Internet inteligentnih uređaja Bluetooth ‒ Veliki broj kompanija kakve su Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba, Microsoft, Motorola, i druge, članovi su Bluetooth Special Interest Group

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


‒ 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


‒ 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


‒ 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


‒ 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


18

Standby

InquiryPage

(master)

Page

(slave)

Transmit Connected

Park Sniff Hold


‒ 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


20

Standby

InquiryPage

(master)

Page

(slave)

Transmit Connected

Park Sniff Hold


‒ 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


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


36


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


• Read Only (R) – samo čitanje transpondera koji u procesu proizvodnje dobija svoj

jedinstveni serijski broj. Jednom smeštena informacija ne može se menjati.

39


• Write Once Read Many (WORM) – korisnik sam programira memoriju transpondera,

ali podatak može upisati samo prvi put, nakon čega on ostaje permanentno

pohranjen.

40


• 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

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

Documents

Internet inteligentnih uređaja Bluetooth ‒ Veliki broj kompanija kakve su Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba, Microsoft, Motorola, i druge, članovi su Bluetooth Special Interest Group