SPOLEČNÉ PAKETY .................................................................................................................. 28 SCO PAKETY ........................................................................................................................... 28 ACL PAKETY ........................................................................................................................... 28 PROVOZNÍ STAVY PAKETŮ ...................................................................................................... 29

MODULY BLUETOOTH PRO MOBILNÍ ROBOTIKU ........................................................ 31

6.1 MODULY SPOLEČNOSTI BLUEGIGA ........................................................................................... 31 6.1.1 WT11 BLUETOOTH MODUL ....................................................................................................... 31 6.1.1.1 Vlastnosti ............................................................................................................................... 31 6.1.1.2 Využití.................................................................................................................................... 32 6.1.1.3 Možnosti firmware ................................................................................................................. 32 6.1.2 WT12 BLUETOOTH MODUL ...................................................................................................... 33 6.1.2.1 Vlastnosti ............................................................................................................................... 33 6.1.2.2 Využití.................................................................................................................................... 33 6.1.3 WRAP THOR™ 2022-1 ........................................................................................................... 34 6.1.3.1 Vlastnosti ............................................................................................................................... 34 6.1.3.2 Využití.................................................................................................................................... 34 6.2 MODULY SPOLEČNOSTI FREE2MOVE ........................................................................................ 35 6.2.1 FREE2MOVE BLUETOOTH MODULE – F2M03GX/GXA ........................................................... 35 6.2.1.1 Vlastnosti ............................................................................................................................... 35 6.2.2 FREE2MOVE BLUETOOTH MODULE – F2M03GLA ................................................................... 36 6.2.2.1 Vlastnosti ............................................................................................................................... 36 7

DOPORUČENÍ BT MODULU PRO VUT ROBOTA MICROMOUSE ................................. 37

7.1 MICROMOUSE ............................................................................................................................. 37 7.2 VUT ROBOT MICROMOUSE ....................................................................................................... 38 7.2.1 TECHNICKÉ PARAMETRY ........................................................................................................... 38 7.2.2 PŘENOS DAT .............................................................................................................................. 38 7.2.2.1 Bluetooth převodník............................................................................................................... 39 7.2.2.2 Bluetooth modul..................................................................................................................... 39 8

ZÁVĚR........................................................................................................................................... 41

9

POUŽITÉ ZDROJE ..................................................................................................................... 43

SEZNAM PŘÍLOH ............................................................................................................................. 44

8

FSI VUT Brno

1

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Úvod

Dnešní svět je stále více a více závislý na moderních informačních technologiích. Počítače, mobilní telefony, komunikační sítě a množství dalších aplikací hrají stále větší roli v každodenním životě. Rozšiřující se využívání a větší důležitost těchto systémů přináší neustále nové a náročnější požadavky na jejich rychlost, spolehlivost a bezpečnost. Ačkoli je BT technologie stará přes 9 let, začíná se prosazovat až v poslední době. Cena BT chipu klesla pod úroveň 5 USD a začíná se používat v levnějších zařízeních. BT je tedy přístupné každému uživateli a je pouze na něm jak jej bude využívat. Již dnes přinesla tato technologie svým uživatelům spoustu dat a informací. Poskytuje jednodušší cestu práce s mobilními počítači, komunikací a dalšími zařízeními komunikujícími mezi sebou a díky této technologii se můžeme snadno připojit k Internetu bez kabelů. Větší rozšíření technologie by mělo zajistit uplatnění v medicíně, automobilovém průmyslu či při tisku a zobrazování. Bluetooth se také může stát prostředkem bezdrátového ovládání řady domácích zařízení, například zapínání a vypínání elektronického zabezpečovacího systému, automatické domácí spotřebiče, zahradní stroje, a mnohé další.

9

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

10

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

2

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Mobilní robotika

Mobilní robotika se zabývá vyvíjením mobilních robotů (mobotů), kteří se mohou pohybovat v prostředí (na kolech, pásech, vzduchem apod.) a zasahovat do něj. Svým jednáním mohou vykazovat určitý stupeň inteligence. Roboty mohou být zcela autonomní (robot se sám rozhoduje, co udělá, bez vnějšího zásahu), nebo mohou být vzdáleně řízeny (programem, či ve spolupráci s člověkem). Vlastnosti těchto robotů mohou být různé podle úlohy, pro kterou jsou určeny. Mobilní robotika je v současné době stále ve vývoji a zřídka je možno se setkat s robotem, který by plnil nějaké běžné úkoly. Pro rozvoj a popularizaci zejména autonomní robotiky jsou pořádány různé soutěže. Asi nejznámější je DARPA Grand Challenge, v Česku pořádá takovéto soutěže např. sdružení Robotika. Kapitola čerpá z literatury [1].

2.1 Základní dělení mobilních robotů ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Řídící systém (reaktivní, neuronové sítě, neuro-fuzzy, genetické alg.), způsob navigace (lokální okolí, globální mapa), senzorický systém (kontaktní čidla, IR čidla, sonar, kamera ), stupeň inteligence (manuální řízení, inteligentní řízení s plánováním pohybu), způsob pohybu (nohy, kola, pásy, vrtule ), morfologie (tvar, velikost), prostředí (vnější-vnitřní, vzduch-země-voda), řešení úlohy (samostatné, skupinové (multiagentní systém)) atd.

2.2 Oblasti využití ƒ ƒ ƒ

Autonomní dopravní prostředky (auta, lodě, vlaky, letadla), v průmyslu (zemědělství, výroba, doprava, zábava), nebezpečná prostředí nebo těžko přístupná prostředí (manipulace s radioaktivním materiálem, chemikáliemi, výbušninami, průzkum potrubí) atd.

2.3 Specifické aplikace ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Úklidové práce (letiště, nádraží, nemocnice), doručovatelské služby (zdravotní materiál, jídlo, pošta), zemědělství (setí, sklízení, plení, hnojení), manipulace s nebezpečnými materiály (výbušniny, chemikálie), stavby (domy, silnice), armáda (manipulace s výbušninami, boj, špionáž), zábava (inteligentní hračky) atd.

Ve výše uvedených aplikacích lze jistě najít mnoho úloh, kde se uplatní celá skupina mobilních robotů. Pokud budou roboty pracovat samostatně, efektivita jejich konání zřejmě nebude vysoká. Pokud ale budou roboty moci spolu komunikovat a koordinovat tak svoji činnost, lze předpokládat několikanásobné zefektivnění jejich činnosti.

11

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

12

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

3

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Rozdělení technologií

IrDA – technologie pro bezdrátové infračervené spojení dvou stejně vybavených přístrojů. Mobilní telefon se může snadno a rychle spojit s kapesním počítačem, PC nebo jiným telefonem. Proti klasickému spojení kabelem je IrDA náročnější na vzájemnou polohu a viditelnost obou přístrojů. Propojení se využívá například pro přístup na internet v terénu. Radiové hybridní moduly – jsou to uživatelem sestrojené hybridní moduly, sloužící jako dálková ovládání pro různá zařízení (ovladače pro satelit, alarmové systémy, atd.) Pracují na nižších frekvencích, dosah závisí na zvoleném vysílači (až 200m). ZigBee – je nová (platná od roku 2004) bezdrátová komunikační technologie určena pro spojení nízkovýkonových zařízení v sítích PAN na malé vzdálenosti do 75 metrů. Díky použití multiskokového ad-hoc směrování umožňuje komunikaci i na větší vzdálenosti bez přímé radiové viditelnosti jednotlivých zařízení. ZigBee je navržen jako jednoduchá a flexibilní technologie pro tvoru i rozsáhlejších bezdrátových sítí u nichž není požadován přenos velkého objemu dat. K jejím hlavním přednostem patří spolehlivost, jednoduchá a nenáročná implementace, velmi nízká spotřeba energie a v neposlední řadě též příznivá cena. Wifi – je standard pro lokální bezdrátové sítě. Původním cílem Wi-Fi sítí bylo zajišťovat vzájemné bezdrátové propojení přenosných zařízení a dále jejich připojování na lokální (např. firemní) sítě LAN. Dnes se tato technologie využívá hlavně k bezdrátovému připojení do sítě internet. Částečnou evolucí a pokračováním Wi-Fi je budována bezdrátová technologie WiMAX, která bude sloužit především k poskytování bezdrátového připojení k síti Internet u rozsáhlých městských lokalit. Bluetooth – je bezdrátová technologie sloužící k bezdrátovému propojení mezi dvěma a více elektronickými zařízeními na krátké vzdálenosti (maximálně 100m podle výkonu vysílače), jakými jsou například mobilní telefon, PDA, osobní počítač nebo náhlavní souprava. Spadá do kategorie osobních počítačových sítí, tzv. PAN. Poslední uvedená technologie je zadáním mé práce a v následujících kapitolách se jí budu podrobně zabývat.

13

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

14

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

4

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Aplikace Bluetooth v mobilní robotice

Pomocí technologie bluetooth můžeme navádět dálkově robota, nebo několik robotů najednou. Ty mohou díky této technologie udržovat formaci a předávat si navzájem informace. Technologie je ale bohužel ovlivněna typem prostředí, dosah klesá pokud jsou mezi zařízeními překážky. Technologie Bluetooth v praxi využívá řada robotů. V této kapitole uvedu některé typy robotů. Kapitola vychází z [3] a [4].

4.1 Čtyřnohý robot Jaromír Čtyřnohý robot Jaromír vznikl v roce 2003 a je výsledkem samostatné aktivity několika studentů FSI. Hlavním cílem bylo vytvoření fyzického experimentálního zařízení, na němž by bylo možné ověřovat a implementovat teoretické výsledky dosažené v rámci diplomových a dizertačních prací. Převážně se jedná o problémy modelování kinematiky, dynamiky řízení a využití algoritmů umělé inteligence. Robot je schopen samostatného pohybu po rovině (algoritmus chůze řízen umělou neuronovou sítí), při dálkovém řízení z PC (využití Bluetooth technologie) pak zvládá i chůzi po nerovném terénu. V současné době jsou připraveny některé prvky senzorického systému, například infračervené dálkoměry pro detekci překážek, akcelerometry MEMS (Micro Electro-Mechanical System) pro zjištění natočení v prostoru, FSR snímače pro měření kontaktní síly v došlapu, atd.

obr. 1: Robot Jaromír

4.2 LEGO – MINDSTORMS NXT V lednu letošního roku společnost LEGO představila veřejnosti poprvé svoji čtvrtou generaci počítačového řízení modelů. LEGO MINDSTORMS NXT je důkazem zdařilé snahy LEGO zpřístupňovat dětem nejmodernější poznatky vědy a techniky. Společně s předními vědeckými institucemi se tak podílí na účinném vzdělávání mladé generace. Pro konstrukční řešení modelů poskytuje společnost LEGO nejen svoje tradiční LEGO Technic stavební díly, ale také novou generaci senzorů, servomotorů a především autonomní mikropočítače NXT. Software je ikonografický, založený na platformě LabVIEW od National Instruments (USA). O metodické materiály a náměty činností se starají odborníci z Carnegie Mellon University, Robotics Academy (USA). A co takový NXT robot dokáže? Jeho inteligentní chování naprogramujete poskládáním ikon na obrazovce počítače. Přenos programů a další komunikaci s NXT mikropočítačem umožňuje propojení na USB port anebo radiové vlny (technologie Bluetooth). Díky tlakovému senzoru má robot hmat, vbudovaný reproduktor, a tak můžeme 15

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

robota naučit i mluvit. O pohyb se starají tři servomotory. NXT má vlastní zdroj energie, který lze dobíjet pomocí síťového adaptéru. Rozmanitá paleta Technic součástek se spojuje s nejmodernějšími ultrazvukovými, zvukovými, světelnými a dotykovými senzory v nové generaci intuitivní robotiky. Vylepšené světelné senzory rozpoznají barvu i jas, zatímco nový zvukový senzor umožňuje robotům naslouchat zvukovým předlohám a tónům. Roboty nyní opravdu "cítí" vylepšenými dotykovými senzory a jejich ultrazvukové "očy' měří vzdálenost a pohyb. S přiloženým průvodcem prvními krůčky, jednoduše ovladatelným software a detailními návody, mohou začátečníci i pokročilí vytvářet humanoidní, pohyblivé i zvířecí roboty, kteří poslouchají každý příkaz. Je to dokonalé řešení a přitom jej zvládnou i děti na úrovni druhého stupně základních škol. Jejich fantazie není limitována v modelování ani programování. Programové vybavení je nyní dostupné jak pro PC, tak i pro Macintosh, s podporou Bluetooth, takže můžete dokonce ovládat robota pomocí svého mobilního telefonu. LEGO MINDSTORMS NXT obsahuje: ƒ Inteligentní kostku NXT s 32bitovým mikroprocesorem ƒ 3 servomotory se zabudovanými senzory otáčení k přesnějšímu ovládání ƒ zvukový senzor reaguje na zvukové příkazy, předlohy a tóny ƒ ultrazvukový senzor reaguje na pohyb ƒ světelný senzor rozpoznává barvy i jas ƒ 519 speciálně vybraných LEGO Technic dílů pro pevnou a trvanlivou stavbu a vylepšenou funkčnost a pohyb ƒ 4 vstupní porty, 3 výstupní porty a 7 6ti žilových kabelů ƒ maticový display ƒ opravdový reproduktor ƒ podpora USB 2.0 a Bluetooth ƒ jednoduché rozhraní pro PC i Mac ƒ intuitivní programové vybavení založené na přetahování ikon.

obr. 2: LEGO MINDSTORMS NXT

16

FSI VUT Brno

5

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Technologie Bluetooth

V této kapitole se podrobně seznámíme s Bluetooth technologií, jejím komunikačním standartem, principem Bluetooth přenosu a jednotlivým rozdělením. Najdeme zde popis přenosů podporujících BT technologie, jejich přenosové rychlosti a princip přenosů. Kapitola čerpá z literatury [2], [5], [6], [7].

5.1 Historie Technologie BT byla původně vyvinutá společností Ericsson v letech 1994-1998 jako nenákladná náhrada kabelového propojení mezí zařízeními výpočetní techniky jako jsou mobilní telefony, počítače, notebooky nebo PocketPC. Tato technologie získala název po dánském králi Haraldu Bluetooth ("Modrozubý"). Kraloval v letech 940 až 981. Jedna z jeho silnou vlastností byla, že dokázal přimět lidi mezi sebou navzájem komunikovat. Během své vlády sjednotil Norsko a Dánsko a přivedl do těchto zemí křesťanství. Na počest tomuto králi pojmenovali sjednocené skandinávské firmy Nokia a Ericsson svůj nový komunikační standard. V květnu 1998 vznikla ohledně technologie Bluetooth zvláštní zájmová skupina (Bluetooth Special Interest Group – SIG), skládající se z 9 velkých firem (3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba) a tisíců členských společností.

5.2 Radiové rozhraní Technologie Bluetooth je definovaná standardem IEEE 802.15.1. Hlavní požadavek při návrhu radiového rozhraní byl zajistit schopnost systému pracovat celosvětově. Nejvhodnější kmitočtové pásmo, které splní tyto požadavky, je pásmo ISM 2.4 GHz (Industrial-Scientific-Medical band). Pásmo ISM je bezlicenční, volné pro kterýkoliv radiový systém. Celá šířka pásma 2,400 – 2,4835 GHz se nepoužívá ve všech zemích, například ve Francii je toto pásmo omezené jen na rozsah 2,4465 – 2,4835 GHz. USA, Evropa i jiné země tedy používají frekvenční pásmo v rozhraní 2,4 - 2,4835 GHz, vysílají na frekvenčních kanálech f = 2405 + k MHz, k = 0, … , 78.

5.3 Metoda Bluetooth Za účelem potlačení interference s dalšími signály, které operují v ISM pásmu, Bluetooth technologie používá k přenosu metodu kmitočtových skoků FHSS CDMA (Fast Frequency Hopping Spread Spectrum, Code Division Multiple Access), kdy během jedné sekundy je provedeno 1600 skoků (přeladění) mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1 MHz. Frequency Hopping je metoda používaná v řadě bezdrátových technologií. Hlavní myšlenka spočívá v tom, že máme-li k dispozici určitý počet kanálů (u BT 79), může se snadno stát, že některý z těchto kanálů je rušen a jiný třeba ne, což se ovšem může měnit s časem. Pokud však budeme kanály používané pro komunikaci v čase měnit, zvýšíme tím pravděpodobnost, že se největší možná část komunikace proběhne nerušeně. Konečně slůvko Fast v úvodu celého názvu značí, že přeskakování probíhá opravdu rychle. Konkrétně 1600x za sekundu. Vysílač tedy mění frekvenci po každém přenosu a příjmu. Tím je zajištěna větší kvalita spojení. Tento mechanismus má zvýšit odolnost spojení vůči rušení na stejné frekvenci. V roce 2003 přinesl standard BlueTooth 1.2 podstatná vylepšení. Jedním z nich je Adaptive Frequency Hopping. Tato vlastnost vyloučí z komunikace rušené (již zabrané)

17

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

frekvence z procesu Frequency Hopping, což výrazně pomáhá tam, kde by byl signál BT jinak rušen. Je definováno několik výkonových úrovní (2,5 mW, 10 mW, 100 mW) s nimiž je umožněna komunikace do vzdálenosti cca 10-100 m. Udávané hodnoty ovšem platí jen ve volném prostoru. Pokud jsou mezi komunikujícími zařízeními překážky (typicky například zdi), dosah rychle klesá. Většinou ovšem nedochází ke skokové ztrátě spojení, ale postupně se zvyšuje počet chybně přenesených paketů. Technologie CDMA je založena na principu, že dostupné spektrum o dané šířce (v případě BT je to 1 MHz) můžeme ve stejný čas přidělit více účastníkům dané mobilní sítě. Z toho vyplývá, že můžete mít u sebe třeba 10 notebooků a 10 telefonů s BT, a přesto se nebudou navzájem rušit. Aby se poznalo, od kterého zařízení ten který datový tok pochází, identifikují se jednotlivá zařízení unikátními kódy – proto tedy CDMA. Spread Specrtum značí to, že celá komunikace je širokopásmová neboli že zabírá určité širší spektrum frekvencí (např. 1MHz).

5.4 Bluetooth verze Bluetooth se vyskytuje v několika vývojových verzích, z nichž v současnosti nejvíce využíváná nese označení 1.2 a je implementována v drtivé většině Bluetooth zařízení (stav k r. 2006). Prozatím poslední verze, specifikace Bluetooth 2.0 EDR (Enhanced Data-Rate), zavádí novou modulační techniku pi/4-DQPSK a zvyšuje tak datovou propustnost na trojnásobnou hodnotu oproti Bluetooth 1.2 (2.1 Mbit/s). Tímto se dosahuje daleko větší výdrže baterii, protože samotné navázání spojení a i přenos samotný probíhá v daleko kratší době než u starších verzí Bluetooth.

5.5 Přenosy bluetooth 5.5.1 Přenos hlasu Je realizován synchronním spojením o rychlosti 64 kbit/s. Hlasové kódování je založeno na metodě CVSD (Continuous Variable Slope Delta). Ta byla vybrána kvůli spolehlivosti a odolnosti proti ztrátě a poškození hlasových vzorků. Jedná se o modifikaci klasické delta modulace, velikost skoku zde totiž již není konstantní, ale závisí na vstupním signálu. Výhodou CVSD je pružnější reakce na rychlé změny signálu. Princip je nejlépe patrný z následujícího obrázku.

obr. 3:

princip CVSD 18

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

5.5.2 Přenos dat Datové spojení je asynchronní – a to buď asymetrické (s rychlostmi 723 kbit/s v jednom směru a 57.6 kbit/s ve směru opačném), nebo symetrické (s rychlostí 432.6 kbit/s v obou směrech přenosu) Pro Přenos dat se používá Gaussovská modulace GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Jedná se o Gaussovskou modulaci s frekvenčním klíčováním, při které je modulátoru FSK předřazena dolní propust gaussovského typu. Pravoúhlý signál se po průchodu touto propustí přemění na spojitý signál ve tvaru Gaussovy křivky, a tím se omezí šířka pásma potřebná pro přenos. Modulační index musí mít hodnotu v rozmezí 0,28 – 0,35. Logická jednička je reprezentována kladnou frekvenční odchylkou, logická nula odchylkou zápornou.

obr. 4: Gaussovská modulace

5.6 Podpora Bluetooth Bluetooth technologie podporuje současný přenos hlasu a dat mezi dvěma zařízeními. Umožňuje až 3 současná hlasová spojení typu bod – bod (P-P) a také umožňuje datové spojení typu bod – mnoho bodů (P-MP) a až 2 současná hlasová spojení typu bod – bod (P-P). Bluetooth zařízení, která jsou v dosahu, mohou vytvořit spojení P-P nebo P-MP. Jednotky mohou být dynamicky připojené nebo odpojené od sítě. Dvě nebo více zařízení, která sdílejí společný kanál, tvoří buňku zvanou piconet. Několik takovýchto buněk se může sloučit do uskupení zvaného scatternet a umožnit tak pružnější komunikaci. Jestliže je v dosahu další piconet, pak každá pracuje nezávisle a má přístup k celé šířce pásma. Každá buňka piconet je stanovena jiným schématem frekvenčních skoků. Všichni uživatelé v této jedné buňce se synchronizují na toto schéma. Na rozdíl od IR zařízení Bluetooth jednotky nejsou omezeny přímou viditelností. Kvůli řízení provozu v buňce se jedno zařízení stane nadřazeným (Master) a ostatní jsou mu podřazené (Slaves). Podle Bluetooth specifikace může s Masterem aktivně komunikovat až 7 zařízení typu Slave. Například : přenosný počítač (Master) se spojí s různými zařízeními (Slaves) : s dalším počítačem, s PDA, tiskárnou a mobilním telefonem – toto uskupení tvoří malou bezdrátovou síť označovanou jako piconet.

19

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

5.7 Rozdělení podle výstupního výkonu 5.7.1 Class 1 • • • •

Max výstupní výkon: 100 mW (20 dBm) nominální výstupní výkon: N/A min výstupní výkon: 1 mW (0 dBm) má dosah až 100 metrů. Díky své energetické náročnosti se používá spíš pro USB adaptéry pro PC a pro budování BT lokálních sítí.

5.7.2 Class 2 • • • •

Max výstupní výkon: 2,5 mW (4 dBm) nominální výstupní výkon: 1 mW (0 dBm) min výstupní výkon: 0,25 mW (-6 dBm) je nejrozšířenější variantou s dosahem do 10 metrů.

5.7.3 Class 3 • • • •

Max výstupní výkon: 1 mW (0 dBm) nominální výstupní výkon: N/A min výstupní výkon: N/A má dosah maximálně 1 metr. Používá se zejména u handsfree sad, kdy od telefonu v kapse ke sluchátku na uchu není velká vzdálenost.

Toto označení platí pro všechny vývojové řady (tj. 1.0 , 1.2 a 2.0)

5.8 Zabezpečení Používá se množství mechanismů.V každé Bluetooth jednotce musí být realizovány procedury ověřování a šifrování stejným způsobem. Na spojové vrstvě jsou použity k dosažení bezpečnosti čtyři entity. První entitou je veřejné adresování, které je jedinečné pro každého uživatele (Bluetooth adresa má velikost 48 bitů). Druhým zabezpečením jsou dva tajné klíče (délky 128 bitů), dále náhodné číslo (délky 128 bitů), které je různé pro každou novou operaci. Poslední entitou je ověřování (autentikace), kdy se předejde nežádoucím přístupům k datům, například k připojení přenosného počítače k mobilnímu telefonu může být požadován PIN. Šifrováním se předejde odposlechům a zachová se utajení dat.

5.9 Schéma Bluetooth vrstev V této části své práce podrobně popisuji jednotlivé BT vrstvy tak, jak jsou zobrazeny níže na obrázku, charakteristiku vrstev, jejich funkce a využití.

20

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

obr. 5: vrstvy Bluetooth

5.9.1 Radio Tato vrstva leží v hierarchii nejníže. Charakterizuje použité frekvenční pásmo, organizaci kanálů, použitou modulaci i řízení vysílacího výkonu. Zařízení jsou z hlediska vysílacího výkonu rozdělena do tří tříd. Řízení vysílacího výkonu je povinné u třídy 1, je založeno na RSSI (Remote Signal Strenght Indication). Technologie Bluetooth též používá zpětné zasílání požadavků na zvýšení či snížení výkonu.

5.9.2 Baseband Mezi základní charakteristiky této vrstvy patří Frequency hopping, kdy se každý paket přenáší na jiné frekvenci. Okruh je vytvořen časovým dělením kanálů (TDD – Time Division Duplex) a kanál je dělen na sloty o délce 625 ms. Baseband podporuje přenos hlasu (64 kbit/s synchronně) a asynchronní přenos dat (433,9 kbit/s symetricky; 723,2 + 57,3 kbit/s asymetricky). Umožňuje spojení bod – bod, bod – mnoho bodů (až 7 aktivních).

5.9.3 Link Manager Link Manager obsahuje management spojení, který sestavuje spojení, dohlíží nad jejím průběhem, zda nedochází rušení spojení. Dále je zde bezpečnostní management, který provádí autentizaci, vytváří a mění klíče, spáruje zařízení a řídí šifrování. Najdeme zde i Management pokosíte, což je management SCO a ACL spojů. Určuje parametry časování a požadavek na jméno. Link manager také obsahuje konfigurace spojení, kde se kontroluje kvalita spojení, použité typy paketů a řídí vysílací výkon. 5.9.3.1 Formát LM: Rámce LM jsou přenášeny v informačním poli místo L2CAP, v paketech zabírající jeden time slot. Od L2CAP rámců jsou odlišeny pomocí L_CH (11) identifikátoru v hlavičce informačního pole paketu. Zprávy LM mají vyšší prioritu než uživatelská data tj. nejsou bržděna L2CAP provozem. Není potřeba potvrzení příjmu zprávy. Nižší vrstvy poskytují spolehlivý přenos. Nejmíň významný bit (Transaction ID) přenáší informaci o původu 21

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

transakce ( 0 – transakci zahájil master). Sedmi bitový OpCode určuje konkrétní zprávu. Dále následuje blok parametrů – content, jehož délka závisí na konkrétním typu zprávy.

obr. 6: Formát Link Mangeru

5.9.4 Host Controller Interface (HCI) HCI umožňuje jednotnou metodu přístupu k Bluetooth hardwaru. Je nezávislí na konkrétní implementaci. Ke službám LMP existuje jednotná metoda přístupu. HCI je specifikováno pro různá fyzická rozhraní – USB, RS232, (PC-Card, PCI)

5.9.5 Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) Poskytuje spojově a bezspojově orientované datové služby vyšším vrstvám. L2CAP protokol je definován pouze pro ACL spoje, nikoliv pro SCO. Umožňuje multiplexování protokolů vyšších vrstev. L2CAP musí podporovat multiplexování, protože nižší vrstvy nemají identifikátor protokolu vyšší vrstvy (SDP, RFCOMM, TCS). L2CAP provádí segmentaci a spojování – velikost paketů v nižší vrstvě je limitována (341 bajtů pro paket DH5). Tato funkce je nezbytná pro přenos velkých paketů vyšších vrstev. Maximální velikost L2CAP paketu je 64KB, začátek je indikován v poli L_CH hlavičky informačního pole. Dodržuje se zde kvalita služby, kdy při navazování spojení je vyměněna informace o požadované kvalitě služby. Protokol monitoruje prostředky a zajišťuje dodržení dohodnutých parametrů. Pojetí L2CAP je založeno na kanálech. Každý kanál má svůj identifikátor CID (Channel IDentifier) – viz. následující obr.

obr. 7: L2CAP protokol

22

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

5.9.6 TCS (Telephony Control Specification) Využití: ƒ Je eealizace terminálu s funkcemi normálního telefonního přístroje s možností přístupu do PSTN či GSM sítí. ƒ Headset – funkce vyzvednutí, zavěšení, (regulace hlasitosti). ƒ možnost ovládání pomocí jiného bluetooth zařízení (např. hlasitost, zisk mikrofonu, generování vyzváněcího tónu aj.). ƒ možnost několika headsetů pracujících simultánně. Charakteristika: ƒ Založen na doporučení ITU-T Q.931- Digital Subscriber Signalling System No. 1 (DSS 1). TCS obsahuje tyto funkční oblasti: ƒ Řízení hovoru – CC (Call Control) signalizace pro sestaveni a uvolnění datových nebo hovorových spojení mezi bluetooth zařízeními ƒ skupinový Management – signalizace usnadňující obsloužení skupiny bluetooth zařízení ƒ bezspojový TCS – CL – signalizace netýkající se právě probíhajícího hovoru.

5.9.7 SDP (Service Discovery Protocol) SDP poskytuje prostředky aplikacím a vyšším protokolům. Určuje, které služby jsou dostupné a charakteristiky těchto služeb. ƒ Záznam služby (Service record) ƒ všechny informace o službách jsou spravovány SDP serverem ƒ záznam služby obsahuje jednotlivé atributy služby. V následující tabulce jsou zobrazeny příklady atributů služeb ServiceClassIDList ServiceID ProtocolDescriptorList ProviderName IconURL ServiceName ServiceDescription

Seznam unikátních identifikátorů služeb, kterých se služba týká Unikátní identifikátor instance služby Specifikuje protokol(y) použitelné k pro danou službu Řetězec se jménem poskytovatele služby URL adresa obrázku, který může být použit pro reprezentaci služby Řetězec se jménem služby Řetězec s popisem služby tab. 1:

příklady atributů služby

5.9.8 RFCOMM Využití: ƒ Protokol k emulaci sériového portu přes rádiové rozhraní, ƒ poskytuje kompatibilitu se širokou škálou aplikací, které používají sériového portu jako hlavního komunikačního média, ƒ vychází ze standardu GSM TS 07.10 pro multiplexování kanálů a emulaci V.24., 23

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

ƒ

Michal Neuvirt

specifikace 07.10 vychází z protokolu HDLC (v RFCOMM není Zahajovací a ukončující sekvence). Vlastnosti: ƒ Podpora až 62 simultánních portů mezi dvěma bluetooth zařízeními, ƒ emulace zahrnuje i přenos stavů řídících obvodů, ƒ konfigurace portů je prováděna pomocí příkazů pro vzdálené vyjednání parametrů – přenosová rychlost, počet datových bitů, stopbitů, parita, řízení toku ƒ zařízení typu 1 – koncové body komunikačního řetězce (počítač, tiskárna), ƒ zařízení typu 2 – část komunikačního řetězce (modem).

obr. 8: Referenční model (1)

obr. 9: Referenční model (2)

24

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

5.10 Fyzický kanál Bluetooth Je tvořen pseudonáhodnou posloupností rádiových kanálů, přeskakujících v rámci všech 79 (nebo 23) nosných. Sekvence, daná adresou masteru, je u technologie Bluetooth unikátní pro každou pikosíť. Fáze v sekvenci je dána hodnotou časovače masteru . Přenosový kanál je rozdělen na time sloty, každý je vysílán na jiné frekvenci a má délku 625 ms. V time slotu může master nebo slave vysílat paket. Time sloty jsou v technologii Bluetooth číslovány v intervalu 0-227-1. Pro oddělení protisměrných kanálů je využito časového dělení – TDD. Master začíná přenos pouze v lichých time slotech, slave pouze v sudých time slotech. V technologii Bluetooth mohou mezi masterem a slavem existovat dva typy fyzického spoje. Synchronní, spojově orientovaný spoj SCO (Synchronous Connection Oriented link), je symetrický, typu bod-bod. Rezervace slotů je zde v pevně daných intervalech. Používá se hlavně pro přenos časově omezených dat, např. hlasu. Master umožňuje až 3 SCO spojení k jednomu nebo několika slaveům, slave umožňuje 3 SCO spojení od jednoho mastera nebo 2 SCO spojení od dvou masterů U tohoto typu spoje se neprovádí znovuposílání paketu v případě ztráty. Asynchronní, bezspojově orientovaný spoj ACL (Asynchronous Connection-Less link). Fyzický spoj ACL je určen synchronním, paketově orientovaným spojením. Pokud slot není rezervován pro SCO spojení, může být použit pro ACL spojení s kterýmkoli aktivním slavem. S daným slavem existuje jen jedno ACL spojení, slave vysílá pouze v time slotu následujícím za jemu určeným time slotem. Integrita dat je zde zajištěna znovu zasíláním paketů v případě ztráty.

5.11 Adresování V technologii Bluetooth rozeznáváme tři typy adres: ƒ Bluetooth Device Address (BD_ADDR) – unikátní, odvozeno ze standartu IEEE 802, skládá se z 48 bitů ƒ Active Member Address (AM_ADDR) – obsahuje 3 bity, určuje aktivní slave (samé nuly => pro všechny) ƒ Parked Member Address (PM_ADDR) – 8 bitů Struktura Bluetooth Device Address: ƒ LAP – nižší adresovací část ƒ UAP – vyšší adresovací část ƒ NAP – neplatná adresovací část

obr. 10: Bluetooth Device Adress

25

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

K opravě chyb se v technologii Bluetooth používá Předběžná chybová korekce FEC (Forward Errror Correction). Daný bit třikrát opakován (1/3FEC). Skupina 10 bitů je kódována zkráceným Hammingovým kódováním s generačním polynomem g(D) = (D+1)(D4+D+1) na 15 bitů. Používá se automatické žádosti o opakování ARQ (Automatic Repeat reQuest). V odpovědi je zasílán NAK nebo ACK. NAK je zaslán v případě, že není detekován access code, chyba je detekována HEC nebo CRC.

5.12 Paketová struktura 5.12.1

Obsah paketů

Podle typu může paket obsahovat pouze acces code, nebo acces code a header.

obr. 11: Obsah paketů 5.12.1.1 Access code Má délku 72, příp. 68 bitů. Slouží pro kompenzaci stejnosměrné složky, synchronizaci a identifikaci. Rozlišujeme tři typy: ƒ Channel Access Code (CAC) – identifikace paketů v pikosíti ƒ Device Access Code (DAC) – pro signalizační účely ƒ Inquiry Access Code (IAC) – pro nalezení okolních zařízení

obr. 12: Access code

Preamble kompenzuje DC složku, posloupnost 1010 nebo 0101 v závislosti na 1. bitu v sync word. Sync Word je 64 bitové slovo odvozené z 24 bitové adresy LAP, má velkou Hammingovu vzdálenost a dobrou autokorelační vlastnost. Trailer je dodatečná DC kompinace, řídí se podle posledního bitu v sync word 1010 nebo 0101. Pro DAC a IAC se vypouští pokud nenásleduje header.

26

FSI VUT Brno

5.12.1.2

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Header

obr. 13: Header ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

5.12.2

AM_ADDR – Adresa cíle TYPE – Typ paketu FLOW – Řízení toku. Pro FLOW = 0 stop vysílaní. Neplatí pro řídící pakety a SCO pakety. ARQN – Potvrzení příjmu. ARQN = 1 =>ACK SEQN – Sekvenční číslování paketu. HEC – Zabezpečení hlavičky

Typy paketů

V následující tabulce jsou zobrazeny jednotlivé typy paketů: Segment Kód TYPE Počet slotů 0000 1 0001 1 1 0010 1 0011 1 0100 1 0101 1 0110 1 2 0111 1 1000 1 1001 1 1010 3 1011 3 3 1100 3 1101 3 1110 5 4 1111 5

SCO spoj NULL POLL FHS DMI nedefinováno HV1 HV2 HV3 DV nedefinováno nedefinováno nedefinováno nedefinováno nedefinováno nedefinováno nedefinováno

tab. 2: typy paketů

27

ACL spoj NULL POLL FHS DMI DH1 nedefinováno nedefinováno nedefinováno nedefinováno AUX1 DM3 DH3 nedefinováno nedefinováno DM5 DH5

FSI VUT Brno

5.12.3

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Společné pakety

Jedná se o pakety segmentu 1 + ID paket: ƒ ID paket – Pevná délka 68 bitů, tvořen DAC nebo IAC. Použit při procedurách pátrání, kontaktování, a odpovědích. ƒ NULL paket – Pevná délka 126 bitů. Má pouze access code a header. Slouží k přenosu spojových informací jako potvrzení o správném příjmu (ARQN) nebo o stavu přijímacího bufferu (FLOW). Nemusí být potvrzen. ƒ POLL paket – Podobný NULL paketu, ale vyžaduje odpověď. ƒ FHS paket – 144 bitů + 16 bitů CRC, 2/3 FEC tj. 244 bitů celkem. Speciální kontrolní paket předávající mimo jiné BD_ADDR a hodnotu hodin. Slouží k synchronizaci frekvenční hop sekvence, přidělovaní AM_ADDR. ƒ DM1 paket – Slouží pro podporu řídících zpráv, může přenášet i normální uživatelská data. Na SCO spojích může přerušit informační tok pro zaslání řídících informací

5.12.4

SCO pakety

SCO pakety nemají ochranu CRC a jsou směrovány na synchronní port. V informačním poli není žádná hlavička. ƒ HV1 paket – Přenáší 10 informačních bajtů, chráněn 1/3 FEC. Celková délka 240 bitů, Přenáší 1,25 ms řeči při 64 kbps. Musí být posílán každý druhý time slot (TSCO=2) ƒ HV2 paket – Přenáší 20 informačních bajtů, chráněn 2/3 FEC. Celková délka 240 bitů, Přenáší 2,5 ms řeči při 64 kbps. Musí být posílán každý čtvrtý time slot (TSCO=4) ƒ HV3 paket – Přenáší 30 informačních bajtů, není chráněn FEC. Celková délka 240 bitů, Přenáší 3,75 ms řeči při 64 kbps. Musí být posílán každý šestý time slot (TSCO=6) ƒ DV paket – Kombinovaný paket hlas – data. Hlasová část má 10 bajtů bez ochrany FEC, Datová část má 10 informačních bytů + 1 bajt hlavičky a 16 bitů CRC a je kódována 2/3 FEC

obr. 14: SCO pakety

5.12.5

ACL pakety

Definováno je 7 ACL paketů. Většina (kromě AUX1) používá zabezpečení CRC a v případě chyby jsou znovu zasílány. Hlavička v informačním poli má velikost 1 bajt pro pakety v jednom slotu, 2 bajty pro paket ve více slotech. ƒ ƒ ƒ

L_CH – kód logického kanálu FLOW – řízení toku pro vyšší vrstvu LENGHT – délka informačního pole kromě hlavičku a CRC v bajtech 28

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

obr. 15: ACL paket

L_CH Logický kanál Informace 00 Nedefinováno 01 UA/UI Pokračující část L2CAP zprávy 10 UA/UI Začátek L2CAP zprávy 11 LM LMP zpráva tab. 3: Logický kanál Typy ACL paketů: ƒ DM1 paket – Přenášen v jednom slotu. Informační pole obsahuje až 18 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Kódováno 2/3 FEC. ƒ DH1 paket – Přenášen v jednom slotu. Informační pole obsahuje až 28 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Není kódování FEC. ƒ DM3 paket – Přenášen ve třech slotech. Informační pole obsahuje až 123 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Kódováno 2/3 FEC ƒ DH3 paket – Přenášen ve třech slotech. Informační pole obsahuje až 185 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Není kódování FEC. ƒ DM5 paket – Přenášen v pěti sloty. Informační pole obsahuje až 226 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Kódováno 2/3 FEC. ƒ DH5 paket – Přenášen v pěti slotech. Informační pole obsahuje až 341 bajtů (včetně hlavičky) + CRC 16. Není kódování FEC. ƒ AUX1 paket – Přenášen v jednom slotu. Informační pole obsahuje až 30 bajtů (včetně hlavičky). Není kódování FEC.

5.12.6

Provozní stavy paketů ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Standby – výchozí stav, v tomto stavu má jednotka bluetooth minimální spotřebu Inquiry – Prohledávání okolí. Zjišťování okolních jednotek. Inquiry scan – jednotka očekává IAC Page – Vysílání DAC jednotky se kterou se má navázat spojení Page scan – jednotka očekává její DAC Connection

29

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

30

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

6

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Moduly Bluetooth pro mobilní robotiku

Pro snadnou implantaci Bluetooth do našeho zařízení, musíme použitý určitý Bluetooth modul. V této kapitole uvádím nejnovější moduly na trhu, jejich charakteristiku a rozhraní. Podrobné informace o uvedených modulech naleznete na přiloženém CD. O více modulech se můžete dozvědět přímo na stránkách společností [8] a [9].

6.1

Moduly společnosti Bluegiga

6.1.1 WT11 Bluetooth modul WT11 je představitel generace Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rates – zvýšená rychlost přenosu dat). Umožňuje třikrát vyšší rychlost přenosu dat s nižší spotřebou ve srovnání s existující Bluetooth 1.2. WT11 je integrovaný Bluetooth modul, obsahující všechny nezbytné části od Bluetooth rádiové části až k anténě a plně implementovanému protokolovému stacku. Proto je WT11 ideálním řešením pro vývojáře kteří chtějí integrovat Bluetooth do svých návrhů a nechtějí se podrobně zabývat studováním Bluetooth a RF technologie. Modul je standardně vybaven silným a snadno použitelným iWRAP firmware. iWRAP umožňuje uživatelům zpřístupnit Bluetooth prostřednictvím jednoduchých ASCII příkazů posílaných do jednotky přes sériové rozhraní.

obr. 16: WT11 BT modul-E

6.1.1.1 Vlastnosti ƒ Bluetooth® třídy1 (dosah až 200 metrů) - nominální výstupní výkon +19 dBm - nominální citlivost – 84 dBm - pásmo 2.4 GHz ISM - založený na CSR's BC04 chipsetu ƒ Dvě možnosti připojení antény: integrovaná anténa nebo U.FL konektor pro externí anténu ƒ Zvýšená rychlost přenosu dat (EDR) s propustností až 2-3Mbps ƒ Podpora pro Adaptive Frequency Hopping (AFH) a 802.11 ƒ USB verze 2.0 ƒ UART (i bypass mode)

31

FSI VUT Brno

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

8Mbits flash paměťi Podpora HCI, SPP a OBEX Podpora pro uživatelské aplikace Průmyslový teplotní rozsah od -40˚C do +85˚C Vyhovuje RoHS Plně vyhovuje CE a FCC Hlavní procesor rozhraní s UART nebo USB SPI rozhraní pro firmware a update 6xGPIO PCM rozhraní pro Audio aplikace Napájecí napětí: regulované 3.2 – 3.4 VDC PCB: 35.3 x 14 x 2.3 mm Stínění předcházející nežádoucím interferencí

6.1.1.2 Využití ƒ Náhrady kabeláže ƒ Prodejní systémy a čtečky čárových kódů ƒ Telemetrie a M2M (Machine To Machine) ƒ Logistika a dopravní systémy ƒ Automobilová měřicí systémy ƒ Lékařské systémy ƒ Fitness a sportovní telemetrie ƒ PDA a přenosné terminály ƒ PC a notebooky 6.1.1.3 Možnosti firmware ƒ iWRAP™ rozhraní pro zpřístupnění Bluetooth prostřednictvím ASCII příkazů ƒ HCI firmware pro UART a USB rozhraní ƒ Možnost užívat vlastní uživatelský firmware ƒ 128-bitové Bluetooth šifrování dostupné pro všechny firmware

obr. 17: Bluetooth firmware třídy 1

32

FSI VUT Brno

6.1.2

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

WT12 Bluetooth Modul WT12 je další generace bluetooth modulů, třídy 2, Bluetooth 2.0+EDR.

obr. 18: WT12 BT modul

6.1.2.1 Vlastnosti ƒ Bluetooth třída 2 ƒ Integrovaná čipová anténa ƒ Zlepšiní přenosové rychlosti (EDR) s průchodností dat 2-3Mbps ƒ Podpora pro Adaptive Frequency Hopping (AFH) a 802.11 soužití ƒ USB verze 2.0 ƒ UART s bypass režimem ƒ 8Mb okamžité paměti ƒ Podporované Bluetooth profily: SPP, HFP, HFP-AG, OBEX Opp a šedivý, + HCI ƒ Průmyslový rozsah teplot od -40˚C do +85˚C ƒ RoHS kompatibilní ƒ Pin-to-pin kompatibilní se Bluegiga WT11 modulem ƒ Jednoduchý iWRAP™ firmware pro kontrolní Bluetooth® bezdrátový systém technologie ƒ Plně způsobilý konečný produkt s Bluetooth 2.0+EDR, CE, FCC a IC 6.1.2.2 Využití ƒ Point-of-Sales systémy ƒ Čárové kódy a RFID snímače ƒ Průmyslová PC a přenosné počítače ƒ PDAs a jiné přenosné terminály

33

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

6.1.3 WRAP THOR™ 2022-1 WRAP THOR™ 2022-1 je představitel Bluetooth 1.2 rozhraní. Modul je určen pro Bluetooth třídy 1a jeho dosah je až 200 metrů, vynikající pro vývojářskou podporu. WRAP THOR™ 2022-1 je sice robustní, ale modul je zkonstruován tak, že se dá snadno vkládat do příslušných aplikací. Modul prošel Bluegigovým kompletním vývojem, testováním a ověřením se vylepšila nabídka.

obr. 19: WRAP THOR 2022-1

6.1.3.1 Vlastnosti ƒ Bluetooth třída 1 ƒ Dosah až 200 metrů ƒ Bluetooth 1.2 kompatibilní ƒ Podporuje Adaptive Frequency Hopping (AFH) ƒ Podporované Bluetooth profily: SPP, HFP, HFP-AG, OBEX Opp a DUN, + HCI ƒ Podpora palubových aplikací ƒ 8MB okamžité paměti ƒ Průmyslový rozsah teplot od -40˚C do +85˚C ƒ Malá velikost: 25.6 x 14 x 2.5mm ƒ Bluetooth, FCC a CE certifikace ƒ Jednoduchý iWRAP™ firmware pro Bluetooth bezdrátový systém ƒ Hladké síťování s Bluegiga WRAP Access Server™ 6.1.3.2 Využití ƒ Obdobné využití jako u předchozích modulů ƒ Logistika a přepravní systémy a vedení loďstva ƒ Zdraví a telemetrie sportů

34

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

6.2 Moduly společnosti Free2move Free2move Bluetooth moduly nabízí snadný a účinný způsob, jak začlenit Bluetooth funkčnost do našeho zařízení. Moduly jsou dostupné s různými firmwarovýma verzemi: Bezdrátový UART firmware je vložené jednoprocesorové řešení, které realizuje profil sériového portu (SPP). Jiné verze firmwaru jsou: Headset, HCI, RFCOMM.

6.2.1 Free2move Bluetooth Module – F2M03GX/GXA

obr. 20: F2M03GXA

obr. 21: F2M03GX

6.2.1.1 Vlastnosti ƒ Plně způsobilý konečný produkt s Bluetooth v 2.0+EDR, CE a FCC ƒ Dvě možnosti antény – integrovaná anténa vysokého výkonu (F2M03GXA) – U.FL-connector pro externí anténu (F2M03GX) ƒ Přenosový výkon až do +19dBm ƒ Rozsah do 1000m pod úhlem pohledu ƒ Piconet a Scatternet schopnost, podpora pro 7 slaves ƒ Požaduje málo vnějších součástí ƒ Průmyslový rozsah teplot -40°C do +85°C ƒ Enhanced Data Rate (EDR) kompatibilní s v2.0.E.2, specifikace pro oba 2Mbps a 3Mbps modulační režimy ƒ USB v2.0 kompatibilní ƒ Sériové rozhraní do 4Mbps ƒ Rozsáhlé digitální a analogové I/O rozhraní ƒ PCM rozhraní pro 3 současné hlasové kanály ƒ Velká vnější paměť pro zakázkové aplikace ƒ Podporuje mnoho Bluetooth profilů ƒ Podpora pro 802.11b/g ƒ RoHS kompatibilní ƒ Dostupný s kompletním Bluetooth softwarovým zásobníkem ƒ Bezdrátová UART funkčnost bez zvláštního protokolu

35

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

6.2.2 Free2move Bluetooth Module – F2M03GLA

obr. 22: F2M03GLA

6.2.2.1 Vlastnosti ƒ Nízká spotřeba energie ƒ integrovaná anténa vysokého výkonu ƒ Přenosový výkon do +8dBm ƒ Rozsah do 250m (úhel pohledu) ƒ Piconet a Scatternet schopnost, podpora až 7 slaves ƒ Požaduje málo vnějších součástí ƒ Průmyslový rozsah teplot -40°C do +85°C ƒ Enhanced Data Rate (EDR) kompatibilní s v2.0.E.2, specifikace pro oba 2Mbps a 3Mbps modulační režimy ƒ USB v2.0 kompatibilní ƒ Sériové rozhraní k 4Mbps ƒ Rozsáhlé digitální a analogové I/O rozhraní ƒ PCM rozhraní až pro 3 současné hlasové kanály ƒ Velká vnější paměť pro zakázkové aplikace ƒ Podporuje mnoho Bluetooth profilů ƒ Podpora pro 802.11b/g ƒ RoHS kompatibilní ƒ Dostupný s kompletním Bluetooth softwarovým zásobníkem ƒ Bezdrátová UART funkčnost bez zvláštního protokolu.

36

FSI VUT Brno

7

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Doporučení BT modulu pro VUT robota Micromouse

UAI FSI VUT v Brně vyvinula v minulém roce robota sloužící k ověřování algoritmů umělé inteligence. Robot lze současně použít v soutěži micromouse. O soutěži a o konkrétním robotu píši níže. Pro přenos dat do mikrokontróleru můžeme využít technologii Bluetooth. Pro přenos dat mezi počítačem a VUT robotem zde navrhnu vhodný BT modul a BT převodník do PC.

7.1

Micromouse

Micromouse je soutěž malých robotů o maximální velikosti 25 cm v šířce či délce, výška robotů není omezena. Roboty musejí projet po správné trase do středu čtvercovitého bludiště v co nejkratším čase. Soutěž oficiálně probíhá od roku 1970, první zmínky o soutěži pochází už z roku 1950. Mikropočítačem řízené roboty jsou zcela autonomní, nesmí využívat zdroj energie využívající spalovací proces a žádná část robotu nesmí pracovat s napětím vyšším než 24V. Soutěžící nesmí mít při aktivaci myši možnost volit ani ovlivnit strategii. Po odkrytí bludiště ani při restartu nesmí vložit myši žádnou informaci. Bludiště je konstruováno tak, aby ho bylo možné objet celé pouze pomocí pravidla pravé (či levé) ruky – tj. tak, aby se robot dostal do středu i pokud bude pouze sledovat stěnu na vybrané straně. Tím je umožněno i jednodušším robotům (bez mapování) splnit zadaný úkol. Nejčastějším důvodem nesplnění úkolu tedy bývá ne zcela funkční hardware robotu (typicky senzory).

obr. 24: pohled na bludiště

obr. 23: stavba bludiště

I když pravidla soutěže přímo neurčují typ podvozku robotů, v soutěži se používají výhradně kolové podvozky. Je to především díky jejich snadné mechanické konstrukci, snadného řízení a tím pádem finančně nejméně náročné. Tito informace byly čerpány z [10].

37

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

7.2 VUT Robot Micromouse Při návrhu robotu byl největší důraz kladen na univerzální a jednoduchou konstrukci a co nejnižší cenu. Robot je postaven na diferenciálním podvozku, pro pohon je použita dvojice krokových robotů. Změna směru pohybu je realizována různou rychlostí otáčení kol. Aby se robot nepřevrátil, je vybaven dvěma kulovými podpěrami. Technické parametry a popisy vychází z [11].

obr. 25: VUT Robot Micromouse

7.2.1

Technické parametry • • • • • • •

Délka robotu je 130mm, šířka 105mm, výška 80mm Hmotnost 990g Obsahuje 2 krokové motory TEAC KP39HM2-025 3 senzory SHARP GP2D120 Napájen je 4 akumulátory Lilon CGR18650/4,2V Podvozek je diferenciální, má 2 hnaná kola a 2 podpěry Pro komunikaci jsou použity 2 RS323/TTL/38400Bd

Řídící systém se skládá z jednotlivých modulů, které spolu komunikují po společné sběrnici. Díky tomuto řešení lze snadno modifikovat robot pro danou úlohu. Robot je vybaven třemi základními moduly a to modul hlavního CPU, modul senzoriky, modul řízení motorů. Robotu je možné připojit modul displeje a tlačítek pro zobrazování informací a nastavování parametrů robotu.

7.2.2

Přenos dat

Komunikace mezi moduly je založena na posílání paketů pomocí rozhraní USART, které obsahují procesory ATMega. Jedná se o rozhraní pro sériový přenos dat. Toto rozhraní lze snadno připojit na port RS232. Pro připojení stačí pouze napěťový převodník, který převádí 5V logiku na 12V. V robotu je použit integrovaný obvod MAX232 od firmy MAXIM. Pro obsluhu portu je použito přímo Win32 API (application programming interface), která využívá MFC verze 7 (Microsoft Foundation class). Bezdrátové propojení robotu VUT Micromouse doposud nebylo realizováno. Z toho důvodu zde provedu volbu vhodného bezdrátového modulu. Nejvýhodnější a nejlevnější bezdrátová technologie pro

38

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

tento případ se jeví technologie Bluetooth. Ceny BT modulů jsou již poměrně nízké a synchronizace s PC je bezproblémová. 7.2.2.1 Bluetooth převodník Jako převodník Bluetooth do PC bych volil zařízení Parani-SD100 s RS232 rozhraním od společnosti Sena. Jedná se o zařízení Bluetooth třídy typu 1 s dosahem do 100m, umožňuje použití až sedmi zařízení v síti. Více informací o produktu naleznete na přiloženém CD. O produktech společnosti Sena se můžete dozvědět na webových stránkách [12].

obr. 26: Bluetooth převodník Parani-SD100

7.2.2.2 Bluetooth modul Pro rychlou a snadnou implementaci Bluetooth do tohoto robota bych použil Modul WT11 od společnosti Bluegiga (viz. kap. 6.1.1). Tento modul představuje kompletní Bluetooth technologii pro okamžité použití, jelikož podporuje platformy pro USB, RS232, Ethernet TCP/IP, WLAN, GSM a GPRS přes CF-kartu. Rozměry jsou malé, délka 35,3mm, šířka 14mm, výška modulu je 2,3mm, lze jej tedy snadno připojit k použitému robotu.

obr. 27: Bluetooth modul WT11-E

39

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

40

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

8

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Závěr

Mobilní roboty v dnešní době jsou na počátku vývoje a jejich programy, stavba i schopnost přizpůsobovat a orientovat se v prostředí se stále zdokonalují. Vývojáři každým rokem přicházejí na trh s dokonalejším softwarem i hardwarem. Ve 4. kapitole jsem uvedl dva tipy mobilních robotů. Roboty jsou sice zatím konstruovány pro různé soutěže nebo pokusy, ale v budoucnu se jistě stanou lidstvu užiteční a budou nepostradatelnými pomocníky snad ve všech odvětví průmyslu či zábavy. Již dnes můžeme najít spoustu uplatnění mobilních robotů v průmyslu, jejich schopnosti jsou ale zatím omezené a plní základní funkce. Základní rozdělení robotů a oblastí kde by se daly mobilní roboty použít jsem popsal v kapitole 2. Mobilní roboty mohou být buď zcela autonomní, nebo se mohou vzdáleně ovládat různou technologií. Bezdrátové technologie jsem stručně popsal v kapitole 3. Výbornou bezdrátovou technologií pro vzdálené ovládání robotů a přenosem dat mezi PC a konkrétním zařízením je technologie Bluetooth, kterou jsem podrobně popsal v 5. kapitole. Této technologii byl věštěn velmi rychlý rozvoj, ačkoli z komerčního hlediska byla doposud spíše ve stavu stagnace. V poslední době však můžeme sledovat obrat tohoto stavu a nárůst jejích implementací. Technologie se začíná uplatňovat ve spoustě odvětví průmyslu a nyní je nepostradatelnou součástí mobilních telefonů, notebooků, tiskáren a jiných zařízení. Cena BT modulů klesá a jsou dostupné každému uživateli. V šesté kapitole uvádím nejnovější moduly na trhu. Pro spojení našeho BT zařízení a PC slouží jednoduché převodníky. V sedmé kapitole jsem navrhl vhodný Bluetooth modul pro VUT Robot Micromouse a vhodný Bluetooth převodník do PC. Jelikož žijeme v době pokroku a stále se zdokonalují již známé technologie, či dokonce vynalézají nové, může technologie bluetooth ovlivnit v budoucnu trh i průmyslová odvětví a stát se nepostradatelnou součástí našich životů. Dávám Bluetooth velkou budoucnost a myslím, že jednou každý člověk bude ať chce či nechce využívat přednosti této bezdrátové technologie.

41

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

42

Michal Neuvirt

FSI VUT Brno

9

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Použité zdroje [1] PAVLÍČEK, Jiří. Kooperace skupiny mobotů při řešení úloh. 2000 Dostupné z [2] WIKIPEDIA. Různé dotazy. Dostupné z [3] GREBL, Robert, počítačové modelování robotů [2006]. [cit.12.3.2007]. Dostupné z [4] LEGO. Lego mindstorms NXT [2006]. [cit.5.3.2007]. Dostupné z < http://hracky-lego.legacek.cz> [5] BLUETOOTH. Bluetooth4U.cz [cit. 8.3.2007]. Dostupné z < http://www.bluetooth4u.cz > [6] BLUETOOTH. Ubuntu.cz [online]. Dostupné z < http://wiki.ubuntu.cz > [7] SVOBODA, Jiří. Úvod do technologie Bluetooth [2003]. [cit.5.1.2007]. Dostupné z < http://www.rdc.cz > [8] BLUEGIGA. Bluegiga technologies [cit.5.5.2007]. Dostupné z < http://www.bluegiga.com > [9] FREE2MOVE. Free2move technologies [cit.5.5.2007]. Dostupné z < http://www.free2move.se > [10] WINKLER, Zbyněk. Istrobot 2003 [cit.8.4.2007]. Dostupné z < http://robotika.cz > [11] PASEKA, Tomáš. Návrh a realizace autonomního robotu pro kategorii IEEE Micromouse, Diplomová práce FSI 2006 [12] PARANI-SD100, Sena.com [online].Dostupné z < http://www.sena.com >

43

FSI VUT Brno

Bakalářská práce

Michal Neuvirt

Seznam příloh bluegiga WT11.pdf – manuál k modulu WT11 bluegiga WT12.pdf – manuál k modulu WT12 bluegiga WRAP_THOR_2022-1.pdf – manuál k modulu WRAP_THOR_2022-1 bluegiga WT11EK.pdf – manuál k firmware WT11 FREE2MOVE F2M03GLA.pdf – manuál k modulu F2M03GLA FREE2MOVE F2M03GX_GXA.pdf – manuál k modulům FREE2MOVE F2M03GX a F2M03GXA Parani SD100_SD200.pdf – manuál k BT převodníku Parani SD100 a SD200

44