Беспроводные технологии в робототехнике Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee и другие

Время чтения: 25 минут

Важность рассматриваемых технологий в условиях всеобщей автоматизации огромна. Например, в IoT (Internet of Things — интернет вещей) или при внедрении концепции умного дома соединение между собой различных IoT-устройств проводами в условиях современного города не всегда технически возможно и, зачастую, экономически нецелесообразно.

Последние годы активно развивается IioT (Industrial Internet of Things — промышленный интернет вещей), который создан для управления технологическими процессами и целыми промышленными объектами без непосредственного участия человека. Здесь проблемы с коммуникациями такие же, как и в IoT.

В транспортной робототехнике иные каналы коммуникаций, кроме беспроводных, в принципе неприменимы. К технологиям связи в робототехнике предъявляются следующие основные требования:

Выполнение последнего пункта необходимо для организации безинерционного управления различными полуавтоматическими приборами. Промышленное применение радиосвязи специфично, из чего вытекает ряд дополнительных требований:

Рассмотрим особенности радиотехнологий, наиболее часто применяемых в робототехнике.

Есть разные модификации этого стандарта. В таблице ниже приведены характеристики различных версий Bluetooth.

Примечания:*-с полосой 1 МГц. **-с полосой 2 МГц.

В таблице использовано следующие обозначения профилей этой спецификации:

Первая спецификация 1.0 появилась в 1999 году. Затем одна за другой вышли версии 1.1 и 1.2, в которых были устранены некоторые недостатки релиза 1.0. Главное достижение этих разработок состояло в том, что они не создавали взаимных помех и не мешали другим радиосредствам, работающим в том же диапазоне благодаря функции AFH (Adaptive Frequency Hopping — адаптивная скачкообразная перестройка частоты).

Версия 2.0 увидел свет в 2004 году, а вскоре появилась версия 2.1. В ней была увеличена скорость передачи и улучшена безопасность сопряжения рассматриваемых устройств.

Пять лет спустя, в 2009 году, был представлен Bluetooth 3.0, в котором велась передача информации на скорости до 24 Мбит/с. Цена такого достижения — значительная (по сравнению с другими версиями) потребляемая мощность.

Изделия BLE (Low Energy — малое энергопотребление) релизов 4.0–4.2 начали появляться в 2010–2014 годах. Разработчики добились рекордно малой потребляемой мощности, внедрили алгоритмы обеспечения конфиденциальности, расширили спектр передаваемой пользовательской информации. Последнее новшество помогло улучшить качество соединений. Благодаря BLE появились экономичные «умные» часы и фитнес-трекеры. Версия 4.2 помогла развитию концепции умного дома и IoT.

Существенный прогресс в развитии этого протокола беспроводной связи был достигнут с внедрением Bluetooth версий 5.0–5.4, которое стартовало в 2016 г. Это позволило расширить зону обслуживания, увеличить дальность действия, скорость передачи, пропускную способность и надёжность связи. Кроме того, было увеличено время автономной работы и внедрён принцип сопряжения по схеме «каждый с каждым».

К особенностям технологии Bluetooth относятся:

Даже значительное время перехода из спящего режима в активный не помешало распространению Bluetooth в робототехнике. В учебных целях технология используется в различных изделиях для освоения этого вида техники, например, в расширенном наборе Arduino UNO R3 Starter Kit.

В промышленности по этой технологии создаются регистраторы информации, поступающих от множества технологических датчиков. Одно из изделий (BlueCenter DL141E) предложено шведской компанией Development Centre. Другой пример использования Bluetooth на производстве — организация систем ввода/вывода данных от немецкой фирмы Phonenix Contact. Они эксплуатируются в автомобильных робототехнических комплексах, в системах внутрискладской логистики, для управления станками, подъёмными кранами и т. д.

Для операторов связи создан комплекс дистанционного управления и обслуживания телекоммуникационного оборудования, размещаемого на мачтах. Разработчик — британская Schneider Electric.

Для управления роботами при определённых ограничениях применяются сети Wi-Fi. Сегодня доступно несколько спецификаций этой технологии — подробнее в таблице основных характеристик Wi-Fi (802.11n/ac/ax).

Примечания. *-по одному каналу. **-по нескольким каналам.

Из таблицы следует, что 802.11ax имеет следующие преимущества:

К особенностям этого стандарта относится:

Ниже изображено представление передаваемого сигнала на комплексной плоскости I/Q, называемое диаграммой сигнальных созвездий для простой модуляции 16 QAM.

Каждой точке на графике соответствует своя поднесущая частота. Для сложных видов модуляции количество точек, соответствующих поднесущим, на диаграмме будет кратно увеличиваться. Так, применительно к используемым в спецификациях Wi-Fi типам модуляции, для 64 QAM их будет 64, а для 1024 QAM —1024 соответственно.

С помощью подобных диаграмм определяют искажения сигналов при передаче, таких как затухание, межсимвольную интерференцию, фазовые искажения и соотношение сигнал-шум.

Для исследования диаграмм созвездий используют анализаторы спектра реального времени в режиме векторного анализа сигналов, например, Rigol RSA5065.

В тракте передачи MIMO на вход передатчика поступает высокоскоростной поток информации, который не может быть передан в узкой полосе частот абонентского канала. После демультиплексирования из него выделяют N низкоскоростных потоков, каждый из которых передаётся отдельной антенной в узкой полосе частот. Для каждого потока назначается своя поднесущая частота. На приёмной стороне высокоскоростной поток восстанавливают, затем он поступает на роутер пользователя.

Beamforming (формирование луча) — это метод управления направленными свойствами антенных решёток. В нём задействовано несколько радиопередатчиков. Метод основан на интерференции радиоволн одной частоты, излучаемых несколькими АФУ, находящихся в разных точках пространства.

В результате интерференции формируются области с максимальной и минимальной напряжённостью поля. Изменяя фазовые соотношения между токами, протекающими в разных антеннах, управляют интерференцией так, чтобы в точке приёма создать наибольшую плотность потока мощности электромагнитного поля, что эквивалентно получению максимального соотношения сигнал/шум.

Защита данных для критически важных задач в рассматриваемой технологии основана на 802.11i. Шифрование происходит с использованием TKIP (Temporal Key Integrity Protocol — протокол обеспечения целостности временного ключа), в котором применяется:

Благодаря внедрению перечисленных выше новшеств, в 802.11ax снижена потребляемая оборудованием мощность и обеспечено устойчивое функционирование системы за пределами строительных объектов.

Ознакомиться с особенностями практического использования Wi-Fi для роботов можно с помощью обучающих конструкторов, например, робота Xiao-r TH Robot Car с контроллером, совместимым со средой Arduino.

Системы этого стандарта строятся на сочетании различных топологий. Пример организации такой сети приведён на рисунке.

Структура ZigBee включает главный (на рисунке показан красным цветом) и вспомогательные роутеры (обозначены синим цветом), а также оконечные устройства (выделены жёлтым). Двухсторонние соединения типа «Mesh» — красного, а «звезда» — жёлтого цвета.

Главный роутер — это первичный сетевой узел, управляющий сетью: инициализацией и подключением (отключением) устройств, изменением рабочей частоты, обеспечением безопасного обмена информацией.

Вспомогательные роутеры — это вторичные узлы, которые отвечают за рациональное распределение трафика в соответствии с имеющимися в них таблицами маршрутизации.

В качестве роутеров выступают любые устройства, подключённые к источнику 220В и постоянно находящиеся в активном режиме. Например, «умные» розетки.

Оконечные устройства не задействованы в распределении информационных потоков. Они лишь обмениваются данными с узлами, к которым они непосредственно подключены. Такие узлы называются родительскими. Они всегда включают в себя роутер.

Оконечные устройства представляют собой различные датчики, беспроводные выключатели и т. д. Они питаются от батареек и большую часть времени пребывают в ждущем режиме, потребляя минимум энергии. Переход в активный режим происходит либо по команде родительского узла для приёма информации, либо автоматически для передачи роутеру данных о своём текущем состоянии.

Основные параметры оборудования этой спецификации сведены в таблице.

Особенности сети:

Последняя особенность — важнейшее конкурентное преимущество стандарта. Оно достигается применением в качестве основного — ждущего, режима функционирования оконечных устройств, оптимизации маршрутизации трафика для снижения нагрузки на сетевые узлы, динамического регулирования мощности передачи и оптимизации энергопотребления.

Существенный недостаток рассматриваемой спецификации — небольшая скорость передачи данных.

Основное применение ZigBee — проекты «умного» дома, IoT и промышленные системы сбора информации от множества территориально распределённых датчиков и приборов WNS (Wireless Sensor Networks — беспроводные сенсорные сети). Последние служат для взаимодействия с подвижными роботами и входят в состав различных роботизированных изделий на основе ZigBee.

Управление подвижными объектами невозможно без знания параметров их движения (скорости, траектории, ускорения и др.). Получить такую информацию можно через GPS, но она не везде работает (например, в производственных цехах или под землёй). В этой ситуации требуемые данные извлекают через датчики WNS. Для этого применяется специальная версия рассматриваемой спецификации, называемая Zigbee Pro.

В помощь изучающим робототехнику и IoT выпускаются модули ZigBee, например, плата USB модуля ZigBee на базе чипа СС2531 с антенной. Плата также поддерживает протокол Bluetooth IEEE 802.15.4.

Long Range (большая дальность) — спецификация для беспроводной телеметрии в нелицензируемом спектре частот, предложенная компанией Semtech Corporation. Топология сети организована по схеме звезда.

Радиус зоны действия LoRa находится в пределах от 1 до 15 км в зависимости от используемого частотного спектра. Наибольшая дальность наблюдается в метровом диапазоне при низких скоростях передачи порядка 20 кбит/с, что на порядок ниже ZigBee.

Необходимый энергетический потенциал радиолинии достигается использованием сигнала с линейной частотной модуляцией. При этом передаваемая информация кодируется импульсами с изменяющимся периодом следования, который может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Такие сигналы относятся к сложным, у которых база (произведение длительности импульса на ширину спектра) >> 1. Их главное достоинство — возможность приёма оптимальным приёмником при мощности сигнала меньше, чем мощность шума. Благодаря этому достигается увеличение дальности связи. Другие приёмники такой сигнал вообще не обнаружат.

Основные модули компании EBYTE с поддержкой технологии LoRa.

Для увеличения радиуса зоны обслуживания применяют антенны с большим коэффициентом усиления и (или) ретрансляторы сигналов. Поскольку такие антенны обладают достаточно узкой диаграммой направленности, то для работы с транспортными роботами они используются очень ограниченно.

Использование частотного ресурса диапазона 433 МГц и передатчика 0.01 Вт (и 446 МГц и передатчика 0.5 Вт) возможно без получения решения ГКРЧ РФ, что уменьшает эксплуатационные затраты оператора.

Основные сферы применения LoRa: концепция «умные города», «умное» сельское хозяйство, добывающие отрасли, телеметрия, отслеживание логистических операций.

Существенный минус LoRa — поддержка только односторонних коммуникаций.

Near Field Communication (коммуникации ближнего поля) — это метод беспроводной передачи информации на расстояния порядка 100 мм между активными и пассивными устройствами.

Обмен данными происходит на скорости до 420 кбит/с в частотном диапазоне 13,5 МГц. Этот способ в робототехнике применения не нашёл, но распространён в системах бесконтактных платежей и считывания электронных ценников.

WMN (Wireless Mesh Network — беспроводные ячеистые сети) строятся по принципу многих соединений отдельных узлов по схеме «точка-точка». Mesh не является самостоятельным стандартом коммуникаций, а представляет собой одну из возможных сетевых топологий.

Сопоставить технико-экономические характеристики этих стандартов можно по информации из таблицы ниже.

Примечания. *-с многократной ретрансляцией на промежуточных узлах.

Изучению промышленных роботов и различных стандартов беспроводных коммуникаций будет способствовать знакомство обучаемых с универсальным радиомодулем SI4432 (беспроводной приёмопередатчик) с антенной 433 МГц.

Устройство поддерживает виды модуляции FSK, GFSK и OOK, что открывает определённый простор для его творческого использования.

Все сравниваемые беспроводные сети для роботов используют основной диапазон 2400 МГц, поэтому с точки зрения загрузки радиочастотного спектра и особенностей распространения радиоволн они находятся в равных условиях.

Поскольку системы Wi-Fi и Bluetooth строятся по одинаковой схеме, они показывают надёжность работы примерно одного порядка.

Системы ZigBee гораздо надёжнее, что достигается избыточным количеством узлов и каналов коммуникаций, что критически важно для многих ответственных применений. Кроме того, они имеют лучшую энергоэффективность.

Если в роботизированном комплексе необходима передача изображений в реальном масштабе времени, очевиден выбор в пользу сети, дающей наибольшую пропускную способность.

На сегодня в мире насчитывается более 35000 вендоров оборудования Bluetooth. Данные о числе производителей аппаратуры других сравниваемых стандартов отсутствуют. Информация по отдельным регионам планеты показывает, что количество вендоров в разы меньше. Это важное обстоятельство учитывают при выборе стандарта системы связи.

5G в обозримом будущем найдёт широкое применение в робототехнике благодаря большим скоростям передачи данных, малой задержке, улучшенным характеристикам покрытия и высокой надёжности коммуникаций.

По информации Минцифры, развёртывание сетей 5G в России начнётся с 2026 года. На момент написания этого материала в стране запущено лишь 14 пилотных зон, работающих в тестовом режиме. Сведения о результатах тестирования пока не опубликованы.

В ближайшее время ожидается выход нового релиза Wi-Fi 7: 802.11be. Новое оборудование обеспечит увеличение пропускной способности в 4 раза — до 46 Гбит/с. Ёмкость и стабильность работы системы связи также кратно увеличится благодаря реализации каналов с расширенной полосой до 320 Мгц, 16х16 MIMO и модуляции 4096-QAM.

Ожидается, что внедрение 5G и Wi-Fi 7 выведет на новый качественный уровень рынки IioT, IoT и роботизированных систем.