Материал: Пояснительная записка к диплому

1.1.2 Стандарт Wi-Fi

Стандарт Wi-Fi, или IEEE 802.11a/b/g/n, является самым распространённым техническим решением организации беспроводной TCP/IP сети для пользовательских и промышленных устройств. Этот стандарт беспроводной передачи данных был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Рассмотрим подробнее спецификации стандартов Wi-Fi.

802.11b

Стандарт 802.11b использовал частоту 2,4 ГГц, как и оригинальный стандарт 802.11. Поддерживал максимальную теоретическую скорость в 11 Мбит/с и имел дальность связи до 45 метров. Дешевый в эксплуатации, но среди остальных стандартов он имел самую низкую максимальную скорость передачи данных. Это связано с тем, что на частоте 2,4 ГГц работают различные бытовые приборы, которые могут создавать помехи [1, с. 205].

802.11a

Стандарт 802.11а вышел одновременно с 802.11b, но в отличии от него имел более сложную модуляцию, известную как OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), для генерации беспроводного сигнала. Этот стандарт работал в менее загруженном частотном диапазоне 5 ГГц, что делало его более помехоустойчивым, и обладал теоретической максимальной скоростью передачи данных 54 Мбит/с [1, с. 208].

802.11g

Стандарт 802.11g использовал ту же модуляцию OFDM, что и 802.11a. Как и 802.11a, он поддерживал максимальную теоретическую скорость 54 Мбит/с. Но, как и 802.11b, он работал на переполненной частоте 2,4 ГГц (и поэтому был подвержен тем же проблемам с помехами, что и 802.11b) [1, с.

209].

Благодаря 802.11g потребители получили значительный прирост скорости и зоны покрытия Wi-Fi.

802.11n

Современный стандарт 802.11n используется по сей день. Он работает на частотах 2,4 и 5 ГГц, и теоретических может поддерживать максимальную скорость передачи данных 300 Мбит/c. Стандарт 802.11n использует технологию MIMO (метод пространственного кодирования сигнала), при которой несколько передатчиков/приемников могут одновременно работать

на одном или обоих концах канала связи с одним устройством. Это обеспечивает значительное увеличение объема данных без необходимости увеличения пропускной способности или мощности передатчика [1, с. 203].

802.11ac

Сверхмощный стандарт, максимальная скорость передачи которого варьируется от 433 Мбит/с до нескольких гигабит в секунду. Для достижения такой производительности стандарт работает исключительно на частоте 5 ГГц, использует ширину канала до 80 МГц и поддерживает до восьми пространственных потоков (по сравнению с четырьмя потоками 802.11n) [1, с.

206].

Беря в расчет ключевые особенности стандарта Wi-Fi можно выделить следующие достоинства:

1.Компактность устройств;

2.Высокая производительность;

3.Большое разнообразие модулей под разные задачи;

4.Высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей.

Стандарт Wi-Fi находит применение в следующих системах [2, с. 501]:

1.Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi применяются в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.

2.Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi применяются наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.

3.Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

1.1.3 Стандарт Bluetooth

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. Основным преимуществом технологии Bluetooth по сравнению с другими коммуникационными технологиями является дешевизна. Технология передачи данных, сравнимая с Bluetooth, — это IrDA или инфракрасная связь, очень похожая на ту, которую устройства дистанционного управления используют для управления телевизором, стереосистемой, кондиционером и т. д. Однако большим недостатком этого типа технологии является требование, чтобы два устройства были в пределах видимости друг друга для передачи. Управлять инфракрасными устройствами можно только направив пульт дистанционного управления непосредственно на устройство или совместив инфракрасные порты обоих устройств с поддержкой ИК [8, с. 2].

Устройства Bluetooth могут связываться друг с другом, даже если они не находятся в одной комнате. На самом деле, даже при низком энергопотреблении устройство Bluetooth может связываться с другим устройством, находящимся в радиусе десяти метров, независимо от стен, окон или других физических препятствий. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием. Как было указано в таблице 1, существует всего три класса устройств Bluetooth, если градировать их по излучаемой мощности: 1- й — до 100 метров (до 100 мВт); 2-й — до 10 метров (до 2,5 мВт); 3-й — до 1 метра (до 1 мВт).

Для определения модели действия при установлении соединения между различными типами устройств в технологии Bluetooth введено понятие профиль. Данным термином обозначается набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки.

В соответствии с характером взаимодействия со внешними устройствами и приложениями, архитектуру всех имеющихся модулей Bluetooth можно разделить на три типа [2, с. 3].

Модули с двухпроцессорной архитектурой не содержат программного высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей. Это означает, что необходимые профили Bluetooth должны быть реализованы на внешнем процессоре. Взаимодействие внешнего процессора с модулем

происходит через виртуальный интерфейс HCI (Host Controller Interface). В конкретном случае HCI может быть реализован через аппаратный интерфейс

SPI или UART.

Наиболее распространены модули Bluetooth со встроенной двухпроцессорной архитектурой. Такая архитектура подразумевает наличие высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей непосредственно во внутреннем процессоре модуля. В этом случае приложение, работающее на внешнем процессоре, взаимодействует с модулем Bluetooth через аппаратные интерфейсы.

Однопроцессорная архитектура является наименее распространенной. Для ее реализации разработчик должен создать специальное приложение, которое будет работать на внутреннем процессоре модуля Bluetooth. В этом случае модуль превращается в автономное устройство, доступ к которому через внешние аппаратные интерфейсы закрыт [8, с. 5].

Принадлежность модуля к той или иной архитектуре может определяться как его аппаратной реализацией, так и внутренним программным обеспечением. Например, в конкретном случае один и тот же Bluetooth-модуль может быть отнесен к любому из трех типов архитектуры, в зависимости от типа прошивки, загруженной во внутренний процессор модуля. Данный подход является наиболее популярным среди зарубежных производителей.

Рассмотрим поподробнее поколения Bluetooth [8, с. 6].

Bluetooth 1.0a и 1.0b имели пиковую скорость передачи данных 732,2 Кбит/с, а максимальную дальность связи 10 метров. Ревизия 1.2 немного улучшила характеристики, увеличив пиковую скорость передачи данных до 1 Мбит/c.

Bluetooth 2.0 был самым настоящим прорывом. Дальнейшее развитие технологии Bluetooth было связано с увеличением глобального спроса на устройства с поддержкой Bluetooth. В этом поколении пиковая скорость передачи данных увеличилась до 3 Мбит/c, а максимальная дальность связи возросла до 30 метров.

Bluetooth 3.0 воспользовался технологией Wi-Fi для увеличения скорости передачи данных. Пиковая скорость возросла до 24 Мбит/c, а максимальная дальность связи осталась без изменений.

Bluetooth 4.0 значительно уменьшил энергопотребление при той же пиковой скорости 24 Мбит/c, а также внедрил защиту от перекрестных помех

при совместной работе с LTE-модулями.

Принимая все вышеперечисленное, можно выделить следующие достоинства стандарта Bluetooth [9, с. 170]:

1.Высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей;

2.Защита передаваемых данных;

3.Низкая стоимость;

4.Высокая дальность действия (до 1000 м);

5.Универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев практически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения [9, с. 171]:

1.Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления.

2.Системы удаленного управления и телеметрии. Здесь устройства Bluetooth могут использоваться наряду с модулями технологий Wi-

Fi, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц.

3.Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth. Это применение характерно в основном для зарубежных производителей.