Bezdrátové komunikace v automatizační praxi II: standard Bluetooth

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi II: standard Bluetooth

1. Úvod do standardu Bluetooth

V roce 1998 byl vydán popis otevřeného standardu pro bezdrátové připojení zařízení na krátké vzdálenosti označeného jako Bluetooth. Standard byl koncipován pro jednoduché a stálé propojení mezi širokou škálou komunikačních zařízení, jako jsou telefony (celulární telefony, bezdrátové telefony), počítače, počítačové periferie, PDA, komunikační periferie apod. Vzhledem k parametrům standardu pronikají jeho aplikace i do průmyslového prostředí. Zde je využíván pro propojení senzorů, akčních členů, pro telemetrii a přenos informací v měřicích systémech.

Standard Bluetooth byl navržen jako bezdrátový komunikační standard, který využívá komunikační frekvenční pásmo ISM (Industrial, Scientific, Medical), jež je volně k použití za předpokladu dodržení závazných podmínek pro vyzářený výkon a technické řešení vysílače a přijímače (tzv. nelicencované pásmo). Volné použití pásma znamená, že není třeba žádat o přidělení frekvenčního pásma ani platit jakékoliv poplatky. Komunikace využívá techniku přeskakující rádiové frekvence (frequency hoping). Standard je koncipován tak, aby podporoval typy přenosů point-to-point i point-to-multipoint. Dosah standardního komunikačního uzlu je od 10 do 100 m. Celá specifikace protokolu je zdarma k dispozici na webových stránkách http://www.bluetooth.org [1], [2].

2. Historie Bluetooth

Standard Bluetooth vznikl jako produkt společného úsilí firem 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba, které počátkem roku 1998 daly vzniknout konsorciu SIG (Special Interest Group). Konsorcium v současné době (duben 2003) sdružuje téměř 2 000 firem zajímajících se o vývoj a aplikace standardu. Bluetooth je první globálně akceptovaná technologie kategorie PAN (Personal Area Network) a je zahrnuta do řady specifikací PAN IEEE 802.15 pod označením IEEE 802.15.1.

Název standardu – Bluetooth – pochází od švédské firmy Ericsson, která jej pojmenovala po vikingském panovníku Haraldu Bla°tandovi. Harald Bla°tand byl v letech 940–981 dánským králem a své přízvisko získal podle své tmavé pleti a tmavých vlasů. Blatand se sice přepisuje do angličtiny jako Bluetooth (tedy Modrý zub), ale označení pochází od tmavých vlasů a pleti, nikoliv od modrých zubů.

V červenci roku 1999 byla zveřejněna první specifikace standardu Bluetooth (Bluetooth 1.0). V současné době je platná specifikace Bluetooth verze 1.1. Podle neoficiálních zpráv je ve vývoji specifikace s označením Bluetooth 1.2, která má přinést přenosové rychlosti 2 až 3 Mb/s, a dále specifikace Bluetooth 2.0, u které se očekávají přenosové rychlosti 4, 8 a 12 Mb/s, podpora režimů multi-cast a broad-cast, schopnost udržet přenosy i po odstranění řídicí jednotky (master) z buňky pikonet, zavedení služby QoS (Quality of Service) a zrychlení odezev. Zveřejnění specifikace Bluetooth 2.0 se očekává nejdříve v roce 2004.

3. Topologie sítě

Struktura sítě je založena na buňkách piconet (obr. 1), což je základní komunikační buňka tvořená maximálně osmi jednotkami, kde se jediná jednotka chová jako řídicí jednotka (master) a ostatní jako podřízené jednotky (slave). Řídicí jednotkou se stává jednotka, která buňku piconet jako první vytváří. Tato jednotka je v každé buňce piconet pouze jedna, ale může tuto funkci na základě specifických požadavků předat jiné jednotce.

Organizační strukturou vyšší úrovně je buňka scatternet, která umožňuje koexistenci více buněk piconet ve stejné oblasti, a to tak, že nejsou omezeny schopnosti jednotlivých buněk piconet co do přenosových rychlostí a kapacit.

4. Technické řešení

4.1 Frekvenční pásma
Jak již bylo řečeno, specifikuje standard Bluetooth komunikaci mezi účastníky spojení pomocí rádiového spoje v pásmu ISM. To je pro většinu zemí světa (včetně ČR) 2 400 až 2 483,5 MHz. Provoz v tomto pásmu není vázán povolením nebo registrací ze strany ČTÚ (nelicencované pásmo). V tomto pásmu definuje standard 79 frekvenčních pozic se šířkou pásma 1 MHz, jejichž základní frekvence jsou dány vztahem

f_k = 2 402 + k

kde k je celé číslo, k = 0, 1 ... 78 a f_k frekvence (MHz).

Zařízení dodržující specifikaci normy Bluetooth jsou z hlediska maximálního vyzářeného výkonu rozdělena do tří kategorií, jak ukazuje tab. 1. V ČR je maximální povolený výkon vyzářený zařízením pracujícím v tomto pásmu 100 mW. Standard dále definuje, že výkonová třída 1 nesmí být použita k přenosu paketů mezi stanicemi v případě, že přijímací stanice nepodporuje mechanismus zpětného řízení výkonu vysílací strany. V tom případě smí vysílací strana odpovídat pouze výkonové třídě 2 a 3.

4.2 Základní koncepce komunikačního jednotky
Komunikační jednotka standardu Bluetooth (obr. 2) obsahuje:

• rádiový vysílač (2,4GHz Bluetooth radio), který zajišťuje samotný rádiový přenos,
• linkový ovladač (link controller), který ovládá rádiový vysílač,
• správce linky a I/O obvodů spoje (link manager & I/O), který zajišťuje komunikace mezi I/O obvody spoje a poskytuje uživateli terminálové rozhraní.

4.3 Definice kanálu
Kanál je reprezentován pseudonáhodnou sekvencí změn vysílací frekvence (přeskakující radiová frekvence – frequency hoping) mezi frekvenčními pozicemi 0 až 78 (kapitola 4.1). Všechny buňky piconet sdílejí stejné 80MHz frekvenční pásmo, avšak každá buňka piconet užívá odlišné sekvence změn pro rozmítání vysílací frekvence do 1MHz frekvenčních pozic.

Každý kanál je rozdělen do stejně dlouhých časových rámců (doba trvání časového rámce činí 625 µs). Existují dva druhy časování kanálů – TDD a multi-slot. Časování TDD odpovídá situaci, v níž se řídicí a řízená jednotka postupně střídají ve vysílání, a časování multi-slot odpovídá využití přeskokové sekvence pro přenos tak, že paket může obsadit více než jeden rámec.

4.4 Synchronní a asynchronní přenos
Standard Bluetooth umožňuje využívat dva typy komunikačních kanálů, které se diametrálně liší přenosovými schopnostmi: asynchronní (ACL, Asynchronous Connectionless) a synchronní (SCO, Synchronous Connection Oriented). Oba je možné využít k zajištění přenosů dat podle požadavků jednotlivých jednotek. Pro zajištění komplikovanějších přenosů, kombinujících oba typy kanálů, je možné v průběhu spojení měnit typ kanálu.

Kanál typu ACL využívá časování multi-slot, přičemž je možné dosáhnout přenosové rychlosti 721 kb/s v jenom směru a 57,6 kb/s v opačném směru (asymetrický kanál), popř. 433 kb/s v obou směrech (symetrický kanál). Uvedené přenosové rychlosti platí za předpokladu, že se nevyužívá možnost opravy chyb při přenosu. Kanál typu SCO dovoluje realizovat přenos dat rychlostí 64 kb/s v synchronním režimu. Tento typ kanálu se využívá pro přenos dat, u kterých jsou zvýšené nároky na časový determinismus datového toku.

Obecně lze říci, že kanál typu ACL je vhodný k přenosu běžných dat a jeho výhodou je větší přenosová rychlost. Využívá se také pro přenos dat zajišťujících a řídících komunikaci v rámci buňky. Kanál typu SCO je vhodný pro přenos zvuku a obrazu.

4.5 Podpora a implementace standardu
Mikroelektronické komponenty pro konstrukci komunikačních jednotek Bluetooth vyrábí široká skupina producentů. Většinou jde o vícečipová řešení, kde jeden čip zastává řídicí funkce a druhý čip zajišťuje rádiový přenos informace a modulaci. Příkladem může být řešení firmy Ericsson (obr. 2).

Komunikační čipy standardu Bluetooth vyrábějí v podstatě všichni větší výrobci mikroelektronických součástek. Jako příklady lze jmenovat firmy Ericsson, Motorola, Cambridge Silicon Radio, OKI, Atmel, Conexant Systems, Fujitsu Limited nebo Hitachi Ltd.

5. Komunikační profily a architektura přenosových protokolů

5.1 Architektura přenosových protokolů standardu Bluetooth
Na obr. 3 je znázorněna architektura přenosových protokolů, jak ji definuje standard Bluetooth.

5.1.1 Baseband, link layer control
Vrstvy baseband a link layer control umožňují realizovat fyzické propojení s dalšími jednotkami v rámci buňky piconet. Starají se o základní synchronizaci a řídí komunikaci pomocí algoritmu pseudonáhodné přeskokové sekvence. Spravují oba dva typy kanálů definovaných ve standardu Bluetooth – SCO a ACL.

5.1.2 Link manager protocol
Vrstva link manager protocol (LMP) je zodpovědná za navázání spojení mezi jednotkami Bluetooth. Je rovněž zodpovědná za řízení a sestavení komunikace, potažmo dohodnutí délky paketů používaných ke komunikaci. Tato vrstva také zodpovídá za řízení napájecích módů a s tím související řízení spotřeby. Další důležitou činností je generování, výměna a řízení kanálu a výměna šifrovacích klíčů pro autentifikaci a šifrování.

5.1.3 Host controller interface
Vrstva host controller interface (HCI) poskytuje jednotné rozhraní a jednotnou metodu přístupu k hardwaru Bluetooth. Obsahuje příkazové rozhraní, správu kanálu a monitor stavu hardwaru, dále řídicí registry a registry událostí.

5.1.4 Logical link control and adaptation protocol
Vrstva logical link control and adaptation protocol (L2CAP) poskytuje služby vyšším vrstvám pro spojované (connection-oriented) a nespojované (connectionless-oriented) datové přenosy. Obecně zastává tyto úlohy:

• Multiplexing: podporuje multiplexování několika typů protokolů, které jsou definovány vyššími vrstvami architektury protokolů Bluetooth. Jde hlavně o protokoly SDP, RFCOMM a TCS Binary, popsané v dalších kapitolách.

• Segmentation and Reasembly: vrstva je zodpovědná za rozdělení a opětovné složení datových paketů přesahujících maximální přípustnou délku přenášených paketů (Maximum Transmission Unit, MTU). Dlouhé pakety musí být před odesláním rozděleny a přijímací strana musí opět inverzně zrekonstruovat z přenesených paketů celý datový rámec.

• Quality of Services: úloha zajišťuje předem dohodnuté a definované parametry, jako jsou přenosová rychlost a zpoždění.

• Groups: další úlohou vrstvy je implementace práv pro mapování skupin jednotek do buňky piconet.

5.1.5 Radio frequency communications port
Protokol radio frequency communications port (RFCOMM) slouží jako emulace protokolu sériového portu. Protokol je vhodný pro aplikace používající k přenosu dat klasický sériový port a sériový protokol. Z tohoto důvodu je protokol RFCOMM vybaven emulací řízení portu RS-232 a ovládání signálů přes fyzickou vrstvu Bluetooth. Protokol poskytuje služby vyšším vrstvám, které používají pro přenos dat sériovou linku.

5.1.6 Service discovery protocol
Protokol service discovery protocol (SDP) definuje, jakým způsobem klientská jednotka Bluetooth hledá využitelné služby serverů Bluetooth. Jsou definovány mechanismy, jak může klientská stanice vyhledávat služby serverů bez apriorní z nalosti o jejich existenci. Součástí služeb je prozkoumávání nově dostupných služeb v síti a také detekce služeb, jejichž poskytování bylo ukončeno.

5.1.7 Telephony control – binary
Protokol telephony control – binary (TCS Binary) je bitově orientovaný protokol definující řízení, sestavení přenosové linky a přenos hlasu a dat mezi jednotkami Bluetooth.

5.1.8 Audio
Standard Bluetooth definuje služby pro přenos zvuku mezi jednou nebo více jednotkami Bluetooth. Přenos zvuku nevyužívá služby vrstvy L2CAP, ale je po otevření a sestavení přenosové linky mezi dvěma jednotkami Bluetooth zajišťován přímo.

5.2 Protokoly vyšších vrstev nezávislé na architektuře přenosových protokolů Bluetooth

5.2.1 Telephony control – AT commands
Standard Bluetooth podporuje skupinu servisních příkazů AT, obvykle využívaných pro řízení a konfiguraci sériových telefonních modemů. Příkazy AT jsou textové příkazy, přičemž je plně definována jejich syntaxe. Tato služba využívá vrstvu RFCOMM, emulující služby sériového portu, a umožňuje komunikaci s jednotkou Bluetooth pomocí textových příkazů.

5.2.2 Point-to-point
Protokol point-to-point (PPP) je paketově orientovaný protokol. Je součástí např. TCP/IP, kde se využívá k přenosu paketů IP přes sériové rozhraní RS-232, potažmo pro přenos paketů IP v rámci komutovaných linek přes modem. Protokol využívá k zajištění spojení služby vrstvy RFCOMM.

5.2.3 Protokoly TCP-IP
Skladba protokolů TCP/IP slouží k propojení jednotky Bluetooth se zařízeními na internetu. Aplikace využívající k přenosu dat protokol IP je přenášejí přes protokol PPP, který je dále předává vrstvě RFCOMM. V budoucnu se počítá s využitím protokolu OBEX, který je charakterizován dále v textu.

5.2.4 WAP
Wireless application protocol (WAP) je protokol pro bezdrátovou komunikaci, určený ke zpřístupnění internetových služeb v rámci různých bezdrátových komunikačních síťových řešení. Protokol WAP je primárně vytvořen pro mobilní zařízení. Bluetooth může být v tomto ohledu bázovou bezdrátovou sítí pro přenos informací od řídicí jednotky WAP ke klientu WAP. V kontextu Bluetooth se počítá s využitím protokolu WAP k předávání lokálních dat do přenosných zařízení v případě přihlášení klientské stanice do zóny spravované řídicí jednotkou.

5.2.5 Protokol OBEX
Protokol OBEX (OBject EXchange) je volitelný protokol aplikační vrstvy navržený k výměně dat a řídicích informací pro jednotky podporující komunikaci prostřednictvím infračerveného paprsku. Protokol využívá architekturu klient-server a je nezávislý na transportním mechanismu a přenosovém programovém rozhraní. OBEX používá RFCOMM jako hlavní transportní protokol.

5.3 Profily v Bluetooth
Jednotky komunikující prostřednictvím standardu Bluetooth používají pro definici svých vlastností tzv. komunikační profily. Profily definují služby, které jednotlivá zařízení nabízejí a nebo poskytují svému okolí. Specifikace Bluetooth verze 1.1 definuje celkem třináct profilů zařízení, uvedených v tab. 2.

Tab. 2. Přehled profilů definovaných standardem Bluetooth 1.1

6. Bezpečnost a spolehlivost přenosu

V každé jednotce Bluetooth je zabezpečení přenosu zajišťováno na několika úrovních. Každá jednotka Bluetooth má unikátní 48bitovou adresu zařízení (BD_ADDR). Dále jednotka využívá 128bitový autentifikační privátní klíč, 8bitový až 128bitový šifrovací klíč a 128bitové pseudonáhodné číslo. Pro generování klíčů se ještě využívá PIN v délce do 128 bitů. Na základě využití těchto čísel je možné provozovat zařízení v různých úrovních zabezpečení.

Profil GAP definuje úrovně zabezpečení takto:

• zabezpečovací mód 1: žádné zabezpečení,
• zabezpečovací mód 2: zabezpečení na úrovni služeb (ne všechny služby jsou dostupné pro všechna zařízení),
• zabezpečovací mód 3: zabezpečení na úrovni linkové vrstvy (přenos probíhá po zašifrovaném kanálu).

Co se týče zařízení, jsou z hlediska poskytovatele služeb rozdělena na důvěryhodná (trusted devices) a nedůvěryhodná (untrusted devices). Z hlediska služeb se poskytované služby dělí na služby, u kterých se vyžaduje jak autentifikace (ověření identity zařízení), tak autorizace (oprávnění k využití služby), služby, u kterých se vyžaduje pouze autentifikace, a služby, které jsou dostupné všem zařízením.

7. Oblasti použití a možnosti aplikací v průmyslu

Bluetooth byl zamýšlen primárně pro zajištění komunikace na krátké vzdálenosti mezi periferiemi a výpočetními systémy, pro mobilní zařízení a obecně pro domácí a kancelářské aplikace. Nástup standardu byl relativně pomalý, ale v současné době se stále více prosazuje, nehledě na rozvoj konkurenčních standardů. Jako typické aplikace je možné uvést konkrétní řešení uvedená v tab. 3.

Tab. 3. Typické aplikace

Tab. 4. Seznam použitých zkratek

Tab. 5. Internetové odkazy (zhlédnuto 3/2003)

Implementace Bluetooth, vzhledem k jeho funkčním schopnostem, pronikají i do průmyslového prostředí.

Existující průmyslová zařízení jsou buď konvertory RS-232 na Bluetooth, které v dnešní době vyrábí množství firem, nebo zařízení, u kterých bylo sériové rozhraní nahrazeno rozhraním Bluetooth s profilem K5 (serial port profile). Zástupcem těchto zařízení jsou např. měniče frekvence Fuji Electric, které lze po doplnění o kartu AnyBus-S Bluetooth konfigurovat přes Bluetooth z aplikace běžící na přenosném počítači. Rovněž firma ABB vyvíjí modifikované varianty svých řídicích členů, ve kterých nahradí rozhraní RS-232 rozhraním Bluetooth. Příkladem může být také švédská firma connectBlue AB, která vyrábí a dodává převodníky standardu Bluetooth na komunikační kanál RS-232/RS-485/RS-422 pro aplikace typu cable-replacement s možností komunikace point-to-multipoint, jak zobrazuje ideový obr. 4.

Zajímavým řešením může být využití převodníků standardu Bluetooth na jiné standardní sériové průmyslové sběrnice. Existujícím příkladem je CANblue firmy connectBlue AB, umožňující připojit zařízení se standardní komunikační sběrnicí CAN k nadřízenému systému (obvykle PC nebo notebooku), kde se v operačním systému jeví jako virtuální sériový port. Toto řešení je vhodné pro monitorování těžko dostupných zařízení komunikujících po sběrnici CAN.

Využití standardu pro začlenění do průmyslových systémů se nabízí, avšak realizací a implementací je zatím relativně málo. Existující implementace se postupně prosazují v oblasti telemetrie a sběru dat. Vývoj aplikací, včetně aplikací průmyslových, je však poměrně nákladný. Navíc specifikace Bluetooth, vzhledem ke svému původnímu zaměření, neobsahuje profily zařízení přímo použitelných v oblasti automatizace.

Do budoucna se očekává poměrně úspěšné proniknutí Bluetooth do těch aplikací, které vyžadují komunikovat se zařízeními umístěnými v obtížně dostupných místech (např. na jeřábech), a rovněž se očekává úspěšné proniknutí do aplikací s vysokými nároky na čistotu (farmaceutický průmysl), kde Bluetooth nahradí kabely a konektory, jež jsou vždy z hlediska udržení vysoké čistoty problematické. Souběžně s využitím standardního profilu K5 lze očekávat výskyt proprietárních řešení, která využijí Bluetooth pouze jako fyzickou vrstvu pro zajištění komunikace, a specifické potřeby jednotlivých zařízení budou řešeny mimo standardní profily.

Ing. Zdenek Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář, T-Mobile Czech Republic, a. s.
Lektoroval: Ing. Josef Čapek, Ph.D., FEL ČVUT Praha
(capekj@vision.felk.cvut.cz)