internet inteligentnih uređaja bluetooth ‒ veliki broj kompanija kakve su ericsson, intel, nokia,...
TRANSCRIPT
-
Internet inteligentnih uređaja
Predavanje 4
-
IoT tehnologije
2
-
Tehnologije za razvoj IoT
3
5G
-
Bluetooth
4
-
Bluetooth
‒ IEEE 802.15 WPAN standard za bežični prenos podataka kratkog dometa.
‒ Namenjen uređajima male potrošnje.
‒ Master – slave struktura uvezivanja uređaja.
‒ Pogodnosti:
• Mala potrošnja
• Robusnost
• Niska cena
• Globalna prisutnost
5IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
-
Bluetooth
‒ Veliki broj kompanija kakve su Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba, Microsoft, Motorola, i
druge, članovi su Bluetooth Special Interest Group (SIG).
‒ BT- WPAN (Bluetooth Wireless Personal Area Network) se sastoji od piconet-a.
‒ Svaki piconet predstavlja grupa (cluster) od 8 Bluetooth uređaja.
‒ Jedan od uređaja je master (gospodar), a ostali su slave (sluge).
‒ Dva piconet-a se mogu međusobno povezati preko zajedničkog Bluetooth uređaja
(gateway ili bridge) formirajući scatternet.
6
-
Bluetooth protokol stack
‒ Bluetooth specifikacija deli Bluetooth protokol stack na tri logičke grupe:
1) Transport Protocol grupa, 2) Middleware Protocol grupa, i 3) Application grupa.
7
Aplikacije
TCP/IP HID RFCom
audio
podaci
L2CAP
Link Manager
ko
ntro
laBaseband (osnovni opseg)
RF
Application grupa
Middleware Protocol grupa
Transport Protocol grupa
Host Controller interfejs
-
Bluetooth protokol stack
‒ Protokoli u okviru Transport grupe omogućavaju da Bluetooth uređaji:
• međusobno se lociraju,
• upravljaju fizičkim i logičkim vezama radi uspešnog povezivanja sa protokolima
viših nivoa i aplikacija.
‒ U okviru Transport Protocol grupe spadaju sledeći nivoi i interfejsi:
1. Radio (RF)
2. Osnovni opseg (Baseband)
3. Upravljač vezom (Link Manager)
4. Logička kontrola veze i adaptacija (Logical Link Control & Adaptation - L2CAP)
5. Interfejs host kontrolera (Host Controller Interface - HCI)
8
-
Bluetooth protokol stack
‒ Middleware Protocol grupa sadrži:
• protokole razvijenih od strane kompanija iz Bluetooth SIG-grupe,
• protokole razvijenih za potrebe industrijskih standarda,
• protokole razvijenih od strane ostalih (third-party) kompanija
‒ Ovi protokoli omogućavaju da postojeće i nove aplikacije budu operativne preko
Bluetooth veza.
‒ Protokoli razvijeni za industrijske standarde uključuju:
• Protokole tipa tačka-ka-tački (Point-to-Point Protocol - PPP)
• Internet protokol (Internet Protocol - IP)
• Transmisiono upravljački protokol (Transmission Control Protocol - TCP)
• Bežični aplikacioni protokol (Wireless Application Protocol - WAP)
• Protokol za razmenu objekata (Object Exchange Protocol - OBEX) 9
-
Bluetooth protokol stack
‒ Korišćenje već postojeće razvijenih protokola i "glatko" povezivanje sa postojećim
aplikacijama predstavljaju najveći izazov u razvoju Bluetooth aplikacija za SIG-ovu
grupu kompanija.
‒ Razlog je jednostavan:
‒ Što se veći broj aplikacija podržava od strane Bluetooth-a to je i masovnost
korišćenja veća, a indirektno i profit od prodaje uređaja veći.
‒ Protokoli Application grupe:
‒ Aplikacionu grupu čine aktuelne aplikacije koje koriste Bluetooth linkove. To su
legalno razvijene aplikacije kao i specijalne aplikacije za potrebe Bluetooth-a. 10
-
Bluetooth – piconet i scaternet
11
-
Bluetooth – master, slave, bridge
12
-
Bluetooth
‒ Međusobno povezani piconet-i u, okviru scatternet-a, formiraju backbone (kičmu) za
MANET (Mobile Area Network).
‒ MANET omogućava da dva uređaja koji su međusobno van dometa pokrivanja mogu
da razmenjuju podatke preko nekoliko skokova (hops) u scatternet-u.
‒ Tekuće primene Bluetooth-a se prvenstveno odnose na jednostavne veze tipa tačka-
ka-tački (point-to-point) između dva uređaja, koji se međusobno nalaze u dometu.
‒ Bluetooth nije samo povezivanje tačka-tačka.
‒ Cilj je da se formiraju Bluetooth scatternet-ovi koji će omogućiti efektivne i efikasne
komunikacije preko većeg broja preskoka sa prihvatljivim vremenskim odzivom i
malom (mikro) potrošnjom.13
-
Bluetooth – scatternet backbone
14
-
Bluetooth – scatternet backbone
‒ Do 10 piconet-a u jednu scatternet mrežu. (do 80 uređaja)
15
-
Bluetooth – piconet
‒ Kada se dva Bluetooth uređaja nađu u komunikacionom dometu, oni će pokušati da
međusobno komuniciraju.
‒ Ako piconet nije dostupan u tom trenutku, pokreće se proces pregovaranja. Jedan od
uređaja postaje master (obično je to onaj uređaj koji je inicirao komunikacije), a drugi
će biti slave.
‒ Svaki Bluetooth uređaj u okviru piconet-a može funkcionisati kao:
1) master, 2) slave, ili 3) bridge.
‒ Ove uloge su privremene i egzistiraju onoliko dugo dokle god postoji piconet.
‒ Master uređaj je taj koji bira frekvencije, tj. sekvencu frekventnog skakanja, tajming
(kada će se skok desiti), i redosled prozivke (polling) slave-ova. 16
-
Bluetooth – stanja uređaja
‒ Uređaj tipa bridge može biti slave u svim piconet-ovima na koje je povezan, ili može
biti master u jednom, a slave u drugom.
‒ Povezivanjem dva ili većeg broja piconet-ova preko uređaja tipa bridge formira se
Bluetooth scatternet.
‒ Bluetooth uređaj može biti u jednom od sledećih stanja:
1. pasivno (standby) 2. pretraživanje (inquiry)
3. stranično (page) 4. povezano (connected)
5. predaja (transmit) 6. zamrznuto (hold)
7. parkirano (park) 8. njuškanje (sniff)
17
-
Bluetooth – stanja uređaja
18
Standby
InquiryPage
(master)
Page
(slave)
Transmit Connected
Park Sniff Hold
-
Bluetooth – stanja uređaja
‒ Uređaj je u standby režimu rada kada je uključen na napajanje, ali još nije pridružen
piconet-u.
‒ On ulazi u stanje inquiry kada pošalje zahtev da bi pronašao druge uređaje na koje
može da se poveže.
‒ Master u postojećem piconet-u takođe može biti u page stanju. U ovo stanje ulazi u
trenutku kada pošalje poruku kojom pretražuje uređaje koje on može pozvati da se
pridruže njegovom piconet-u.
‒ Kada se ostvari uspešna komunikacija između master-a i novog uređaja, novi uređaj
preuzima ulogu slave-a, ulazi u stanje Connected, i prima aktivnu adresu. Kada je
povezan (connected), slave može da predaje samo kada je prozvan. 19
-
Bluetooth – stanja uređaja
20
Standby
InquiryPage
(master)
Page
(slave)
Transmit Connected
Park Sniff Hold
-
Bluetooth – stanja uređaja
‒ U toku prenosa svojih podataka, slave ulazi u stanje Transmit. Na kraju predaje on se
vraća u stanje Connected.
‒ Stanje Sniff karakteriše se mikropotrošnjom, tj. to je stanje u kome slave "odspava"
unapred određen broj vremenskih slotova. Nakon toga se uređaj ponovo vraća u
neaktivno stanje sve dok ne pristigne naredni naznačeni Sniff vremenski slot.
‒ Stanje Hold je drugo low-power stanje u kome slave nije aktivan za unapred određen
vremenski period. Ipak u toku Hold stanja ne postoji prenos podataka.
‒ Kada slave uređaj nema da prima podatke, master može da naredi slave-u da uđe u
stanje Park. Kada uđe u ovo stanje, slave se odriče svoje aktivne adrese u piconet-u,
koja se zatim dodeljuje drugom slave-u koga master reaktivira iz stanja Park. 21
-
Bluetooth – scatternet backbone
22
-
Bluetooth – frekvencija
‒ Bluetooth-ov primopredajnik je uređaj koji koristi FHSS (Frequency-Happing Spread-
Spectrum) tehniku rada u 2,4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical) frekventnom
opsegu.
‒ Kod najvećeg broja zemalja dostupno je 79 kanala, a kod malog broja 23. Nominalna
širina propusnog opsega svakog kanala je 1 MHz.
‒ Međunarodnim regulativama (kakva je američka FCC deo 15247) omogućava se
maksimalna predajna snaga na 1W, pri čemu se samo 75 od 79 kanala koristi na
pseudoslučajni način za potrebe FHSS-a.
‒ Uređaj ne može raditi na datom kanalu duže od 0,4 s u okviru perioda od 30 s.
23
-
Bluetooth – ograničenja
‒ Ova ograničenja (ili restrikcije) donešena su sa ciljem da se minimiziraju interferencije
u ISM opsegu (band-u) koji se takođe koristi od strane:
• uređaja koji svoj rad baziraju na 802.11 b/g standardima,
• kućnih RF uređaja,
• prenosivih telefona,
• mikrotalasnih ploči.
‒ Kada se povezuje sa drugim Bluetooth uređajima, Bluetooth uređaj u normalnom
režimu rada menja frekvenciju 1600 puta u sekundi, sa rezidentnim vremenom od 625 μs.
‒ Ali kada se nalazi u režimu pretraživanja Bluetooth uređaj skače 3200 puta u sekundi
sa rezidentnim vremenom od 312,5 μs.
24
-
Bluetooth
‒ Karakteristike:
25
• Bluetooth 5 je zvanično predstavljen 16. juna 2016. godine na konferenciji za medije.
• Od ove verzije glavni fokus razvoja je postavljen upravo na „Internet stvari“.
• Bluetooth 5.0 – uređaji mogu da koriste brzinu transfera do 2 Mbps, što je duplo više u
odnosu na Bluetooth 4.2.
• Uređaji mogu da komuniciraju na rastojanjima do 800 feet (ili 240 metara), što je 4
puta više od 200 feet (ili 60 metara) što je dozvoljavao Bluetooth 4.2.
-
RFID
26
-
RFID
• Radio frequency identification – RFID je sistem daljinskog slanja i prijema podataka
pomoću RFID kartica/odašiljača.
• RFID kartica je dosta mali objekat koji se može:
– zalepiti ili
– ugraditi u željeni proizvod i uređaj.
• RFID kartice sadrže u sebi antenu koja im omogućava prijem i slanje radio-talasa od
RFID primopredajnika.
• Neku veću primenu, RFID ima osamdesetih godina XX veka i brzo je zadobio veliku
pažnju zbog svoje sposobnosti da prati pokretne objekte.
27
-
RFID
• 1939. - korišćena od strane
saveznika da identifikuje
avione kao savezničke ili
neprijateljske korišćenjem
kodiranih radarskih signala i
identifikacionih tagova:
(IFF - Identification friend or
foe).
28
-
RFID – zašto se koristi?
• Primene:
– sigurna i jedinstvena identifikacija;
– dugotrajnost i izuzetna otpornost identifikatora na razne specifične uticaje okoline;
– nije potrebna direktna vidljivost, idealne su za primenu RFID tehnologije;
– RFID postiže 99,5 % do 100% očitanja u prvom skeniranju;
– RFID je bez pokretnih delova ili optičkih komponenti, održavanje je jednostavnije.
29
-
RFID
30
TRANSCOM is
the Department
of Energy
(DOE) satellite
tracking.
-
RFID
• RFID tehnologija koristi radio – talase za napajanje i razmenu podataka
između čitača i elektronskog taga.
• RFID tag je mikročip priključen na antenu koja služi za prijem podataka i
napajanja, u paketu koji je obično sličan nalepnici.
• Imaju široku primenu u pametnim okruženjima – saobraćaju, lancima
snabdevanja, zdravstvu, obrazovanju, itd.
• Nedostaci: nedovoljna pouzdanost i stabilnost.
31
-
RFID – osnovni elementi
• Transponder - izvedena je od termina transmitter/responder, prema funkciji tog
uređaja koji na transmisiju čitača odgovara (respond) podatkom.
• Osnovne komponente transpondera su:
– mikročip i antena, zaliveni u kućište otporno na uticaj okoline.
• Nekoliko karakteristika razvrstavaju RFID transpondere u različite grupe:
1. Način odnosno sredstvo napajanja,
2. Sposobnost čuvanja podataka, odnosno opcije programiranja,
3. Radna frekvencija i s time u vezi opseg (udaljenost) čitanja,
4. Fizički oblik,
5. Cena.
32
-
RFID – uređaj i tag
33
1. RFID uređaj (čitač, odnosno terminal za prikupljanje informacija) i
2. Transponder (RFID Tag):
a) Transponder (tag),
b) „Smart“ nalepnice i
c) RFID pločica (PCB).
-
RFID – princip rada
34
RFID TAG
ČIP + Kod
proizvoda
Proizvod Maksimalna
udaljenost
10-15 ft
1 ft = 30.48 cm
RFID čitač Ciljni inventar
Kako radi RFID?
-
RFID – primeri primene
• Nosilac informacije u obliku transpondera, nalepnice, ili PCB-a obično se postavlja na
objekt, ambalažu, paletu, kontejner ili čak na sam proizvod.
• Može putovati s objektom i na svakom koraku ga identifikovati.
• Podaci u transponderu mogu biti raznovrsni, a mogu identifikovati:
1. proizvod na traci,
2. robu u tranzitu,
3. lokaciju,
4. vozilo, takođe i
5. životinju ili osobu, ali mogu predstavljati i instrukcije o daljim postupcima.
35
-
RFID – primeri primene
36
-
RFID – primeri primene
37
-
RFID – načini čitanja i upisivanja
• Čitanje, kao i upisivanje u transponder moguće je izvršiti na sledeća tri načina a zavisi
od tipa memorije:
1. Read Only (R) – samo čitanje transpondera koji u procesu proizvodnje dobija svoj
jedinstveni serijski broj. Jednom smeštena informacija ne može se menjati.
2. Write Once Read Many (WORM) – korisnik sam programira memoriju transpondera,
ali podatak može upisati samo prvi put, nakon čega on ostaje permanentno
pohranjen.
3. Read/Write (R/W) – korisnik može mnogo puta upisati informaciju na transponder.
Read-write transponderi obično imaju serijski broj koji se ne može izbrisati, a podaci
koji se upisuju, dodaju se tome.
Read-write transponderi su korisni u kompleksnijim aplikacijama, ali budući da su
skuplji, nisu praktični za označavanje jeftinih proizvoda.
38
-
RFID – načini čitanja i upisivanja
• Read Only (R) – samo čitanje transpondera koji u procesu proizvodnje dobija svoj
jedinstveni serijski broj. Jednom smeštena informacija ne može se menjati.
39
-
RFID – načini čitanja i upisivanja
• Write Once Read Many (WORM) – korisnik sam programira memoriju transpondera,
ali podatak može upisati samo prvi put, nakon čega on ostaje permanentno
pohranjen.
40
-
RFID – načini čitanja i upisivanja
• Read/Write (R/W) – korisnik može mnogo puta upisati informaciju na transponder.
Read-write transponderi obično imaju serijski broj koji se ne može izbrisati, a podaci
koji se upisuju, dodaju se tome.
• Read-write transponderi su korisni u kompleksnijim aplikacijama, ali budući da su
skuplji, nisu praktični za označavanje jeftinih proizvoda.
41
-
RFID – napajanje
• Kao bi transponder radio potrebna mu je energija, u zavisnosti od tipa transpondera
energija potrebna za rad se meri u mikro ili mili vatima.
• Postoje tri načina napaja transpondera:
1. Energijom koja se dobija putem RF emisije od čitača – Pasivni transponder
2. Baterijom koja napaja čip – Polu-pasivni transponder
3. Sopstveno napajanje – Aktivni transponder
42
-
RFID – napajanje
• Poređenje pasivnog i aktivnog RFID u veličini.
43
Aktivni Pasivni
-
RFID – napajanje
44
-
RFID – frekvencije
• Svaka država upravlja frekvencijama u skladu s regulativom triju postojećih područja:
1. Evropa i Afrika predstavljaju Region 1,
2. Severna i Južna Amerika Region 2,
3. Australija i Azija Region 3.
• Postoji inicijativa za postizanje određenog stepena slaganja u pogledu korišćenja
frekvencijskih područja.
45
-
RFID – frekvencije
• RFID sistemi se klasifikuju u tri frekvenciona područja. Svako ima svoje karakteristike i
tipično područje primene:
1. Low Frequency – 100-500 kHz, a najčešće 125 kHz, najkraćeg dometa signala i
najmanje brzine očitavanja i prenosa;
2. High Frequency – 10-15 MHz, a najčešće 13,56 MHz, kratkog do srednjeg dometa
signala, srednje brzine očitavanja i prenosa;
3. Ultra High Frequency (UHF) – rade u rasponu od 433 – 915 MHz, i 2,45 GHz,
najvećeg dometa signala (pod FCC regulativom), veće brzine prenosa.
Kod ovih transpondera ne sme biti prepreke između čitača i transpondera – UHF
radio-talas ne prodire tako dobro kroz materijale i zahteva više energije za transmisiju
u datom opsegu nego talas niže frekvencije.
46
-
47
-
48
-
Reference
– Božidar Radenković, Marijana Despotović-Zrakić, Zorica Bogdanović, Dušan Barać,
Aleksandra Labus, Živko Bojović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Fakultet
organizacionih nauka. Univerzitet u Beogradu.
– Miloš Milutinović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Visoka škola akademskih
studija „Dositej“, Beograd.
– Milan Ponjavić, Vladimir Rajović, (2018). Projektovanje IoT sistema, Elektrotehnički
fakultet, Univerzitet u Beogradu.
49