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

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

связь в робототехнике

В наше время прослеживается устойчивая тенденция замены ручного труда работой роботов. Это проявляется во всех сферах: от производства и торговли до банковского сектора и государственного управления. По функциональному предназначению эти устройства классифицируют на промышленные, медицинские, бытовые и специальные. К последним относятся боевые механизмы, роботы служб безопасности и т. д.

Промышленные аппараты выполняют задачи автоматизации разных производственных процессов. К ним относятся сборочные, строительные, литейные, фасовочно-сортировочные, транспортные, сельскохозяйственные и другие. Медицинские роботы созданы для применения в телемедицине. Название «бытовые роботы» говорит за себя. Их назначение в выполнении рутинной домашней работы. Ну а тема специальных роботизированных изделий в доступных источниках информации не освещается.

Независимо от предназначения, типичный робот представляет собой подвижное устройство, но степень подвижности для разных экземпляров отличается. Например, в случае литейной машины для выпуска деталей из пластмассы её роботизированные манипуляторы перемещаются на расстояние не более единиц метров. Если речь идёт о транспортном роботе, например, дроне или беспилотном катере, то такой аппарат преодолевает сотни километров. При этом часть его маршрута выполняется в режиме удалённого ручного управления.

Поэтому для организации мониторинга состояния и контроля за манипуляторами литейной машины используется гибкий проводный шлейф, а в случае с транспортным механизмом для той же цели применяют радиоканал.

Эта статья посвящена беспроводным технологиям для управления автоматизированными системами. Она ориентирована на инженеров, профессионально занимающихся разработкой и эксплуатацией такой техники.

Время чтения: 25 минут

Роль беспроводных технологий в современной робототехнике

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:

  • достижение максимальной надёжности, необходимой дальности связи и её защиты от посторонних воздействий;
  • высокая помехоустойчивость, поскольку роботы часто эксплуатируются в условиях интенсивных индустриальных радиопомех;
  • масштабируемость сети и её устойчивость к потере связи с отдельными узлами;
  • достижение необходимых показателей качества канала (применительно к рассматриваемым коммуникациям, речь идёт о малой вероятности ошибки на бит и временной задержке сигнала).

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

  • простота настройки системы и запуска её в эксплуатацию;
  • расширенный рабочий диапазон по климатическим и механическим условиями эксплуатации;
  • одновременная работа с уже используемыми радиотехническими системами без создания взаимных радиопомех;
  • энергоэффективность аппаратуры, поскольку большая часть периферийных аппаратов питается от встроенных источников.

Рассмотрим особенности радиотехнологий, наиболее часто применяемых в робототехнике.

Bluetooth

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

Характеристика Classic (до 3 версии Bluetooth включительно) BLE (версия 4) Версия 5
Общий частотный диапазон, МГц 2402–2480 2402–2480 2402–2480
Максимальная пропускная способность, Мбит/с 3 1 2
Количество каналов 79* 40** 40**
Модуляция GFSK, 8-DPSK GFSK GFSK
Протоколы передачи A2DP/AVRCP GATT/GAP GATT
Радиус зоны обслуживания в помещении (на открытой местности), м <10 (<40) <10 (<50) <40 (<200)
Год публикации стандарта 1999–2009 2010 2016–2021

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

В таблице использовано следующие обозначения профилей этой спецификации:

  • A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) — расширенный профиль распространения звука.
  • AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) — профиль дистанционного управления аудио/видео.
  • GATT (Generic Attribute Profile) — общий профиль атрибута, используемый для обнаружения служб, а также для чтения/записи информации на приборе.
  • GAP (Generic Access Profile) — общий профиль доступа для обнаружения и подключения устройств.

Обновления стандартов Bluetooth

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».

Преимущества Bluetooth-технологии

К особенностям технологии Bluetooth относятся:

  • простота настройки аппаратуры и запуска её в эксплуатацию;
  • отсутствие в необходимости разрабатывать пульт управления, т. к. смартфон под операционной системой Android со специальным приложением несложно дополнить необходимым функционалом;
  • относительно небольшой радиус зоны обслуживания;
  • возможность одновременной работы многих приёмопередатчиков на ограниченной площади.

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.

Wi-Fi

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).

Характеристика 802.11n (Wi-Fi 4) 802.11ac (Wi-Fi 5) 802.11ax (Wi-Fi 6)
Общие диапазоны частот, МГц 2400; 5000 5000 2400; 5000 с охватом полосы 1000–7000
Полоса частот каналов, МГц 20;40 20;40;80;160 20;40;80;160
Количество поднесущих 64, 128 64, 128, 256, 512 64, 128, 256, 512, 1024, 2048
Пиковая пропускная способность, Мбит/с 600 6800 9607.8
Количество пространственных потоков 4 8 8
Разнесение поднесущих, кГц 312.5 312.5 78.125
Тип модуляции 64 QAM 256 QAM 1024 QAM
Кодирование (количество бит на символ) 6 8 10
Максимальная дальность связи, м 250 300 300
Год публикации спецификации 2009 2014 2019

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

Из таблицы следует, что 802.11ax имеет следующие преимущества:

  • самая большая пропускная способность;
  • эффективное использование радиочастотного ресурса, т. к. обеспечен минимальный частотный интервал между поднесущими;
  • усиленное кодирование (применение наибольшего количества бит на символ кодируемых данных).

К особенностям этого стандарта относится:

  • модуляция 1024 QAM и 8x8 MIMO (Multiple Input and Multiple Output — множественный вход и множественный выход) используется и в тракте передачи, и тракте приёма (8x8 обозначает количество приёмных и передающих антенн);
  • в передающем тракте задействован способ формирования луча (Beamforming).

Особенности Wi-Fi-технологии

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

сигнальное созвездие
Диаграмма сигнальных созвездий. I — синфазная (действительная), а Q — квадратурная (мнимая) составляющие

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:

  • изменение ключа шифрования от пакета к пакету;
  • мониторинг целостности сообщения;
  • адаптивный алгоритм шифрования.

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.

ZigBee

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

топология zigbee
Топология ZigBee

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.

Характеристика ZigBee 3.0 Примечание
Общий частотный диапазон, МГц 2400–2483.5
Максимальная пропускная способность, кбит/с До 250
Количество каналов 16 Ширина 2 МГц
Тип модуляция О-QPSK Offset Quadrature Phase-Shift Keying — квадратурная манипуляция с фазовым сдвигом
Радиус зоны обслуживания, м До 10 (100) В помещении (на открытой местности)
Напряжение питания, В 2.1–3.6 При токе потребления 15–30 (до 0.001) мА в активном режиме (в режиме ожидания)
Время работы от одного элемента типа АА, лет 1–5
Год публикации стандарта 2002 IEEE 802.15.4

Особенности сети:

  • высокая надёжность, достигаемая за счёт избыточных соединений между узлами, количество которых достигает 65500;
  • малое время активации оконечных приборов;
  • встроенное шифрование данных в точках их ввода в систему;
  • незначительное потребление энергии оконечными устройствами от батареек.

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.

Другие беспроводные сети

LoRa

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.

Модуль Рабочий диапазон частот, МГц Мощность, мВт Дальность связи, км
E32-433T20D 410–441 10–100 3
E32-433T20D 410–441 65–500 5
E32-433T30D 410–441 125–1000 8
модуль связи lora
Внешний вид модуля LoRa E32433T30D

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.

NFC

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.

Беспроводные Mesh-сети для роботов

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.

устройства mesh сети
Пример схемы построения Mesh

Сравнение Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee

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

Характеристика/Технология Wi-Fi Bluetooth ZigBee
Спецификация IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4
Мощность передатчика, мВт 100 10 1
Пропускная способность, Мбит/с До 9000 3 0.25
Энергоэффективность Низкая Высокая Высокая
Работа по протоколу IP Да Нет Нет
Дальность связи на открытой местности, км <0.3 <0.1 2–3*
Схема организации связи Точка-многоточка Точка-многоточка Комбинация разных топологий
Стоимость оборудования Средняя Низкая Высокая

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.

радиомодуль
Радиомодуль SI4432

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

Рекомендации по выбору технологии

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.

Перспективы внедрения радиотехнологий в робототехнике

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.

В небольшой публикации невозможно рассмотреть все варианты организации телекоммуникаций для робототехники. Например, за рамками статьи осталась технология LoRaWAN, в которой реализован протокол связи сетевого уровня.

Многообразие стандартов радиосвязи предоставляет разработчику большой выбор вариантов построения сетей телеметрии и дистанционного управления изделиями робототехники. Сегодня существует немало предложений вендоров, выпускающих такие решения.

Чтобы сделать правильный выбор, оцените доступность частотного ресурса, жизненный цикл технологии, наличие сертифицированного оборудования разных производителей с требуемыми техническими характеристиками, стоимость построения сети и экономические аспекты её эксплуатации. Используя эту информацию, удастся оптимизировать любой коммерческий проект в сферах, где требуется беспроводной обмен данными с требуемыми параметрами качества и надёжности.


Количество показов: 269
07.11.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку