Korthållsradio med vidsträckta användningsmöjligheter

Bluetooth TM Korthållsradio med vidsträckta användningsmöjligheter Jan Endresen, Torkil Brunsvik, Håkon Beckman, Snorre Kjesbu Kan någon med gott samvete säga att han eller hon inte åtminstone någon gång har suckat över råttboet av kablar bakom stereon eller datorn och frågat sig om detta, i en mer perfekt värld, inte skulle kunna ersättas av trådlösa förbindelser? Samma funderingar är i högsta grad aktuella inom hela industrin. Om du tycker att kabelhärvan bakom stereon är ett problem, skänk då en tanke åt den stackars underhållsingenjören som går i clinch med en strejkande maskin och står inför en härva av hundratals eller tusentals kablar för givare, ställdon, data och matning. Men hjälp finns. Bluetooth, en ny öppen standard för trådlös informationsöverföring över korta avstånd, är här. Länkarna är enkla att koppla upp och arbetar inom ett licensfritt radioband. Denna metod kommer att revolutionera kommunikationen inom industrianläggningar. ABB är ett av mer än 2000 företag världen över som med entusiasm har tagit till sig Bluetooth. De test som har genomförts hittills pekar mot en lovande framtid för den nya standarden. A tt beskriva vad Bluetooth kan användas till är som att försöka se framtiden i en kristallkula. Det enda säkra är att Bluetooth får många tillämpningar som vi idag inte ens kan föreställa oss. Den första stora tillämpningen av Bluetooth ligger inom det mobila området. Termen mobil täcker mer än bara mobiltelefoner. Här ingår även bärbara datorer, WAP-telefoner (Wireless Application Protocol), handdatorer etc. Den nya tekniken innebär att du kan ha på dig ett par trådlösa hörlurar som kommunicerar med en CD- eller MP3-spelare som du har i fickan. På motsvarande sätt kan du ansluta mobiltelefonen till din video- eller stillbildskamera och överföra fasta och rörliga bilder upplagt för videokonferenser. På flygplatsen behöver du inte längre leta efter informationstavlor. All information om ankommande och avgående flygplan finns direkt tillgänglig på din mobiltelefons textskärm. Lika viktigt är att Bluetooth låter dig slippa de flesta kablarna bakom PCn. Om Bluetooth används även för trådlös matning till tangentbordet och musen, eller ABB tidning 2/2001 35

Technology Review 1 Det finns potentiella tillämpningar för Bluetooth överallt. Landline Voice/data access points Cable replacement Ad-hoc networks Bluetooth En för alla, alla för en Bluetooth är en kommunikationsstandard för korthållsradiolänkar som lovar att vi ska slippa den oöverskådliga härvan av kablar som förbinder maskiner och apparater i industrier och hem. Utgåva 1.0 av Bluetooth-specifikationen släpptes i juli 1999 [1] och har redan fått bred acceptans på grund av sin låga kostnad och faktum att det är en öppen standard som arbetar inom ett licensfritt frekvensband. En speciell intressegrupp bildades i februari 1998 för att utveckla och främja Bluetooth-standarden för lokal behovsstyrd sammankoppling mellan enheter från olika tillverkare. Gruppen har nu över 2000 medlemmar. En av dessa är ABB. Bland de grundande medlemmarna i gruppen kan nämnas Ericsson, IBM, Intel, Nokia och Toshiba. I slutet av 1999 tillkom 3COM, Lucent, Microsoft och Motorola. Arbete pågår för att lägga Bluetooth till grund för IEEE-standarden 802.15, Wireless Personal Area Network (WPAN). 36 ABB tidning 2/2001

om dessa ska drivas med batterier, är fortfarande en öppen fråga. Din PC kommer naturligtvis att överföra information till och från din handdator med hjälp av Bluetooth. Även skrivarna får en Bluetooth-länk. Om du behöver skriva ut någonting från din handdator är det bara att gå fram till skrivaren och trycka på en tangent. Du behöver inte krångla med anslutning till det lokala nätverket för att först överföra informationen till PCn. Ute i samhället hittar vi lokala kommunikationspunkter som ger Bluetoothanvändare tillgång till alla traditionella nätverk, som det fasta telenätet, ISDNnätet, GSM-nätet, områdesnätverk etc. Även i bilen hittar du med säkerhet Bluetooth-enheter. Varje gång du kör in på en bensinstation talar bilen om för dig vad den behöver i service- och bränsleväg. När du kör längs motorvägen och passerar lokala informationspunkter laddar bilen automatiskt ner nyttig information, som trafikförhållanden längre bort längs vägen, närmaste hotell med lediga rum eller information om lokala sevärdheter. Bluetooth kan till och med ersätta en del av de kablar som idag används för drift och reglering av bilen, vilket ger bredare funktionsmöjligheter och större flexibilitet. Vi får även Bluetooth i hemmet. Du behöver bara en enda fjärrkontroll för allting i huset, från din ljud- och bildanläggning till värme och ventilation. Röstkommunikation, data, musik och video kan överföras lokalt via Bluetooth. Alla dina olika apparater i hemmet kan också kommunicera sinsemellan. Via fjärrkontrollen kan vi sköta spisen eller kaffebryggaren, medan kylskåpet själv beställer hem nya Bluetooth i ett nötskal varor när någonting börjar ta slut eller Namnet Bluetooth kommer från den danske kungen Harald Blåtand, född 908, som passerar sista förbrukningsdatum. Även trådlösa telefoner kan baseras på Bluetooth. Dessutom kan du via Bluetooth gin är kanske den att Bluetooth kommer förenade Danmark och Norge [2]. Analo- komma åt Internet från vilken punkt som att förena datorer och telekommunikationssystem. helst i huset eller trädgården. Förkortningar som används artikeln ACL Asynchronous ConnectionLess ARM Advanced RISC Machines ARQ Automatic Repeat request ETSI European Telecommunication Standards Institute DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications FSK Frequency Shift Keying (frekvensskiftmodulering) GSM Global System for Mobile communication HCI Host Controller Interface IrDA Infrared Data Association ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network (lokalt nätverk) L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol MAC Medium Access Control PDA Personal Digital Assistant (handdator) PCM Pulse Code Modulation (pulskodmodulering) POTS Plain Old Telephone System (fasta telenätet) RFCOMM Radio Frequency COMM SCO Synchronous Connection Oriented TDD Time-Division Duplex UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus WAN Wide Area Network WAP Wireless Application Protocol WPAN Wireless Personal Area Network ABB tidning 2/2001 37

Technology Review 2 Olika Bluetooth-topologier (två Piconet och ett Scatternet) Master Slave Bluetooth används i första hand för att ersätta kablar med korthållsradiolänkar för mobiltelefoner, handdatorer, bärbara datorer, portabel och fast elektronisk utrustning etc. 1. Bluetooth ersätter förmodligen även dagens IR-länkar, eftersom Bluetooth-kommunikationen inte ställer samma krav på fri siktlinje mellan de kommunicerande enheterna. Naturligtvis finns det alternativ till Bluetooth inom vissa tillämpningar, som t.ex. röst- och data, där även DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication), Home RF eller trådlösa nätverk kan användas. Kabelkommunikation kan för övrigt också ersättas av DECT. Det som gör Bluetooth unikt är att tekniken kan användas för så många olika tillämpningar. Bluetooth-radio arbetar inom ISMradiobandet (Industrial, Scientific and Medical) som sträcker sig från 2,4 till 2,4835 GHz. Det radiobandet är globalt tillgängligt. Bluetooth tillämpar en pseudoslumpmässig frekvenshoppningsteknik för att utnyttja hela bandet. Bluetooth utnyttjar 79 kanaler på vardera 1 MHz. Den nominella frekvenshoppningen uppgår till 1600 hopp per sekund, vilken minskas till 320 hopp per sekund om maximal paketlängd används. Bluetooth Bluetooth är ett så kallat Piconet, med en Bluetooth-modul som master och ytterligare sju moduler som aktiva slavar. Tekniken kan byggas ut genom att kombinera ett antal Piconet till ett Scatternet, där en slav samtidigt kan vara slav i flera Piconet eller vara master i ett och slav i ett annat 2. En enskild Bluetooth-modul kan dock bara vara master i ett Piconet. Konfigurationen av ett nätverk etableras efter aktuellt behov, så att nya master- eller slaven- tillämpar TDD-teknik (Time-Division Duplex) som gör det möjligt för master heter kan läggas till i nätet när som helst. och slav att överföra växelvis. Detta tillåter Bluetooth erbjuder röst- eller dataöverföring, eller båda samtidigt. Länken mel- enklare radiokomponenter. Modulationen är av typ FSK (Gauss-formad binär Frequency Shift Keying). SCO (Synchronous Connection Oriented) lan en master och en slav kan vara av typ Den grundläggande topologin för eller av typ ACL (Asynchronous Connec- 3 Komplett Bluetooth-modul med antenn och externt anslutningsdon Standby Connection 38 ABB tidning 2/2001

tionless). SCO är en full duplex-länk punkt till punkt och används typiskt för röstkommunikation. En Bluetooth-modul stöder upp till tre samtidiga röstkanaler. ACL stöder full duplex och asymmetriska funktionssätt (olika datahastigheter i länkens båda riktningar). Den teoretiskt maximala kommunikationshastigheten inom ett Piconet är 1 Mbit/s, vilken delas mellan mastern och de aktiva slavarna. Om det bara finns en aktiv slav uppgår den maximala dataöverföringshastigheten till 432 kbit/s för en symmetrisk kanal och 721 kbit/s för en asymmetrisk kanal. Ett viktigt användningsområde för Bluetooth är batteridriven utrustning. För att underlätta detta har Bluetooth tre lågeffektlägen, vilka kallas Hold, Sniff och Park. Dessutom finns ett vanligt standbyläge. I lågeffektlägena behöver modulen bara hålla en timer igång. Alla övriga kretsar kan stängas av. Återgång till aktivt tillstånd tar cirka 2 ms. I Park-läge släpper Bluetooth-enheten sin MAC-adress (Medium Access Control), vilket innebär att ett Piconet kan innehålla upp till 255 icke aktiva slavar. Det finns redan kompletta Bluetoothmoduler på marknaden. En sådan är Ericsson ROK 101 007 3. Denna produkt är för närvarande en hybridkrets, men planeras bli fullt integrerad i framtiden. Ett pris på ca USD 5 kan förväntas vid stora kvantiteter. Här ingår en komplett radio och en avancerad RISC-Machines-processor (ARM-7), som styr radiokommunikationen och hanterar de nedersta skikten i Bluetooth-protokollstacken. Kretsen har tre maskinvarukommunikationsgränssnitt, en UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) för data, PCM (Pulse Code Modulation) för röstkommunikation samt USB (Universal Serial Bus) för samtidig data- och röstkommunikation. Bluetooth stöder ett antal protokollstackar för att möjliggöra de mesta skilda tillämpningar. De tre nedersta skikten, dvs. Bluetooth Radio, Baseband och Link Manager, finns alltid med. Röstprotokollet är tillval. Baseband sköter tidsstyrning, frekvenshoppning, pakethantering, felhantering etc. Link Manager sköter länketablering, behörighetskontroll och länkstyrning. Ytterligare två huvudprotokoll finns specificerade i Bluetooth, Logical Link Control och Adaptation Protocol (L2CAP) samt Radio Frequency COMM (RFCOMM). Sistnämnda emulerar upp till 60 samtidiga logiska seriella portar och använder L2CAP. RFCOMM är ett enkelt transportprotokoll som baseras på standarden TS 07.10 från ETSI (European Telecommunication Standards Institute) med vissa anpassningar. L2CAP erbjuder anslutningsorienterade och anslutningslösa datakommunikationstjänster, inklusive multiplexering, segmentering, återsammansättning och gruppering. Ett HCI (Host Controller Interface) finns definierat i Bluetooth-specifikationen. Detta utgör ett kommandogränssnitt till Baseband-styrenheten och Link Manager och ger åtkomst till maskinvarustatus och styrregistren 4. Detta gränssnitt passar väl in i en fullt integrerad Bluetoothmodul och i situationer där protokoll i högre skikt finns implementerade på en separat värdprocessor. Ett antal tillämpningsprofiler finns specificerade i Bluetooth [3], som t.ex.: Uppringd kommunikation LAN-kommunikation Trådlös telefoni Lokaltelefoni Serieport Hörlurar Fax Bluetooth har den normala uppsättningen felhanteringsmekanismer, som Forward Error Correction och ARQ (Automatic Repeat request). Tillsammans med frekvenshoppningen ger dessa funktioner ett utmärkt skydd mot slumpmässigt brus och störningar. Säkerhet i form av behörighetskontroll, och kryptering finns som tillval. De fyra säkerhetsnivåer som används sammanfattas i tabellen (sid. 40). Bluetoothenhetens adress är en 48-IEEE-adress, vilken är unik för varje Bluetooth-enhet och 4 Några tänkbara användningsområden för Bluetooth-stacken Different applications RFCOMM L2CAP HCI drive Audio HCI firmware Link Manager Baseband Radio ABB tidning 2/2001 39

Technology Review Tabell: De enheter som används för Bluetooth -behörighetsverifiering och kryptering Storlek Bluetooth, enhetsadress 48 bitar Privat nyckel för behörighetskontroll 128 bitar Privat nyckel för kryptering 8 128 bitar Slumptal 128 bitar är offentligt tillgänglig. De båda nycklarna De viktigaste nackdelarna är följande: är hemliga. Behörighetsnyckeln används när länken upprättas, medan krypteringsnyckeln används för att kryptera användardata. Krypteringsnyckeln har variabel längd och erbjuder möjlighet att kompromissa mellan erforderlig säkerhet och rimlig datorbelastning. Slumptal används för challenge-response -hantering, för behörighetskontroll Känslighet för störningar (radiofrekvenserna delas med andra enheter) Säkerhet (behörighet, integritet, påverkan av information, spioneri, personlig integritet) Avbruten service (blockering) För att kunna dra full nytta av fördelarna och för att generera kryp- teringsnycklar. med mobilitet och frånvaro av kablar måste matningsfrågan lösas. Eftersom matningen i vissa tillämpningar kan levereras Bluetooth inom industrin: möjligheter och begränsningar Bluetooth-tekniken öppnar nya möjligheter för trådlös kommunikation inom industriella miljöer på grund av sin låga kostnad och inbyggda säkerhet. Trådlös kommunikation har vissa inneboende fördelar och nackdelar. ABB begrundar dessa noggrant då trådlös teknik införs i industriella tillämpningar. lokalt för andra ändamål, går det att låta de trådlösa enheterna matas från samma källa. Många tillämpningar kräver emellertid att samtliga kablar elimineras, och i så fall måste matningen ordnas på annat sätt, exempelvis batterier, lokal generering, solpaneler etc. Bluetooth har även vissa fördelar och nackdelar i jämförelse med trådlös teknik i allmänhet. Huvudfördelarna är följande: De huvudsakliga fördelarna med trådlös kommunikation är följande: Låg kostnad, låg effekt Inbyggd säkerhet Inga kommunikationskablar Flexibel topologi Möjlighet till mobila tillämpningar De huvudsakliga nackdelarna med Bluetooth är följande: Bandbredden delas med andra system Kort räckvidd (upp till 100 meter) Bluetooth-länkar blir universellt tillgängliga och ska tillåta industriell utrustning att samverka med bärbara datorer, handdatorer och mobiltelefoner. Den låga kostnaden för Bluetooth-komponenter öppnar möjlighet att införa trådlös teknik inom andra industriella tillämpningar, som sensorteknik, datainsamling och övervakning. Industriella tillämpningar skiljer sig något från dem som Bluetooth ursprungligen konstruerades för. Meddelandena är ofta korta, men det är viktigt att informationen överförs snabbt och säkert. Tidsmärkning av sådana meddelanden är vanligt förekommande. ARQ skulle kunna vara olämpligt i vissa tillämpningar där ytterligare information finns tillgänglig för att besluta om paketen ska sändas om eller om någon annan åtgärd ska vidtas. ABB Corporate Research i Norge har använt Bluetooth för datainsamling, där själva mätutrustningen styrts av en PICmikroregulator. Mikroregulatorn utför mätningar vars resultat lagras internt och överförs via Bluetooth med jämna mellanrum. HCI (Host Controller Interface) används för kommunikationen mellan PIC-regulatorn och Bluetooth-modulen. Den lilla PIC-regulatorn klarar mer än väl att hantera kommunikationen med Bluetooth-modulen förutom att samla in mätdata och beräkna resultaten. Industriell utrustning är ofta installerad i aggressiva miljöer med extrema temperaturer, kraftig vibration etc. Bluetoothmoduler som används inom industrin ska tåla temperaturer från 40 C till +80 C och måste vara mekaniskt robusta. Bluetooth-modulen i ovannämnda 40 ABB tidning 2/2001

datainsamlingsenhet har genomgått hårda test för att verifiera dess funktion i svår miljö. Bland annat har blixtnedslag 5 simulerats. Sådana kan orsaka problem om antennsignalen inte filtreras noggrant. Energiförbrukningen är också en viktig fråga eftersom energi inte alltid finns tillgänglig. En batterilösning har nackdelen att personal regelbundet måste komma åt utrustningen för att byta batterier. Radiovågors utbredning i industriell miljö ABB Corporate Research i Norge har gjort många mätningar på radiovågors utbredning i industriella miljöer. En sändare som sänder ut en kontinuerlig omodulerad bärvåg och en utrustning enligt IEEE 802.11 som arbetar på samma frekvensband på Bluetooth undersöktes. 802.11- utrustningen använder sig av ett utvidgat frekvensspektrum (direct sequence spread spectrum) istället för den frekvenshoppning som används i Bluetooth. Den totala prestandan för de båda radioutrustningarna i industriell miljö kan anses motsvara den för Bluetooth. Mätningarna gjordes på tre olika platser: i en kabeltillverkningshall, en massafabrik och i ett kärnkraftverk. På alla tre platserna finns gott om maskiner och stora betongstrukturer. Mätningarna visar att den mottagna signalen bestod av ett stort antal komponenter som hade reflekterats från väggar och maskiner och som hade tagit olika vägar från sändare till mottagare. Denna effekt innebär mycket snabba variationer i den mottagna signalens styrka, vilket kan orsaka allvarliga problem för radiokom- V[kV] P[dBm] 231.6 200.0 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 5 V t Blixtnedslagstest Spänningsamplitud Tid -20.0-35.8-0.4-0.2-0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 t[µs] -30-40 -50-60 -70 6 P d Mottagen effekt i massafabrik Mottagen effekt Avstånd mellan sändare och mottagare (log) -80 1 10 d [m] Measured Regression d -2 100 ABB tidning 2/2001 41

Technology Review munikationsutrustning som inte är avsedd för denna typ av miljö. Å andra sidan ger reflektionerna täckning även i fall då det saknas fri sikt mellan sändare och mottagare. Reflektionerna minskar även de genomsnittliga förlusterna längs signalvägen. Testresultaten visar att den mottagna effekten, beräknad som ett medelvärde över en våglängd för att undvika tillfälliga dämpningseffekter, är proportionell mot d -1,1, där d är avståndet mellan mottagare och sändare 6. Dämpningen blir därför betydligt lägre än i ett område utan hinder, där den mottagna effekten är proportionell mot d -2. Inte heller uppstår några problem på grund av tillfällig dämpning. Detta visar att den frekvensspridningsteknik som används i denna utrustning är förhållandevis okänslig för reflektioner och att den reflektiva miljön snarare är till fördel än nackdel för denna typ av utrustning. Dessutom är frekvenshoppningsspektrumet resistent mot flervägsdämpning. Resultaten enligt ovan anses vara giltiga även för Bluetooth-utrustning. Bluetooth en del av styrsystemet ABB Advant AC800 En ny generation industriella styrsystem, utvecklade av ABB Automation Products i Sverige, fordrar kommunikation för systemkonstruktion, installation och underhåll. Kommunikationslänken måste vara robust och billig. IR-kommunikation har undersökts, men har allvarliga nackdelar eftersom tekniken kräver fri sikt. En radiobaserad lösning skulle inte bara komma tillrätta med dessa problem utan dessutom vara mera flexibel. ABB Corporate Research i Norge har använt Bluetooth-tekniken för att ersätta den konventionella RS232-kabeln som ansluter PC/NT-datorn (med Advant Control Builder-programmet) till styrenheten AC800. Detta ger enkel åtkomst till styrenheten i fält. 7 visar en bild av styrenheten AC800 med Bluetooth-moduler integrerade i kapslingen. Vid Interkama-mässan i oktober 1999 blev ABB Automation Products det första företaget för industriell automation i värl- 7 Bluetooth-radio integrerad i Advant Controller 42 ABB tidning 2/2001

den som kunde demonstrera en industriell NT portable computer ABB controller tillämpning som bygger på Bluetooth-länken. Denna tillämpning tillåter sömlös integration av ABB-styrsystem med kontorsautomationsutrustning. Lösningen erbjuder en korthållslänk som ger flexibel och tillförlitlig dataöverföring för installation, driftsättning och underhåll. Advant ctrl. builder Commercial TCP/IP/PPP Bluetooth driver Auto connect/reconnect Advant application TCP/IP/PPP OMEGA serial interface Virtual operating system RFCOMM L2CAP HCI OS interface Bluetooth stack Angreppssättet på programvaran var att styrsystemen skulle kunna använda Bluetooth i stället för seriell kommunika- Data transfer, segmentation/ reassembling Serial interface layer Endian converter Serial interface tion enligt RS232. För NT-plattformen utvecklades en drivrutin för kärnan som hanterar Bluetooth-protokollet. Drivrutinen ligger ovanför den seriella NT-drivru- HCI Link Manager Baseband Radio HCI Link Manager Baseband Radio Bluetooth module & core tinen, men arbetar fortfarande i kernelläge, så att WIN32 API för seriell kommunikation fortfarande kunde användas utan att det behövdes några ändringar i över- 8 Protokollstacken Advant liggande tillämpning 8. Sammanfattning tooth fortfarande befinner sig på ett tidigt Bluetooth har alla förutsättningar att bli en utvecklingsstadium. ny global standard för korthållsradio. ABB har testat kommunikation inom De huvudsakliga fördelarna är låg kostnad, brett stöd från tillverkare och faktum att tekniken arbetar inom det licensfria ISM-bandet. ABB Corporate Research i Norge har stor erfarenhet av att använda Bluetooth och programvarustacken. De problem som mötts hittills har varit relativt små, framförallt med tanke på att Blue- ISM-bandet (2,4 GHz) i industriella miljöer, och färre svårigheter uppstod än vad som hade kunnat förväntas. Variationer i signalstyrkan på grund av reflektioner är en fråga som fortfarande måste hanteras, men den uppvägs av den bättre täckningen och de lägre överföringsförlusterna. Författare Jan Endresen Torkil Brunsvik Håkon Beckman Snorre Kjesbu ABB Corporate Research Bergervein 12 NO-1361 Billingstad/Norge jan.endresen@no.abb.com Fax: +47 66 84 35 41 Referenser [1] Specification of the Bluetooth System Core, v.1.0 B, Dec 1999. www.bluetooth.com [2] The Bluetooth Story: www.bluetooth.com [3] Specification of the Bluetooth System Profiles, v.1.0 B, Dec 1999. www.bluetooth.com. ABB tidning 2/2001 43