Введение
ГЛАВА 1. ИНТЕРФЕЙС BLUETOOTH И BLUETOOTH LOW ENERGY РАЗЛИЧИЯ, ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА, СТЕКИ ПРОТОКОЛОВ 5
1.1 Интерфейс Bluetooth 5
1.2 Интерфейс Bluetooth 4.0 6
1.3 Интерфейс Bluetooth Low Energy 8
1.4 Структура стека 10
1.5 Физический уровень (Physical layer) 12
1.6 Канальный уровень (Link Layer) 14
1.7 Уровень узла сети 20
1.8 Эксплуатационные характеристики Bluetooth с низким
энергопотреблением 25
1.9 Выводы 30
ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИЯ МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ BLE ДЛЯ ЗАДАЧ ТЕЛЕМЕТРИИ ТРАНСПОРТА, РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ И АППАРАТНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ 31
2.1 Система беспроводной передачи данных 31
2.1.1 Требования к системе передачи данных 34
2.1.2 Топология, протокол обмена , алгоритмы реализации протокола . 35
2.2 ПРОГРАММНО АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ СИСТЕМЫ 47
2.2.1 Обзор систем на кристалле (СнК) или System on Chip (SoC) 47
2.2.2 Беспроводной датчик уровня топлива 53
2.2.3 База беспроводных датчиков телеметрии 64
2.2.4 База для настройки датчиков с интерфейсом USB 67
2.2.5 Временные параметры соединения и потребление 70
2.2.6 Приложение на Android и IOS 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 80
Современный динамично меняющийся мир невозможно представить без средств передвижения - повсеместно используются как легковые автомобили, так и грузовые транспортные средства. Для контроля за состоянием и местоположением транспорта применяются системы, как правило состоящие из трекера (устройства определяющего положение транспорта при помощи систем Glonass и GPS) и совокупности телеметрийных датчиков, определяющих различные параметры транспортного средства. Самыми часто используемыми и устанавливаемыми датчиками являются высокоточные датчики уровня топлива (ДУТ) .
До недавнего времени в связи с отсутствием подходящих радиоинтерфейсов коммуникация всех телеметрийных датчиков производилась при помощи проводов, чаще всего по интерфейсу RS-485. Использование проводных устройств обуславливает необходимость внесения изменения в конструкции отдельных узлов и агрегатов для обеспечения прокладки проводов. Основными проблемами, с которыми сталкивались разработчики было высокое потребление датчика, что затрудняло его автономную работу, либо низкая распространенность конкретной беспроводной технологии связи, которая сильно ограничивала интеграцию с уже имеющимися устройствами . С появлением технологии Bluetooth c низким энергопотреблением (BLE) удалось решить эти проблемы, благодаря сверхнизкому энергопотреблению и большой распространенности устройств на базе BLE.
В данной работе будут рассмотрены теоретические и практические аспекты разработки беспроводной системы телеметрии транспорта на основе технологии Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), не имевшей на момент разработки аналогов среди серийно выпускаемой продукции в России и за рубежом.
Исследования, описываемые в работе, были представлены на итоговой научно-образовательной конференции студентов Института Физики (Казань, 2019 г.). По итогам конференции были выпущены тезисы «Технология Bluetooth c низким энергопотреблением (BLE) и проектирование устройств на основе данной технологии» и статья «Технология Bluetooth c низким энергопотреблением (BLE) и проектирование устройств на основе данной технологии». Кроме того, была выпущена статья «Разработка беспроводного емкостного датчика уровня топлива на основе технологии Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE)» в журнале Молодой учёный №9 (247) март 2019 г. На все устройства, описанные в работе, имеется акт о внедрении, и они находятся на стадии серийного производства.
Цель научной работы: разработать систему беспроводной передачи данных на основе технологии BLE для задач телеметрии транспорта.
Поставленная цель потребовала выполнения следующих задач:
1. Рассмотреть существующие версии Bluetooth , сравнить с Bluetooth Low Energy и провести сравнительный анализ между стеками протоколов.
2. Рассмотреть современные аппаратные решения для разработки устройств на базе Bluetooth Low Energy.
3. Разработать систему передачи данных, основываясь на преимуществах технологии Bluetooth Low Energy, и исходя из требований к системе, разработать протокол взаимодействия с устройствами телеметрии.
4. Подобрать аппаратную базу и изготовить прототип беспроводного датчика уровня топлива, основываясь на требованиях к системе.
5. Разработать мобильное приложение на ОС IOS, Android, осуществляющее взаимодействие с датчиками.
В результате выполненной работы была достигнута цель по разработке беспроводной системы телеметрии транспорта на основе технологии Bluetooth с низким энергопотреблением. В ходе работы были решены следующие задачи:
1. Проведен сравнительный анализ между стеками протоколов Bluetooth Classic и Bluetooth Low Energy, выявлены особенности реализации стека BLE.
2. Рассмотрены современные аппаратные решения для реализации устройств BLE, по совокупности параметров была подобрана СнК для реализации устройств системы.
3. Разработана система телеметрии, на основе концепции мониторинга транспорта, которая включала в себя разработку протоколов обмена между устройствами сети, разработку устройств - их аппаратной и программной части (датчик уровня топлива, база беспроводных датчиков). Проведены теоретические и практические расчеты потребляемого тока датчиков. Разработаны и изготовлены печатные платы устройств. Изготовлены опытные образцы устройств, а затем устройства были внедрены в серию.
4. Разработаны мобильные приложения для ОС Android и IOS, которые в рамках системы позволяет взаимодействовать и настраивать телеметрийные датчики.
Высокая распространенность и интеграция технологии BLE в обществе (фитнес трекеры, маячки), общая тенденция к разработке устройств IOT (интернета вещей) и преимущества, которые обеспечивает данная технология вызывает высокий интерес со стороны пользователей систем мониторинга. Кроме того, на момент разработки система и устройства, входящие в систему, не имели аналогов, поэтому она имеет большое конкурентное преимущество и ее дальнейшая разработка несет большую экономическую выгоду.
Кроме устройств, описанных в работе были спроектированы и разработаны датчик температуры и освещенности, и датчик угла наклона и вращения, оснащенный акселерометром. Все описанные устройства находятся на стадии серийного производства на них оформлена соответствующая конструкторская документация.
