Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 Bezprzewodowa sieć 2,4 GHz, optymalizowana dla transferu danych z małą prędkością, z małymi opóźnieniami danych pomiędzy wieloma węzłami ANT Sieć PAN (ang. Personal Area Network) Sieć WSN (ang. Wireless Sensor Networks) Ultra niskie zapotrzebowanie na moc, gwarantuje długi czas pracy ANT Wireless jest oddziałem Dynastream Innovations Inc., która w 2006r. stała się firmą zależną od Garmin, znanego producenta urządzeń GPS Dynastream Innovations Inc. powstała w 1998 r. jako producent rozwiązań specjalizowanego sprzętu sportowego, szczególnie dla fitness stąd główne zastosowania ANT to bezprzewodowy pomiar tętna, prędkości, odległości, siły

3 Współpracuje m.in. z firmami Nike, Adidas, Polar, Garmin Protokół ANT powstał w 2003 r. W 2004 r. powstał ANT+, standard transmisji bezprzewodowej, ultra niskiej mocy W 2005 r. Nordic Semiconductor wprowadziła pierwszy radiowy układ nadawczo-odbiorczy dla ANT - nrf24ap1 Później pojawiło wiele innych układów Aktualnie setki firm są członkami ANT+ Alliance a obszar zastosowań obejmuje głównie sport, odnowę biologiczną i monitorowanie pacjentów w domu Dynastream zatrudnia około 80 osób - siedziba w Cochrane, Alberta, Kanada Nordic Semiconductor opracował układ nrf51422 SoC, to rozwiązanie 2,4 GHz oferuje wsparcie zarówno dla ANT i Bluetooth niskiej energii i umożliwia obu protokołów uruchomić jednocześnie

4

5 Oparty na Nordic Semiconductor s nrf51422 SoC Wspiera ANT oraz Bluetooth low energy Wi-Fi, GPS, ANT, Bluetooth, Bluetooth Low Energy and FM radio

6

7

8 Pierwszy milion układów 2007 r. Piąty milion 2009 r. Dwanaście milionów 2010 r

9 Różnice między ANT i ANT+ ANT jest protokołem komunikacyjnym ANT+ jest systemem zarządzania siecią, który umożliwia współpracę urządzeń

10 Bluetooth Klasyczny Bluetooth w porównaniu do ANT/ANT+ 100 x większy rozmiar stosu protokołu 100 x większy pobór mocy Znacznie większy koszt

11 ZigBee ZigBee w porównaniu do ANT/ANT+ ZigBee x większy rozmiar stosu protokołu 10 x większy pobór mocy Większy koszt WSN parameter ANT(with SensRcore) ZigBee Wymagane zasoby (kb) Czas życia baterii 3+ lat 4 do 6 miesięcy Szybkość transmisji (kb/s) Wspierane topologie P2P, star, tree, mesh P2P, star, tree, mesh

12 Warstwy ANT w standardzie ANT/HOST i SoC

13 Topologie

14 Topologie Prosta sieć ANT koncepcja kanałów ANT jest oparty na koncepcji użycia i konfiguracji kanałów Węzły łączą się przez dedykowane kanały Każdy kanał na ogół łączy dwa węzły ale może łączyć wiele Każdy kanał posiada (minimum) jeden węzeł master i jeden slave

15 Topologie Prosta sieć ANT koncepcja kanałów Master działa jako główny nadajnik a slave jako główny odbiornik Duże strzałki wskazują główny strumień danych od mastera do slave Małe strzałki wskazują wsteczny przepływ wiadomosci

16 Topologie Prosta sieć ANT koncepcja kanałów Węzeł ANT może działać zarówno jako master jak i slave Kanał A: Master Sensor1 (tylko TX); Slave Hub1 (RX) Kanał B: Master Sensor2 (TX); Slave Hub1 (RX) Kanał C: Master Hub1 (TX); Slave - Hub2 (RX)

17 Organizacja węzła Kontroler hosta (MCU) Host jest odpowiedzialny za działanie aplikacji Silnik protokołu ANT Ustanowienie i utrzymanie połączeń Działanie kanału

18 Organizacja węzła Wymiana informacji między dwoma węzłami ANT

19 Kanał komunikacji Komunikacja może być realizowana w różny sposób Większość implementacji używa synchronicznych, niezależnych kanałów dwukierunkowych Gdy master otwiera kanał synchroniczny, najpierw sprawdza jego dostępność a następnie przekazuje wiadomości w wyznaczonej szczelinie czasowej (TCH)

20 Konfiguracja kanału Komunikacja między dwoma węzłami ANT wymaga konfiguracji wspólnego kanału którą definiują następujące informacje: Typ kanału Opcjonalnie - zadania rozszerzone (przeskoki częstotliwości, skanowanie w tle, szybka inicjalizacja kanału i transmisja synchroniczna, Częstotliwości kanałów Identyfikator kanału (ID) Typ transmisji Typ węzła Numer węzła Okres kanału Sieć

21 Konfiguracja kanału Typ kanału

22 Konfiguracja kanału Typ kanału Dwukierunkowy kanał slave główny kierunek strumienia do slave Dwukierunkowy kanał master główny kierunek strumienia z master Współdzielony kanał dwukierunkowy slave węzły otrzymują informacje z różnych źródeł Współdzielony kanał dwukierunkowy master węzły dostarczają informacje do kanału Tylko odbiorczy kanał slave (diagnostyka) Tylko nadawczy kanał master (tylko zapis)

23 Konfiguracja kanału Typ kanału Dwukierunkowy kanał slave główny kierunek strumienia do slave Dwukierunkowy kanał master główny kierunek strumienia z master Współdzielony kanał dwukierunkowy slave węzły otrzymują informacje z różnych źródeł Współdzielony kanał dwukierunkowy master węzły dostarczają informacje do kanału Tylko odbiorczy kanał slave (diagnostyka) Tylko nadawczy kanał master (tylko zapis) Transmisja synchroniczna transmisja realizowana w regularnych odstępach umożliwia oszczędność energii Transmisją asynchroniczna transmisja w dowolnych momentach wymaga ciągłej aktywności węzłów

24 Konfiguracja kanału Zmienność częstotliwości (ang. Frequency agility) ANT monitoruje wydajność kanału i tylko w przypadku znacznego jej obniżenia następuje zmiana częstotliwości nośnej Zarówno master jak i slave na etapie konfiguracji muszą mieć uaktywnioną zmienność kanałów Częstotliwości kanałów ANT udostępnia 125 częstotliwości nośnych w paśmie 2,4 GHz Częstotliwości RF oznaczone są od 0 do 124, odstęp częstotliwości 1 MHz zaczynając od 2400 MHz do 2524 MHz Numer częstotliwości, np. 66 odpowiada 2466 MHz

25 Konfiguracja kanału Zmienność częstotliwości (ang. Frequency agility) ANT monitoruje wydajność kanału i tylko w przypadku znacznego jej obniżenia następuje zmiana częstotliwości nośnej Zarówno master jak i slave na etapie konfiguracji muszą mieć uaktywnioną zmienność kanałów Częstotliwości kanałów ANT udostępnia 125 częstotliwości nośnych w paśmie 2,4 GHz Częstotliwości RF oznaczone są od 0 do 124, odstęp częstotliwości 1 MHz zaczynając od 2400 MHz do 2524 MHz Numer częstotliwości, np. 66 odpowiada 2466 MHz Wiele urządzeń ANT+ pracuje w kanałach 2450 i 2457 MHz

26 Konfiguracja kanału Identyfikator kanału (ID) ID tworzy 4 bajtowe słowo i zawiera 3 pola: typ transmisji, typ urządzenia (węzła) i numer urządzenia (niepowtarzalny) Jedynie urządzenia z pasującymi identyfikatorami kanału mogą się wzajemnie komunikować ID może być zmienione w dowolnej chwili ale należy zachować ostrożność aby nie użyć symboli wieloznacznych Pola ID opisane są szczegółowo w dokumentacji protokołu

27 Konfiguracja kanału Okres kanału Jest jednym z podstawowych parametrów konfiguracyjnych ANT, oznacza częstotliwość realizacji transmisji i może wynosić od 0,5 Hz do 200 Hz (TCH = ms) Należy pamiętać, ze okres kanału jest związany z prędkością transmisji i z zużyciem energii Sieć Aby dwa węzły mogły się skomunikować muszą należeć do tej samej sieci Dla zarządzania siecią określa się zasady jej działania i wykorzystania. Przykładem zarządzanej sieci jest ANT+ Przykłady węzłów ANT+ : czujnik tętna, monitorowanie prędkości i odległości, czujniki rowerowe, wagi cyfrowe, sprzęt fitness, czujniki temperatury Jedno urządzenie ANT może być członkiem wielu sieci

28 Konfiguracja kanału Przykład konfiguracji kanału

29 Proces ustanowienia kanału między węzłami master i slave

30 Przykład kanału współdzielonego

31 Parowanie węzłów Jednostka bazowa ma po powiązać 3 czujniki temperatury

32 Parowanie węzłów Sensor Konfiguracja kanału Ustawienie identyfikatora kanału Otwarcie kanału TX Rozpoczęcie transmisji w przydzielonej szczelinie czasowej kanału W tym czasie jednostka podstawowa (slave) musi być przygotowana do szukania ID czujników Konfiguracja kanału Ustawienie identyfikatora kanału Otwarciu kanału RX Rozpoczęcie wyszukiwania Po sparowaniu, rozpoczyna się procedura wyszukiwania kolejnych sensorów

33 Struktura wiadomości

34 Wiadomości rozszerzone Format oflagowany Format zapisu

35 Wiadomości rozszerzone Format RSSI

36 Wiadomości rozszerzone Format z oznaczaniem czasu (ze stemplem czasowym)

37 Porównanie protokołu ANT z OSI

38 Połączenie w trybie asynchronicznym

39 Połączenie w trybie synchronicznym

40 Czas życia baterii 2032 w zależności okresu generowania komunikatów June 2010 Nordic Semiconductor and ANT

41 C

42 C Klaus Gravogl, Jan Haase, Christoph Grimm Institute of Computer Technology Vienna University of Technology

43 Dziękuję