Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27)

Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tsz. I.B.228, T:19-25, vidacs@tmit.bme.hu

Tartalom - 11/04/05 Bluetooth Bluetooth kontra ZigBee Érzékelés, szenzorok definíciója Szenzortípusok 2

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

Miért jó nekünk? Autón belüli kommunikáció GPS és PDA/fedélzeti számítógép között Fedélzeti számítógép és headset/pda között Telefon és autó hifi között

Megcélzott alkalmazási terület

IEEE 802.15 WG for WPAN (ism.) Személyi hálózatok (PAN) és rövid távolságú vezetéknélküli hálózatok szabványosítása. Hordozható, mobil eszközök (pl. PDA, mobiltelefon, PC, személyhívó,...) vezetéknélküli hálózata. Együttműködés, egymás mellett élés. Task Groups 802.15.TG1: Bluetooth WPAN 802.15.TG2: Coexistence TG WPAN (802.15) és WLAN (802.11) együttélése Modell a kölcsönös interferencia számszerű meghatározására 802.15.TG3: High Rate TG >20 Mbps WPAN szabvány (MAC, PHY rétegek) 802.15.TG4: Low Rate (LR) TG Alacsony sebeség, nagyon kis komplexitás, hosszú élettartam

A 802.15.1 Bluetooth helye

Bluetooth alkalmazási területek

Alkalmazási példák Néhány példa a jelenleg használatos eszközökből: mobiltelefonok 2006-ra a telefonok 70%-a rendelkezik ezzel a felülettel mikrofon-fülhallgatók gépkocsi kihangosító készletek nyomtatók még többnyire USB vagy parallel átalakítón keresztül PDA-k beépített Ipaq3870, vagy CF, PCMCIA kártyás megoldás) notebookok PCMCIA vagy USB csatolón keresztül PC-k PCI vagy USB csatolón keresztül billentyűzetek videokamerák (pl. Sony DCR-PC7E)

BT kontra kábel

BT kontra IrDA

BT kontra WiFi

Rádiós hatótávolság Class 1: 100 mw ~100 méter Class 2: 2.5 mw ~20 méter Class 3: 1 mw ~10 méter

Bluetooth név eredete Harald Blåtand király (940-981) Dánia viking királya Az országot egységesítette, bevezette a kereszténységet A viking államok között volt Svédország is, innen a kapcsolat az Ericssonnal (Bluetooth megalkotója)

Történelem Bluetooth Special Interest Group (SIG): Ericsson, Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba és Nokia Formálisan bejelentve: 1999. május 20-án Ma több mint 8000 vállalat tagja Jelenlegi verziók: Bluetooth Core Specification 3.0 High Speed visszafelé kompatibilis 24 Mbps adatátviteli sebesség (3 Mbps helyett) Protocol Adaptation Layer (PAL) WiFi technológia nagyobb fogyasztás is! Bluetooth 4.0 (2009. december) Tartalmazza a Bluetooth Low Energy (korábbi Wibree) megoldás

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

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

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

BT protokoll verem Baseband/Link Controller a rendszer tulajdonképpeni fizikai rétegét jelenti. Feladata a fizikai csatorna menedzselése. A felette levő rétegnek nyújtott szolgáltatások: más Bluetooth készülékek keresése, hibajavítás, torlódásvédelem, szinkronizáció, alapvető biztonság.

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

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

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

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

BT fizikai réteg rádió specifikáció Adó (transmitter) 2.4 GHz-s licensz nélküli ISM sávban működik 79 ugrás (hop) frekvencia: f = 2402+k MHz, k= 0,..78. Nominális kimeneti teljesítmény = 0 dbm (1 mw). GFSK és 8DPSK (3 Mbps-ig) moduláció BT alapsáv Szimbólumsebesség = 1 Mbps. (3 Mbps-ig a 2.0-ás verziótól) Réselt csatorna 625 μs-os időréssel (1600 ugrás/mp). Időosztásos duplex (TDD) full-duplex átvitelhez. Támogatja a 64 kbps-os szinkron (hang) csatornát mindkét irányban. Támogatja a 721 kbps-os aszinkron csatornákat (2.1 Mbps a 2.0-ás verziótól) szimmetrikus módban, vagy 432.6 kbps (1.3 Mbps a 2.0-ás verziótól) szimmetrikus módban.

BT alapsáv: fizikai csatorna Ál-véletlen frekvenciaugratásos sorozat 79 frekvenciát használva. Az ugratásos sorozatot (hop sequence) a piconet mester címe határozza meg (48 bit bedrótozva ). A mester a páros résekben kezdi az adást, míg a szolgák a páratlan időrésekben. Csomagok továbbítása 5 rést is elfoglalhat. Minden adáshoz egyetlen frekvencia ugrás (1600 hop/mp) Kétféle link a mester és szolga között: 1. Szinkron, kapcsolat-orientált (SCO és esco nyugtákkal) SCO egy pont-pont kapcsolat. SCO link lefoglal időréseket szabályos intervallumonként. 2. Aszinkron, kapcsolat nélküli (ACL) ACL egy csomagkapcsolt link a mester és a piconet összes szolgája között. A legtöbb alkalmazás ezt használja.

Eszközök összekapcsolása A frekvenciaugratás miatt az eszközök összepárosítása (pairing) bonyolult! Minden kapcsolat mester-szolga viszonyt feltételez. 4 féle kapcsolati csatorna: alap (basic) piconet csatorna mind a 79 csatorna használatban van ritkán használt mód adaptált (adaptive) piconet csatorna redukált csatornaszám (20-79) széles körben használt, adatátvitelre felderítés (inquiry) csatorna eszközök felderítéséhez használt a mester által értesítés (paging) csatorna fizikai kapcsolat kiépítéséhez használt a mester és szolga között

Párosítás (pairing) Eszközök párosításához (összekapcsolásához) használt séma: Általában a felhasználó kezdeményezi az eszközön A Bluetooth link láthatóvá válik a másik eszköz számára Ezután a két eszköz összekapcsolható (passkey) Miután az eszközök párosítása megtörtént, a továbbiakban már automatikusan képesek egymással összekapcsolódni. Természetesen a párosítás bármikor törölhető Bluetooth biztonság (security): nem tárgyaljuk

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

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

Aktív kapcsolat állapota Active (aktív) mód A Bluetooth eszköz figyeli a mester minden küldését. Szolgák, amelyeket nem címeztek meg átaludhatják az átvitelt. Periódikus mester adatküldés a szinkronizációhoz Sniff (szimatoló) mód Az eszközök nem figyelnek a mester minden adatküldésére A mester lekérdezi ezen eszközöket egy spec. sniff időrésben Hold (tartó) mód A mester és a szolga megállapodnak egy intervallumban, amíg a mester nem kérdezi le a szolgát. Pl: Tipikusan ez a mód használatos több piconetben szereplő híd állomás esetében. Park (parkoló) mód A szolga feladja az AM_ADDR(LT_ADDR) címét. Periódikusan figyel egy beacon csomagra a szinkronizációhoz, majd PM_ADDR/AR_ADDR címet használ a parkolás megszűntetéséhez.

Funkcionális áttekintés Standby Piconethez csatlakozásra vár Inquiry Rádióra keres a csatlakozáshoz Page Adott rádióhoz csatlakozik Connected Aktív egy pikonetben (mester vagy szolga) Park/Hold kisfogyasztású, de kapcsolódott

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

Bluetooth kontra ZigBee Versenyzők vagy kiegészítők? Bluetooth a jobb ad-hoc hálózatokhoz eszközök között kéz használata nélküli telefonálás fájl átvitel, grafika, kép megjelenítése de a ZigBee még jobb statikus hálózat esetében sok eszköz esetén amelyek ritkán használtak kis adatcsomagokkal kommunikálnak

Bluetooth kontra ZigBee Teljesítményfelvétel ZigBee: 10mA <==> BT: 100mA Gyártási/előállítási költség (2005-ös adat) ZigBee: 1.1 $ <==> BT: 3 $ Fejlesztési költség Codesize ZB/codesize BT = ½ Érzékenység ZigBee: -92dbm(0,63pW) <==> BT: -82dbm(6,2pW) Rugalmasság (eszközök száma) ZigBee: 65536 (in a mesh) <==> BT: 7 (in a star) Biztonság ZigBee: AES (128bit) <==> BT: SAFER (64/128bit) Késleltetés követelmények ZigBee: opcionáli garantált időrések, BT (is) Hatósugár ZigBee: max 75 m direkt rálátás estén <==> BT: ~10 m

Bluetooth kontra ZigBee Protokoll verem komplexitása: ZigBee Bluetooth

Bluetooth kontra ZigBee Időzítési kérdések: ZigBee új szolga számbavétele = 30 ms (tipikusan) alvás -> ébrenlét átmenet = 15 ms csatornahozzáférési idő = 15 ms Bluetooth új szolga számbavétele => 3 s alvás -> ébrenlét átmenet = 3 s csatornahozzáférési idő = 2 ms A ZigBee protokoll időkritikus alkalmazásokra optimalizált

Bluetooth kontra ZigBee Teljesítményfelvétel: ZigBee 2+ év normál elemről a szolga eszköz teljesítmény-hatékonyságára optimalizált Bluetooth Mobiltelefonhoz hasonló teljesítmény profil (rendszeres töltést igényel)

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

Tartalom - 11/04/05 Bluetooth Bluetooth kontra ZigBee Szenzorok 40

Bevezetés: Szituáció leírása Egy adott szituáció detektálása és leírása nem mindig egyszerű! Egy autó komoly balesetet szenved hamarosan (pl. légzsákok nyitása) Két személy határozatlan abban, hogy mit vásároljanak Valaki alszik a szobában Egy család ebédel

Szenzorok alkalmazása Példa: Valaki alszik a szobában az idősek otthonában Szenzorokat alkalmazhatunk: Mozgásdetektor a szobában (ON/OFF) Súly szenzor az ágy lábain (0-100) Fénymérő (0-100) Ajtó szenzor (nyitva/csukva) Nyomásérzékelő szőnyeg a földön (ON/OFF) Mikrofon a zajszint megállapításához (0-100) Feladat: Megkeresni azt a függvényt, amely a szenzorok mért értékeit mint bemenetet használva megmondja, hogy alszik-e valaki a szobában vagy sem.

Szenzorok alkalmazása (folyt.) Példa: Valaki alszik a szobában az idősek otthonában Megoldandó kérdések: Időben folyamatosan kell megfigyelést végezni Kalibráció (legalább az elején) A függvény a szenzorok és a célszemély viselkedésének függvénye Néhány szenzor nem működik együtt (pl. kiesések) Tanulás egy lehetőség! A rendszer felállítása egyáltalán nem triviális (még egy ilyen látszólag egyszerű esetben sem)

Érzékelés a természetben Senses in nature can not be directly compared to sensors in a technical world. Senses comprise the whole process from the (1)reception of the stimulus, (2)translation from stimulus to signal, (3)signal transport and the (4)processing on several levels. Senses: Vision Hearing Smell Taste Touch Temperature Gravity and acceleration Position and constellation of (body) parts Magnetic fields Electric fields

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

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

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

Információs szenzorok Sensors that are related to the device or system Examples battery voltage, RSSI, real-time, current packet loss, current power consumption location sensors devices in vicinity

Bio-szenzorok Sensors to measure physiological parameters in humans and animals Towards sensing emotions Example Galvanic skin response Hearth rate Blood pressure Blood oxygen saturation EEG, ECG

Szenzorok jellemzői Accuracy (pontosság) The agreement between the actual value (the input) and the measured value (the output) Resolution (felbontás) The smallest change in measured variable to which the sensor will respond Repeatability (ismételhetőség) Variation of sensor measurements when the same quantity is measured several times Range (tartomány) Upper and lower limits of the variable that can be measured Linearity (linearitás) equal increments in the input should produce equal increments in the output

Sebességmérő A jármű pillanatnyi sebességét méri. Hagyományos sebességmérő autókban: Bowden, amit a végáttétel forgat a sebességváltóban. A sebességmérő két forgó mágnesből áll, az egyik mágnes a bowden köpenyében, a másik a forgó kábelhez rögzítve. Kalibrálni szükséges (pl. kerekek átmérője) Legtöbbször egy kilométerórát is hajt. Modern elektronikus sebességmérő Fordulatszámmérő szenzor elektromos impulzusokat küld Az impulzussorozat frekvenciája átkonvertálható sebességre A sebesség kijelezhető digitális kijelzőn, vagy egy analóg stílusú mutatós eszközön. Az impulzusok leszámlálásával kilométeróra is kapható.

Fordulatszámmérő Tachometer Egy tengely vagy tárcsa fordulatszámát méri (a görög tachos = sebesség és metron = mérés szavakból) fordulatok száma percenként kalibrált analóg vagy digitális kijelzővel Fordulatszámmérő példák: Generátor meghajtásával: inverz motor inkrementális számlálókkal

kilométeróra (odometer) Odometer A jármű által megtett út rögzítése. A görög hodós = út és metron = mérés szavakból Elektronikus vagy mechanikus Mechanikus kilométeróra Precíz fogaskerék áttételek Az utolsó csigakerék hajtja a tized-kilométer számlálót. Minden további helyiértéket egy pöcök fordít tovább.

Gyorsulásmérő Gyorsulás mérésére szolgáló eszköz Gyorsuló tömeg tehetetlenségét mérve MEMS (Micro- Electro-Mechanical Systems) eszközzel: Piezo kristály torzulása, erőmérő kapacitás változás tartókar elmozdulása Piezoelektromos gyorsulásmérő Kristály, amely nyomás hatására töltést bocsájt ki. Gyorsulás következtében a tömeg hatást gyakorol a kristályra, amely ezzel arányos áramot indít meg. A kimenet elektródákkal mérhető

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

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

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

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

Közelségi szenzor Kapcsolók: fizikai kapcsolatot követel meg, elhasználódhat (kopás) Optikai szenzorok: nem kopik, de elvakítható. Pontos beállítás szükséges, poroskoszos környezetben nem jó Induktív szenzorok: A helyi mágneses erőtérben bekövetkező változás detektálható. (Pl. autók közelsége) Kapacitív szenzorok: A helyi kapacitív viszonyokban bekövetkező változás mérhető nem mágnesezhető anyagok esetében is.

Ultrahangos közelségi szenzor

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

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

Hőmérséklet mérése Thermistor: thermal + resistor Típusok: NTC-Negative Temperature Coefficient PTC-Positive Temperature Coefficient

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

Nyomásmérő Egy diafragma két oldalára ható nyomásértékek különbsége mérhető az alakváltozás következtében. Például: Piezoelektromosság elvén Erőmérővel