Введение 3
1. Выбор беспроводной системы связи 5
1.1. Wi-Fi 5
1.2. ZigBee 6
1.3. Z-Wave 7
1.4. Bluetooth Low Energy 8
2. Технология bluetooth low energy 10
2.1. Основные положения 10
2.2. Уровни контроллера 11
2.3. Уровень узла сети 14
2.4. Режимы работы BLE устройств 16
3. Подключение датчиков к микроконтроллеру Nrf52832 20
3.1. Отладочная плата nRF52 DK 20
3.2. Подключение дискретных датчиков 25
3.3. Подключение аналоговых датчиков 28
3.4. Подключение цифровых датчиков 30
4. Реализация профилей BLE устройств 34
4.1. Структура профилей 34
4.2. Используемые инструменты 37
4.3. Передача данных с дискретного датчика 39
4.4. Передача данных с аналогового датчика 44
4.5. Передача данных с цифрового датчика 49
5. Испытания профилей 52
Заключение 58
Список литературы 59
В настоящее время системы телеметрии широко применяются как в промышленности, так и в бытовой сфере. Поэтому особую актуальность приобретает проблема построения новых телеметрических систем, обычно представляющих собой различного рода аппаратно-программные комплексы. Можно выделить следующие этапы построения
аппаратно-программных комплексов сбора и передачи данных:
1. Выбор технологии передачи данных;
2. Поиск устройств, которые поддерживают выбранную технологию передачи данных;
3. Подключение необходимых узлов или датчиков к устройствам и их настройка;
4. Реализация передачи данных с использованием выбранной технологии. Существует множество технологий передачи данных, которые могут быть применены при построении телеметрических систем. Особую популярность имеют беспроводные технологии, поскольку отсутствие проводных соединений вносит дополнительную гибкость при развертывании системы. Наиболее популярные из них: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, Z-Wave, GSM. В данной работе в качестве стандарта для передачи информации выбран Bluetooth Low Energy - версия Bluetooth с низким энергопотреблением. BLE приобретает все большую популярность и используется в таких отраслях как медицина, спорт, промышленность в качества средства для общения с различными датчиками.
Цель работы — реализация профилей Bluetooth Low Energy - устройств аппаратно-программного комплекса сбора данных. Данные профили разрабатываются для взаимодействия с датчиками различной природы и позволят упростить процесс создания аппаратно-программных комплексов, основанных на технологии Bluetooth Low Energy. Их использование ускорит процесс развертывания телеметрических комплексов за счет того, что часть этапов построения комплексов будет заложена в соответствующих профилях. В качестве BLE - устройства в работе будет использован микроконтроллер nRF52832. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие беспроводные системы, которые могут быть применены в телеметрии;
2. Изучить стек протоколов Bluetooth Low Energy;
3. Изучить интерфейсы микроконтроллера nRF52832;
4. Реализовать профили BLE-устройств для взаимодействия с датчиками различной природы и исполнительными устройствами и объединить их в одну библиотеку, которая позволила бы разработчику абстрагироваться от задач сопряжения устройств и построения радиосети и тем самым упростить и ускорить процесс разработки аппаратно-программных комплексов сбора и передачи данных;
5. Протестировать работу профилей на микроконтроллерах nRF.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были изучены различные технологии беспроводной передачи данных, которые могут быть использованы в аппаратно-программных комплексах сбора данных.
В качестве стандарта для передачи данных был выбран Bluetooth Low Energy, имеющий некоторые преимущества перед другими системами при решении задач, связанных с телеметрией, наиболее важными из которых является низкое энергопотребление, увеличенная дальность, доступность устройств.
В практической части работы были реализованы профили BLE - устройств аппаратно-программного комплекса сбора данных и объединены в одну библиотеку. Они могут быть легко адаптированы разработчиком при построении телеметрических комплексов, за счет введения абстракций при сопряжении устройств и построении радиосети, что позволяют разработчику гибко менять параметры подключаемых устройств и параметры соединения по BLE. Также существует возможность записи некоторых команд или данных в характеристики профилей с мобильного устройства, что позволяет управлять различными нагрузками. Использование профилей сократит время развертки систем сбора данных за счет их универсальности. Работа профилей была протестирована на микроконтроллерах nRF с помощью подключения различных датчиков. Подключаемые к микроконтроллерам аналоговые датчики могут иметь напряжение в пределах от 0 до VDD (3.3 В), а частота дискретизации АЦП микроконтроллера может принимать значения от 2 105 Гц до 25 103 Гц. Для цифровых датчиков скорость передачи по шине SPI может изменяться от 125 кбит/c до 8 Мбит/c.
Таким образом, достигнута цель выпускной квалификационной работы и решены все поставленные задачи.
