Detail předmětu

Bezdrátové senzorové sítě

FEKT-MPC-SSYAk. rok: 2024/2025

Předmět je zaměřen prakticky a přináší studentům znalosti a zkušenosti z oblasti bezdrátových senzorových sítí a jejich využití. Studenti se v průběhu semestru naučí pracovat s bezdrátovými senzorickými jednotkami, které jsou osazeny mikrokontroléry a rádiovými čipy, využívat komunikační standard IEEE 802.15.4, protokoly využívající tento standard, a také protokol Bluetooth LE. Součástí předmětu je návrh a implementace vlastního protokolu, realizace bezdrátové senzorové sítě a její začlenění do sítě Internet of Things. V poslední části předmětu se studenti seznámí s možnostmi návrhu senzorové jednotky, napájení a snímání fyzikálních veličin senzory.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav telekomunikací (UTKO)

Vstupní znalosti

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Během studia kurzu je možné získat až 100 bodů. Až 30 bodů je možné získat v rámci laboratorních cvičení za obhajobu projektu. Předmět je ukončen zkouškou, kdy za písemnou část je možné získat až 60 bodů a za ústní část 10bodů.  
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Učební cíle

Předmět má za cíl seznámit studenty s bezdrátovými sítěmi krátkého dosahu, tzv. WPAN sítěmi, s jejich součástmi a s jejich praktickým využitím. Studenti získají základní teoretickou a hlavně praktickou orientaci v oblasti moderní bezdrátové přenosové a senzorické techniky a pomocí řešení praktických příkladů si osvojí dovednosti ve vývoji senzorových komunikačních modulů.
Studenti získají přehled o prvcích a komunikačních systémech používaných v bezdrátových senzorových sítích, které se používají např. na řízení inteligentních budov, v dopravních systémech nebo pro monitorování životního prostředí. Seznámí se se standardem IEEE 802.15.4 a protokolem Zigbee.

Základní literatura

Stojmenovic I., Handbook of Sensor Networks, Wiley,ISBN:13 978-0-471-68472-5, 2005. (EN)
Šimek, M., Bezdrátové senzorové sítě, Vysoké učení technické v Brně, ISBN 978-80-214-4638-0 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-AUD magisterský navazující

    specializace AUDM-TECH , 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program MPC-IBE magisterský navazující 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-TIT magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. Technologie WSN, základní architektura AVR mikroprocesorů, rozdělení AVR mikroprocesorů, dostupné periférie, paměťový prostor AVR - FLASH paměť, SRAM paměť, EEPROM paměť. Přerušení. Procesory ARM. Základy práce s registry 2. Sériový přenos dat. Sběrnice USART, parametry komunikace, konfigurace. Sběrnice SPI, základní charakteristika, propojení zařízení, parametry, konfigurace. Sběrnice I2C,základní charakteristika, adresování zařízení, parametry, konfigurace. 3. Základy práce s časovači, princip čítače s přetečením, princip čítače s přerušením. Rozlišovací schopnost čítačů. Pulsně šířková modulace, střída. 4. AD převodníky, vzorkování, kvantování, kódování, kvantizační chyba. Princip AD převodníku s postupnou aproximací. Chybovost převodníku, chyba nastavení nuly, chyba zisku, integrální a diferenciální nelinearita. Konfigurace AD převodníku v AVR. 5. Princip šíření rádiového signálu prostředím, výkonová úroveň přijatého signálu a její závislost na vzdálenosti, popis logaritmického útlumového modelu, převod dBm na mW, vliv frekvence na výkonovou úroveň signálu, zisk antény, čtvrtvlnné antény. 6. Standard IEEE 802.15. a jeho rozdělení. Fyzické vrstva dle IEEE 802.15.4, použitá frekvenční pásma, modulace, přenosové rychlosti. Problematika koexistence standardu IEEE 802.15.4 s ostatními bezdrátovými technologiemi. Detekce energie na kanále, parametr RSSI, parametr LQI, formát rámce na fyzické vrstvě IEEE 802.15.4 7. Linkové vrstva dle IEEE 802.15.4 , formát rámce, struktura superrámce, typy zařízení, mezirámcové intervaly, synchronizovaná a nesynchronizované metoda CSMA/CA. Ustanovení sítě. Protokol LightWeight Mesh. 8. Protokol Zigbee, síťová vrstva, formát NWK rámce, směrování v mesh síti pomocí AODV, směrování ve stromové struktuře. Aplikační vrstva protokolu Zigbee, aplikační profily, koncové body (endpoints), zabezpečení komunikace, struktura rámce na aplikační vrstvě. 9. Protokoly Wireless HART, standard ISA100.11a, Bluetooth Low Energy. Lokalizace bezdrátových uzlů, energetická spotřeba při přenosu dat. 10. Architektura bezdrátové senzorové jednotky, návrh senzorové jednotky, možnosti napájení. 11. Návrh vlastního protokolu nad síťovou vrstvou. 12. Moderní protokoly pro Internet věcí.

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. Opakování jazyka C, práce s registry, ovládání IO portů 2. Sériový přenos dat, přerušení 3. Časovače, A/D převod 4. I2C, SPI, ovládání senzorů 5. LightWeight Mesh 6. - 12. Samostatný projekt