Технология. 9 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман
Глава 9. Робототехника
§ 50. Протокол связи — настоящее и будущее
Слово «робот» прочно вошло в современную речь и современную жизнь. Беспилотные самолеты, искусственные спутники, стратосферные зонды, саперные тралы, знаменитые советские луноходы — всё это роботы. Роботы стали частью современной промышленной революции. Сегодня уже никого не удивляет завод, на котором работает всего несколько десятков человек, а всю основную работу выполняют роботы. Роботы могут перемещать грузы, работать вместе с хирургом в операционной, принимать участие в спасении людей при чрезвычайных ситуациях и многое другое. Вам предстоит сделать первый шаг к созданию «умных» машин, познакомиться с их устройством и научиться ими управлять.
Наверняка каждый из вас слышал такие слова, как вайфай (Wi-Fi), блютуз (Bluetooth), но знаете ли вы, что они означают? Какие способы обмена информацией вы знаете? Предположите, каким образом передача информации будет осуществляться в будущем.
Мы, люди, так или иначе общаемся между собой. Как это происходит? Например, вы хотите передать другу информацию о месте и времени встречи. Вы можете написать ему сообщение по электронной почте, послать СМС-сообщение, оставить записку, ну и, конечно, позвонить по телефону или сообщить непосредственно при личной встрече. При этом вы подаёте сигнал, а ваш друг его принимает. Чтобы он понял, что вы ему говорите (распознал сигнал), желательно, чтобы вы говорили на одном языке.
Роботы тоже обмениваются информацией между собой и с человеком. Язык общения роботов — это протокол связи.
Допустим, вы хотите, чтобы уехавший в другой угол комнаты робот пискнул или подмигнул диодом. Для этого вы должны со своего компьютера подать роботу нужную команду, а он должен понять её и отреагировать. Чтобы команда была понята правильно, источник сигнала (ваш компьютер) и приёмник сигнала (робот в углу) должны общаться по одному протоколу. Допустим, вам необходимо передать роботу команду зажечь свет. В программе управления роботом вы нажимаете кнопку «свет» (рис. 9.1).
При этом программа понимает, что надо сформировать определённый пакет данных и отправить его в порт 1 на устройство. Какие устройства есть у вашего ноутбука или планшета? Это, скорее всего, встроенные адаптеры Bluetooth, Wi-Fi или присоединённый по USB-порту ZigBee-модуль. В адаптере цифровой сигнал (сформированный программой пакет данных), поступающий на него с компьютера, преобразуется и посредством радиоволн передаётся на другое устройство.
1 Порты ввода-вывода являются основным средством связи микроконтроллеров с окружающим миром. Через эти порты микроконтроллер получает сигналы (аналоговые или цифровые) от внешних устройств; управляет или обменивается данными с внешними устройствами; сигнализирует о проделанной работе и т. д.
В это время робот находится в ожидании команды. При приёме сигнала адаптер преобразует его в цифровую форму, понятную компьютеру. И робот в соответствии с переданной программой выполняет указанное действие.
Причём если робот укомплектован Bluetooth-модулем, то никак не отреагирует на вашу команду, отправленную по Wi-Fi. Так же как если вы своего щенка приучали к команде «сидеть», произнося её по-русски, то вряд ли он поймёт, что вы от него хотите, если будете ему эту команду отдавать на английском или немецком языке.
Каждый протокол имеет несколько уровней. Уровни разделяются на низкий, средний, высокий и приложения. Уровень приложений — самый высокий. А вместе все уровни составляют стек протокола. Так, команду «сидеть», данную щенку, можно разделить на низкий, физический уровень, это колебания воздуха, и высокий — логический — сама команда, по которой щенок должен именно сесть, а не лечь или подать голос (рис. 9.2). А если дать команду: «Дружок, сидеть!» — появится и средний уровень — сетевой, в котором мы адресуем команду конкретному щенку.
Низкий физический уровень — это колебания электромагнитного поля. В России для протоколов ZigBee, Bluetooth и Wi-Fi сигнал передаётся на частоте 2,4 гГц. Для этих протоколов физический уровень одинаковый.
Различия возникают на сетевом уровне, когда устройства идентифицируются по МАС-адресам — уникальным опознавательным номерам. Этот уровень нужен, чтобы адресовать команду либо ко всем устройствам в сети, либо какому-то конкретному устройству.
Чем же различаются протоколы ZigBee, Bluetooth и Wi-Fi? Почему нельзя пользоваться каким-то одним?
Исторически сложилось так, что каждый протокол создавался под конкретные нужды. Bluetooth предназначен, чтобы связывать друг с другом устройства на коротком расстоянии (до 10 м), например два мобильных телефона при передаче файлов либо беспроводные наушники и планшет.
Протокол Wi-Fi более производительный, он с большей скоростью позволяет обмениваться данными, например, между планшетом и ноутбуком, но обязательно использует для этого точку доступа. Связь может осуществляться через центральную точку доступа (рис. 9.3), относительно которой все устройства находятся в зоне прямой видимости, или через промежуточные точки доступа — роутеры.
Недостатком этих протоколов является то, что они потребляют очень много энергии даже в том режиме, когда ничего не делают.
Третий протокол, который мы рассмотрим, — ZigBee, он отличается тем, что был изначально задуман как протокол для малого энергопотребления, например для небольших устройств с автономными источниками питания — батарейками.
Основной целью этого протокола является возможность устройств, разбросанных случайным образом, самостоятельно организоваться в сеть и просуществовать как можно дольше, собирая и передавая на центральную точку информацию о событиях, происходящих на исследуемой территории. Например, о замере температуры или об освещённости для осуществления так называемого экологического мониторинга. Большее время жизни для устройств в сети ZigBee достигается за счёт того, что, пока не происходит замер параметра или пока не произошло какое-то событие, каждое устройство в сети спит и практически не потребляет энергию. Таких устройств в сети, называемых мотами, может быть очень много, они небольшие по размерам, из-за чего их иногда называют пылинками (есть даже такой термин Smart Dust — умная пыль).
Они могут связываться в так называемую MESH-структуру (меш-структуру), когда каждый мот общается не со старшим в группе, а с равноценным участником, находящимся в зоне прямой видимости. И пакет данных внутри такой MESH-сети переходит от мота к моту, распространяясь там лавинообразно (рис. 9.4).
Это бывает очень удобно. Если у какого-то мота заканчивается энергия в батарейках и он выпадает из сети, то поток информации, который шёл через него, не рвётся, а продолжает перетекать, но уже по другим узлам.
Но конечно, такая уникальная возможность — проявлять необычно устойчивую «живучесть» всей сети на основе протокола связи ZigBee — накладывает и некоторые весьма существенные ограничения. Так, например, нужно разработать алгоритмы маршрутизации потоков данных в сети с учётом того, что некоторые узлы-моты могут спать или даже полностью выпадать из сети.
Некоторые протоколы уже разработаны и запатентованы, но в этом направлении предстоит ещё многое сделать. Протокол ZigBee является одним из наиболее перспективных.
Дальность действия модуля связи Xbee может составлять 1 км. Например, если машинки, оснащённые этим модулем, расставить на поверхности Земли через 1 км и поставить их в ряд 40 тыс. штук, то последняя машинка окажется на расстоянии 1 км от первой, потому что длину окружности Земли по периметру можно считать равной 40 тыс. км (рис. 9.5).
И тогда с единого пульта управления можно заставить все устройства, связанные в единую сеть, мигать диодами или издавать звуковые сигналы динамиком или сразу, или по очереди, а можно вообще составить специальный алгоритм.
Основные понятия и термины:
протокол, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee.
Вопросы и задания:
1. Что такое протокол связи?
2. Какие виды протоколов связи вы знаете?
3. Чем отличаются разные протоколы связи друг от друга?
4. Какие бывают уровни протоколов связи?
Задание 1
Используя устройства связи, имеющиеся в вашем распоряжении, проведите сравнительный анализ способов связи по различным протоколам. Результаты сведите в таблицу 9.1.
Таблица 9.1
Анализ способов связи
| Характеристика | Wi-Fi | Bluetooth | ZigBee |
| Расстояние, покрываемое сетью | |||
| Скорость передачи информации | |||
| Частота | |||
| Количество устройств | |||
| Потребляемая мощность | |||
| Взаимодействие устройств сети, управляемой данным протоколом |
Задание 2
Разработайте описание модели «Умный дом» с вариантами использования возможных средств связи, которые вам знакомы.
