Návrh a realizace bezdrátového přenosu dat

ˇ ´ VYSOKE ´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V PRAZE CESK E ´ Katedra ˇr´ıd´ıc´ı techniky FAKULTA ELEKTROTECHNICKA,

´ PRACE ´ DIPLOMOVA N´ avrh a realizace bezdr´ atov´ eho pˇ renosu dat

2007

Jiˇr´ı Chvojan ˇ CVUT FEL Praha

Podˇ ekov´ an´ı

Rád bych podˇekoval vedouc´ımu diplomové práce Doc.Ing. Janu B´ılkovi, CSc.

Abstrakt Bezdrátové technologie jsou v dneˇsn´ı dobˇe jedn´ım z nejperspektivnˇejˇs´ıch odvˇetv´ı informaˇcn´ıch technologi´ı. Tato práce se zab´ yvá hlavn´ımi rysy a problematiku spojenou s návrhem bezdrátového spojen´ı pomoc´ı standardu 802.11. Jej´ım c´ılem je popsat principy a fungován´ı s´ıt´ı zaloˇzen´ ych na tomto standardu a návrh realizace tohoto spojen´ı pro u ´ˇcely ˇr´ızen´ı modelu v reálném ˇcase. V prvn´ı ˇcásti jsou rozebrány teoretické základy ohlednˇe fungován´ı a provozu bezdrátov´ ych s´ıt´ı a ve druhé ˇcásti je praktick´ y návrh ˇreˇsen´ı pomoc´ı v´ yvojové desky s procesorem PIC18F452.

Abstract Presently, wireless technologies are the most perspecrive branche of information technologies. This work is devoted to a propsal of a wireless network based on 802.11 standard. Main principles and realization propsal for the model controling purposes are described. First a theoretical introduction to the wireless network is analyzed. Finaly a practical realization based on development board with PIC18F452 processor outlined.

OBSAH

i

Obsah 1 Diskuse pouˇ zit´ e technologie bezdr´ atov´ eho pˇ ripojen´ı 1.1 Infraˇcervená technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 IrDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Laserová poj´ıtka . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Technologie zaloˇzené na ˇs´ıˇren´ı radiov´ ych vln . . . . . . 1.2.1 PacketRadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Wireless USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 HomeRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Wi-Fi - IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 ZigBee - 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.6 Bluetooth - IEEE 802.15.1 . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

1 1 2 4 6 6 6 7 8 9 13

2 Popis standardu 802.11 2.1 Komponenty s´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Typy s´ıt´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Ad-hoc s´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Infrastrukturn´ı s´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . 2.3 OSI model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Fyzická vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Rozprostˇrené spektrum (spread spectrum) . 2.4.2 Typy rozprostˇreného spektra . . . . . . . . . 2.4.3 Vylepˇsen´ı fyzické vrstvy specifikac´ı 802.11b . 2.4.4 Radiové frekvence . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Interference signálu . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6 Podvrstvy PLCP a PMD . . . . . . . . . . . 2.5 Spojová vrstva a MAC vrstva . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Mezirámcové mezery . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 CSMA/CA a problém skrytého uzlu . . . . ˇ ızen´ı spotˇreby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 R´ 2.7 Formát MAC rámce . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Bezpeˇcnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ 2.8.1 Sifrov´ an´ı pˇrenáˇsen´ ych dat . . . . . . . . . . 2.8.2 Autentizace . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

16 16 16 17 17 18 19 20 20 21 22 22 23 25 25 26 27 28 29 30 30

3 Hardwarov´ eˇ reˇ sen´ı ovl´ adac´ı jednotky 3.1 Popis hardware ovládac´ı jednotky . . 3.2 V´ yvojová deska ER25 . . . . . . . . . 3.3 Popis napojen´ı na jednotlivé prvky . 3.4 Architektura PIC18F452 . . . . . . . 3.4.1 CPU a ALU . . . . . . . . . . 3.4.2 Organizace pamˇeti . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

32 32 32 33 35 35 36

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

OBSAH

ii 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

38 39 40 41 41

4 Software pro ovl´ adac´ı jednotku a pˇ ripojen´ e PC 4.1 Program pro mikrokontroler . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Popis SDK Chipweb . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Zpracován´ı pˇr´ıchoz´ıho paketu v ChipWebu ´ 4.1.3 Upravy SDK pro potˇreby aplikace . . . . . 4.1.4 MPLAB IDE v 7.42 . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Kompilátor HI-TECH PICC18 . . . . . . . 4.1.6 Debugger SCPD2 . . . . . . . . . . . . . . 4.1.7 Programátor PRESTO a aplikace Up! . . . 4.2 Program pro PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Autonomn´ı model . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Pˇr´ımo ˇr´ızen´ y model . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

43 44 48 49 49 50 51 52 52 54 54 55

5 Z´ avˇ er

Vstupnˇe - v´ ystupn´ı porty . . . . . Pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . ˇ Casovaˇ ce . . . . . . . . . . . . . . Low Voltage Detect . . . . . . . . Watchdog ˇcasovaˇc a funkce Sleep

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

56

OBSAH

iii

´ Uvod ´ Ukolem diplomové práce je návrh bezdrátového ˇr´ızen´ı modelu. Po d˚ ukladném pr˚ uzkumu bezdrátov´ ych technologi´ı jsem se rozhodl pro standard 802.11. Je pravda, ˇze jsem mˇel v´ıcero kandidát˚ u, ale nakonec jsem dal pˇrednost právˇe této technologii. Revize 802.11b je v dneˇsn´ı dobˇe asi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı bezdrátová specifikace standardu 802.11 která se pouˇz´ıvá pro pˇrenos dat. V dneˇsn´ı dobˇe se zaˇc´ınaj´ı prosazovat r˚ uzné jiné alternativy s vyˇsˇs´ımi pˇrenosov´ ymi rychlostmi pracuj´ıc´ımi ve vyˇsˇs´ıch frekvenˇcn´ıch pásmech a pouˇz´ıvaj´ıc´ımi odliˇsné protokoly. Pro naˇse u ´ˇcely ovˇsem bohatˇe postaˇc´ı pˇrenosová rychlost která se u této specifikace pohybuje v teoretické rovinˇe okolo 10 Mbps. Pro ˇreˇsen´ı jsem vybral v´ yvojovou desku osazenou mikroˇradiˇcem firmy Microchip s oznaˇcen´ım PIC18F452. Toto ˇreˇsen´ı se mi pˇriˇslo zaj´ımavé pro jeho n´ızkou spotˇrebu coˇz je jedn´ım z hlavn´ıch d˚ uvod˚ u mého v´ ybˇeru. Toto zaˇr´ızen´ı by mˇelo pracovat v mobiln´ım zaˇr´ızen´ı a proto otázka spotˇreby je jedn´ım z hlavn´ıch kritéri´ı. Dalˇs´ım d˚ uvodem byla roˇs´ıˇrenost standardu a tud´ıˇz i dostupnost hardwaru pro PC. V závˇeru byla komunikace testována na modelu praˇcky, kter´ y jsem pro tyto ˚ uˇcely vyrobil.

ˇ E ´ TECHNOLOGIE BEZDRATOV ´ ´ ˇ Í 1 DISKUSE POUZIT EHO PRIPOJEN

1

1

Diskuse pouˇ zit´ e technologie bezdr´ atov´ eho pˇ ripojen´ı

1.1

Infraˇ cerven´ a technologie

Infraˇcervené záˇren´ı (také IR, z anglického infrared) je elektromagnetické záˇren´ı s vlnovou délkou vˇetˇs´ı neˇz viditelné svˇetlo, ale menˇs´ı neˇz mikrovlnné záˇren´ı. Název znaˇc´ı ”pod ˇcervenou” (z latiny infra = ”pod”). Infraˇcervené záˇren´ı zab´ırá ve spektru 3 dekády a má vlnovou délku mezi 760 nm a 1 mm, resp. energii foton˚ u mezi 0,0012 a 1,63 eV. Infraˇcervené záˇren´ı se dále dˇel´ı na jednotlivá pásma. Toto dˇelen´ı ovˇsem nen´ı jednoznaˇcnˇe dané. Jedno schéma je napˇr´ıklad toto: • bl´ızké (near) infraˇcervené záˇren´ı neboli NIR • IR-A podle normy DIN, vlnová délka 0, 76 − 1, 4µm, definováno podle vodn´ı absorpce; ˇcasto pouˇz´ıvané v telekomunikac´ıch optick´ ych vláken • IR krátké vlnové délky (short wave) neboli SWIR • IR-B podle DIN, vlnová délka 1, 4 − 3µm, pˇri 1450nm znaˇcnˇe roste vodn´ı absorpce • IR stˇredn´ı vlnové délky (medium wave) neboli MWIR • IR-C podle DIN, téˇz prostˇredn´ı (intermediate-IR neboli IIR), 3 − 8µm • IR dlouhé vlnové délky (long wave) neboli LWIR • IR-C podle DIN, 8 − 15µm • dlouhé (far) infraˇcervené záˇren´ı neboli FIR 15 − 1000µm Dalˇs´ı ˇcasto pouˇz´ıvané rozdˇelen´ı je toto: • bl´ızké (0, 7 − 5µm) • stˇredn´ı (5 − 30µm) • dlouhé (30 − 1000µm) Aplikace Infraˇcervené záˇren´ı se pouˇz´ıvá pro pˇrenos informac´ı na krátkou vzdálenost, nejˇcastˇeji podle standardu IrDA. Pˇr´ıkladem mohou b´ yt mobiln´ı telefony ˇci dálkové ovladaˇce. Infraˇcervené záˇren´ı v nich vys´ılaj´ı LED diody.


2

Telekomunikaˇ cn´ı p´ asma Pro u ´ˇcely optické komunikace se IR záˇren´ı dˇel´ı takto: • O-pásmo 1260-1360 nm, f = 238-220 THz • E-pásmo 1360-1460 nm, f = 220-206 THz • S-pásmo 1460-1530 nm, f = 206-196 THz • C-pásmo 1530-1565 nm, f = 196-191 THz • L-pásmo 1565-1625 nm, f = 191-185 THz • U-pásmo 1625-1675 nm, f = 185-179 THz 1.1.1

IrDA

IrDA je standard vytvoˇren´ y IrDA konzorciem (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 koncov´ ych zaˇr´ızen´ı tak protokolu jimiˇz komunikuji IrDA zaˇr´ızen´ı. IrDA standard vznikl z potˇreby mobilnˇe propojit r˚ uzné zaˇr´ızen´ı mezi sebou (hlavn´ı vyuˇzit´ı IrDA je pro spojen´ı notebooku ˇci r˚ uzn´ ych personáln´ıch komunikátor˚ u, ale IrDA rozhran´ım jsou vybavovány napˇr´ıklad i videokamery). IrDA zaˇr´ızen´ı komunikuj´ı pomoc´ı infraˇcerven´ ych LED diod a 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 BER (bit error ratio, pomˇer chybné pˇrenesen´ ych bit˚ u ke správnˇe pˇrenesen´ ym) 10-9 a maximáln´ı u ´rovni okoln´ıho osvˇetlen´ı 10klux (denn´ı svit slunce). Rychlosti jsou pro IrDA v. 1.0 od 2400 do 115200 kbps, pouˇz´ıvá se pulsn´ı modulace 3/16 délky p˚ uvodn´ı doby trván´ı bitu. Formát dat je stejn´ y jako na sériovém portu, tedy asynchronnˇe vys´ılané slovo uvozené startbitem. IrDA v. 1.1 definuje nav´ıc rychlosti 0.576 a 1.152 Mbps s pulsn´ım kódován´ım 1/4 délky doby trván´ı p˚ uvodn´ıho bitu (stˇr´ıda 1/4). Pˇri tˇechto rychlostech je jiˇz základn´ı jednotka (paket) vys´ılán synchronnˇe uvozen startovn´ı sekvenc´ı. Pro rychlost 4 Mbps se pouˇz´ıvá takzvaná 4PPM modulace se stˇr´ıdou 1/4, v n´ıˇz se 2 bity informace zakóduj´ı do pulsu v jednom ze ˇctyˇr moˇzn´ ych ˇcasov´ ych pozic, nositelem informace je zde tedy pozice pulsu v ˇcase nam´ısto existence pulsu jako u pˇredchoz´ıch modulac´ı. D˚ uvodem pouˇzit´ı 4PPM modulace je to, ˇze je potˇreba polovina bliknut´ı LED diody neˇz v pˇredcházej´ıc´ıch modulac´ıch - lze tedy pˇrenáˇset data dvakrát rychleji. Kromˇe toho se pˇrij´ımaˇci lépe udrˇzuje u ´roveˇ n ostatn´ıho osvˇetlen´ı - pˇri 4PPM modulaci dopadá na pˇrij´ımaˇc konstantn´ı poˇcet puls˚ u za danou dobu. IrDA definuje jeˇstˇe tzv. low-power IrDA zaˇr´ızen´ı s dosahem do 20 cm a maximáln´ı rychlost´ı 115kbps


3

Poˇ z´ıvan´ e protokoly IrDA Infrared Link Access Protocol (IrLAP) Jedná se o u ´pravu protokolu HDLC pozmˇenˇeného pro potˇreby IrDA komunikace. V podstatˇe se stará o to, aby pˇri komunikaci v´ıce zaˇr´ızen´ı najednou tato zaˇr´ızen´ı neruˇsila a urˇcuje pravidla pro vzájemnou komunikaci. V praxi to vypadá tak, ˇze jedno zaˇr´ızen´ı je primárn´ı a ostatn´ı jsou sekundárn´ı. IrLAP popisuje jak spolu naváˇz´ı zaˇr´ızen´ı komunikaci, ukonˇc´ı ˇci jak se budou internˇe ˇc´ıslovat. Navázán´ı spojen´ı zaˇc´ıná na rychlosti 9600 Bd a po v´ ymˇenˇe informac´ı o rychlostech jednotliv´ ych koncov´ ych u ´ˇcastn´ık˚ u komunikace se vytvoˇr´ı logické kanály ˇr´ızené vˇzdy jen jedn´ım primárn´ım zaˇr´ızen´ım. IrDA Infrared Link Management Protocol (IrLMP) IrLMP má za u ´kol detekovat pˇr´ıtomnost zaˇr´ızen´ı která nab´ızej´ı nˇejakou sluˇzbu, kontrolovat tok dat a dˇelat multiplexor pro konfigurace kde se u ´ˇcastn´ı v´ıce stanic s r˚ uzn´ ymi schopnostmi Aplikace potom vyuˇz´ıvaj´ı vrstvy IrLMP k dotaz˚ um zda je v dosahu poˇzadované zaˇr´ızen´ı apod. V této vrstvˇe vˇsak nen´ı definován spolehliv´ y zp˚ usob vytvoˇren´ı kanálu, ten je definován aˇz v IrDA Transport Protocols ( Tiny TP). IrDA Transport Protocols (Tiny TP) je vrstva která udrˇzuje virtuáln´ı kanál mezi zaˇr´ızen´ımi a sama opravuje chyby na lince (ztráta paketu apod.), provád´ı rozdˇelen´ı dat do paket˚ u a jejich znovusestaven´ı. IrDA Object Exchange Protocol (IrOBEX) Jedná se o jednoduch´ y protokol s pˇr´ıkazy PUT a GET kter´ y dovoluje pˇrenáˇset binárn´ı data mezi zaˇr´ızen´ımi. Je postaven na TinyTP a norma definuje co napsat do paketu aby se zaˇr´ızen´ı poznala a komunikovala. Extensions to IrOBEX for Ir Mobile Communications Je to rozˇs´ıˇren´ı IrOBEX pro mobiln´ı zaˇr´ızen´ı (handheldy, PDA, mobily) Definuje jak pˇrenáˇset informace vztahuj´ıc´ı se k GSM s´ıti (adresáˇre, SMS, kalendáˇr, ovládán´ı vytáˇcen´ı ˇc´ısel, digitáln´ı pˇrenos voice pres Ir ...) IrTran-P (Infrared Transfer Picture) Specification Jedná se o definici kterou vyvynuly velké firmy vyrábˇej´ıc´ı digitáln´ı fotoaparáty k pˇrenosu obrázk˚ u pˇres infra rozhran´ı. Je postaven také nad TinyTP.

ˇ E ´ TECHNOLOGIE BEZDRATOV ´ ´ ˇ Í 1 DISKUSE POUZIT EHO PRIPOJEN 1.1.2

4

Laserov´ a poj´ıtka

Optick´ ym bezdrátov´ ym spojem (FSO) se obvykle rozum´ı digitáln´ı plnˇe duplexn´ı spoj umoˇzn ˇuj´ıc´ı ˇsirokopásmové komunikaˇcn´ı pˇrenosy vzduchem pˇri pouˇzit´ı neviditeln´ ych paprsk˚ u svˇetla. Vedle datov´ ych spoj˚ u lze tyto spoje s v´ yhodou pouˇz´ıt i pro pˇrenos hlasu ˇci obrazu. Pˇ renosov´ a rychlost Jelikoˇz je rychlost ˇs´ıˇren´ı svˇetla vzduchem vyˇsˇs´ı nˇeˇz pˇres vláknovou infrastrukturu, je moˇzné bezdrátové optické spoje nazvat optickou komunikac´ı rychlost´ı svˇetla. Mus´ıme vˇsak brát v u ´vahu návazné prvky, které pˇrece jenom urˇcité sn´ıˇzen´ı pˇrenosové rychlosti zp˚ usob´ı. Ale i tak lze realizovat obrovské datové toky v ˇrádech Gigabit˚ u (v pˇr´ıpadˇe produkt˚ u LightPointe se jedná aˇz o 2,5 Gbit/s). Kaˇzdá jednotka je tvoˇrena kombinovan´ ym optick´ ym vys´ılaˇcem a pˇrij´ımaˇcem, takˇze se nav´ıc jedná o obousmˇerné plnˇe duplexn´ı spojen´ı. Spolehlivost a dostupnost Realizovat spolehlivé spoje na delˇs´ı vzdálenosti znemoˇzn ˇuje u ´tlum svˇetla v atmosféˇre, kter´ y se razantnˇe zvyˇsuje smogem, deˇstˇem, snˇeˇzen´ım a pˇredevˇs´ım mlhou. Jelikoˇz je závislost na povˇetrnostn´ıch podm´ınkách podstatnou nev´ yhodou tˇechto spoj˚ u, snaˇz´ı se v´ yrobci aplikovat do sv´ ych produkt˚ u stále nové a nové metody pro zv´ yˇsen´ı spolehlivosti. Jednou z nich je napˇr. v´ıcesvazkové ˇs´ıˇren´ı signálu, které je odolnˇejˇsi jak v˚ uˇci atmosférick´ ym vliv˚ um tak i v˚ uˇci zaclonˇen´ı paprsku. Zpravidla se pouˇz´ıvaj´ı 4 svazky. V´ yznamn´ y je také pˇrechod na délku nosné vlny v pásmu 1550nm (drtivá vˇetˇsina souˇcasn´ ych spoj˚ u pouˇz´ıvá vlnovou délku 850nm) D´ıky v´ yhodnˇejˇs´ım podm´ınkám pro bezpeˇcnou práci v pásmu 1550nm lze podstatnˇe zv´ yˇsit v´ ykon laserového vys´ılaˇce Pro pˇrij´ımaˇce se vedle bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych kˇrem´ıkov´ ych PIN diod, které jsou dostateˇcnˇe rychlé, zaˇc´ınaj´ı pouˇz´ıvat tzv APD diody. Tyto maj´ı aˇz stonásobnou citlivost oproti PIN diodám, avˇsak mus´ı b´ yt stabilizována jejich teplota, mus´ı pracovat pˇri vˇetˇs´ım napˇet´ı, atd. U profesionáln´ıch systém˚ u jsou vˇsak ˇc´ım dál ˇcastˇeji pouˇz´ıvané, nebot’ - jak udávaj´ı samotn´ı v´ yrobci - v´ ysledek stoj´ı za investice. Spolehlivost s ohledem na vlivy poˇcas´ı je pak dokonce lepˇs´ı neˇz 99,995 procenta. Dalˇs´ıho zv´ yˇsen´ı spolehlivosti v´ yrobci dosahuj´ı také pouˇzit´ım velk´ ych apertur vys´ılac´ıch soustav. Docház´ı tak ke sn´ıˇzen´ı optické intenzity na v´ ystupu, coˇz dále zvyˇsuje odolnost svazku v˚ uˇci zaclonˇen´ı. Velmi d˚ uleˇzit´ ym hlediskem je zajiˇstˇen´ı smˇerové stability spoje. Je tˇreba si uvˇedomit, ˇze na vzdálenost kilometru znamená i nepatrné chvˇen´ı vys´ılaˇce metrové odchylky paprsku. Proto b´ yvaj´ı drˇzáky velice robustn´ı a pˇredimenzované, aby se tomuto vlivu zamezilo. Nˇekdy vˇsak ani nejpevnˇejˇs´ı uchycen´ı nemus´ı staˇcit, nebot’ budova, na kterou je zaˇr´ızen´ı instalováno se m˚ uˇze pohybovat. Na stˇrechách v´ yˇskov´ ych budov mohou v´ ykyvy dosáhnout i nˇekolika centimetr˚ u. Nˇekteˇr´ı pˇredn´ı v´ yrobci zaˇc´ınaj´ı do sv´ ych zaˇr´ızen´ı aplikovat dalˇs´ı prostˇredek pro zv´ yˇsen´ı spolehlivosti, tzv. Autotracking systém, coˇz je systém aktivn´ıho zamˇeˇrován´ı, kter´ y automaticky upravuje smˇer paprsku dle potˇreby. Pˇrestoˇze v´ yrobci udávaj´ı garantované dosahy v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech aˇz 5 km, realizovat lze pouze spoje na relativnˇe krátké vzdálenosti (kolem 500m). Tak lze zajistit dostupnost


5

99,99 procenta. Neoddiskutovatelnou podm´ınkou spolehlivého spoje je snad jeˇstˇe v´ıce neˇz u mikrovlnn´ ych systém˚ u naprostá pˇr´ımá viditelnost. V´ yhody oproti mikrovlnn´ ym spoj˚ um

• vysoké pˇrenosové rychlosti (aˇz 2.5 Gbit/s) - vysoká pˇrenosová rychlost umoˇzn ˇuje plnohodnotné nasazen´ı tˇechto systém˚ u ve vˇsech typech pˇrenosov´ ych s´ıt´ı • ˇzádné vzájemné ruˇsen´ı - vysoce smˇerov´ y paprsek zaruˇcuje vysokou prostorovou selektivitu pˇrenosového signálu, proto nehroz´ı interference s jin´ ymi spoji • ˇzádná potˇreba kmitoˇctového pˇr´ıdˇelu - pásmo optické nosné vlny leˇz´ı mimo oblast ˇ U, ´ proto pˇri instalaci a provozu spoje nevznikaj´ı legislativn´ı pˇrekáˇzky a p˚ usobnosti CT optická s´ıt’ je tak naprosto nezávislá na omezeném a regulovaném spektru a kmitoˇctové licenci • Transparentnost pro pouˇz´ıvané protokoly a navazuj´ıc´ı s´ıtˇe - Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, SONET/SDH, ATM, FDDI atd. • pˇrenositelnost a flexibilita ˇreˇsen´ı - frekvenˇcn´ı nezávislot umoˇzn ˇuje pˇr´ıpadné pˇresunut´ı spoje na jiné lokality bez pˇreladˇen´ı • intern´ı i extern´ı um´ıstˇen´ı - nˇekterá zaˇr´ızen´ı lze um´ıstit jak vnˇe budov, tak i uvnitˇr napˇr. za okno a chránit tak samotné jednotky pˇred atmosférick´ ymi vlivy • bezpeˇcnost pˇrenáˇsen´ ych dat - lze pouˇz´ıvat v´ yˇse zmiˇ nované kryptografické protokoly • pˇr´ızniv´ y pomˇer cena/v´ ykon - tato poj´ıtka jsou zvláˇstˇe u vysok´ ych pˇrenosov´ ych kapacit podstatnˇe cenovˇe pˇr´ıstupnˇejˇs´ı neˇz kapacitou srovnatelná rádiová poj´ıtka


1.2 1.2.1

6

Technologie zaloˇ zen´ e na ˇ s´ıˇ ren´ı radiov´ ych vln PacketRadio

Packet Radio je v radioamatérská obdoba internetu. S´ıt’ PR je s´ıt´ı uzlov´ ych stanic (nód˚ u) a BBS (Bulletin Board Service - server˚ u umoˇzn ˇuj´ıc´ıch ukládán´ı a ˇcten´ı soukromé i veˇrejné poˇsty - bulletin˚ u). Od poˇcátku byla s´ıt’ PR budována tak, ˇze pro spojen´ı jednotliv´ ych prvk˚ u s´ıtˇe byly pouˇzity bezdrátové linky v radioamatérsk´ ych pásmech. Jednotliv´ı uˇzivatelé (radioamatéˇri) se do s´ıtˇe PR pˇripojovali téˇz bezdrátovˇe pomoc´ı sv´ ych radioamatérsk´ ych zaˇr´ızen´ı. Dnes se v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech pro zv´ yˇsen´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı vyuˇz´ıvá pro pˇrenos dat mezi páteˇrn´ımi body téˇz s´ıtˇe internet. Nˇekteré BBS umoˇzn ˇuj´ı vstup do systému kromˇe pˇr´ıstupu bezdrátového téˇz vstupu pˇres internet. PR umoˇzn ˇuje pos´ılán´ı zpráv ˇci soubor˚ u bud’ konkrétn´ımu adresátovi, nebo do veˇrejnˇe pˇr´ıstupn´ ych diskusn´ıch skupin apod. Podoba s internetem a elektronickou poˇstou nen´ı náhodná, packet radio vˇsak spatˇrilo svˇetlo svˇeta o nˇeco dˇr´ıve neˇz komercionalizovaná podoba e-mailu a i jeho rychlost je nepomˇernˇe niˇzˇs´ı. Radioamatér˚ um vˇsak slouˇz´ı pro ˇs´ıˇren´ı informac´ı v rámci regionu, státu ˇci celého svˇeta dostateˇcnˇe. O s´ıt’ PR se ale mus´ı neustále starat, dozorovat ji a rozv´ıjet mnoˇzstv´ı nadˇsen´ ych radioamatér˚ u. Systémov´ ym operátor˚ um jednotliv´ ych uzl˚ u s´ıtˇe se ˇr´ıká sysopové (SYStem-OPerátor). Právˇe d´ıky jejich ˇcasu m˚ uˇze s´ıt’ ˇslapat tak, jak má. Provoz s´ıtˇe je financován z pˇr´ıspˇevk˚ u uˇzivatel˚ u. Kromˇe privátn´ıch zpráv jsou pomoc´ı PR ˇs´ıˇreny nejˇcastˇeji radioamatérské informace (napˇr. rady, ˇzádosti o rady, schemata zapojen´ı, informace o podm´ınkách ˇs´ıˇren´ı radiov´ ych vln, obecná sdˇelen´ı o konán´ı radioamatérsk´ ych setkán´ı, podm´ınky radioamatérsk´ ych diplom˚ u. . . atd.) S´ıt’ PR je pˇr´ıstupná v´ yhradnˇe radioamatér˚ um. Jako pˇrenosov´ y protokol je pouˇz´ıván AX.25, kter´ y vznikl ze známˇejˇs´ıho X.25 Hardwarové poˇzadavky na stranˇe uˇzivatele pˇredpokládaj´ı kromˇe PC a speciáln´ıho zdarma pˇr´ıstupného software i speciáln´ı modem. Modem lze nahradit zvukovou kartou. V´ yhodou vyuˇz´ıván´ı s´ıtˇe PR v˚ uˇci vyuˇz´ıván´ı internetu jsou nulové náklady na pˇripojen´ı k s´ıti a téˇz i okamˇzitá dostupnost pˇripojen´ı k s´ıti PR pomoc´ı jednotné technologie prakticky na ˇ e republiky, ale i vˇsech vyspˇel´ celém u ´zem´ı nejen Cesk´ ych zem´ı svˇeta. Pro pˇripojen´ı uˇzivatel˚ u se pouˇz´ıvaj´ı kmitoˇcty v pásmech VKV 145 MHz a 432 MHz. Nev´ yhodou je relativnˇe pomal´ y pˇrenos dat - nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ımi pˇrenosov´ ymi rychlostmi pro pˇripojen´ı uˇzivatel˚ u jsou 1,2 kbit/s (1200 bit˚ u za sekundu) a 9,6 kbit/s. V m´ıstech, kde nen´ı moˇzné pˇripojen´ı v pásmech VKV (typicky na moˇri) se vyuˇz´ıvaj´ı KV kmitoˇcty, kde je vˇsak pˇrenosová rychlost pouh´ ych 300 bit/s. (Pro porovnán´ı - rychlost telefonn´ıho modemu pouˇz´ıvaného pro pˇripojen´ı k s´ıti Internet je 56 kbit/s, tedy asi 50x vyˇsˇs´ı neˇz bˇeˇzné pˇripojen´ı do PR a skoro 200x vyˇsˇs´ı neˇz pˇripojen´ı do PR pˇres pásma KV.) 1.2.2

Wireless USB

V roce 2001 si spoleˇcnost Cypress Semiconductor (CS) nechala registrovat ochrannou známku na oznaˇcen´ı WirelessUSB a od stejného roku vyráb´ı a nab´ız´ı integrované obvody pro bezdrátovou komunikaci. WirelessUSB je vlastn´ı protokol vyvinut´ y spoleˇcnost´ı CS, kter´ y umoˇzn ˇuje levnˇeji ˇreˇsit


7

bezdrátové pˇripojen´ı perifern´ıch zaˇr´ızen´ı ovládan´ ych ˇclovˇekem (HID = Human Interface Devices), jako jsou napˇr´ıklad bezdrátové klávesnice a myˇsi. V podstatˇe jde o náhradu klasického kabelového USB spojen´ı perifern´ıho zaˇr´ızen´ı bezdrátov´ ym pˇripojen´ım, pˇriˇcemˇz osobn´ı poˇc´ıtaˇc nemus´ı toto bezdrátové pˇripojen´ı obsluhovat. To znamená, ˇze nen´ı tˇreba ˇzádn´ y speciáln´ı software pro dané zaˇr´ızen´ı. CS volil pro sv˚ uj nov´ y protokol bezlicenˇcn´ı pásmo 2,4 GHz které rozdˇeluje na 79 nezávisl´ ych kanál˚ u. To umoˇzn ˇuje zaˇr´ızen´ım vys´ılat v jednotliv´ ych kanálech vzájemnˇe nezávislé signály. Nav´ıc protokol WirelessUSB podporuje ”frequency hopping” (stejnˇe jako BlueTooth) s v´ yˇse uveden´ ym poˇctem kanál˚ u. To znamená, ˇze by nemˇel b´ yt problém pouˇz´ıvat protokol WirelessUSB zároveˇ n s dalˇs´ımi protokoly v daném frekvenˇcn´ım pásmu. Zaˇr´ızen´ı s integrovan´ ymi obvody urˇcen´ ymi pro práci s protokolem WirelessUSB spoleˇcnosti CS jsou schopny komunikovat na vzdálenost 10 metr˚ u, coˇz je srovnatelné s technologi´ı BlueTooth (pokud se daj´ı oba zp˚ usoby komunikace srovnávat). Vzdálenost mezi zaˇr´ızen´ımi je moˇzné zv´ yˇsit aˇz na 100 metr˚ u pˇridán´ım extern´ıch zesilovaˇc˚ u. Pˇrenosová rychlost protokolu WirelessUSB je pouh´ ych 64 kbit/s (u jednosmˇern´ ych s´ıt´ı), ale jak bylo uvedeno, je plnˇe dostaˇcuj´ıc´ı pro zaˇr´ızen´ı, jako jsou napˇr´ıklad myˇsi a klávesnice. Protokol WirelessUSB byl navrˇzen tak, aby komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi dosahovala malého zpoˇzdˇen´ı (CS udává aˇz 30 milisekund) pˇri minimáln´ım odbˇeru elektrické energie (1 µ A ve ”sleep modu”). V této souvislosti se nab´ız´ı srovnán´ı s technologi´ı BlueTooth a ZigBee. Základn´ı rozd´ıl mezi WirelessUSB a technologi´ı BlueTooth je ten, ˇze zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı s protokolem WirelessUSB nevyˇzaduj´ı pˇrenos synchronizaˇcn´ıch u ´daj˚ u bˇehem nevyuˇz´ıvané doby (stejnˇe jako je tomu u technologie ZigBee). Protokol WirelessUSB je charakteristick´ y jednoduch´ ymi a krátk´ ymi procedurami v´ ymˇeny zpráv v pˇr´ıpadˇe nutnosti komunikace. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe jsou zaˇr´ızen´ı podporuj´ıc´ı protokol WirelessUSB v tzv. ”sleep modu” aˇz do okamˇziku, kdy je detekován signál od uˇzivatele. To vˇse má za následek u ´sporu elektrické energie a dlouhou provozn´ı dobu bateri´ı. CS udává, ˇze v laboratorn´ıch podm´ınkách byla namˇeˇrena doba ˇsest aˇz osm mˇes´ıc˚ u u klávesnice napájené tˇremi tuˇzkov´ ymi bateriemi typu AA (CS ovˇsem podrobnˇeji neuvád´ı, jak test prob´ıhal, zda se jednalo o nepˇretrˇzit´ y provoz zaˇr´ızen´ı atd.). Pro srovnán´ı: u technologie ZigBee je garantována ˇzivotnost bateri´ı aˇz na nˇekolik let. 1.2.3

HomeRF

HomeRF vyuˇz´ıvá protokol SWAP (Shared Wireless Access Protocol). Umoˇzn ˇuje datov´ y pˇrenos rychlost´ı do 2 Mbit/s s dosahem do 100 metr˚ u a je pouˇz´ıván v pásmu 2,4 GHz. Z uveden´ ych fakt˚ u by mohlo vypl´ yvat, ˇze HomeRF má velk´ y potenciál stát se konkurentem Bluetooth, ovˇsem proti tˇemto skuteˇcnostem p˚ usob´ı fakt, ˇze jedná o centralistickou koncepci a op´ırá se o domác´ı poˇc´ıtaˇc. V´ yznamn´ ym faktorem m˚ uˇze b´ yt i to, ˇze HomeRF je prodávána za cenu 500 USD).


8

Wi-Fi - IEEE 802.11

Jedná se asi o nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı standard v oblasti bezdrátov´ ych technologi´ıch navrˇzen´ y speciálnˇe pro aplikace bezdrátov´ ych s´ıt´ı. V´ yvoj tohoto standardu byl podporován asociac´ı firem zvanou Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Pro komunikaci se v dneˇsn´ı dobˇe pouˇz´ıvaj´ı dvˇe pˇrenosová pásma. Jsou to: 2,4 GHz - toto pásmo je nelicencované a tud´ıˇz nolnˇe pˇr´ıstupné ˇsiroké veˇrejnosti. Hlavn´ı nev´ yhodou je siln´ y provoz a t´ım pádem i veliké zaruˇsen´ı coˇz m˚ uˇze m´ıt za následek omezen´ı pˇrenosové rychlosti. 5 GHz - v tomto pˇr´ıpadˇe se jedná o pásmo licencované. Je zde povolen vyˇsˇs´ı vys´ılac´ı v´ ykon a je rozdˇeleno na v´ıce kanál˚ u. Z toho plyne vˇetˇs´ı dosah i pˇrenosové rychlosti. V jednotliv´ ych frekvenˇcn´ıch pásmech se jeˇstˇe standard dˇel´ı na r˚ uzné revize oznaˇcované p´ısmeny. D˚ uvodem proˇc se tak stalo a stále dˇeje je pˇredevˇs´ım poˇzadavek na co nejvyˇsˇs´ı pˇrenosovou rychlost. Nejznámˇejˇs´ı a nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı jsou 802.11a která pracuje ve frekvenˇcn´ım pásmu 5 GHz dále 802.11b a 802.11g pracuj´ıc´ı v pásmu 2.4 GHz. Jednotlivé revize se od sebe liˇs´ı kódován´ım pˇrenosu, takˇze je zcela bˇeˇzné, ˇze jeden adaptér podporuje v´ıce reviz´ı. Tento standard je zaloˇzen na sedmivrstvém modelu OSI a definuje jeho dvˇe spodn´ı vrstvy. Jsou to Fyzické, která se stará o komunikaci na nejniˇzˇs´ı u ´rovni a v podstatˇe se stará o ˇreˇsen´ı vlastn´ıho pˇripojen´ı a dále definuje vrstvu spojovou která se zab´ yvá kódován´ım a pˇrenosem informace. Vˇsechny ostatn´ı vrstvy nechává standard nespecifikované. Protoˇze se jedná o bezdrátovou technologii kde nem˚ uˇzeme pˇresnˇe vymezit pokryt´ı je stan’ dard 802.11 vybaven mechanismy které chrán´ı s´ıt pˇred nepovolan´ ym pˇr´ıstupem a pˇr´ıpadn´ ym zneuˇzit´ım. Proto jsou zde postupy, které by mˇely tento problém oˇsetˇrit. Jsou v zásadˇe dvˇe: ˇ Sifrov´ an´ı jedná se o zaˇsifrován´ı komunikace pˇredem dan´ ym kl´ıˇcem a t´ım se znemoˇzn´ı pˇr´ıpadné odposlechnut´ı p˚ uvodn´ı zprávy Autentizace je urˇcena k tomu, aby mohl k s´ıti pˇristupovat jen urˇcit´ y pˇredem dan´ y okruh stanic WLAN s´ıtˇe podle 802.11 mohou pracovat ve dvou základn´ıch reˇzimech. Prvn´ım z nich je ”ad hoc” mod, urˇcen´ y zejména pro bˇeˇzné peer-to-peer s´ıtˇe pro zhruba 2-5 poˇc´ıtaˇc˚ u spojen´ ych bezdrátovou s´ıt´ı. Je moˇzné si jej pˇredstavit jako klasickou malou LAN s´ıt’, kdy vˇsechny stroje komunikuj´ı se vˇsemi ostatn´ımi jako rovn´ y s rovn´ ymi. v´ yhody: nen´ı potˇreba instalovat metalickou kabeláˇz pˇri doˇcasném propojen´ı dvou nebo v´ıce poˇc´ıtaˇc˚ u, n´ızká cena, nutné pouze s´ıt’ové adaptéry nev´ yhody: nutnost pˇr´ımého spojen´ı mezi jednotliv´ ymi poˇc´ıtaˇci Druh´ ym reˇzimem je mod ”infrastructure”, tedy implementace klasického vztahu klient server. ”Serverem” je v tomto pˇr´ıpadˇe tzv. Access Point (AP), tedy zaˇr´ızen´ı schopné zajiˇst’ovat komunikaci vˇsech pˇripojen´ ych klient˚ u. Zde prob´ıhá komunikace v´ yhradnˇe s Access Pointem, tzn. jednotliv´ı klienti se na vzájem nemus´ı v˚ ubec vidˇet. AP jsou vybaveny také zásuvkou pro pˇripojen´ı k vnitˇrn´ı metalické s´ıti LAN, takˇze funguj´ı jako pˇremostˇen´ı mezi LAN a WLAN.


9

v´ yhody: nen´ı potˇreba instalovat sloˇzitou infrastrukturu metalické kabeláˇze ve velk´ ych firmách a staˇc´ı propojit pouze pˇr´ıstupové body, v dneˇsn´ı dobˇe uˇz n´ızká cena nev´ yhody: nutnost na kaˇzd´ y uzel poˇr´ıdit pˇr´ıstupov´ y bod a zabezpeˇcit jej proti neoprávnˇenému pˇr´ıstupu Nejˇcastˇeji se m˚ uˇzeme s t´ımto standardem setkat v oblasti bezdrátov´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych s´ıt´ı a to jak pˇri propojován´ı poˇc´ıtaˇc˚ u mezi sebou tak i pro pˇripojen´ı r˚ uzn´ ych periferi´ı jako jsou napˇr´ıklad tiskárny. M˚ uˇzeme ho vˇsak také nalézt v mobiln´ıch telefonech ˇci PDA. Velikou v´ yhodou tohoto standardu kromˇe jeho zajisté zaj´ımav´ ych parametr˚ u je jeho veliká rozˇs´ıˇrenost. S n´ı ruku v ruce jde i n´ızká cena koncov´ ych zaˇr´ızen´ı a t´ım i zaj´ımavost pro uˇzivatele. Tato dobrá dostupnost jak hardwaru tak i dokumentace a r˚ uzné dalˇs´ı literatury mˇela velkou váhu pˇri mém rozhodován´ı o volbˇe komunikaˇcn´ı technologie. 1.2.5

ZigBee - 802.15.4

Komunikaˇcn´ı technologie popsaná standardem IEEE 802.15.4 - ZigBee patˇr´ı do skupiny bezdrátov´ ych s´ıt´ı PAN (Personal Area Networks). Do této skupiny s´ıt´ı patˇr´ı i velmi rozˇs´ıˇren´ y IEEE 802.15.1 - Bluetooth, jeˇz nalézá hlavn´ı uplatnˇen´ı pˇreváˇznˇe ve spotˇrebn´ı elektronice. Existuje vˇsak celá ˇskála pr˚ umyslov´ ych aplikac´ı, pro které Bluetooth nen´ı vhodn´ y. Z tohoto d˚ uvodu byla zaloˇzena ZigBee aliance za u ´ˇcelem vytvoˇren´ı nového bezdrátového komunikaˇcn´ıho standardu vhodného i pro u ´ˇcely pr˚ umyslové automatizace. V souˇcasné dobˇe se na v´ yvoji a rozvoji tohoto standardu pod´ıl´ı v´ıce neˇz ˇsedesát firem a mezi nimi jsou i pˇredn´ı svˇetové firmy z oboru automatizace (Honeywell, Motorola, Philips, Samsung, Omron, ABB, Siemens). ZigBee je navrˇzen jako jednoduchá a flexibiln´ı technologie pro tvoru i rozsáhlejˇs´ıch bezdrátov´ ych s´ıt´ı u nichˇz nen´ı poˇzadován pˇrenos velkého objemu dat. K jej´ım hlavn´ım pˇrednostem patˇr´ı spolehlivost, jednoduchá a nenároˇcná implementace, velmi n´ızká spotˇreba energie a v neposledn´ı ˇradˇe téˇz pˇr´ıznivá cena. D´ıky tˇemto vlastnostem nalezne uplatnˇen´ı v celé ˇskále aplikac´ı, jeˇz leze zaˇradit do nˇekolika skupin: • automatizace budov (zabezpeˇcen´ı, ovládán´ı svˇetel, kontrola pˇr´ıstupu) • spotˇrebn´ı elektronika (dálkové ovládán´ı elektrospotˇrebiˇc˚ u) • poˇc´ıtaˇcové periferie (bezdrátové myˇsi, klávesnice) • pr˚ umyslová automatizace • zdravotnictv´ı (pacientské monitory) D´ıky r˚ uznorodosti pˇredpokládan´ ych aplikac´ı standard definuje tˇri základn´ı reˇzimy pˇrenosu dat: • periodicky se opakuj´ıc´ı (pˇrenos dat z ˇcidel) • nepravidelné pˇrenosy (extern´ı události, napˇr. stisknut´ı tlaˇc´ıtka uˇzivatelem)


10

• opakuj´ıc´ı se pˇrenosy u nichˇz je poˇzadavek na malé zpoˇzdˇen´ı (bezdrátové poˇc´ıtaˇcové periferie - klávesnice a myˇsi) Struktura komunikaˇ cn´ıho standardu Kv˚ uli nutnosti implementovat standard ZigBee i do málo v´ ykonn´ ych 8 bitov´ ych mikrokontrolér˚ u (HC08, x51) bylo dbáno na maximáln´ı jednoduchost implementace protokol˚ u. D´ıky tomu struktura protokol˚ u nezabere v´ıce neˇz 30kB programové pamˇeti. Protokol se skládá z tˇrech základn´ıch vrstev. Vrstvy standardu IEEE 802.15.4, nad nimi je definována s´ıt’ová vrstva (NWK) a aplikaˇcn´ı vrstva (APL). Fyzická vrstva specifikuje pˇr´ıstup k pˇrenosovému médiu. S´ıt’ová vrstva realizuje pˇripojen´ı k s´ıti, zabezpeˇcen´ı a smˇerován´ı paket˚ u. Aplikaˇcn´ı ’ vrstva (APL) zajiˇst uje potˇrebné sluˇzby. Skládá se z aplikaˇcn´ı podvrstvy (APS), ZigBee objekt˚ u a uˇzivatelsk´ ych aplikaˇcn´ıch objekt˚ u. Fyzick´ a a MAC vrstva standardu IEEE 802.15.4 Standard IEEE 802.15.4 definuje nˇekolik základn´ıch radiov´ ych pásem, aby mohl b´ yt vyuˇzit v r˚ uzn´ ych zem´ıch, kde jsou rozd´ılné národn´ı pˇredpisy a normy. Hlavn´ım problémem u vˇetˇsiny bezdrátov´ ych technologii jsou rozd´ılné definice radiov´ ych pásem v Americe a v Evropˇe. Z tohoto d˚ uvodu byli definovány tˇri základn´ı frekvenˇcn´ı pásma: globáln´ı, Amerika a Austrálie, Evropa. Dosah ZigBee je pˇribliˇznˇe 10 aˇz 50 metr˚ u v závislosti na lokáln´ıch podm´ınkách ˇs´ıˇren´ı signálu. Pro pˇrenos se datov´ y signál moduluje metodou O-QPSK (BPSK) a pˇrenáˇsej´ı prostˇrednictv´ım DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Pro pˇr´ıstup k fyzickému médiu je pouˇzita metoda CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and optional time slotting). MAC vrstva (linková) definuje samotn´ y komunikaˇcn´ı protokol, jeˇz je zaloˇzen na pˇrenosu datov´ ych rámc˚ u. Jsou definovány ˇctyˇri typy komunikaˇcn´ıch rámc˚ u, jeˇz jsou vyˇz´ınány pro pˇrenos dat, ˇr´ızen´ı ˇci správu s´ıtˇe: Data Frame rámec vyuˇz´ıvan´ y pro vˇsechny pˇrenosy uˇziteˇcn´ ych dat Acknowledgement Frame rámec pro pˇrenos potvrzovac´ı informace vyuˇz´ıván na u ´rovni MAC pro potvrzován´ı komunikace Beacon Frame rámec pouˇz´ıvan´ y koordinátorem k vys´ılán´ı tzv. beacons (pouˇz´ıvané pro uvádˇen´ı klientsk´ ych zaˇr´ızen´ı do spánkového reˇzimu) MAC Command Frame rámec k nastavován´ı a ˇr´ızen´ı klientsk´ ych zaˇr´ızen´ı v s´ıti ZigBee Z d˚ uvod˚ u minimalizace spotˇreby koncov´ ych zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt na základˇe synchronizace mezi koordinátorem s´ıtˇe a koncovou stanic´ı uspávána jednotlivá koncová zaˇr´ızen´ı. K jejich probouzen´ı docház´ı v pˇredem definovanou dobu, a poté jsou pˇreneseny veˇskeré uˇziteˇcné informace. Interval synchronizaˇcn´ıch sekvenc´ı m˚ uˇze b´ yt v rozmez´ı 15ms aˇz pˇribliˇznˇe 15 minut. Synchronizace je realizována pomoc´ı tzv. rámce beacon. Koncová zaˇr´ızen´ı jsou periodicky


11

problouzena a pˇrenáˇs´ı data ke koordinátoru s´ıtˇe. Ten tato data uloˇz´ı a následnˇe pˇrepoˇsle pˇri probuzen´ı zaˇr´ızen´ı pro nˇejˇz jsou tata data urˇcena. Tento pˇr´ıstup umoˇzn ˇuje extrémnˇe sn´ıˇzit spotˇrebu koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. Tato zaˇr´ızen´ı mohou tak b´ yt napájena bateriovˇe. Pˇri vyuˇzit´ı vˇsech u ´sporn´ ych opatˇren´ı je moˇzné dosáhnout v´ ydrˇze koncového zaˇr´ızen´ı na jednu alkalickou baterii 6 mˇes´ıc˚ u aˇz 2 roky. Pokud s´ıt’ funguje bez pouˇzit´ı beacon sekvenc´ı, jednotlivá zaˇr´ızen´ı periodicky dotazuj´ı koordinátora. Topologie s´ıtˇ e, zabezpeˇ cen´ı Technologie ZigBee postavená na fyzické linkové vrstvˇe IEEE 802.15.4 definuje tˇri r˚ uzné ’ s´ıt ové topologie. Základn´ı topologii je topologie hvˇezdicová s centráln´ım ˇr´ıd´ıc´ım uzlem (koordinátorem s´ıtˇe). Druh´ ym typem je stromová struktura jeˇz umoˇzn ˇuje zvˇetˇsit vzdálenost mezi koordinátorem a koncov´ ym zaˇr´ızen´ım. Protokol téˇz umoˇzn ˇuje vytvoˇren´ı redundanc´ıch spojen´ı a vyniká tak topologie typu s´ıtˇe - mesh. S jej´ı pomoc´ı je moˇzné vytvoˇrit s´ıt’ prakticky libovolného uspoˇrádán´ı. Standard ZigBee dˇel´ı zaˇr´ızen´ı na zaˇr´ızen´ı FFD (Full Functional Device) a RFD (Reduced Functionality Device). FFD zaˇr´ızen´ı implementuj´ı kompletn´ı protokolov´ y rámec a zajiˇst’uj´ı veˇskeré sluˇzby, které standard ZigBee stanovuje. RFD zaˇr´ızen´ı implementuj´ı pouze nezbytné protokolové knihovny z d˚ uvodu maximáln´ıho omezen´ı hardwarové nároˇcnosti. Tyto zaˇr´ızen´ı mohou pracovat pouze jako koncová. Mohou komunikovat pouze s koordinátorem s´ıtˇe a jsou omezeny na hvˇezdicové uspoˇrádán´ı topologie (koncové vˇetve). Koordinátor s´ıtˇe a smˇerovaˇce jsou realizovány FFD zaˇr´ızen´ımi. Jednotlivá zaˇr´ızen´ı s´ıtˇe jsou adresována pomoc´ı binárn´ıho adresného kódu o délce 64 bit˚ u ˇci ve zkrácené podobˇe 16 bit˚ u. Lokáln´ı zkrácená adresa umoˇzn ˇuje v jedné s´ıti adresovat maximálnˇe 65535 zaˇr´ızen´ı. Kaˇzdá sestavená s´ıt’ je jeˇstˇe dále identifikována 16 bitov´ ym PAN ID, jeˇz slouˇz´ı pro rozliˇsen´ı pˇrekr´ yvaj´ıc´ıch se s´ıt´ı postaven´ ych na standardu IEEE 802.15.4. Kaˇzdou s´ıt’ zakládá a spravuje koordinátor, kter´ y téˇz pˇridˇeluje PAN ID. Ostatn´ı stanice pracuj´ı jako smˇerovaˇce a koncová zaˇr´ızen´ı. S´ıt’ová vrstva (NWK) zajiˇst’uje pˇripojen´ı k s´ıt´ı, zabezpeˇcen´ı, smˇerován´ı a synchronizaci. V pˇr´ıpadˇe koordinátora s´ıtˇe je jeˇstˇe zodpovˇedná za start s´ıtˇe a pˇriˇrazován´ı adres novˇe nalezen´ ym zaˇr´ızen´ım. Jako základn´ı zabezpeˇcen´ı ZigBee se pouˇz´ıvá AES (Advanced Encryption Standard) s kl´ıˇcem o délce 128 bit˚ u jeˇz je implementován v s´ıt’ové vrstvˇe. Pokud je poˇzadováno i zabezpeˇcen´ı MAC Command Frame, Beacon Frame a Acknowledgement Frame je realizováno jiˇz v MAC vrstvˇe pomoc´ı AES. D´ıky tomu je moˇzné ovˇeˇrit autenticitu a integritu MAC rámce a zajistit jeho d˚ uvˇernost. Pˇri poˇzadavku na ovˇeˇren´ı integrity je vytvoˇren MIC (Message Integrity Code) o délce 4, 8 ˇci 16 oktet˚ u a je vyslán spoleˇcnˇe s MAC rámcem. V tomto pˇr´ıpadˇe je pouˇzit AES algoritmus v CTR (Counter) módu. Pokud je nutné zajistit d˚ uvˇernost MAC rámce je k nˇemu pˇridána informace o poˇrad´ı rámce a kl´ıˇce (Frame Count, Key Sequence Count). Na vys´ılac´ı a pˇrij´ımac´ı stranˇe je udrˇzována aktuáln´ı informace o ˇc´ısle rámce. Pokud obdrˇz´ı pˇrij´ımac´ı zaˇr´ızen´ı rámec s neplatn´ ym ˇc´ıslem je detekováno naruˇsen´ı bezpeˇcnosti. AES je pouˇzit v CBC-MAC (Cipher Block Chaining) módu. Pˇri implementaci jak ovˇeˇrován´ı integrity tak ˇsifrován´ı je pouˇzit AES v módu jeˇz je naz´ yván CCM.


12

S´ıt’ová vrstva pouˇz´ıvá k zabezpeˇcen´ı SSP (Security Services Provider). Tato vrstva zajiˇst’uje zabezpeˇcen´ı ochoz´ıch rámc˚ u, dekódován´ı a ovˇeˇrován´ı pravosti pˇr´ıchoz´ıch rámc˚ u. Jako zabezpeˇcovac´ı algoritmus je pouˇzit AES v m´ırnˇe modifikovaném módu CCM jeˇz nese oznaˇcen´ı CCM . S´ıt’ová vrstva je zodpovˇedná za realizaci zabezpeˇcen´ı. Vyˇsˇs´ı vrstvy se staraj´ı o nastaven´ı SSP (nastaven´ı kl´ıˇc˚ u a udávaj´ı jak´ ym zp˚ usobem bude pouˇzit CCM pro jednotlivé rámce). Aplikaˇ cn´ı vrstva Aplikaˇcn´ı vrstva protokolu (APL) se skládá z pomocné aplikaˇcn´ı APS podvrstvy, ZigBee objekt˚ u (ZDO) a uˇzivatelem definovan´ ych aplikaˇcn´ıch objekt˚ u. Pomocná aplikaˇcn´ı podvrstva je zodpovˇedná za párován´ı zaˇr´ızen´ı podle poskytovan´ ych sluˇzeb a poˇzadavk˚ u. To je realizováno pomoc´ı tzv. párovac´ı (binding) tabulky. ZigBee objekt definuje roli jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı v rámci s´ıtˇe (koordinátor, smˇerovaˇc, koncové zaˇr´ızen´ı). Dále zajiˇst’uje vyhledáván´ı nov´ ych zaˇr´ızen´ı a jimi poskytovan´ ych sluˇzeb. V neposledn´ı ˇradˇe zodpov´ıdá za zabezpeˇcen´ı (vol´ı jeho zp˚ usob, jako napˇr. veˇrejné kl´ıˇce, symetrické kl´ıˇce). Uˇzivatelské aplikaˇcn´ı objekty implementuj´ı konkrétn´ı poˇzadavky aplikace dle definovaného ZigBee profilu. ZigBee profil zastˇreˇsuje definice moˇzn´ ych zaˇr´ızen´ı, formát˚ u a typ˚ u zpráv. Kaˇzd´ y profil je urˇcen unikátn´ım 16 bitov´ ym identifikátorem podle specifikace ZigBee Alliance Tato nová technologie mi také pˇriˇsla velmi zaj´ımavá pˇredevˇs´ım z hlediska spotˇreby, ale v souˇcastné dobˇe je jen málo zaˇr´ızen´ı které dokáˇzou komunikovat pomoc´ı tohoto standardu a nav´ıc jsou zat´ım pˇr´ıliˇs drahá. Mysl´ım si, ˇze tento standard má velikou budoucnost a proto jsem mu pˇri popisu vˇenoval vˇetˇs´ı pozornost.


13

Bluetooth - IEEE 802.15.1

Jde o otevˇren´ y protokol pro bezdrátov´ y pˇrenos dat a hlasu. Je zaloˇzen na vys´ılan´ı radiov´ ych vln s krátk´ ym dosahem, zajiˇstuj´ıc´ıch rychlé navázán´ı chránˇené komunikace s ostatn´ımi zaˇr´ızen´ımi. Bluetooth se synchronizuje s v´ ychoz´ım ˇcasovac´ım mechanismem, definovan´ ym ˇr´ıd´ıc´ı funkc´ı piconet. Historicky byl prvn´ı návrh pˇredloˇzen spoleˇcnost´ı Ericsson v roce 1994. Poté v roce 1998 vznikla skupina SIG (Special Interest Group), do které postupnˇe vstupovaly spolecnosti: Ericsson , Nokia, Toshiba, IBM, Intel, Sony a dalˇs´ı v´ yrobci. Skupina SIG má pres 2.000 ˇclen˚ u z r˚ uzn´ ych oblast´ı a poˇcet ˇclen˚ u se stále rozr˚ ustá. Jde o univerzaln´ı radiov´ y systém, skládaj´ıc´ı se z mal´ ych základn´ıch struktur, oznaˇcovan´ ych pojmem pikonet (miniaturn´ı s´ıt). V kaˇzdé z tˇechto struktur se m˚ uˇze pohybovat aˇz 8 miniaturn´ıch modul˚ u (terminál˚ u), z nichˇz kaˇzd´ y obsahuje radiov´ y vys´ılaˇc s pˇrij´ımaˇcem. Pracuje na pr˚ umyslové frekvenci 2.4 GHz, oznaˇcované jako pásmo Industrial Scientific Medical (ISM), které nen´ı prakticky celosvˇetovˇe licencováno. Podobnˇe jako u klasick´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych s´ıt´ı mohou b´ yt zaˇr´ızen´ı propojena jako rovn´ y s rovn´ ym (peer-to-peer), nebo s jedn´ım nadˇr´ızen´ ym zaˇr´ızen´ım systémem master-slave, pˇrenos se pˇritom m˚ uˇze odehrávat mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi (point-topoint) nebo od jednoho zaˇr´ızen´ı ostatn´ım (point-to-multipoint). Bluetooth nevyluˇcuje ani propojen´ı dvou a v´ıce piconet˚ u stejn´ ym protokolem, potom ale klesá pˇrenosová rychlost. Zaˇr´ızen´ı navzájem komunikuj´ı technikou pˇreskoku kmitoˇct˚ u ( Frequency Hopping). Jedná se o sekvenci aˇz 78 moˇzn´ ych frekvenc´ı. Datová zpráva je tak vys´ılána pomoc´ı mnoha nosn´ ych frekvenc´ı tzv. hops. Vysoké spolehlivosti je dosaˇzeno d´ıky tomu, ˇze nepotvrzené tj. chybnˇe pˇrenesené rámce jsou znovu pˇrenáˇseny s jinou nosnou frekvenc´ı tj. v dalˇs´ım hopu. Um´ıstˇen´ı v´ıce systém˚ uv jednom m´ıstˇe je umoˇznˇeno pouˇzit´ım r˚ uzn´ ych sekvenc´ı v kaˇzdém systému. Tyto moduly potom spolu mohou vzájemnˇe bezdrátovˇe komunikovat, tedy vys´ılat nebo pˇrij´ımat nejr˚ uznˇejˇs´ı digitáln´ı data, a to aˇz na vzdálenost 12 metr˚ u pˇriˇcemˇz pˇrenosová rychlost se pohybuje okolo 1Mb/s. Souˇcasná specifikace umoˇzn ˇuje symetrické pˇrenosy 432.6Kb/s, asymetrick´ y pˇrenos 721/57.6Kb/s ˇci synchronn´ı hlasové kanály 65Kb/s. C´ılem do budoucna je dosáhnout pˇrenosov´ ych rychlost´ı aˇz 2Mb/s. V jedné samostatnˇe se ˇr´ıd´ıc´ı pikos´ıti, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı urˇcit´ y radiov´ y kanál, mus´ı jeden z u u ´ˇcastn´ık˚ u jako prvn´ı (master) iniciovat sestaven´ı s´ıtˇe a pln´ı tedy pro tuto chv´ıli ˇr´ıd´ıc´ı (master) funkci. Tato funkce spoˇc´ıvá pˇredevˇs´ım v identifikaci u ´ˇcastn´ık˚ u a zajiˇstˇen´ı jejich vzájemné synchronizace. Ostatn´ı u ´ˇcastn´ıci pˇredstavuj´ı podˇr´ızené jednotky (slave). Tyto funkce jsou vˇsak doˇcasné a zanikaj´ı po zruˇsen´ı dané pikonet s´ıtˇe. V pˇr´ıˇst´ım cyklu m˚ uˇze funkci ˇr´ıd´ıc´ı jednotky plnit libovoln´ y jin´ yu ´ˇcastn´ık. V dané lokalitˇe mohou b´ yt ve stejn´ y okamˇzik dalˇs´ı pikos´ıtˇe. Pˇriˇcemˇz libovoln´ yu ´ˇcastn´ık m˚ uˇze b´ yt zapojen souˇcasnˇe do nˇekolika z ’ nich. Tak vzniká rozpt´ ylená s´ıt Bluetooth. Vˇsechny potˇrebné kroky pro navázán´ı a udrˇzován´ı vzájemného spojen´ı si provád´ı systém Bluetooth zcela automaticky sám. Bluetooth systém se skládá: • BluetoothT M radio - vys´ılaˇc, pˇrij´ımaˇc, analogová radio elektronika.


14

• BluetoothT M Link Controller - ˇr´ıd´ı navázán´ı spojen´ı a komunikaci, identifikaci, pˇr´ıstup. • BluetoothT M Link Manager - pˇripravuje data a zaruˇcuje komunikaci se zaˇr´ızen´ım, kde je Bluetooth modul um´ıstˇen. Vyzáˇren´ y v´ ykon je automaticky zes´ılen/zeslaben tak, aby komunikace prob´ıhala pˇri co nejmenˇs´ım odbˇeru. Je-li napˇr. pˇripojen´ y spotˇrebiˇc vzdálen pouze pár metr˚ u, je signál utlumen na nejniˇzˇs´ı moˇznou mez. Nav´ıc pˇri n´ızkém nebo nulovém pˇrenosu dat pˇrecház´ı zaˇr´ızen´ı do low-energy módu, kter´ y je pˇreruˇsován pouze krátk´ ymi pulzy nezbytn´ ymi pro ovˇeˇren´ı, zda druhé zaˇr´ızen´ı je stále pˇripojeno. Pro porovnán´ı: Bluetooth radio spotˇrebuje 3% energie, které by spotˇreboval modern´ı modem. Bluetooth radio je navrˇzeno pro práci i ve velmi ruˇsném prostˇred´ı (myˇsleno plném rádiov´ ych signál˚ u). Ochrana dat uˇzivatele je zajiˇstˇena korekˇcn´ımi mechanismy, intern´ım kódován´ım a bohatou ˇskálou autentifikaˇcn´ıch rutin. Bezpeˇ cnost technologie Bluetooth Na jednu stranu spoˇc´ıvá nebezpeˇc´ı ve vyuˇz´ıván´ı nelicencovaného pásna 2.4GHz, ale na druhou stranu jsou data chránˇena samotnou podstatou technologie Bluetooth. Tento standard byl p˚ uvodnˇe navrˇzen jako náhrada kabelu pro dvˇe zaˇr´ızen´ı, to znamená na krátkou vzdálenost. V tomto pˇr´ıpadˇe nen´ı nˇejak tˇeˇzké zabezpeˇcit, aby se vaˇse data nedostala do neoprávnˇen´ ych rukou. Nicménˇe pˇri expanzi moˇznost´ı vyuˇzit´ı Bluetooth, zejména v oblasti tzv. Access point˚ u, kdy se propojuje v´ıce uˇzivatel˚ u najednou, z´ıskává dalˇs´ı zabezpeˇcen´ı pos´ılan´ ych dat na d˚ uleˇzitosti. Mnohem zásadnˇejˇs´ı ochrana by mˇela pˇrij´ıt také se standardem verze 2, kdy se poˇc´ıtá i se zv´ yˇsen´ım dosahu signálu. Rozliˇsujeme dva typy zabezpeˇcen´ı: Hardwarov´ a ochrana Nejniˇzˇs´ı u ´roveˇ n ochrany pos´ılan´ ych dat prostˇrednictv´ım technologie Bluetooth je jej´ı hardwarová specifikace. Z hlediska frekvence j´ı bezpeˇcnost dostateˇcnˇe zajiˇst’uje technika rozprostˇren´ı signálu metodou FHSS - ”frequency hopping” s rychlost´ı 1600 skok˚ u za sekundu a s prodlevou 625 s, pˇriˇcemˇz poˇcet kanál˚ u je 79. Jiˇz z tohoto hlediska je velice tˇeˇzké tento signál odposlouchávat. Bluetooth zaˇr´ızen´ı maj´ı nav´ıc zabudovanou vnitˇrn´ı bezpeˇcnostn´ı ochranu proti odposlechu a falsifikaci origináln´ıch dat. Svou roli také hraje udˇelen´ y rozsah frekvenˇcn´ıho pásma, kter´ y je ve vˇetˇsinˇe Evropy (kromˇe Francie) 2,4 - 2,2475 GHz. Aplikaˇ cn´ı ochrana Aplikaˇcn´ı neboli softwarovou ochranu dat je nutno rozdˇelit podle d˚ uleˇzitosti tˇechto paket˚ u. Podle toho pak rozliˇsujeme r˚ uzné u ´rovnˇe softwarového zabezpeˇcen´ı. Specifikace Bluetooth definuje 3 takové u ´rovnˇe: • ned˚ uleˇ zit´ a data - non-secure Pro data, jako jsou napˇr´ıklad elektronické vizitky pos´ılané z mobiln´ıho telefonu se pouˇz´ıvá (v návaznosti na definované profily) nechránˇená komunikace. Pˇritom nechránˇená by se sluˇselo dáti do uvozovek, kaˇzdá komunikace mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi je, jak uˇz bylo ˇreˇceno, zabezpeˇcena hardwarovˇe a principielnˇe.


15

• vyˇ sˇ s´ı bezpeˇ cnost - autentizace Pro data s visaˇckou vyˇsˇs´ıho zabezpeˇcen´ı se vyuˇz´ıvá klasického zp˚ usobu ochrany dat a t´ım je takzvaná komunikace na vyˇzádán´ı. Bˇeˇzn´ y zp˚ usob autentizace v´ yzva-odezva (challenge-response) zajiˇst’uje, ˇze kaˇzdá uskuteˇcnˇená komunikace je pˇresnˇe adresována. Kaˇzd´ y Bluetooth chipset má totiˇz v sobˇe zakódovanou 48-bitovou informaci - adresu, na základˇe které komunikuje s jin´ ymi pˇr´ıstroji. Jakmile dojde k nesrovnalosti adresy ˇci jakémukoliv pˇreruˇsen´ı toku dat, komunikaˇcn´ı kanál se neotevˇre a komunikace se pˇreruˇs´ı. Veˇskerá zaˇr´ızen´ı spolu komunikuj´ı peer to peer, pˇri autentizaci se rozdˇel´ı na Master (zaˇr´ızen´ı, které vyslalo poˇzadavek na spojen´ı) a Slavˇe (pˇrij´ımá poˇzadavek a odes´ılá zpˇet svou 48-bitovou adresu). Jednotlivá zaˇr´ızen´ı se mohou spojovat individuálnˇe, ale i hromadnˇe. • d˚ uleˇ zit´ a data - autentizace + kryptov´ an´ı U dat, která chceme uchovat v tajnosti za kaˇzdou cenu, coˇz m˚ uˇze b´ yt napˇr´ıklad i pˇrenos hlasu (head set - mobiln´ı telefon), je bezpeˇcnost nav´ıc zaruˇcena vestavˇenou podporou 128-bitového ˇsifrovac´ıho kódu. Tento ˇsifrovac´ı kód m˚ uˇzeme dále dˇelit podle dvou kl´ıˇc˚ u: a) Private user key - tajná entita, z´ıskává se bˇehem inicializace a nen´ı nikdy prozrazen b) Random number - je rozd´ıln´ y pro kaˇzdou novou transakci, z´ıskává se ze pseudo-náhodného procesu v Bluetooth jednotce, Celkovˇe je tedy aplikaˇcn´ı systém odoln´ y proti v´ıcenásobn´ ym cestám ˇs´ıˇren´ı a obsahuje korekci chyb a jiˇz zmiˇ novanou enkrypci. Nutno podotknout, ˇze s kaˇzdou zaˇsifrovanou informac´ı se sniˇzuje i pˇrenosová rychlost.

Tento standard nevyniká ani n´ızkou spotˇrebou a ani pˇrenosovou rychlost´ı. Mysl´ım, ˇze na svou dobu to byla dobrá technologie, ale se vzr˚ ustaj´ıc´ımi nároky uˇzivatel˚ u na objem pˇrenesen´ ych dat se v´ yrobci zaˇcnou poohl´ıˇzet po nˇeˇcem jiném. Problematické je to i s v´ ystavbou rozsáhlejˇs´ıch s´ıt´ı kdy pˇri vˇetˇs´ım poˇctu komunikuj´ıc´ıch u ´ˇcastn´ık˚ u dramaticky klesá pˇrenosová rychlost.

2 POPIS STANDARDU 802.11

2

16

Popis standardu 802.11

Na základˇe pˇredchoz´ı anal´ yzy a zváˇzen´ı vˇsech v´ yhod a nev´ yhod jsem vybral standard IEEE 802.11. Hlavn´ım d˚ uvodem byla jeho vysoká rozˇs´ıˇrenost, dostupnost a v´ ysledná cena koncov´ ych zaˇr´ızen´ı.

2.1

Komponenty s´ıtˇ e

Kaˇzdá 802.11 s´ıt’ obsahuje ˇctyˇri hlavn´ı druhy fyzick´ ych komponent: • Distribuˇcn´ı systém • Pˇr´ıstupov´ y bod (access point) • Bezdrátové médium • Stanice Distribuˇ cn´ı syst´ em v okamˇziku kdy s´ıt’ tvoˇr´ı v´ıce pˇr´ıstupov´ ych bod˚ u mus´ı spolu komunikovat a pˇredávat si informace o poloze jednotliv´ ych stanic. Distribuˇcn´ı systém je vlastnˇe logická komponenta slouˇz´ıc´ı k pˇresmˇerován´ı datového toku k pˇr´ısluˇsné stanici v závislosti na jej´ı poloze. Standard 802.11 ovˇsem ˇzádnou takovou komponentu bl´ıˇze nespecifikuje a ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u je distribuˇcn´ı systém tvoˇren mostem (bridge) a distribuˇcn´ım médiem. To dosti ˇcasto b´ yvá Ethernet. Pˇ r´ıstupov´ y bod (Access point) ten právˇe pˇredstavuje ono pˇremostˇen´ı (bridge) mezi bezdrátovou a drátovou s´ıt´ı. Dosti ˇcasto obsahuje i dalˇs´ı doplˇ nkové funkce, ale pˇremostˇen´ı je jeho základn´ı a nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı funkc´ı. Bezdr´ atov´ e m´ edium jedná se o nosiˇc dat pˇri pˇrenosu dat od jedné stanice k druhé. Dalo by se ˇr´ıci ˇze je to vzduch, ale nen´ı tomu tak. Jedná se sp´ıˇse o dvˇe rádiové frekvence (2.4 a 5 GHz) a velmi zˇr´ıdka pouˇz´ıvanou infraˇcervenou fyzickou vrstvu. Stanice je to jakékoliv zaˇr´ızen´ı kromˇe pˇr´ıstupového bodu, které se u ´ˇcastn´ı komunikace v bezdrátové s´ıti. Stanice m˚ uˇze b´ yt jak mobiln´ı (notebook, PDA, mobiln´ı telefon ...) tak se m˚ uˇze jednat i o zaˇr´ızen´ı prakticky nepˇrenosné (stoln´ı poˇc´ıtaˇc, tiskárna ...)

2.2

Typy s´ıt´ı

Základn´ı blok 802.11 se oznaˇcuje jako Basic Service Set (BSS). Jde o skupinu stanic, která spolu navzájem komunikuj´ı na u ´zem´ı vymezeném pr˚ unikem dosah˚ u jednotliv´ ych stanic a naz´ yvaném Basic Service Area (BSA). Rozliˇsujeme dva typy s´ıt´ı podle toho jak´ ym zp˚ usobem prob´ıhá komunikace mezi jednotliv´ ymi ˇcleny BSS.

2 POPIS STANDARDU 802.11 2.2.1

17

Ad-hoc s´ıtˇ e

Ad-hoc s´ıtˇe ˇcasto naz´ yváme jako peer-to-peer, nezávislé nebo jako Independent Basic Service Set (IBSS). Jedná se v podstatˇe o soubor bezdrátov´ ych stanic které komunikuj´ı pˇr´ımo mezi sebou bez pouˇzit´ı jakéhokoliv prostˇredn´ıka. Z toho vypl´ıvá, ˇze pokud spolu chtˇej´ı stanice komunikovat mus´ı b´ yt navzájem v rádiovém dosahu.

:

:

:

:

Obrázek 1: Ad-hoc s´ıt’ Tento reˇzim je vhodn´ y pro snadno uskuteˇcnitelné bezdrátové spojen´ı mezi stanicemi vzdálen´ ymi nˇekolik metr˚ u. Nejˇcastˇeji se pouˇz´ıvá pro jednorázové spojen´ı nˇekolika poˇc´ıtaˇc˚ u na omezen´ y ˇcas. Pro rozlehlejˇs´ı s´ıtˇe o vˇetˇs´ım poˇctu uˇzivatel˚ u, nebo v pˇr´ıpadˇe rozlehlého a ˇclenitého prostˇred´ı je tento model nevhodn´ y a nepouˇziteln´ y. Vzhledem ke sloˇzitosti nastavován´ı s´ıtˇe se tento systém v praxi moc neujal. 2.2.2

Infrastrukturn´ı s´ıtˇ e

Tento typ s´ıtˇe se naz´ yvá infrastrukturn´ı proto, protoˇze má pˇresnˇe vymezenou infrastrukturu. Stanice zde nekomunikuj´ı pˇr´ımo mezi sebou, ale prostˇrednictv´ım s´ıt’ové komponenty zvané pˇr´ıstupov´ y bod (access point, AP) Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, pˇr´ıstupov´ y bod kromˇe toho, ˇze komunikuje se stanicemi zajiˇst’uje i pˇripojen´ı na páteˇrn´ı s´ıt’ (Ethernet). Protoˇze vˇsak m˚ uˇze komunikovat s v´ıce stanicemi najednou slouˇz´ı i k bezdrátové komunikaci mezi jednotliv´ ymi stanicemi aniˇz by chtˇely pˇristupovat ’ na páteˇrn´ı s´ıt . Komunikace tedy prob´ıhá ve dvou kroc´ıch. Nejdˇr´ıve ze stanice na pˇr´ıstupov´ y bod a poté z pˇr´ıstupového bodu k c´ılové stanici. M˚ uˇze se zdát, ˇze infrastrukturn´ı typ s´ıtˇe má vˇetˇs´ı nároky na pˇrenosovou kapacitu, ale nen´ı tomu tak. Zat´ımco v pˇr´ıpadˇe Ad-hoc s´ıtˇe mus´ı stanice


18

Ethernet

AP AP

:: : : : Basic Service Set (BSS)

Extended Service Set (ESS)

Obrázek 2: Infrastrukturn´ı s´ıt’ udrˇzovat spojen´ı s kaˇzdou stanic´ı se kterou komunikuje tak u infrastrukturn´ı s´ıtˇe udrˇzuje spojen´ı pouze s pˇr´ıstupov´ ym bodem. Nav´ıc pokud je stanice v u ´sporném reˇzimu, m˚ uˇze pro ni pˇr´ıstupov´ y bod data ukládat a vyslat je aˇz se probud´ı. V infrastrukturn´ı s´ıti se mus´ı stanice asociovat s pˇr´ıstupov´ ym bodem a bez toho vytvoˇren´ı s´ıtˇe nen´ı moˇzné. Asociaˇcn´ı proces vˇzdy iniciuje mobiln´ı stanice a pˇr´ıstupov´ y bod j´ı to bud’ umoˇzn´ı a nebo zam´ıtne. Takto se m˚ uˇze asociovat pouze s jedn´ım pˇr´ıstupov´ ym bodem. Rozˇ s´ıˇ ren´ a oblast sluˇ zeb (Extended Service Set) BSS m˚ uˇze vytvoˇrit s´ıt’ v domácnost nebo menˇs´ı kanceláˇri, ale ve vˇetˇs´ıch a ˇclenit´ ych prostorách jako jsou napˇr. celé budovy n´ım pokryt´ı nab´ıdnout nem˚ uˇze. Standard 802.11 dovoluje vytvoˇrit vˇetˇs´ı s´ıtˇe propojen´ım BSS do takzvan´ ych Rozˇs´ıˇren´ ych Soubor˚ u Sluˇzeb, Extended Service Set (ESS). ESS vytvoˇr´ıme propojen´ım jednotliv´ ych BSS pˇres páteˇrn´ı s´ıt’. Stanice mohou uvnitˇr ESS mezi sebou komunikovat aˇckoliv jsou v rozd´ıln´ ych BSS a mohou i mezi jednotliv´ ymi BSS pohybovat.

2.3

OSI model

Standard 802.11 se stejnˇe jako jiné standardy v s´ıt’ové komunikaˇcn´ı technice je popsán sedmivrstv´ ym modelem s názvem OSI (Open System Interconnection). 1. physical layer (fyzická vrstva) Komunikace na nejniˇzˇs´ı hardwarové u ´rovni. 2. data-link layer (spojová vrstva) Vrstva zab´ yvaj´ıc´ı se kódován´ım a pˇrenosem informac´ı


19

Aplikační Prezentační Relační Síťový operační systém

Transportní

TCP

Síťová

IP

Spojová

Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC)

802.11

Fyzická

Obrázek 3: OSI model 3. network layer (s´ıt’ová vrstva) Obsluha pˇrenosov´ ych tras a zpráv ˇ ızen´ı doruˇcován´ı informac´ı a kvality pˇrenosu 4. transport layer (transportn´ı vrstva) R´ 5. session layer (relaˇcn´ı vrstva) Udrˇzován´ı a koordinace komunikace 6. presentation layer (prezentaˇcn´ı vrstva) Formátován´ı, konverze a zobrazen´ı pˇrenesen´ ych dat 7. application layer (aplikaˇcn´ı vrstva) Pˇrenos informac´ı mezi programy Kaˇzd´ y produkt na s´ıti je moˇzné popsat pomoc´ı tˇechto vrstev. Specifikace 802.11 vˇsak definuje pouze dvˇe nejniˇzˇs´ı vrstvy a to fyzickou a spojovou.

2.4

Fyzick´ a vrstva

Fyzická vrstva je fyzick´ ym rozhran´ım mezi zaˇr´ızen´ımi v s´ıti. A protoˇze hovoˇr´ıme o bezdrátov´ ych s´ıt´ıch jedná se o vrstvu bezdrátovou. P˚ uvodnˇe (pˇri vydán´ı standardu v roce 1997) byly ve standardu 802.11 definovány tˇri fyzické vrstvy. • Frequency-hooping (FH) spread-spectrum radio


20

• Direct-sequence (DS) spread-spectrum radio • Infraˇcervené svˇetlo V roce 1999 pˇri revizi standardu byly tyto tˇri vrstvy doplnˇeny jeˇstˇe o dalˇs´ı dvˇe • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) • High-Rate Direct Sequence (HR/DS nebo HR/DSSS) 2.4.1

Rozprostˇ ren´ e spektrum (spread spectrum)

Technologie rozprostˇreného spektra se pouˇz´ıvá pro dosaˇzen´ı rychl´ ych datov´ ych pˇrenos˚ u v pásmu ISM. Na rozd´ıl od tradiˇcn´ıch rádiov´ ych technologi´ı, které se snaˇz´ı do co nejuˇzˇs´ıho pásma vmˇestnat co nejvˇetˇs´ı datov´ y tok tak u rozprostˇreného spektra se pouˇz´ıvá matematické ˇ funkce pro rozprostˇren´ı celé s´ıly signálu do relativnˇe Sirok´ eho frekvenˇcn´ıho bloku. Pˇrij´ımaˇc poté provede opaˇcnou matematickou funkci a pˇrevede rozprostˇren´ y signál do klasického u ´zkopásmového signálu se kter´ ym potom pracuje. 2.4.2

Typy rozprostˇ ren´ eho spektra

Fyzická rádiová vrstva 802.11 pˇredepisuje tˇri r˚ uzné techniky rozprostˇreného spektra. Frekvenˇ cn´ı skoky (Frequency hopping, FHSS) Pouˇzit´ım metody FHSS je pásmo rozdˇeleno na 75 d´ılˇc´ıch kanál˚ u o ˇs´ıˇrce 1MHz. Zbyl´ ych cca 4,5 MHz slouˇz´ı jako ochranné pásmo proti interferenc´ım z vedlejˇs´ıch frekvenˇcn´ıch pásem. Vys´ılaˇc a pˇrij´ımaˇc se shodnou na pˇrenosovém vzorci a data jsou poslána pˇres tuto sekvenci d´ılˇc´ıch kanál˚ u. Kaˇzdá konverzace uvnitˇr s´ıtˇe se provád´ı pomoc´ı jiné sekvence d´ılˇc´ıch kanál˚ u která je navrˇzena tak, aby se minimalizovala pravdˇepodobnost, ˇze dva odes´ılatelé pouˇzij´ı stejn´ y kanál. Rušení frekvence

Špatný skok

Dobré skoky

čas

Obrázek 4: Princip FHSS


21

Jednou z hlavn´ıch v´ yhod FHSS je vˇetˇs´ı poˇcet systém˚ u pracuj´ıc´ıch najednou v pásmu 2,4GHz. Teoreticky je to aˇz 26 pˇr´ıstupov´ ych bod˚ u najednou. Pˇ r´ım´ a sekvence (Direct Sequence, DSSS) Narozd´ıl od FHSS, DSSS dˇel´ı pásmo na 3 kanály po 22Mhz. Data jsou poslána pouze pˇres jeden z kanál˚ u. Pro kompenzaci ˇsumu v daném kanálu se pouˇz´ıvá technika ”chipping”. Kaˇzd´ y datov´ y bit je pˇreveden na redundantn´ı sérii bit˚ u zvan´ ych ”chips”. Po pˇrijet´ı této série pˇrij´ımaˇc inverzn´ım postupem pˇr´ısluˇsná data dekóduje a dále pak zpracovává. Nadbyteˇcnost dat spolu s ˇs´ıˇrkou kanálu 22Mhz umoˇzn ˇuje kontrolu chyb a jejich korekci coˇz minimalizuje potˇrebu opˇetovn´ ych pˇrenos˚ u a t´ım se zv´ yˇs´ı i propustnost s´ıtˇe. Originální signál

Rozprostřený signál

1 0 0 1

1 0 0 1 Rušení Signál

amplituda

Dekódovaný signál

Signál Rušení

frekvence

Obrázek 5: Princip DSSS Ortogon´ aln´ı frekvenˇ cn´ı multiplex (Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM) Systémy s ortogonáln´ım frekvenˇcn´ım multiplexem rozdˇel´ı pˇrenosové pásmo na velké mnoˇzstv´ı u ´zk´ ych kanál˚ u. Data se po tˇechto kanálech pˇrenáˇsej´ı paralelnˇe a relativnˇe malou rychlost´ı. V´ ysledná pˇrenosová rychlost je pak dána souˇctem rychlost´ı jednotliv´ ych kanál˚ u. Vzhledem k malé pˇrenosové rychlosti kanálem je signál mnohem robustnˇejˇs´ı. Tohoto systému vyuˇz´ıvá v pásmu 2.4GHz napˇr´ıklad specifikace IEEE 802.11g a v pásmu 5GHz IEEE 802.11a. 2.4.3

Vylepˇ sen´ı fyzick´ e vrstvy specifikac´ı 802.11b

Kl´ıˇcov´ y pˇr´ınos specifikace 802.11b je standardizace fyzické vrstvy pro podporu dvou nov´ ych pˇrenosov´ ych rychlost´ı 5.5Mbps a 11 Mbps. Pro tyto rychlosti musela b´ yt vybrána technika DSSS protoˇze jak bylo uvedeno v´ yˇse FHSS nepodporuje rychlosti vyˇsˇs´ı neˇz 2 Mbps. D˚ usledkem toho je problém s nekompatibilitou zaˇr´ızen´ı se specifikac´ı 802.11b a zaˇr´ızen´ı podle standardu 802.11 pracuj´ıc´ı se systémem FHSS. DSSS standard specifikuje 11ti bitov´ y chipping naz´ yvan´ y Baker sekvence pro kódován´ı pos´ılan´ ych dat. Kaˇzdá tato sekvence reprezentuje jeden datov´ y bit, kter´ y je pˇreveden na ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh signálu naz´ yvan´ y ”symbol” kter´ y m˚ uˇze b´ yt poslán bezdrátovou cestou. Tyto symboly jsou pˇrenáˇseny rychlost´ı 1 MSps (1 milion symbol˚ u za sekundu) dvoustavov´ ym


22

kl´ıˇcován´ım fázov´ ym posuvem (BPSK). V pˇr´ıpadˇe pˇrenosové rychlosti 2Mbps je kl´ıˇcován´ı d˚ umyslnˇejˇs´ı a je provádˇeno ˇctyˇrstavovˇe (QPSK). Pro zvˇetˇsen´ı pˇrenosové rychlosti specifikace 802.11b se pouˇz´ıvaj´ı zdokonalené ˇsifrovac´ı techniky. Sp´ıˇse neˇz dvˇe Baker sekvence specifikuje 802.11b doplˇ nkov´ y ˇsifrovac´ı kl´ıˇc (CCK) kter´ y se skládá ze souboru 64 osmibitov´ ych kódov´ ych slov. Tyto kódová slova maj´ı takové matematické vlastnosti, ˇze je pˇrij´ımaˇc dokáˇze od sebe bezpeˇcnˇe odliˇsit a to i v pˇr´ıtomnosti znaˇcného ˇsumu. Pro pˇrenosovou rychlost 5.5 Mbps pouˇz´ıvá CCK 4 bitové kódován´ı a v pˇr´ıpadˇe 11 Mbps potom kódován´ı 8 bitové. Pro obˇe rychlosti se pouˇz´ıvá technika QPSK a pˇrenosová rychlost 1.375 MSps. Pro prostˇred´ı s velk´ ym ruˇsen´ım a pro vˇetˇs´ı dosah pouˇz´ıvaj´ı s´ıtˇe 802.11b dynamic rate shifting, coˇz je automatické pˇrizp˚ usoben´ı pˇrenosové rychlosti ke kompenzaci ruˇsiv´ ych vliv˚ u na kanál. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe se stanice spoj´ı plnou rychlost´ı 11Mbps. Nicménˇe, kdyˇz se zaˇr´ızen´ı pohybuje mimo ideáln´ı dosah nebo se ocitne v prostˇred´ı s vˇetˇs´ım ruˇsen´ım sn´ıˇz´ı se pˇrenosová rychlost na 5.5, 2 nebo 1 Mbps. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe pokud se podm´ınky pro pˇrenos zlepˇs´ı pˇrenosová rychlost se opˇet zv´ yˇs´ı na maximáln´ı moˇznou mez. Rate shifting je mechanizmus fyzické vrstvy a je transparentn´ı vzhledem k uˇzivateli i k vyˇsˇs´ım vrstvám. 2.4.4

Radiov´ e frekvence

V dneˇsn´ı dobˇe jsou ve standardu 802.11 definovány dvˇe frekvenˇcn´ı pásma a to 2.4GHz a 5GHz. Zat´ımco pásmo okolo frekvence 5GHz nen´ı celosvˇetovˇe sjednoceno a vedou se spory mezi americk´ ym a evropsk´ ym regulátorem, pásmo okolo frekvence 2.4GHz nebo alespoˇ n jeho ˇcásti jsou globáln´ı a aˇz na r˚ uzné specifika pouˇzitelné na celém svˇetˇe. Jak to vypadá konkrétnˇe ukazuje následuj´ıc´ı tabulka: Zemˇ e Kan´ aly (frekvence) USA a Kanada 1 - 11 (2.412 - 2.462) ˇ Evropa mimo Francie a Spanˇ elska 1 - 13 (2.412 - 2.472) Francie 10 - 13 (2.457 - 2.472) ˇ Spanˇelsko 10 - 11 (2.457 - 2.462) Japonsko 14 (2.484) Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, technologie rozprostˇreného spektra vys´ılá do frekvenˇcn´ıho rozsahu 22MHz zat´ımco odstup mezi kanály je pouh´ ych 5MHz. Z toho plyne, ˇze vys´ılán´ı na jednom kanálu se pˇrekr´ yvá s vys´ılán´ım na sousedn´ıch ˇctyˇrech kanálech. To znamená, ˇze pokud chceme provozovat dva pˇr´ıstupové body najednou, mus´ıme je nastavit, aby pracovaly minimálnˇe pˇet kanál˚ u od sebe. Z tohoto zjiˇstˇen´ı plyne, ˇze ani onˇech 13 kanál˚ u, které jsou vyhrazeny pro ˇ provoz v Ceské republice nen´ı zase tak mnoho jak by se mohlo zdát. 2.4.5

Interference sign´ alu

Problémem u rádiového signálu a to zejména v uzavˇren´ ych prostorách je ten, ˇze se odráˇz´ı od r˚ uzn´ ych pˇrekáˇzek jako jsou zdi, nábytek atd. Protoˇze stanice v rámci BSS pouˇz´ıvaj´ı témˇeˇr v´ yhradnˇe vˇsesmˇerové antény signál od vys´ılaˇce k pˇrij´ımaˇci m˚ uˇze a témˇeˇr vˇzdy putuje po


23

v´ıce pˇrenosov´ ych cestách. Takové cesty jsou r˚ uznˇe dlouhé a vzhledem ke koneˇcné rychlosti ˇs´ıˇren´ı signálu ke svému c´ıli putuj´ı r˚ uznˇe dlouhou dobu. Cel´ y princip znázorˇ nuje následuj´ıc´ı obrázek:

Strop

:

AP

Podlaha

Přijímané signály čas

Výsledek čas

Obrázek 6: Interference signálu v uzavˇrené m´ıstnosti Jelikoˇz pˇrenosov´ y signál zde pˇredstavuje elektromagnetické vlnˇen´ı a to má tu vlastnost, ˇze se skládá, je v´ ysledn´ y signál vlastnˇe sloˇzen´ım vˇsech signálov´ ych cest vˇcetnˇe jejich zpoˇzdˇen´ı. ˇ Casov´ y rozd´ıl mezi pˇrijet´ım prvn´ıho a posledn´ıho signálu z vys´ılac´ı stanice se naz´ yvá rozprostˇrené zpoˇzdˇen´ı (spread delay). Takov´ yto ˇcasov´ y rozd´ıl nab´ yvá hodnot ˇrádovˇe nanosekund. Zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı podle standardu 802.11 se dokáˇz´ı vypoˇrádat se zpoˇzdˇen´ım cca 500ns. To je krajn´ı hodnota a nem˚ uˇzeme zde oˇcekávat ˇzádné závratné rychlosti. Pokud je zpoˇzdˇen´ı vˇetˇs´ı, nelze takovou s´ıt’ realizovat. Pro plnou rychlost (11 Mb/s) se udává zpoˇzdˇen´ı maximálnˇe okolo 65ns. Se vzr˚ ustaj´ıc´ı dobou pak klesá pˇrenosová rychlost. 2.4.6

Podvrstvy PLCP a PMD

Pokud se pod´ıváme jeˇstˇe podrobnˇeji na fyzickou vrstvu, zjist´ıme, ˇze se skládá ze dvou podvrstev


24

• protokol konvergence fyzické vrstvy (Physical Layer Convergence Procedure, PLCP) • podvrstva závislá na volbˇe fyzického média (Physical Medium Depend, PMD) PMD se stará o pˇrenos bit˚ u od vrstvy PLCP pomoc´ı antény do etheru. Podstatˇe se stará o kódován´ı pˇrenáˇsen´ı dat v´ yˇse zm´ınˇen´ ymi principy PLCP tato vrstva pˇredstavuje spojen´ı mezi pˇrenáˇsen´ ymi rámci MAC vrstvy a pˇrenosov´ ym médiem. Vzhledem k tomu, ˇze právˇe ona urˇcuje jak se tato data budou pˇrenáˇset (jaká se pouˇzije modulace . . . ) umoˇzn ˇuje tak MAC vrstvˇe b´ yt nezávislou na druhu pˇrenosu. Kromˇe toho také informuje MAC vrstvu o tom, zdali je pˇrenosové médium k dispozici a t´ım páde zdali se mohou pˇripravená data vyslat Struktura PLCP podvrstvy Standard 802.11 definuje dvˇe pˇr´ıpustné struktury podvrstvy PLCP. A to dlouhou a krátkou preambuli. Dlouhou preambuli mus´ı podporovat vˇsechny systémy, zat´ımco krátká slouˇz´ı ke zvˇetˇsen´ı propustnosti s´ıtˇe zejména pˇri hlasov´ ych a videopˇrenosech. Formát PLCP rámce se skládá z jiˇz zm´ınˇené preambule a hlaviˇcky. 1.PLCP preambule • synchronizaˇcn´ı pole obsahuj´ıc´ı u dloulé preambule 128 bit˚ u a u krátké 56 bit˚ u • oddˇelovaˇc zaˇcátku rámce (Start Frame Delimiter, SFD) Pouˇz´ıvá se pro oznaˇcen´ı poˇcátku kaˇzdého rámce 2.PLCP hlaviˇ cka • 8 bit˚ u pro urˇcen´ı datové rychlosti (Data Rate, DR) Informuje jak rychle jsou data pˇrenáˇsena • 8 bit˚ u vyhrazeno pro dalˇs´ı pouˇzit´ı • 16 bit˚ u informuje o délce pˇrenáˇsen´ ych dat, tedy o délce MAC rámce • 16 bit˚ u CRC kód, jedná se o kontroln´ı souˇcet pro vylouˇcen´ı chyb. Jeho u ´lohou je vylouˇcit chybu v PLCP hlaviˇcce Aby se pˇredeˇslo problém˚ um se zpˇetmou kompatibilitou, pˇrenáˇs´ı se cel´ y PLCP rámec rychlost´ı 1 Mb/s. Proto 802.11b dosahuje v nejlepˇs´ım pˇr´ıpadˇe 85% fyfické vrstvy


2.5

25

Spojov´ a vrstva a MAC vrstva

Spojová vrstva u standardu 802.11 sestává ze dvou ˇcást´ı. Logical Link Control (LLC) a Media Access Control (MAC). Vrstva LLC je shodná se standardem 802.2, má 48 bitové adresován´ı stejnˇe jako dalˇs´ı s´ıtˇe standardu 802. Tato skuteˇcnost umoˇzn ˇuje velmi jednoduché pˇremostˇen´ı do ostatn´ıch klasick´ ych s´ıt´ı. Vrstva MAC je ovˇsem odliˇsná a specifická pro tento typ s´ıtˇe. Pro robustnost MAC podvrstvy jsou d˚ uleˇzité dvˇe hlavn´ı vlastnosti. • kontroln´ı souˇcet CRC • fragmentace paket˚ u Kaˇzd´ y pˇrenáˇsen´ y paket je opatˇren CRC souˇctem aby se zamezilo poˇskozen´ı pˇri pˇrenosu resp. aby se toto poˇskozen´ı bezpeˇcnˇe odhalilo. Fragmentace paket˚ u slouˇz´ı k rozdˇelen´ı velk´ ych paket˚ u na menˇs´ı ˇcásti a to z d˚ uvodu poruchy bˇehem pˇrenosu kde by opakované pˇrenáˇsen´ı celého paketu zbyteˇcnˇe s´ıt’ zatˇeˇzovalo. Vzhledem k tomu, ˇze náchylnost oproti metalickému pˇrenosovému médiu je podstatnˇe vˇetˇs´ı, uˇsetˇr´ı se t´ım mnoho kapacity s´ıtˇe. A v neposledn´ı ˇradˇe pravdˇepodobnost vzniku poruchy nar˚ ustá s velikost´ı pˇrenáˇseného paketu. 2.5.1

Mezir´ amcov´ e mezery

Podobnˇe jako u Ethernetu hraj´ı i zde mezirámcové mezery velikou roli. Slouˇz´ı totiˇz ke koordinaci pˇr´ıstupu k pˇrenosovému médiu. Standard 802.11 definuje ˇctyˇri typy mezirámcov´ ych mezer. Short interframe space (SIFS) nejkratˇs´ı mezirámcová mezera slouˇz´ıc´ı pro bezprostˇredn´ı odpovˇedi (ACK,CTS,...) Point coordination function IFS (PIFS) mezirámcová mezera stˇredn´ı délky pouˇz´ıvaná pro v´ yzvy. Ta má pˇrednost pˇred normáln´ım provozem a kdyˇz chce stanice poslat nˇeco urgentnˇe m˚ uˇze to uˇcinit po PIFS a pˇredbˇehnout tak ostatn´ı. DCF interframe space (DIFS) nejdelˇs´ı mezirámcová mezera zaruˇcuje minimáln´ı prostoj pˇri soupeˇren´ı anonymn´ıch rámc˚ u Extended interframe space (EIFS) nejedná se fixn´ı interval a pouˇz´ıvá se pouze tehdy pokud nastala chyba v pˇrenosu rámce Koordinace pˇr´ıstupu k médiu Aby bezdrátové s´ıtˇe mohly v˚ ubec fungovat, mus´ı se vyˇreˇsit jeden základn´ı problém. A to jak´ ym zp˚ usobem bude prob´ıhat provoz na pˇrenosovém médiu v pˇr´ıpadˇe pokud bude cht´ıt vys´ılat nˇekolik stanic najednou. Pokud by toto nebylo nijak oˇsetˇreno docházelo by k ˇcast´ ym koliz´ım a znemoˇzn ˇovalo by to provoz s´ıtˇe. Standard 802.11 definuje dvˇe funkce pro koordinaci pˇr´ıstupu k médiu.


26

• Funkce distribuované koordinace DFC (Distributed Coordination Function) je základem standardn´ıho pˇr´ıstupového mechanismu CSMA/CA a je u bezdrátov´ ych s´ıt´ı ˇsiroce pouˇz´ıvána • Funkce koordinace jedn´ım bodem PFC (Point Coordination Function) je pro aplikace bl´ızké reálnému ˇcasu jako je napˇr. pˇrenáˇsen´ı videa. Bˇehem doby kdy je systém v PCF módu pˇr´ıstupov´ y bod vyz´ıvá kaˇzdou stanici jestli nemá pˇripravená data a po daném ˇ adná stanice v tomto pˇr´ıpadˇe nemá právo vys´ılat dokud ˇcase pˇristupuje k dalˇs´ı. Z´ na n´ı nepˇrijde ˇrada a nen´ı k tomu vyzvaná. V´ yhodou tohoto zp˚ usobu komunikace je skuteˇcnost, ˇze pokud pˇr´ıstupov´ y bod pˇristupuje k jednotliv´ ym stanic´ım popoˇradˇe a jen po urˇcit´ y pˇresnˇe definovan´ y ˇcas je zaruˇcena maximáln´ı latence. Naopak pokud stanice potˇrebuje okamˇzitˇe komunikovat tak nem˚ uˇze a mus´ı ˇcekat aˇz na ni pˇrijde ˇrada ikdyˇz ostatn´ı stanice zrovna komunikovat nechtˇej´ı. Toto zpoˇzdˇen´ı m˚ uˇze b´ yt zejména u rozsáhl´ ych s´ıt´ı znaˇcné. V souˇcastné dobˇe je velmi málo rozˇs´ıˇren. 2.5.2

CSMA/CA a probl´ em skryt´ eho uzlu

Vrstva MAC je v zásadˇe velmi podobná s 802.3 v tom, ˇze je navrˇzená pro v´ıce uˇzivatel˚ u na jednom sd´ıleném pˇrenosovém médiu kdy zaˇr´ızen´ı které vys´ılá pˇred zahájen´ım pˇrenosu poslechne zda na médium nevys´ılá uˇz nˇekdo jin´ y. U Ethernetové s´ıtˇe (802.3) protokol CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ˇr´ıd´ı jak stanice pˇristupuj´ı k pˇrenosovému médiu a jak ˇreˇsit kolize které se vyskytnou pˇri souˇcasném pokusu o komunikaci dvou nebo v´ıce stanic. V bezdrátov´ ych s´ıt´ıch 802.11 nen´ı detekce koliz´ı moˇzná kv˚ uli jevu zvanému ”bl´ızk´ y / vzdálen´ y” problém. Pro detekci kolize mus´ı stanice v jednom okamˇziku vys´ılat a pˇrij´ımat, ale rádiová ˇcást pokud vys´ılá tak ztrác´ı schopnost pˇrij´ımat a t´ım odhalit kolizi. Pro vyˇreˇsen´ı tohoto nedostatku pouˇz´ıvá 802.11 m´ırnˇe upraven´ y protokol znám´ y jako Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) nebo Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA se pokus´ı vyvarovat koliz´ım pouˇzit´ım jednoznaˇcného paketového potvrzen´ı (ACK) coˇz znamená, ˇze pˇrij´ımac´ı stanice vyˇsle ACK paket jako potvrzen´ı, ˇze datov´ y paket doˇsel v poˇrádku. CSMA/CA funguje následovnˇe. Pokud stanice chtˇej´ı vys´ılat a nen´ı detekovaná ˇzádná aktivita stanice ˇcekaj´ı jeˇstˇe dalˇs´ı náhodn´ y ˇcasov´ yu ´sek a pokud po jeho uplynut´ı stále nen´ı ˇzádná aktivita stanice zaˇcne vys´ılat. Jestliˇze je paket pˇrenesen v poˇrádku, stanice která ho pˇrijme vyˇsle zpˇet ACK rámec. Stanice, která vys´ılá ho pˇrijme a dokonˇc´ı pˇrenos. Jestliˇze ovˇsem ACK rám nen´ı pˇrijat bud’ z d˚ uvodu, ˇze datov´ y paket nedorazil v poˇrádku nebo je poˇskozen d˚ usledkem kolize stanice poˇcká opˇet náhodnou dobu a pokus´ı se vyslat data znovu.CSMA/CA tak poskytuje zp˚ usob vzduchu jako sd´ıleného média. Nicménˇe tento zp˚ usob poskytuje niˇzˇs´ı v´ ykon, neˇz ekvivalentn´ı s´ıt’ Ethernet. Dalˇs´ı problém v bezdrátové s´ıt´ı je takzvan´ y ”hidden node” problém ve kterém stanice na opaˇcné stranˇe AP m˚ uˇzou registrovat aktivitu z tohoto AP, ale uˇz ne od sebe navzájem d´ıky vzájemné vzdálenosti. Proto 802.11 specifikuje v MAC vrstvˇe nepovinn´ y protokol Request to Send / Clear to Send (RTS / CTS). Pokud je protokol povolen stanice vyˇsle RTS a ˇceká na AP aˇz j´ı odpov´ı CTS. Protoˇze AP poslouchaj´ı vˇsechny stanice v s´ıti tak jim CTS ˇrekne ˇze nˇekdo komunikuje a ony odloˇz´ı pˇrenos do té doby neˇz bude AP schopen s nimi komunikovat.


27

AP Přístupový bod

: : A

B

: C

Bezdrátové stanice

Obrázek 7: Princip vyniku hidden node MAC vrstva poskytuje jeˇstˇe dalˇs´ı dvˇe vlastnosti, které maj´ı za u ´ˇcel zv´ yˇsit odolnost proti poruchám. Kontroln´ı souˇcet CRC a paketová segmentace. Kaˇzd´ y paket obsahuje vypoˇc´ıtan´ y ’ CRC souˇcet, kter´ y zajiˇst uje ˇze data nebyla bˇehem pˇrenosu poˇskozena. Paketová segmentace umoˇzn ˇuje veliké pakety rozdˇelit a pˇrenáˇset po ˇcástech coˇz je velmi uˇziteˇcné zejména v prostˇred´ı kde je velik´ y provoz a dlouhé pakety by tak byly náchylnˇejˇs´ı na poruchy a kolize. Tato technika v´ yraznˇe sniˇzuje potˇrebu opakovan´ ych pˇrenos˚ u a t´ım zvyˇsuje propustnost s´ıtˇe. Vrstva MAC je také zodpovˇedná za opˇetovné poskládán´ı paketu a dˇelá to transparentnˇe v˚ uˇci protokol˚ um vyˇsˇs´ı u ´rovnˇe.

2.6

ˇ ızen´ı spotˇ R´ reby

Kromˇe ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu k médiu obsahuje MAC vrstva i systém ˇr´ızen´ı spotˇreby kter´ y se pouˇz´ıvá hlavnˇe u pˇrenosn´ ych zaˇr´ızen´ı. Standard podporuje dva napájec´ı módy a to Continuous Aware a Power Save Polling mód. V prvn´ım pˇr´ıpadˇe je vys´ılaˇc vˇzdy zapnut´ y zat´ımco ve druhém je ve stavu spánku do té doby dokud pro ni nemá pˇr´ıstupov´ y bod pˇripravena data. Stanice rádiovou ˇcást pravidelnˇe zap´ıná po pˇrijet´ı signálu z pˇr´ıstupového bodu. Tento signál obsahuje informaci o tom, pro kterou ze stanic má pˇripraveny data. Ta se následnˇe probud´ı, pˇrijme tato data a pak se opˇet vrát´ı do sleep módu.


28

AP RTS (Request To Send)

:

CTS (Clear To Send) Data ACK

Obrázek 8: Pˇredcházen´ı koliz´ım

2.7

Form´ at MAC r´ amce

Rámec sestává z MAC hlaviˇcky, která obsahuje informace o pˇrenáˇsen´ ych datech a tˇela rámce obsahuj´ıc´ıho samotná pˇrenáˇsená data spolu s kontroln´ım souˇctem CRC. Hlaviˇcka rámce obsahuje: Frame control (FC) informace o verzi protokolu a typu rámce (ˇr´ıd´ıc´ı, datov´ y nebo kontroln´ı) Duration/ID (ID) Station ID je identifikátor stanice pouˇz´ıvan´ y pro funkci u ´spory energie a Duration Value je délka trván´ı rámce pouˇz´ıvaná pro v´ ypoˇcet rezervace pˇrenosového média pomoc´ı Network Allocation Vector (NAV) Adress field 1-4 jsou ˇctyˇri adresn´ı pole obsahuj´ıc´ı adresy zdroje, c´ıle, pˇrenaˇseˇce a pˇrij´ımaˇce v závislosti na poli Frame Control Sequence Control pouˇz´ıvá se pro defragmentaci a likvidaci duplikátn´ıch rámc˚ u Jednotlivá pol´ıˇcka MAC rámce jsou zˇrejmá a popsaná v´ yˇse. Zaj´ımavá je ovˇsem struktura pol´ıˇcka Frame Control, které obsahuje d˚ uleˇzité informace o vlastnostech rámce. • Protocol indikuje verzi standardu 802.11 ˇ ıd´ıc´ı (management), • Type a Subtype indikuje obsah rámce. Jednotlivé typy jsou R´ Ovládac´ı (control) a Datov´ y (Data), Subtypy pak mohou b´ yt RTS, CTS, ACK atd.


29

hlavička MAC FC

ID

ADD1

ADD2

ADD3

SC

ADD4

Data

CRC

2 bajty 2 bajty 6 bajtů 6 bajtů 6 bajtů 2 bajty 6 bajtů (0 - 2312 bajtů) 4 bajty Formát Frame Control Protocol Type 6 bitů 2 bity

Subtype 4 bity

To DS Frame DS More Frag Retry P Mgt More Data WEP Order 1 bit

1 bit

1 bit

1 bit

1 bit

1 bit

1 bit

1 bit

Obrázek 9: Formát MAC rámce • To DS je nastaveno na 1, pokud je rámec pos´ılán do distribuˇcn´ıho systému • From DS je nastaveno na 1, pokud je rámec pˇrij´ımán od distribuˇcn´ıho systému • More Fragment je nastaveno na 1 pokud byl pˇrenáˇsen´ y rámec rozdˇelen na v´ıce ˇcást´ı pˇrenáˇsen´ ych samostatnˇe • Retry oznamuje, ˇze jde znovuvys´ılán´ı jiˇz vys´ılané ˇcásti rámce. Pˇrij´ımaˇc tak pozná duplicitu rámce. • Power Management je reˇzim u ´spory energie v nˇemˇz se bude stanice nacházet po pˇrenesen´ı rámce. • More Data oznamuje, ˇze je ve vyrovnávac´ı pamˇeti pro tuto stanici uloˇzeno v´ıce dat • WEP indikuje, ˇze tˇelo rámce je kódováno algoritmem WEP • Order indikuje, ˇze rámec je odes´ılán sluˇzbou Strict-Ordering, tedy nebude dále zpracováván.

2.8

Bezpeˇ cnost

Bezdrátová s´ıt’ má oproti klasické drátové s´ıti jednu podstatnou nev´ yhodu, která vycház´ı pˇr´ımo z jej´ıho principu. Zat´ımco u drátové s´ıtˇe je jej´ı odposloucháván´ı dosti komplikované nebot’ bychom se museli dostat pˇr´ımo ke kabelu u bezdrátové s´ıtˇe nelze pˇresnˇe vymezit prostor ve kterém lze signál pˇrij´ımat. Proto je zde otázka bezpeˇcnosti velice d˚ uleˇzitá a m˚ uˇzeme ji rozdˇelit do dvou hlavn´ıch skupin. ˇ sifrov´ an´ı tedy zabespeˇcen´ı pˇrenáˇsen´ ych dat pˇred odposlechnut´ım autorizace tedy ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu oprávnˇen´ ych uˇzivatel˚ u

2 POPIS STANDARDU 802.11 2.8.1

30

ˇ Sifrov´ an´ı pˇ ren´ aˇ sen´ ych dat

Aby byly WiFi s´ıtˇe d˚ uvˇeryhodné a mohlo doj´ıt k jejich masovému rozˇs´ıˇren´ı byla uˇz pˇr´ımo do standardu 802.11 zahrnuta moˇznost ˇsifrovat provoz. WEP-Wired Equivalent Privacy Ve WiFi s´ıt´ıch se o zabezpeˇcen´ı stará WEP coˇz je standard pro zabezpeˇcen´ı rádiové ˇcásti s´ıtˇe. To znamená, ˇze zabezpeˇcuje pˇrenos jen na mezi stanic´ı a pˇr´ıstupov´ ym bodem. Pokud je pˇr´ıstupov´ y bos pˇripojen na nˇejakou lokáln´ı s´ıt’, nebo dokonce na internet mus´ı se dále bezpeˇcnost ˇreˇsit dalˇs´ım zp˚ usobem. Standard WEP pouˇz´ıvá jako ˇsifru symetrickou streamovou ˇsifru RC4, tedy ˇsifru s tajn´ ym kl´ıˇcem. Pro ˇsifrován´ı a deˇsifrován´ı kl´ıˇc expanduje podle urˇcit´ ych pravidel na délku jakou má samotná zpráva a pak je pomoc´ı operace XOR zpráva zaˇsifrována resp. rozˇsifrována. Obˇe zaˇr´ızen´ı mezi nimiˇz komunikace prob´ıhá musej´ı pak znát jednak kl´ıˇc a jednak ona pravidla podle kter´ ych kl´ıˇc expanduje. Standard ovˇsem neˇreˇs´ı distribuci takového kl´ıˇce a je na v´ yrobci jak to oˇsetˇr´ı. WEP definuje délku kl´ıˇce na 40 bit˚ u coˇz nen´ı mnoho. Nˇekteˇr´ı v´ yrobci pouˇz´ıvaj´ı vlastn´ı ˇsifry dlouhé 128 bit˚ u a nebo i 256 bit˚ u. Problém je v tom, ˇze takto Dlouhé kl´ıˇce nejsou standardizovány a m˚ uˇze tedy nastat problém se vzájemnou kompatibilitou. 2.8.2

Autentizace

Druhou d˚ uleˇzitou souˇcást´ı bezpeˇcnostn´ı strategie je ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu do s´ıtˇe, tedy autentizace uˇzivatele. U kabelov´ ych s´ıt´ı je situace opˇet podstatnˇe jednoduˇsˇs´ı. Pokud nechceme aby se nˇekdo pˇripojoval do s´ıtˇe tak jednoduˇse omez´ıme pˇr´ıstup do urˇcit´ ych prostor. Protoˇze jak je v´ yˇse zm´ınˇeno nem˚ uˇzeme u bezdrátov´ ych s´ıt´ı vymezit jejich pˇresn´ y rozsah mus´ıme ˇreˇsit otázku kdo k n´ı pˇristupovat m˚ uˇze a kdo nikoliv. Autentizace ve standardu 802.11 je obecnˇe jednosmˇern´ y proces. To znamená, ˇze zat´ımco stanice se pˇri pˇr´ıstupu k pˇr´ıstupovému bodu mus´ı autentizovat opaˇcnˇe to neplat´ı. Pˇr´ıstupov´ y bod se pˇri pokusu o spojen´ı se stanic´ı autentizovat nemus´ı coˇz p˚ usob´ı obˇcas problémy s bezpeˇcnost´ı. Standard 802.11 definuje dvˇe metody autentizace • open system autentizace • shared-key autentizace Open-system autentizace Tato metoda spoˇc´ıvá v tom, ˇze pˇr´ıstupov´ y bod pˇrijme stanici na základˇe informac´ı, které mu sama poskytne. Taková stanice se identifikuje prostˇrednictv´ım SSID (Service Set Identifier). Pokud ale pˇr´ıstupov´ y bod své SSID vys´ılá, tak nen´ı problém ho odchytit a vzápˇet´ı se s n´ım autentizovat pro pˇr´ıstup k s´ıti. Z v´ yˇse uvedeného je zˇrejmé, ˇze tato metoda nen´ı zrovna nejbezpeˇcnˇejˇs´ı a proto se v praxi moc nepouˇz´ıvá.


31

Shared-key autentizace V pˇr´ıpadˇe této autentizace je nutné pouˇz´ıt také WEP. Standard 802.11 vyˇzaduje, aby kaˇzdé zaˇr´ızen´ı s implementovan´ ym WEP bylo také schopno uˇz´ıvat autentizaci sd´ılen´ ym kl´ıˇcem.

:

AP

žádost o autentizaci

výzva zakódování

generování náhodného čísla

odpověď potvrzení úspěšnosti

rozkódování a porovnání

Obrázek 10: Shared-key autentizace Jak je zˇrejmé z názvu, autentizace se zde provád´ı pomoc´ı kl´ıˇce. Tento kl´ıˇc mus´ı b´ yt znám´ y kaˇzdému zaˇr´ızen´ı, které chce pˇristupovat do s´ıtˇe. Samotné ovˇeˇrován´ı prob´ıhá následovnˇe. Pˇr´ıstupov´ y bod odeˇsle náhodné ˇc´ıslo zakódované pomoc´ı daného kl´ıˇce stanici, ta ho opˇet pouˇzit´ım kl´ıˇce dekóduje a poˇsle zpˇet pokud se obˇe ˇc´ısla shoduj´ı, umoˇzn´ı pˇr´ıstupov´ y bod stanici pˇr´ıstup do s´ıtˇe.

´ RE ˇ SEN ˇ Í OVLADAC ´ Í JEDNOTKY 3 HARDWAROVE

3

32

Hardwarov´ eˇ reˇ sen´ı ovl´ adac´ı jednotky

Diskuse hardware ovl´ adac´ı jednotky Hardware mus´ı splˇ novat následuj´ıc´ı poˇzadavky: • Dostateˇcn´ y v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon pro ovládán´ı WiFi rozhran´ı • Dostateˇcn´ y poˇcet I/O pro ovládán´ı funkˇcn´ıch ˇcást´ı praˇcky Dalˇs´ı hlediska: • Snadnost v´ yvoje SW (Dostupnost IDE a kompilátoru pro vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyky) • Snadnost v´ yvoje HW Po zváˇzen´ı vˇsech hledisek jsem se rozhodl pro jednoˇcipov´ y mikrokontroler PIC 18F452 a jeho implementaci ve v´ yvojové desce Chipweb ER25. Mikrokontroler je pro tuto aplikaci dostateˇcnˇe rychl´ y a ve v´ yvojové desce je jiˇz zapojen s konektorem pro osazen´ı WiFi PCMCIA karty.

3.1

Popis hardware ovl´ adac´ı jednotky

3.2

V´ yvojov´ a deska ER25

Pro hardwarovou realizaci jsem pouˇzil v´ yvojov´ y kit, kter´ y je osazen procesorem od firmy Microchip. Jedná se o modelovou ˇradu PIC18Fxxx, která sv´ ym v´ ykonem dostaˇcuje pro pouˇzit´ı se standardem 802.11b. Zároveˇ n se jedná o velmi u ´sporn´ y mikroprocesor a proto je vhodn´ y zejména pro mobiln´ı bateriovˇe napájená zaˇr´ızen´ı coˇz podtrhuje i funkce automatické kontroly napájec´ıho napˇet´ı. O pracovn´ı frekvenci se stará extern´ı oscilátor, kter´ y má frekvenci 20MHz a mikroprocesor s n´ım dosahuje v´ ykonu 5 MIPs. Na desce se kromˇe bezdrátového rozhran´ı nacház´ı také rozhran´ı sériové a cel´ y obvod je navrˇzen tak, aby bylo moˇzné Mikroprocesor pomoc´ı nˇej programovat pˇr´ımo v zapojen´ı. Jak jsem se zm´ınil hlavn´ı a podstatnou ˇcást´ı celé v´ yvojové desky je rozhran´ı podle stan’ dardu 802.11b, které je zajiˇst ováno prostˇrednictv´ım bˇeˇzné PCMCIA karty. Celé zaˇr´ızen´ı je napájeno napˇet´ım 9 volt˚ u s maximáln´ı spotˇrebou 500mA. Vzhledem k tomu, ˇze dnes nen´ı problém sehnat akumulátory velikosti AA o kapacitˇe pˇrevyˇsuj´ıc´ı 2500mAh potom si mysl´ım, ˇze deska napájená z ˇclánku sloˇzeného z tˇechto bateri´ı vydrˇz´ı pomˇernˇe dlouho a pro ˇr´ızen´ı modelu v laboratorn´ıch podm´ınkách. Pro jeˇstˇe vˇetˇs´ı v´ ydrˇz a dobu provozu m˚ uˇze mikroprocesor pokud nen´ı vyuˇz´ıvána vyp´ınat PCMCIA kartu pomoc´ı rozhran´ı 802.11b. K v´ yvojové desce je pˇriloˇzen i obsluˇzn´ y open source software psan´ y v jazyce C kter´ y obsahuje pˇredem napsané a odladˇené knihovny. Jsou zde pˇreprogramovány kódy s nimiˇz m˚ uˇze deska pracovat v obou typech s´ıt´ı a to jak Ad-hoc tak i Infrastructure, coˇz nám dává ˇsiroké moˇznosti pouˇzit´ı napˇr. ovládán´ı modelu ze vzdáleného poˇc´ıtaˇce pˇres internet. Dále jsou zde knihovny pro podporu WEP zabezpeˇcen´ı 64-bitov´ ym a nebo dokonce 128-bitov´ ym kl´ıˇcem. Dále je zde moˇznost spustit na mikroprocesoru aplikaci WebServer, která nám umoˇzn´ı konfigurovat zaˇr´ızen´ı pˇres bezdrátové rozhran´ı. Samozˇrejmˇe nechyb´ı zde ani podpora bˇeˇzn´ ych ’ s´ıt ov´ ych protokol˚ u jako jsou IP, UDP, TCP, HTTP a DHCP.


Obrázek 11: Blokové schema v´ yvojové desky

3.3

Popis napojen´ı na jednotliv´ e prvky

Na v´ yvojové desce jsou vyvedeny následuj´ıc´ı piny procesoru: Konektor J4 J6 J7 J4

Piny RB6 - RB7 RA0, RB0 - RB7, RC0 - RC1, RE0 - RE1 RC3 - RC5, Vdd, GND je vyuˇzit pro In - Circuit Debugging/Programming

Piny jsem jednotliv´ ym funkˇcn´ım ˇcástem praˇcky pˇridˇelil takto: Vstupy RC0 Termostat RC3 Start programu RC4 Kontakt dveˇr´ı bubnu V´ ystupy RB0 Sp´ınaˇc motoru RB1 Smˇer rotace motoru

33


34

RB2 Rychlost rotace motoru RB3 Topné tˇeleso RB4 Nápustn´ı ventil RB5 V´ ypustn´ı ventil

Obrázek 12: Schematické znázornˇen´ı reálného modelu praˇcky ˇ r-ˇzilov´ Hardwarová realizace na skuteˇcné praˇcce by tedy vypadala takto: Ctyˇ y kabel vede z konektoru J7 na panel praˇcky ke dveˇr´ım bubnu a sp´ınaˇci Start. Uvnitˇr praˇcky je konektor J6 (resp. v´ yˇse zm´ınˇené piny) pˇripojen na reléové pole, pˇres které jsou ovládány pˇr´ısluˇsné funkˇcn´ı ˇcásti praˇcky.


3.4

35

Architektura PIC18F452

Tento obvod je postaven na Harvardské architektuˇre, coˇz znamená, ˇze má pro datovou a programovou pamˇet’ dvˇe oddˇelené a nezávislé sbˇernice. Tento fakt mu dovoluje daleko rychleji pˇripravovat data a t´ım i vykonávat instrukce oproti standardn´ı von Neumannovˇe architektuˇre kde pamˇet’ová i datová sbˇernice pouˇz´ıvaj´ı stejnou sbˇernici. To znamená, ˇze pro proveden´ı jedné instrukce mus´ı v pˇr´ıpadˇe von Neumanna nˇekolikrát pˇristupovat na sbˇernici, aby dostal poˇzadovaná data. To m˚ uˇze m´ıt za následek velikou vyt´ıˇzenost sbˇernice a pokles na v´ ykonu. U Harvardské architektury se vˇse odehrává v jednom cyklu, protoˇze pamˇet’ová i datová pamˇet’ mohou b´ yt zpˇr´ıstupnˇeny v jeden okamˇzik. Protoˇze jsou sbˇernice oddˇelené a navzájem na sobˇe

Obrázek 13: Harvardska architektura nezávislé, mohou m´ıt také rozd´ılnou datovou ˇs´ıˇrku. Zat´ımco datová sbˇernice má standardn´ı ˇs´ıˇrku 8 bit˚ u programová je rozˇs´ıˇrena na 16 bit˚ u, coˇz j´ı dovoluje pˇrenáˇset dlouhé dvoubajtové instrukce v jednom hodinovém cyklu. 3.4.1

CPU a ALU

Central Processing Unit (CPU) je odpovˇedná za zpracován´ı instrukc´ı v programové pamˇeti. Avˇsak mnoho instrukc´ı operuje i s datovou pamˇet´ı. Pro takovéto operace je zde Arithmetic Logical Unit (ALU). Kromˇe toho, ˇze vykonává aritmetické a logické operace stará se také o práci se STATUS registrem kde nastavuje r˚ uzné pˇr´ıznaky v závislosti na v´ ysledku provádˇen´ ych instrukc´ı.


36

Central Processing Unit (CPU) CPU m˚ uˇze b´ yt povaˇzováno za mozek celého mikroˇradiˇce. Je zodpovˇedn´ y za pˇr´ısun odpov´ıdaj´ıc´ıch instrukc´ı pro zpracován´ı, jejich dekódován´ı a následné zpracován´ı. Nˇekdy, zejména u aritmetick´ ych a logick´ ych operac´ı u ´zce spolupracuje s ALU. Ovládá také programovou i datovou sbˇernici a pˇristupuje na stack. Arithmetic Logical Unit (ALU) Mikroˇradiˇc obsahuje také 8 bitovou ALU a 8 bitov´ y pracovn´ı registr (WREG). ALU je univerzáln´ı aritmeticko-logická jednotka vykonávaj´ıc´ı booleovské operace mezi pracovn´ım registrem a libovoln´ ym datov´ ym registrem. 3.4.2

Organizace pamˇ eti

Mikroprocesor obsahuje tˇri r˚ uzné druhy pamˇet´ı. • Programová pamˇet’ • Datová pamˇet’ • Datová EEPROM Organizace programov´ e pamˇ eti 21-bitov´ y program counter kter´ y urˇcuje poˇrad´ı vykonávan´ ych instrukc´ı je schopen adresovat aˇz 2 MB pamˇeti. Data na adresách jeˇz pˇrevyˇsuj´ı fyzickou kapacitu pamˇeti jsou ˇctena jako 0. PIC18F452 má 32 KB a ta dokáˇze pojmout aˇz 16K jednoduch´ ych instrukc´ı. Na zaˇcátku bloku programové pamˇeti jsou um´ıstˇeny postupnˇe Reset vektor (0000h) pak následuj´ı vektory pˇreruˇsen´ı podle priority (0008h - 0018h) a potom uˇz jen vlastn´ı program. Organizace datov´ e pamˇ eti Datová pamˇet’ je implementovaná jako statická z d˚ uvodu rychlosti, nebot’ jsou zde um´ıstˇeny registry. Kaˇzd´ y registr má 12-bitovou adresu která dovoluje adresovat aˇz 4096 byt˚ u pamˇeti. Tato pamˇet’ je rozdˇelena na 16 ”bank” a kaˇzdá obsahuje 256 byt˚ u. Doln´ı 4 bity adresy jsou pro v´ ybˇer banky, horn´ı 4bity nejsou implementovány a zbylé slouˇz´ı k adresován´ı registr˚ u. Ty se podle funkce dˇel´ı na dvˇe základn´ı skupiny Speciál Function Registers (SFR) a General Purpose Registers (GPR). SFR registry zaˇc´ınaj´ı na adrese 0xFFF a slouˇz´ı k nastavován´ı a sledován´ı ˇcinnosti mikroprocesoru a perifer´ı´ı kdeˇzto GPR jsou volné bl´ıˇze nespecifikované registry slouˇz´ıc´ı k odkládán´ı dat uˇzivatelského programu a zaˇc´ınaj´ı na zaˇcátku banky 0. Datová pamˇet’ m˚ uˇze b´ yt adresována bud’ pˇr´ımo a nebo nepˇr´ımo. Pˇr´ımé adresován´ı se dˇele za pouˇzit´ı BSR (Bank Select Register)


37

Obrázek 14: Organizace pamˇeti

Datov´ a pamˇ et’ EEPROM Tato pamˇet’ slouˇz´ı pro ukládán´ı r˚ uzn´ ych konstant nebo v´ ysledk˚ u mˇeˇren´ı a má tu v´ yhodu, ˇze v n´ı z˚ ustanou data uchována i pˇri odpojeném napájec´ım napˇet´ı. Ukládán´ı a ˇcten´ı dat je odliˇsné od pˇredchoz´ıch typ˚ u pamˇet´ı nebot’ nen´ı pˇr´ımo mapovaná jako registry, ale pˇristupuje se k n´ı pomoc´ı SFR (speciáln´ıch funkˇcn´ıch registr˚ u). Ty jsou dohromady ˇctyˇri: • EECON1 • EECON2 • EEDATA • EEADR EEPROM dovoluje ˇc´ıst i zapisovat po cel´ ych bytech. Pokud pˇristupuji k pamˇeti v registru EEDATA jsou pˇreˇctená nebo zapisovaná data a do registru EEADR uloˇz´ım adresu ke které chci pˇristupovat. Tento mikroprocesor obsahuje celkem 256 byt˚ u datové EEPROM v rozsahu adres 0h aˇz FFh. Zapisovan´ y byte napˇred automaticky smaˇze p˚ uvodn´ı data a zap´ıˇse nová. ˇ Cas zápisu je ˇr´ızen automaticky prostˇrednictv´ım vnitˇrn´ıho ˇcasovaˇce.

´ RE ˇ SEN ˇ Í OVLADAC ´ Í JEDNOTKY 3 HARDWAROVE 3.4.3

38

Vstupnˇ e - v´ ystupn´ı porty

I/O piny jsou vlastnˇe nejjednoduˇsˇs´ı perifern´ı zaˇr´ızen´ı pomoc´ı nˇehoˇz mikroprocesor ovládá ostatn´ı zaˇr´ızen´ı. V závislosti na zvoleném nastaven´ı m˚ uˇze m´ıt mikroprocesor 3 nebo 5 vstupnˇe v´ ystupn´ıch port˚ u. Nav´ıc mohou b´ yt nˇekteré I/O piny podle nastaven´ı vyuˇz´ıvány k r˚ uzn´ ym u ´ˇcel˚ um (I/O, A/D, PWM . . . ). Vlastnosti a nastaven´ı port˚ u se ˇr´ıd´ı nastaven´ım následuj´ıc´ıch registr˚ u: TRIS registr urˇcuje zda je pˇr´ısluˇsn´ y pin jako vstup nebo v´ ystup PORT registr zde se podle konfigurace ˇctou nebo zapisuj´ı data z nebo na vstupn´ı piny LAT registr slouˇz´ı k jednorázovému zastaven´ı rychle se mˇen´ıc´ıch dat, aby byl ˇcas je poˇrádku pˇreˇc´ıst jako celek Registry PORTA, TRISA a LATA PORTA je 7-pinov´ y I/O port. Pokud se v jemu odpov´ıdaj´ıc´ım registru TRISA nastav´ı pˇr´ısluˇsn´ y bit na 1, zmˇen´ı se nastaven´ı pˇr´ısluˇsného pinu na vstup, jde do vysoké impedance a ˇceká na vstupn´ı u ´roveˇ n. Pokud se zde ovˇsem nastav´ı hodnota 0, pak se bude jednat o v´ ystup a jeho u ´roveˇ n se bude ˇr´ıdit podle hodnoty v registru PORTA. Funkce pinu RA4 je zdvojena a m˚ uˇze b´ yt pouˇzit jako vstup hodinového signálu. Na desce ovˇsem nen´ı vyveden a proto se s n´ım dále nebudeme zab´ yvat. Dalˇs´ım nˇekolika´ uˇcelov´ ym pinem je RA5, kter´ y se mimo jiné dá pouˇz´ıt jako analogov´ y vstup s A/D pˇrevodn´ıkem a jeho nastaven´ı se ˇr´ıd´ı registrem ADCON1. Ale protoˇze ani tento nen´ı na desce vyveden, nebudeme se j´ım také zab´ yvat, coˇz je veliká ˇskoda. Registry PORTB, TRISB a LATB PORTB je 8-pinov´ y I/O port. Základn´ı nastaven´ı je podobné jako u PORTA a je vysvˇetleno v´ yˇse. Oproti pˇredchoz´ımu portu jsou zde oslabeny vnitˇrn´ı pull-up rezistory Piny RB7-RB4 pokud jsou nastaveny jako vstupn´ı mohou b´ yt pouˇzity jako vstupy pro vnˇejˇs´ı pˇreruˇsen´ı pˇri zmˇenˇe hodnoty. Tyto vstupy jsou porovnávány se starou hodnotou a pokud je zjiˇstˇena nˇejaká zmˇena nastav´ı se pˇr´ıznak pˇreruˇsen´ı RBIF v registru INTCON0. Toto pˇreruˇsen´ı m˚ uˇze vzbudit zaˇr´ızen´ı ze stavu SLEEP, nebo provézt pˇr´ısluˇsnou proceduru k jeho oˇsetˇren´ı. Nakonec se nastav´ı RBIF bit na hodnotu 0 aby mohl program pokraˇcovat dál. Toto pˇreruˇsen´ı se pouˇz´ıvá zejména pro kl´ıˇcové operace kde je potˇreba okamˇzitˇe zareagovat na nastalou situaci nebo k probuzen´ı mikroprocesoru. Dále jeˇstˇe stoj´ı za zm´ınku piny RB0, RB1 a RB2. Ty mohou b´ yt pouˇzity jako vstupy vnˇejˇs´ıho pˇreruˇsen´ı spouˇstˇené nábˇeˇznou nebo sestupnou hranou signálu. To na jakou hranu budou reagovat záleˇz´ı na hodnotˇe bitu INTEDGx obsaˇzeného v registru INTCON2. Pokud je zde nastavena hodnota 1 reaguj´ı na nábˇeˇznou hranu a pokud je zde 0 tak na sestupnou. Pokud se na RBx / INTx objev´ı odpov´ıdaj´ıc´ı hrana nastav´ı se odpov´ıdaj´ıc´ı bit INTxF. Toto pˇreruˇsen´ı m˚ uˇze b´ yt zruˇseno nastaven´ım odpov´ıdaj´ıc´ıho bitu INTxE. Pˇr´ıznakov´ y bit


39

INTxF z˚ ustane nastaven i po odeznˇen´ı pˇreruˇsen´ı a mus´ı b´ yt nastaven na 0 pomoc´ı procedury, která oˇsetˇruje pˇr´ısluˇsné pˇreruˇsen´ı. Tyto vstupy mohou b´ yt také pouˇzity pro probuzen´ı mikroprocesoru ze stavu SLEEP. Priorita pˇreruˇsen´ı INT1 a INT2 se nastavuje pomoc´ı bit˚ u INT1IP a INT2IP v registru INTCON3. Pro INT0 se ˇzádná priorita nenastavuje, ta je vˇzdy nejvyˇsˇs´ı. 3.4.4

Pˇ reruˇ sen´ı

O pˇreruˇsen´ıch zde jiˇz pˇri r˚ uzn´ ych pˇr´ıleˇzitostech psáno bylo, ale mysl´ım si, ˇze jde o velmi d˚ uleˇzitou funkci mikroprocesoru a proto si mysl´ım, ˇze stoj´ı za shrnut´ı ve zvláˇstn´ı sekci. Pˇreruˇsen´ı se dosti ˇcasto pouˇz´ıvaj´ı v real-time ˇr´ızen´ı a proto Pˇ reruˇ sen´ı m˚ uˇ ze vzej´ıt z mnoha zdroj˚ u: • pˇreruˇsen´ı z vnˇejˇs´ıch zdroj˚ u jako jsou vstupy INT, INT1 a INT2 • pˇreruˇsen´ı pˇri zmˇenˇe signálu na vstupech RB7 - RB4 • pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇc˚ u TMR0 - TMR3 • pˇreruˇsen´ı od rozhran´ı USART a to bud’ v pˇr´ıpadˇe ˇze je vstupn´ı buffer pln´ y a nebo naopak v´ ystupn´ı prázdn´ y • pˇreruˇsen´ı od synchronn´ıho sériového portu (SSP) • dokonˇcen´ y pˇrevod na A/D pˇrevodn´ıku • pˇreruˇsen´ı od vstupu Compare/Capture/PWM (CCP) v závislosti na funkci • pˇreruˇsen´ı od LVD pokud dojde k poklesu napájec´ıho napˇet´ı • od paraleln´ıho rozhran´ı • od rozhran´ı CAN Ostatn´ı zdroje pˇreruˇsen´ı se mapuj´ı do deseti pamˇet’ov´ ych registr˚ u, které slouˇz´ı k nastavován´ı a zjiˇst’ován´ı stavu pˇreruˇsen´ı. Jsou to: • INTCON • INTCON1 • INTCON2 • INTCON3 • PIR1 • PIR2


40

• PIE1 • PIE2 • IPR1 • IPR2 Za zm´ınku stoj´ı registr INTCON a v nˇem bit GIE/GIEH. Jedná se o Global Interupt Enable bit a slouˇz´ı ke globáln´ımu povolen´ı vˇsech pˇreruˇsen´ı. Pokud bychom chtˇeli povolit pouze nˇekterá udˇeláme to ve zbytku INTCON, PIR, PIE a IPR registrech. Kde do PIR se ukládaj´ı jednotlivé pˇr´ıznaky pˇreruˇsen´ı, v PIE se pˇreruˇsen´ı povoluj´ı a nakonec v IPR se vol´ı jejich priorita. Bohuˇzel na v´ yvojové desce ER25 jsou témˇeˇr vˇsechna pˇreruˇsen´ı blokována pro obsluhu PCMCIA karty. Mus´ıme si tedz vystaˇcit s cyklick´ ym ˇcten´ım vstup˚ u mikroˇradiˇce. Vzhledem k frekvenci na které bˇeˇz´ı (20MHz) by to pro vˇetˇsinu reáln´ ych systém˚ u mˇelo bohatˇe staˇcit. 3.4.5

ˇ Casovaˇ ce

Mikroprocesor PIC18F452 obsahuje ˇctyˇri programovatelné na sobˇe nezávislé ˇcasovaˇce. Mezi jejich hlavn´ı rysy patˇr´ı • vysoká univerzálnost, mohou se tváˇrit jako 8-bitové nebo 16-bitové a chován´ım jako ˇc´ıtaˇce ˇci ˇcasovaˇce • nejen, ˇze je u nich umoˇznˇeno data ˇc´ıst, ale i do nich zapisovat • pro volitelnou rychlost ˇc´ıtán´ı jsou vybaveny 8-bitovou pˇreddˇeliˇckou • moˇznost v´ ybˇeru mezi intern´ım, nebo extern´ım signálem • pˇri pˇreteˇcen´ı nastav´ı pˇreruˇsen´ı • pro extern´ı signály umoˇzn ˇuj´ı volit typ spouˇstˇec´ı hrany Podobnˇe jako ostatn´ı moduly maj´ı i ˇcasovaˇce své registry pro nastaven´ı v´ yˇse uveden´ ych vlastnost´ı. Zde se o konfiguraci staraj´ı bity v registru T0CON Standardnˇe jsou ˇcasovaˇce nastaveny jako 8-bitové ˇc´ıtaˇce. V podstatˇe ale poˇrád funguj´ı jako 16-bitové s t´ım rozd´ılem, ˇze v 8-bitovém reˇzimu je MSB nastaven vˇzdy na 0. Tuto vlastnost urˇcuje jedin´ y bit v T0CON a to T08BIT. Z toho vypl´ıvá, ˇze snadno za bˇehu m˚ uˇzeme zdvojnásobit jeho velikost a naopak. Pokud ˇcasovaˇc pracuje v 16-bitovém reˇzimu je potˇreba pˇri ˇcten´ı uloˇzit najednou dva bajty TMRxH a TMRxL. To m˚ uˇze b´ yt obt´ıˇzn´ yu ´kol, nebot’ kdyˇz pˇreˇcteme jeden a pˇrejdeme k druhému, m˚ uˇze se stát, ˇze se zmˇen´ı jeho hodnota. Tato záleˇzitost je zde oˇsetˇrena t´ım, ˇze v TMRxH nen´ı aktuáln´ı hodnota horn´ıho bajtu ˇcasovaˇce, ale jej´ı obraz v dobˇe ˇcten´ı bajtu spodn´ıho. To mám umoˇzn ˇuje pˇreˇc´ıst celou hodnotu v jednom okamˇziku.


41

U zápisu je to obdobné. Napˇred se mus´ı do registru TMRxH zapsat hodnota a následnˇe zapsán´ım dat do registru TMRxL se do ˇcasovaˇce uloˇz´ı cel´ ych 16-bit˚ u. Reˇzim ˇcasovaˇce dostaneme nastaven´ım TxCS na hodnotu 0. V tomto reˇzimu se Timerx inkrementuje kaˇzd´ y takt hodinového signálu. Pokud ovˇsem do registru TMRx zap´ıˇseme nˇejakou hodnotu inkrementován´ı poˇcká dva hodinové cykly, aby uˇzivatel s tou hodnotou mohl jeˇstˇe pracovat. V módu ˇc´ıtaˇce se Timetx inkrementuje s nábˇeˇznou nebo sestupnou hranou na vstupu TxCLK. Capture m´ od Capture mód u ´zce souvis´ı s problematikou ˇcasovaˇc˚ u a vzhledem k tomu, ˇze v´ yvojová deska má tento v´ ystup vyveden tak ho zde zmiˇ nuji. Vyuˇz´ıvá se k pˇresnému mˇeˇren´ı ˇcasov´ ych u ´sek˚ u. V tomto módu se do registr˚ u CCPR1H a CCPR1L zaznamená 16-bitová hodnota jednoho ze dvou ˇc´ıtaˇc˚ u TMR1 nebo TMR2 a to s kaˇzdou spádovou hranou nebo s kaˇzdou nábˇeˇznou hranou nebo s kaˇzdou ˇctvrtou ˇci ˇsestnáctou nábˇeˇznou hranou na pinu RC1/CCP2. To na kterou událost se bude hodnota zaznamenávat urˇc´ı nastaven´ı v registrech CCP2M3 aˇz CCP2M0 v registru CCP2CON. Pokud dojde k zachycen´ı hodnoty, nastav´ı se pˇr´ıznakov´ y bit CCP2IF v registru PIR2. Tento pˇr´ıznak se po pˇreˇcten´ı a zpracován´ı hodnoty mus´ı vymazat. Nová hodnota pˇri dalˇs´ım zachycen´ı samozˇrejmˇe pˇrep´ıˇse hodnotu pˇredchoz´ı. 3.4.6

Low Voltage Detect

V pˇr´ıpadˇe, kdy je aplikace, pro kter´ y je tato deska urˇcena, mobiln´ı a tud´ıˇz napájena z baterie, je nutné pro jeho správnou funkci hl´ıdat napájec´ı napˇet´ı. Pro tyto pˇr´ıpady je mikroprocesor vybaven modulem zvan´ ym ”low voltage detect”. Tento modul je softwarovˇe programovateln´ y a nastavuje se zde mezn´ı hodnota po kterou je zaˇr´ızen´ı schopno bezchybného provozu. Nemus´ı to b´ yt spodn´ı hranice kde je schopen pracovat mikroprocesor, ale nastav´ı se hranice nejcitlivˇejˇs´ı ˇcásti celého zaˇr´ızen´ı. Pokud napˇet´ı klesne pod urˇcenou hodnotu nastav´ı se pˇr´ıznak pˇreruˇsen´ı a mikroprocesor m˚ uˇze zaˇc´ıt vykonávat pˇr´ısluˇsnou proceduru vedouc´ı napˇr´ıklad k celkovému bezpeˇcnému odstaven´ı systému. Protoˇze se napˇet´ı baterie sniˇzuje relativnˇe pomalu vzhledem k rychlosti procesoru nen´ı nutné aby byl tento modul stále v provozu. Uˇz pro jeho vlastn´ı spotˇrebu je optimáln´ı, aby se spouˇstˇel v delˇs´ıch intervalech vˇzdy na krátkou dobu jen aby zmˇeˇril aktuáln´ı hodnotu. Tato doba ovˇsem nesm´ı b´ yt moc krátká a to z toho d˚ uvodu aby se obvod staˇcil stabilizovat. Na obrázku je vykreslena napˇet’ová charakteristika která se podobá charakteristice reálné baterie. Vlivem zátˇeˇze klesá napˇet´ı aˇz klesne na hodnotu VA a to zp˚ usob´ı, ˇze se v ˇcase TA generuje pˇreruˇsen´ı. Toto pˇreruˇsen´ı zp˚ usob´ı, ˇze se zaˇcne vykonávat procedura maj´ıc´ı za následek vypnut´ı celého systému. Napˇet´ı VB na obrázku ukazuje minimáln´ı provozn´ı napˇet´ı celého systému. Rozd´ıl ˇcas˚ u TB-TA je ˇcas potˇrebn´ y na vypnut´ı systému. 3.4.7

Watchdog ˇ casovaˇ c a funkce Sleep

Dalˇs´ımi velmi uˇziteˇcn´ ymi funkcemi pro práci v mobiln´ım zaˇr´ızen´ı jsou funkce Watchdog a Sleep . Pokud se mikroprocesor chová tak jak nemá, Watchdog je schopen ho restartovat a t´ım


42

Obrázek 15: Pr˚ ubˇehy napˇet´ı pˇri detekci n´ızkého napˇet´ı

ho vrátit do normáln´ıho reˇzimu vykonáván´ı programu. Tato vlastnost samozˇrejmˇe pˇrisp´ıvá k celkové bezporuchovosti a v´ ykonnosti celého systému. Obzvláˇstˇe u mobiln´ıch zaˇr´ızen´ı se tato vlastnost zdá b´ yt praktická, nebot’ nemus´ıme m´ıt zaˇr´ızen´ı vˇzdy po ruce. Watchdog je nezávisl´ y vnitˇrn´ı RC oscilátor kter´ y bˇeˇz´ı bez nutnosti jin´ ych extern´ıch komponent nebo hlavn´ıho oscilátoru. Bˇeˇz´ı dokonce i kdyˇz je mikroprocesor ve stavu Sleep. Pokud mikroprocesor pracuje zp˚ usob´ı pˇreteˇcen´ı Watchdog ˇcasovaˇce reset celého mikroprocesoru a program pobˇeˇz´ı od zaˇcátku. Pokud se ovˇsem nacház´ı ve stavu Sleep mikroprocesor se vzbud´ı a pokraˇcuje v normáln´ım reˇzimu dál. WDT m˚ uˇze b´ yt stále zapnut pomoc´ı konfiguraˇcn´ıho bitu WDTEN. Pokud ovˇsem tento bit nastav´ıme na nulu, m˚ uˇzeme WDT spouˇstˇet a vyp´ınat softwarovˇe bitem SWDTEN. Funkce Sleep zastav´ı témˇeˇr vˇsechnu aktivitu v mikrokontroleru a sn´ıˇz´ı jeho spotˇrebu na minimum. Do tohoto reˇzimu se dostane spuˇstˇen´ım instrukce Sleep a v tomto reˇzimu je spotˇreba opravdu hodnˇe malá a v´ yraznˇe prodluˇzuje ˇzivotnost pˇr´ıpadn´ ych napájec´ıch bateri´ı. Vypnou se vˇsechny oscilátory aˇz na oscilátor WDT. Ten se sice vynuluje, ale pobˇeˇz´ı dál. Co se t´ yˇce I/O port˚ u, ty se zachovaj´ı ve stejném stavu jako pˇred funkc´ı SLEEP. Pro maximáln´ı u ´sporu energie by vˇsak mˇely b´ yt bud’ na u ´rovni VDD nebo VSS. Celkové spotˇrebˇe ve SLEEP reˇzimu také neprosp´ıvá kdyˇz na v´ ystupech je zaˇr´ızen´ı, které trvale (i bˇehem spánku) odeb´ırá proud. Takové obvody je nutno také vyp´ınat. Co se t´ yˇce vstup˚ u, které jsou ve stavu vysoké impedance tak ty by mˇely b´ yt bud’ uzemnˇeny nebo na u ´rovni napájec´ıho napˇet´ı, aby se zabránilo stˇr´ıdaj´ıc´ım se proud˚ um zapˇr´ıˇcinˇen´ ych plovouc´ımi vstupy. Do normáln´ıho stavu se pak dostane pokud nastane pˇreruˇsen´ı (od Watchdog ˇcasovaˇce a nebo prost´ y Reset)

´ Í JEDNOTKU A PRIPOJEN ˇ ´ PC 4 SOFTWARE PRO OVLADAC E

4

43

Software pro ovl´ adac´ı jednotku a pˇ ripojen´ e PC

Anal´ yza softwarového ˇreˇsen´ı Software se skládá ze dvou ˇcást´ı • Program pro mikrokontroler • Ovládac´ı program pro PC V´ yvojová deska podporuje jak TCP/IP tak i UDP protokol. Rozd´ıl mezi nimi je z aplikaˇcn´ıho hlediska zásadn´ı. Protokol TCP je tzv. spojovanou sluˇzbou coˇz znamená, ˇze pˇr´ıjemce potvrzuje ˇze obdrˇzel data a jestli jsou v poˇrádku. V pˇr´ıpadˇe ztráty nebo poˇskozen´ı si pˇr´ıjemce vyˇzádá opˇetovn´ y pˇrenos chybˇej´ıc´ı ˇcásti. Na druhou stranu UDP protokol pˇrenáˇs´ı data pomoc´ı datagram˚ u a pokud ho vyˇsle tak uˇz ho nezaj´ımá jestli byl doruˇcen. Z toho vypl´ıvá, ˇze kaˇzd´ y protokol je urˇcen pro jinou aplikaci. TCP/IP se pouˇz´ıvá pro pˇrenos obrázk˚ u ˇci program˚ u, nebot’ je poˇzadavek aby cel´ y obsah byl doruˇcen v poˇrádku a je jedno, jak dlouho to bude trvat. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe napˇr. pˇri poslechu stream˚ u jako jsou napˇr. internetová rádia nebo televize je d˚ uleˇzitˇejˇs´ı vˇcasné doruˇcen´ı dat neˇz je to jestli jsou vˇsechna. Vzhledem k tomu, ˇze mám poˇzadavek aby model dˇelal to co se od nˇej poˇzaduje a nezáleˇz´ı na tom, jestli se jeho reakce nepatrnˇe zpozd´ı volil jsem protokol TCP/IP. Protokol TCP/IP

Obrázek 16: Porovnán´ı model˚ u TCP/IP a OSI

vyuˇz´ıvá ˇctyˇri vrstvy na rozd´ıl od klasického sedmivrstvého OSI modelu. Na obrázku je vidˇet jejich vzájemné porovnán´ı. Z tˇechto ˇctyˇr protokol definuje prostˇredn´ı dvˇe (Internet(IP) a TCP). Z hierarchického hlediska je pod nimi fyzická a linková (spojovac´ı) vrstva které jsou definovány standardem pˇr´ısluˇsného pˇrenosového média. V´ yhodou protokolu TCP/IP je, ˇze v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı jiné technologie ˇreˇsen´ı spoje, napˇr´ıklad klasického Ethernetu po kabeláˇzi nen´ı nutné vlastn´ı programy pˇrepisovat, uprav´ı se pouze nˇekolik direktiv pro pˇrekladaˇc. Portfolio produkt˚ u Chipweb ER2x zahrnuje napˇr´ıklad desku


44

Obrázek 17: Pr˚ ubˇeh zpracováván´ı TCP/IP paketu

ER22 která disponuje jak PCMCIA/WiFi rozhran´ım tak i obvodem RTL8139 a konektorem pro pˇripojen´ı UTP kabelu (Ethernet 10/100Mbps). Aplikace dále popisovaná je proto nasaditelná nejen v prostˇred´ı bezdrátov´ ych s´ıt´ı ale lze i s minimáln´ımi náklady na v´ yvoj vytvoˇrit aplikaci plnˇe provozovatelnou napˇr. po internetu.

4.1

Program pro mikrokontroler

Program pro mikrokontroler vycház´ı z SDK dodávaného s v´ yvojovou deskou ER25. Aplikace nahraná v procesoru obsahuje jednoduch´ y webserver, kter´ y zobrazuje stránky uloˇzené v pamˇeti EEPROM, driver pro PCMCIA rozhran´ı driver pro WiFi rozhran´ı a jednoduch´ y IP stack s implementac´ı TCP, UDP a ICMP protokol˚ u. SDK obsahuje zdrojové kódy k tˇemto komponent˚ um a pár vzorov´ ych aplikac´ı. Algoritmus ˇ r´ızen´ı praˇ cky Na obrázku je znázornˇen v´ yvojov´ y diagram ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu. Jedná se o jednoduch´ y algoritmus pro ovládán´ı jednoduché praˇcky kter´ y testuje vstupy kter´ ymi jsou tlaˇc´ıtko power, kontakt dv´ıˇrek bubnu a posledn´ı vstup je kontakt termostatu kter´ y dává signál správné


Obrázek 18: V´ yvojov´ y diagram ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu

45


46

teploty vody. Ty pak vyhodnocuje a nastavuje odpov´ıdaj´ıc´ı v´ ystupy podle ˇr´ıd´ıc´ıho programu. V poli Program jsou jednotlivé ˇcinnosti které praˇcka m˚ uˇze provádˇet a v poli Time se nacház´ı hodnota urˇcuj´ıc´ı ˇcas po kter´ y za dodrˇzen´ı vstupn´ıch signál˚ u se ˇcinnost provád´ı. Jelikoˇz jsou v´ ystupy na modelu pˇr´ımo spojeny s jednotliv´ ymi bity v´ ystupn´ı brány PORT B hodnoty z pole Program po pˇrekop´ırován´ı na PORT B vytváˇr´ı bitov´ y obraz urˇcuj´ıc´ı nastaven´ı v´ ystup˚ u. Rozhodl jsem se navrhnout dvˇe verze obsluˇzn´ ych program˚ u a to: • pˇr´ımo ˇr´ızenou • autonomn´ı Aˇckoliv jsem je navrhl pro stejn´ y model a to model praˇcky kaˇzdá z nich se hod´ı pro jinou oblast pouˇzit´ı. Autonomn´ı model Autonomn´ı model je charakteristick´ y t´ım, ˇze ke svému provozu nepotˇrebuje spojen´ı s ˇr´ıd´ıc´ım poˇc´ıtaˇcem. Ten mu pouze zaˇsle ˇr´ıd´ıc´ı paket ve kterém jsou v datové ˇcásti uloˇzeny parametry provádˇeného programu (v naˇsem pˇr´ıpadˇe program pran´ı). Mikrokontrolér tuto informaci zpracuje a zaˇcne provádˇet pˇr´ısluˇsn´ y program aniˇz by vyˇzadoval jak´ ykoliv ˇr´ıd´ıc´ı zásah z okol´ı.

Obrázek 19: Princip autonomn´ıho modelu

Tento zp˚ usob práce je vhodn´ y pro jednoduché a bezpeˇcné procesy kde m˚ uˇze mikrokontrolér automaticky zasahovat. Kl´ıˇcové hodnoty z ˇr´ıd´ıc´ıho procesu se mohou ukládat v jeho intern´ı pamˇeti EEPROM a následnˇe jednou za urˇcit´ y ˇcas se pˇripojit a poslat nashromáˇzdˇená data ke kontrole a pˇr´ıpadnému zpracován´ı Vzhledem k tomu, ˇze systém pracuje zcela autonomnˇe, nen´ı zde zavedena zpˇetná vazba k ˇr´ıd´ıc´ımu poˇc´ıtaˇci. Protoˇze mikrokontrolér nepotˇrebuje komunikovat s okol´ım, m˚ uˇze m´ıt po vˇetˇsinu ˇcasu vypnutou komunikaˇcn´ı PCMCIA kartu a t´ım v´ yraznˇe sn´ıˇzit spotˇrebu a ˇsetˇrit t´ım baterie ze kter´ ych by mohl b´ yt napájen. Zadán´ı parametr˚ u potˇrebn´ ych pro bˇeh programu se v naˇsem pˇr´ıpadˇe dˇeje zaslán´ım paketu v jehoˇz datové ˇcásti je uloˇzen datagram se strukturou která je zobrazena na obrázku. Datagram je na zaˇcátku a na konci ohraniˇcen hodnotami 0x80h coˇz znamená, ˇze jde o ˇr´ıd´ıc´ı datagram a data jsou platná. Ostatn´ı datagramy nejsou zpracovávány a jsou zahozeny hned po jejich pˇrijet´ı.


47

Obrázek 20: Datagram s obsahem celé sekvence

Pˇ r´ımo ˇ r´ızen´ y model Zcela opaˇcn´ y pˇr´ıpad je druhá verze ˇr´ızen´ı praˇcky, která je pˇr´ımo ˇr´ızená z ovládac´ıho poˇc´ıtaˇce. Zde mikrokontrolér zastává roli jakéhosi prostˇredn´ıka mezi ˇr´ıd´ıc´ım poˇc´ıtaˇcem a samotn´ ym procesem. Jeho jedin´ ym u ´kolem je pˇrij´ımat pakety a následnˇe jednorázovˇe provádˇet co se po nˇem ˇzádá.

Obrázek 21: Princip ˇr´ızeného modelu Nemá ˇzádnou ˇr´ıd´ıc´ı ani rozhodovac´ı u ´lohu. Mikrokontrolér m˚ uˇze obdrˇzet dva r˚ uzné druhy ’ paket˚ u. Bud ˇr´ıd´ıc´ı, kde je obsaˇzen pˇr´ıkaz co má provézt a nebo tzv. pollovac´ı, kter´ ym se ˇr´ıd´ıc´ı poˇc´ıtaˇc dotazuje na jeho aktuáln´ı stav aby mˇel zpˇetnou vazbu od procesu. V ˇr´ıd´ıc´ım datagramu je v naˇsem pˇr´ıpadˇe obsaˇzen pouze jeden byte kter´ y reprezentuje stav na portu ’ B a mikrokontrolér ho jen na tento port zap´ıˇse. Nezjiˇst uje ˇzádné okolnosti a jen ho tam zkop´ıruje. Pollovac´ı datagram obsahuje jeden jedin´ y byte s hodnotou 0xFFh. Po jeho pˇrijet´ı mikrokontroler obratem poˇsle paket jenˇz obsahuje datagram se dvˇema byty. Ty reprezentuj´ı Port B coˇz jsou v´ ystupy a Port C kter´ y pˇredstavuje vstupy od ˇr´ıd´ıc´ıho procesu. Oba typy datagram˚ u jsou zobrazeny na obrázku.

Obrázek 22: Datagramy pro ˇr´ızen´ y model. Vlevo datagram s pˇr´ıkazem a vpravo odpovˇed’ se stavem procesoru Takov´ yto systém ˇr´ızen´ı se uplatn´ı zejména u sloˇzitˇejˇs´ıch proces˚ u a technologi´ı které vyˇzaduj´ı komplexnˇejˇs´ı a sloˇzitˇejˇs´ı ˇr´ızen´ı pˇr´ıpadnˇe lidsk´ y dohled za pouˇzit´ı nˇejakého druhu vizualizace. Jelikoˇz jsem navrhoval oba dva zp˚ usoby mohu ˇr´ıci, ˇze aˇckoliv je Chipweb programován v jazyce C a tud´ıˇz psan´ı a u ´pravy r˚ uzn´ ych funkc´ı ˇci procedur jsou oproti assembleru podstatnˇe


48

snazˇs´ı je z hlediska v´ yvoje v´ yhodnˇejˇs´ı druh´ y zp˚ usob. Pro u ´spˇeˇsné naprogramován´ı a následné odladˇen´ı byly pouˇzité následuj´ıc´ı prostˇredky • MPLAB IDE v 7.42 • Kompilátor HI-TECH PICC18 v 3.02 • In-Circuit debugger SCPD2 • In-Circuit programátor Presto 4.1.1

Popis SDK Chipweb

Zdrojové kódy SDK jsou organizovány tak, aby ˇsel cel´ y projekt zkompilovat z pˇr´ıkazové ˇrádky kompilac´ı jednoho souboru (p18web.c) tj. vˇsechny dalˇs´ı soubory jsou do tohoto souboru vloˇzeny pomoc´ı direktivy #include. Následuje v´ ypis soubor˚ u SDK a popis funkc´ı soubor˚ u. ht make.bat skript pro kompilaci z pˇr´ıkazové ˇrádky p18web.c hlavn´ı soubor do kterého jsou ostatn´ı zdrojové soubory vkládány ccs p18.h direktivy a definice pro pˇrekladaˇc CCS ht p18.h direktivy a definice pro pˇrekladaˇc HI-TECH ht utils.c zdrojové kódy nˇekter´ ych funkc´ı implementovan´ ych v kompilátoru HI-TECH pˇr´ımo p18 def s.c definice datov´ ych typ˚ u a nˇekter´ ych maker pouˇz´ıvan´ ych v SDK p18 drv.c funkce pouˇz´ıvané n´ızko´ urovˇ nov´ ymi drivery p18 eth.c a p18 wlan.c p18 eth.c ovladaˇc ethernet rozhran´ı (nevyuˇzit) p18 wlan.c ovladaˇc WiFi rozhran´ı wlan.h konstanty a struktury pro p18 wlan.c p18 net.c s´ıt’ov´ y driver p18 ip.c funkce IP protokolu p18 dhcp.c DHCP protokol p18 udp.c funkce UDP protokolu (nevyuˇzit) p18 tcp.c funkce TCP protokolu (modifikován, pˇridán handler portu 514)


49

p18 tcpc.c TCP klient (nevyuˇzit) p18 http.c jednoduch´ y http server, zobrazuje stránky z ROM pamˇeti 4p18 lcd.c ovladaˇc pro LED (nevyuˇzit) p18 mail.c SMTP/POP3 klient (nevyuˇzit) p18 ser.c ovladaˇc sériového rozhran´ı p18 time.c NTP klient (nevyuˇzit) p18 usr.c funkce pro uˇzivatelskou konfiguraci webrom.h definice pro souborov´ y systém ROM kde jsou uloˇzeny webstránky W EBP AGE.ROM obsah pamˇeti ROM 4.1.2

Zpracov´ an´ı pˇ r´ıchoz´ıho paketu v ChipWebu

Pˇr´ıchoz´ı data jsou zpracována podle OSI modelu. Po pˇrijet´ı je 802.11 rámec uloˇzen do RAM WiFi karty a následnˇe funkc´ı getwc rxbuf f () (soubor p18 wlan.c) naˇcten do vstupn´ıho bufferu. V pr˚ ubˇehu hlavn´ı smyˇcky je na data mimo jiné zavolána funkce load rxbuf f () (soubor p18 net.c) která rámec zpracuje do podoby paketu, vyˇcist´ı buffer a pˇriprav´ı ho na pˇr´ıjem dalˇs´ıch dat. Je li paket IP paketem je na nˇej zavolána funkce ip recv() ( soubor p18 ip.c ) ve které je rozhodnuto o jak´ y podprotokol (TCP, UDP, ICMP ) se jedná a je volán pˇr´ısluˇsn´ y handler (tcp recv(), udp recv(), icmp recv()) Pˇri pˇr´ıchodu TCP paketu se bˇehem funkce tcp recv() rozhoduje o portu na kter´ y paket pˇrijde a podle toho je opˇet volán pˇr´ısluˇsn´ y handler. Aplikace v souˇcasné dobˇe podporuje tyto porty: HTTP (80) , DAYTIME (13) a RCMD (514). Na port RCMD reaguje volán´ım funkce cmd recv() (soubor pracka.c) která paket pˇrijme rozhodne jestli paket obsahuje dotaz na stav (hodnota FFh) nebo pˇr´ıkaz pro praˇcku (jakákoliv jiná hodnota) a podle toho volá bud’ funkci state report(), která odpov´ı aktuáln´ım stavem, nebo paket zpracuje jako pˇr´ıkazprogram pro praˇcku. 4.1.3

´ Upravy SDK pro potˇ reby aplikace

Soubor p18web.c jsem zkop´ıroval do p18pracka.c a pˇridal soubory pracka.c a pracka.h, které jsem pomoc´ı direktivy #include vloˇzil. V´ ychoz´ım souborem pro kompilaci se tak stal tento soubor. Do ˇcásti, která zpracovává TCP (soubor p18t cp.c) pakety jsem zaˇradil rutinu která reaguje na port 514:tcp a volá funkci která obsahuje vlastn´ı kód programu ˇr´ızen´ı praˇcky. Tato funkce je v souboru pracka.c. Dalˇs´ı u ´pravy se t´ ykaly odstranˇen´ı zbyteˇcn´ ych komponent jako napˇr´ıklad NTP server a SMTP-POP3 klient.

´ Í JEDNOTKU A PRIPOJEN ˇ ´ PC 4 SOFTWARE PRO OVLADAC E 4.1.4

50

MPLAB IDE v 7.42

Tento program, kter´ y se pouˇz´ıvá pro v´ yvoj programu pro mikroprocesory PIC, je volnˇe dostupn´ y na stránkách spoleˇcnosti Microchip. Verze programu 7.42 byla posledn´ı verz´ı dostupnou v dobˇe psan´ı této práce a byla zde pouˇzita. V´ yvojové prostˇred´ı obsahuje nástroje pro psan´ı programu, vˇcetnˇe zv´ yraznˇen´ı syntaxe, následné kompilaci a vytváˇren´ı zdrojov´ ych souboru pro programátor a debugger. Umoˇzn ˇuje také program krokovat v reálném prostˇred´ı mikroprocesoru, nastavovat breakpointy a mˇenit hodnoty v registrech a pamˇeti. Pro základn´ı nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch registr˚ u mikroprocesoru lze pouˇz´ıt nástroj Visual Initializer, pomoc´ı nˇehoˇz lze komfortnˇe nastavit a vybrat funkce jednotliv´ ych perifern´ıch obvodu a kter´ y následnˇe vygeneruje podprogram, kter´ y provede inicializaci obvodu po restartu. S programem se instaluj´ı vˇsechny potˇrebné knihovny, hlaviˇckové soubory, kompilátory a skripty linkeru. Program téˇz disponuje pomˇernˇe rozsáhlou nápovˇedou. Popis rozhran´ı programu V levém horn´ım oknˇe je vidˇet seznam soubor˚ u projektu organizovan´ y podle typu souboru. Pravé horn´ı okno je editor zdrojového kódu programu. Do levého spodn´ıho okna IDE vypisuje v´ ystupy bˇehem kompilace programu, ladˇen´ı a programován´ı procesoru. Pravé spodn´ı okno slouˇz´ı ke sledovan´ı hodnot registr˚ u procesoru a promˇenn´ ych programu. Okno vprostˇred je Stimulus workbook kter´ y sdruˇzuje stimuly zas´ılané programu bˇehem simulovaného pomoc´ı prostˇredku MPLAB SIM. IDE je moˇzno provozovat s r˚ uzn´ ymi kompilátory, tato volba je souˇcást´ı parametr˚ u projektu, jin´ ymi slovy je moˇzno m´ıt v´ yvojové prostˇred´ı nainstalováno s nˇekolika kompilátory najednou a vhodn´ y kompilátor volit nejen pˇri vytvoˇren´ı projektu ale i pˇred kaˇzdou kompilac´ı. Debugger/Simul´ ator MPLAB SIM Tento nástroj slouˇz´ı pro ladˇen´ı program˚ u mimo procesor, simulac´ı jejich bˇehu v poˇc´ıtaˇci. Je moˇzné jak mˇenit pˇr´ımo hodnoty SFR registr˚ u tak i hodnoty promˇenn´ ych programu. Pomoc´ı Stimulus Workbook lze vyvolávat v procesoru asynchronn´ı i synchronn´ı události a stimulovat vstupy diskrétn´ımi i analogov´ ymi hodnotami. Ostatn´ı n´ astroje MPLAB IDE V´ yvojové prostˇred´ı dále obsahuje prostˇredek pro práci s obsahem procesoru jako je mazán´ı, ˇcten´ı, zápis a to jak programové pamˇeti, pamˇeti EEPROM, tak i konfiguraˇcn´ıch a ochrann´ ych bit˚ u procesoru. K pouˇzit´ı tohoto nástroje je tˇreba m´ıt k poˇc´ıtaˇci pˇripojen´ y hardwarov´ y programátor nebo debugger, které pop´ıˇsu ve zvláˇstn´ıch kapitolách. Pro v´ yvoj ve skupinách MPLAB IDE obsahuje rozhran´ı pro CVS server.


51

Obrázek 23: Prostˇred´ı MPLAB

4.1.5

Kompil´ ator HI-TECH PICC18

V´ ybˇer kompilátoru je mnohem d˚ uleˇzitˇejˇs´ı neˇz by se na prvn´ı pohled mohlo zdát. Záleˇz´ı právˇe na nˇem jak v´ ysledn´ y program bude fungovat. Nemám ted’ na mysli jeho funkˇcnost, ta by mˇela b´ yt zaruˇcena bez ohledu na kompilátor, ale záleˇz´ı právˇe na nˇem jak bude v´ ysledn´ y program velik´ y a jak rychle se bude vykonávat. Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ımi C kompilátory pro procesor PIC18F452 jsou: • Microchip C18 • CCS C Compiler • HI-TECH PICC18 Jak z názvu vypl´ yvá, prvn´ı uveden´ y je vyvinut v´ yrobcem procesor˚ u PIC. Bohuˇzel tento kompilátor nen´ı v´ yrobcem Chipwebu podporován a tak bylo nutno pouˇz´ıt nˇekter´ y jin´ y. CCS kompilátor bohuˇzel nen´ı dostupn´ y vzhledem ke své vysoké cenˇe, ˇcili volba padla na posledn´ı, HI-TECH PICC18, kter´ y je nab´ızen v limitované verzi ke staˇzen´ı na firemn´ıch webov´ ych stránkách.


52

V´ yrobce uvád´ı následuj´ıc´ı vlastnosti: • Plná podpora standardu ANSI C • V´ ykonnost v´ ysledného kódu srovnatelná s programem psan´ ym pˇr´ımo v asembleru • Modularita (organizováno ve zdokumentovan´ ych knihovnách) • Kompatibilita (Integrace s MPLAB IDE) • Komplexnost prostˇred´ı (makroasembler,preprocesor) Bˇehem své práce na programu jsem vyzkouˇsel jak kompilátor od Microchipu tak i HITECH takˇze jsem mˇel moˇznost srovnán´ı. Podle mého názoru je HI-TECH opravdu lepˇs´ı kompilátor, nicménˇe proklamovaná kompatibilita s MPLAB IDE je pˇrinejmenˇs´ım sporná, protoˇze po instalaci kompilátoru a plug-in˚ u se mi nepodaˇrilo z MPLABu zkompilovat program, kter´ y z pˇr´ıkazové ˇrádky bez problém˚ u zkompilovat ˇsel. Kompilátor podporuje datov´ y typ ”bit” coˇz je v pˇr´ıpadˇe práce s jednotliv´ ymi I/O piny kontroléru velmi uˇziteˇcná vlastnost. Aˇckoliv u jednoˇcipov´ ych mikrokontrolér˚ u pˇristupujeme na vstupnˇe v´ ystupn´ı porty ˇcasto bit po bitu, ne vˇsechny kompilátory si porad´ı s takovouto promˇennou. Dále disponuje velmi dobrou optimalizac´ı kódu z ˇcehoˇz plyne, ˇze binárn´ı soubor pro upload do procesoru vycház´ı velmi mal´ y. 4.1.6

Debugger SCPD2

Debugger SCPD2 je zaˇr´ızen´ı urˇcené k ladˇen´ı aplikac´ı procesor˚ u PIC osazen´ ych v obvodech, tzv. In-Circuit Debugging. Je signálovˇe, a softwarovˇe kompatibiln´ı s ICD2 od firmy Microchip a je li pˇripojen k MPLAB IDE, zacház´ı se s n´ım stejnˇe. Od svého vzoru se liˇs´ı pouze absenc´ı USB rozhran´ı z ˇcehoˇz vypl´ yvá i niˇzˇs´ı rychlost komunikace s mikrokontrolerem, coˇz se projevilo hlavnˇe bˇehem ladˇen´ı s´ıt’ov´ ych funkc´ı. 4.1.7

Program´ ator PRESTO a aplikace Up!

Programátor podporuje programován´ı osazen´ ych souˇcástek - ISP (In-System Programming) a ICP (In-Circuit Programming). S poˇc´ıtaˇcem je propojen rozhran´ım USB ze které je i napájen. Komunikuje v reˇzimu Full speed a pracuje na poˇc´ıtaˇc´ıch s portem USB 1.1 i 2.0. K pˇripojen´ı aplikace slouˇz´ı 8-pinov´ y konektor ISP, kter´ y je shora kompatibiln´ı s 6-pinov´ ym konektorem ICSP pro mikrokontroléry PIC, kter´ y obsahuj´ı vˇsechny programátory firmy ASIX. Funkce v´ yvodu VPP je rozˇs´ıˇrena o obousmˇernou datovou komunikaci, pˇridány jsou v´ yvody MISO (vstup) a LVP (vstup/v´ ystup). V´ yvod VDD pˇripojen´ y k v´ yvod˚ um napájec´ıho ’ napˇet´ı programované souˇcástky m˚ uˇze volitelnˇe bud poskytovat napˇet´ı z USB o nomináln´ı hodnotˇe 5 V nebo vyuˇz´ıvat napˇet´ı pˇrivádˇené z programované aplikace v rozsahu 3 aˇz 5 V s toleranc´ı ±10%. Toto napˇet´ı je pak pouˇzito i pro digitáln´ı signály. Lze detekovat pˇr´ıtomnost extern´ıho napájen´ı pro tˇri u ´rovnˇe - 3 V, 5 V a pˇrepˇet´ı. Je implementována i nadproudová ochrana programovac´ıho a napájec´ıho napˇet´ı.


53

Stav programátoru je pˇrehlednˇe indikován pomoc´ı dvou LED. ON-LINE (zelená LED) informuje o pˇripojen´ı k USB, ACTIVE (ˇzlutá LED) signalizuje aktivitu na programovac´ım rozhran´ı, napˇr. programován´ı ˇci verifikaci. Vlastn´ı programováni se spouˇst´ı pomoc´ı tlaˇc´ıtka Go. Software Základn´ım softwarov´ ym prostˇredkem pro práci s programátorem PRESTO je program UP. Kromˇe bˇeˇzn´ ych pˇr´ıkaz˚ u poskytuje ˇradu nadstandardn´ıch funkc´ı. Jde napˇr. o moˇznost definován´ı projekt˚ u, parametry pˇri spouˇstˇen´ı z pˇr´ıkazového ˇrádku umoˇzn ˇuj´ıc´ı bezobsluˇzné pouˇzit´ı programátoru pˇri rutinn´ım programován´ı, nastaven´ı prostˇred´ı vˇcetnˇe klávesov´ ych zkratek, automatické generován´ı sériového ˇc´ısla apod. Program UP je urˇcen pro Windows verze 95, 98, ME, 2000 a XP. Podpora USB je k dispozici od verze W98SE, pro komunikaci se zaˇr´ızen´ımi se sbˇernic´ı USB se pouˇz´ıvaj´ı modifikované ovladaˇce D2XX firmy FTDI. Software UP podporuje mikrokontroléry Microchip PIC a Atmel AVR a 8051. Bohuˇzel tento prostˇredek nen´ı podporován MPLAB IDE, takˇze z hlediska v´ yvoje aplikace slouˇzil sp´ıˇse k fináln´ımu naprogramován´ı mikrokontroleru a pˇrehledné orientaci v obsahu pamˇeti EEPROM. PRESTO kromˇe samotného programován´ı poskytuje i základn´ı podporu pˇri ladˇen´ı aplikac´ı. U mikrokontrolér˚ u PIC lze s jeho pomoc´ı ˇr´ıdit i stav souˇcástky - reˇzimy Reset a Run.


4.2

54

Program pro PC

Ovládac´ı program pro PC mus´ı splˇ novat následuj´ıc´ı poˇzadavky: • Vytvoˇren´ı ovládac´ıho datagramu pro program v mikrokontroleru • Odeslán´ı datagramu pomoc´ı TCP protokolu • Zpˇetná vazba z mikrokontroleru, zobrazen´ı stavu/ˇcinnosti mikrokontroleru Program jsem napsal ve v´ yvojovém prostˇred´ı Microsoft VisualBasic 5.0 z ˇcehoˇz i vypl´ yvá platforma bˇehu, MS Windows 95 - XP. Srdcem celého programu je OCX komponent MS Windows Socket komponent (winsock.dll) kter´ y v podstatˇe funguje jako datová pumpa. Vytvoˇr´ı TCP spojen´ı na portu 514 k serveru, v tomto pˇr´ıpadˇe mikrokontroleru, a do spojen´ı odeˇsle datagram. 4.2.1

Autonomn´ı model

Mikrokontroler po obdrˇzen´ı datagramu uzavˇre TCP spojen´ı a zaˇcne vykonávat program na základˇe dat která obdrˇzel. Pokud je s vykonáván´ım hotov, ˇceká na dalˇs´ı datagram. Ten m˚ uˇze m´ıt dvˇe r˚ uzné funkce. Pokud je uvozen hodnotou 0x80h mikrokontroler zaˇcne s vykonáván´ım nového programu s ohledem na svoje vstupy a v´ ystupy a nebo zaˇc´ıná hodnotou 0xFFh a v tom pˇr´ıpadˇe odpov´ı paketem v nˇemˇz je uloˇzen jeho momentáln´ı stav (hodnoty na portech B a C)

Obrázek 24: Rozhran´ı pro autonomn´ı model

´ Í JEDNOTKU A PRIPOJEN ˇ ´ PC 4 SOFTWARE PRO OVLADAC E 4.2.2

55

Pˇ r´ımo ˇ r´ızen´ y model

Stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe autonomn´ıho modelu komunikace prob´ıhá pomoc´ı datagram˚ u jeˇz ˇr´ıd´ı ˇcinnost mikrokontroleru. Rozd´ıl je v tom, ˇze veˇskerou ˇr´ıd´ıc´ı funkci zde pˇreb´ırá ovládac´ı program bˇeˇz´ıc´ı v PC. Tento program neustale vys´ılá pakety, které obsahuj´ı datagramy o délce jednoho bytu a hodnotˇe 0xFFh. Na nˇe mikrokontroler odpov´ıdá datagramem jenˇz obsahuje 2 byty s jeho stavem jak bylo popsáno v´ yˇse. Zvolil jsem interval 500ms nebot’ tento proces má dlouhé ˇcasové konstanty a pro jeho sledován´ı to bohatˇe staˇc´ı. Pokud mikrokontroler obdrˇz´ı datagram jenˇz zaˇc´ıná a konˇc´ı hodnotou 0x80h detekuje ho jako ˇr´ıd´ıc´ı. Tento datagram má pevnou délku jednoho bytu a obsahuje nastaven´ı v´ ystup˚ u. Tento stav je ovˇeˇren prvn´ım pollovac´ım paketem a jeho stav zpˇet poslán do ˇr´ıd´ıc´ıho programu kde se nastav´ı pˇr´ısluˇsné v´ ystupn´ı indikátory.

Obrázek 25: Rozhran´ı pro pˇr´ımo ˇr´ızen´ y model

Popis rozhran´ı Vlevo je schematicky znázornˇena praˇcka respektive, jej´ı funkˇcn´ı ˇcásti. Prostˇredn´ı ˇcást jsou programovac´ı tlaˇc´ıtka která upravuj´ı hodnotu v textovém poli oznaˇceném ”Povel”. Hodnota je zobrazována dekadicky a lze ji upravovat. Do textového pole ”# vteˇrin” se zapisuje doba ve vteˇrinách po kterou má povel bˇeˇzet. Ovládac´ı datagram se pomoc´ı tlaˇc´ıtka [>] shromaˇzduje v seznamu v pravé ˇcásti okna programu odkud lze jednotlivé povely odstranit pomoc´ı tlaˇc´ıtka [<]. Tlaˇc´ıtkem [Start Programu] se zaˇcnou vys´ılat datagramy s jednotliv´ ymi povely. Schematické znázornˇen´ı vlevo témˇeˇr okamˇzitˇe reaguje na jakékoliv zmˇeny stavu vstup˚ u a v´ ystup˚ u které mu na jeho periodické ˇzádosti mikrokontrolér pos´ılá. Nepatrné zpoˇzdˇen´ı je zapˇr´ıˇcinˇeno t´ım, ˇze pollovac´ı paket chod´ı jednou za 100ms.

´ ER ˇ 5 ZAV

5

56

Z´ avˇ er

V zadán´ı diplomové práce bylo navrhnout a realizovat bezdrátové spojen´ı a aplikovat ho na jednoduch´ y model. Pro prostudován´ı moˇznost´ı jsem vybral spojen´ı na základˇe standardu 802.11b (WiFi). Pro tento u ´ˇcel jsem si pomˇernˇe zdlouhav´ ym procesem opatˇril od firmy IOSOFT v´ yvojovou desku ER25. V´ ybˇer padl na tuto ne pˇr´ıliˇs dostupnou desku z toho d˚ uvodu, protoˇze jej´ım srdcem je mikrokontroler od firmy Microchip. S v´ yrobky této firmy mám dobré zkuˇsenosti a i dostupnost programátor˚ u a debugger˚ u je pomˇernˇe dobrá. Po té co jsem v´ yvojovou desku obdrˇzel a mˇel moˇznost si j´ı prohlédnout zarazilo mˇe jej´ı ponˇekud neˇst’astné hardwarové zpracován´ı. Ocelov´ y pláˇst’ PCMCIA karty se nacházel pˇr´ımo pod deskou s ploˇsn´ ymi spoji a v nˇekter´ ych m´ıstech se j´ı dokonce dot´ ykal. Podle mého názoru kdybych pˇripojil napájec´ı napˇet´ı mohlo by pˇrinejmenˇs´ım doj´ıt k jej´ı ˇspatné funkˇcnosti a nebo dokonce ke zniˇcen´ı. Pˇri práci mi nejv´ıce vadila absence moˇznosti debuggován´ı pˇr´ımo v procesoru jelikoˇz nˇekteré vstupy a v´ ystupy k tomu urˇcené byly vyuˇzity pro obsluhu PCMCIA karty. I pˇres tuto pˇrekáˇzku ˇsel program docela dobˇre odladit pomoc´ı informac´ı vypisovan´ ych na sériové rozhran´ı RS232. V celé práci jsem se snaˇzil postupovat zp˚ usobem, co nejv´ıce podobn´ ym návrhu komerˇcn´ıho zaˇr´ızen´ı se zˇretelem na flexibilitu, cenovou dostupnost, odolnost v˚ uˇci chybám a variabilitu pouˇzit´ı. Popsan´ ym zp˚ usobem, za minimáln´ıho u ´sil´ı, lze ovládat prakticky libovoln´ y jednoduch´ y technologick´ y proces zaloˇzen´ y na diskrétn´ıch hodnotách vstupu a v´ ystupu. Po doplnˇen´ı pˇr´ısluˇsn´ ym hardwarem jako jsou posuvné registry pˇr´ıpadnˇe A/D nebo D/A pˇrevodn´ıky by bylo moˇzné pouˇz´ıt v´ yvojovou desku ER25 témˇeˇr na jak´ ykoliv technologick´ y proces.

REFERENCE

57

Reference [1] Rita Puˇzmanová: Bezpeˇcnost bezdr´ atové komunikace, Vydalo CP Books 2005 [2] Patrick Zandl: Bezdrátové s´ıtˇe WiFi Praktický pr˚ uvodce Vydalo CP Books 2003 [3] Libor Dostálek, Alena Kabelová: Velký pr˚ uvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS Vydalo CP Books 2000 [4] Miroslav Virius: Jazyk C a C++: kompletn´ı kapesn´ı pr˚ uvodce Vydalo Grada 2005 [5] Microchip DataSheet ”39564c.pdf” http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39564c.pdf [6] Wi-Fi Alliance http://wi-fi.org/

Pˇ r´ılohy: Schéma v´ yvojové desky ER25

Návrh a realizace bezdrátového přenosu dat

Recommend Documents