Detail předmětu

Bezdrátové senzorové sítě

FEKT-MPC-SSYAk. rok: 2026/2027

Předmět navazuje na znalosti z oblasti mikrokontrolérů, číslicové elektroniky a počítačových sítí. Studenti pracují s moderními bezdrátovými mikrokontroléry ARM Cortex-M a vývojovými platformami umožňujícími komunikaci v pásmu 2,4 GHz i v bezlicenčních Sub-GHz pásmech.

V úvodní části jsou probírány principy rádiového přenosu, výkonové veličiny, citlivost přijímače, RSSI a SNR, výpočet link budgetu, základní modely šíření rádiového signálu a vlastnosti antén. Součástí je také problematika návrhu RF části bezdrátového zařízení a vlivu konstrukce zařízení a okolního prostředí na kvalitu komunikace.

Významná část předmětu je věnována standardu IEEE 802.15.4, jeho fyzické a linkové vrstvě, přístupu k přenosovému médiu, formátu rámců, adresaci, topologiím sítí a zabezpečení. Na tento základ navazují protokoly Zigbee a Thread a principy přenosu IPv6 v sítích s omezenými prostředky, zejména 6LoWPAN. Studenti se dále seznámí s architekturou Matter a principy začlenění bezdrátových zařízení do IP sítí.

Samostatná část je věnována technologii Bluetooth Low Energy, její fyzické vrstvě, advertisingu, navazování spojení, protokolům GAP, ATT a GATT, tvorbě vlastních služeb a charakteristik a základním mechanismům zabezpečení komunikace.

V oblasti Sub-GHz komunikace se studenti seznámí s principy modulací FSK a LoRa a s jejich vlastnostmi z hlediska dosahu, citlivosti, přenosové rychlosti a energetické náročnosti. Na těchto technologiích jsou demonstrovány principy návrhu vlastního bezdrátového komunikačního protokolu, včetně formátu rámce, adresace, detekce chyb, potvrzování zpráv, retransmisí a řízení přístupu ke komunikačnímu médiu.

Součástí předmětu je rovněž problematika nízkoenergetického návrhu, využití úsporných režimů mikrokontroléru, výpočtu energetické bilance a odhadu životnosti bateriového zařízení. Pozornost je věnována také bezpečnosti bezdrátových systémů, správě klíčů, autentizaci zařízení, bezpečnému zavádění zařízení do sítě a aktualizaci firmwaru.

Praktická výuka zahrnuje práci s bezdrátovými vývojovými platformami, komunikaci se senzory, implementaci bezdrátových protokolů, analýzu paketů, měření RSSI, SNR, dosahu, chybovosti a spotřeby energie a realizaci jednoduché bezdrátové senzorové sítě. Závěrečnou část tvoří návrh a implementace vlastního bezdrátového senzorového systému a vyhodnocení jeho komunikačních a energetických parametrů.

 

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. 

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

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 principy, architekturou, návrhem a praktickou realizací moderních bezdrátových senzorových a komunikačních systémů krátkého a středního dosahu. Studenti získají znalosti o fyzické, linkové, síťové a aplikační vrstvě nízkoenergetických bezdrátových sítí a naučí se volit vhodnou komunikační technologii s ohledem na dosah, přenosovou rychlost, latenci, energetickou náročnost, spolehlivost a bezpečnost. 

Studenti se prakticky seznámí zejména se standardem IEEE 802.15.4, technologiemi Bluetooth Low Energy, Zigbee, Thread a Matter a s principy bezdrátové komunikace v bezlicenčních Sub-GHz pásmech. Přehledově budou uvedeny také technologie využívané v průmyslových a infrastrukturních aplikacích, například Wi-SUN, Wireless M-Bus, WirelessHART a Wi-Fi HaLow.

Důraz je kladen na návrh a realizaci bezdrátového senzorového uzlu s mikrokontrolérem a rádiovým rozhraním, připojení senzorů, návrh komunikačního protokolu, analýzu rádiového spoje, měření parametrů komunikace, optimalizaci spotřeby energie a zabezpečení bezdrátového přenosu. Studenti si osvojí také základní zásady návrhu RF části zařízení, anténního systému a napájení bateriových uzlů.

Po absolvování předmětu bude student schopen navrhnout architekturu bezdrátového senzorového systému, zvolit vhodnou komunikační technologii, implementovat komunikaci mezi zařízeními, analyzovat její vlastnosti a ověřit funkci systému praktickým měřením.

 

Studijní opory

Pro zobrazení studijních opor přejděte na předmět Bezdrátové senzorové sítě v e-learningu VUT.  (Přístupné pouze pro zapsané studenty.) 

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

  • Program MPC-AUD magisterský navazující

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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. Architektura bezdrátových senzorových a komunikačních systémů
  Přehled bezdrátových technologií pro IoT a senzorové sítě. Architektura bezdrátového uzlu, mikrokontrolér, rádiový transceiver, senzory, napájení a anténa. Rozdělení WPAN, WLAN a LPWAN. Kritéria volby technologie – dosah, rychlost, latence, spotřeba, topologie, spolehlivost a bezpečnost.
2. Rádiový přenos, link budget a šíření signálu
  Výkonové veličiny v dB a dBm, EIRP, citlivost přijímače, RSSI, SNR a noise floor. Link budget. Útlum volným prostorem a logaritmický model šíření. Vliv překážek, odrazů, vícecestného šíření, fadingu a rušení. Praktické hodnocení kvality bezdrátového spoje.
3. Antény a návrh RF části bezdrátového zařízení
  Základní typy antén, směrovost, zisk, polarizace a impedance. PCB antény, chip antény a externí antény. Přizpůsobení antény, matching network, ground plane, keep-out oblast. Zásady návrhu RF části PCB, vliv krytu a okolních materiálů, koexistence bezdrátových systémů.
4. IEEE 802.15.4 – fyzická a linková vrstva
  Architektura standardu IEEE 802.15.4, frekvenční pásma, kanály, modulace a přenosové rychlosti. Struktura PHY a MAC rámců. Adresace zařízení, typy rámců, potvrzování přenosu. CSMA/CA, beacon a non-beacon režim, základní topologie sítí a zabezpečení na MAC vrstvě.
5. Zigbee a mesh senzorové sítě
  Architektura Zigbee protokolového zásobníku. Role coordinator, router a end device. Síťová vrstva, směrování, tvorba a správa sítě. Aplikační vrstva, endpoints, clusters a profily. ZCL, commissioning a bezpečnost. Výhody a omezení Zigbee v současných IoT systémech.
6. IPv6 v omezených bezdrátových sítích, 6LoWPAN a Thread
  Principy IPv6 v constrained zařízeních. 6LoWPAN, komprese hlaviček a fragmentace. Principy mesh routingu a RPL. Architektura Thread, role zařízení, Thread Router, Leader, End Device a Border Router. Vytvoření sítě, commissioning a zabezpečení komunikace.
7. Matter a integrace bezdrátových zařízení do IP sítí
  Architektura Matter a její vztah k Thread, Wi-Fi, Ethernetu a Bluetooth LE. Device model, nodes, endpoints, clusters a attributes. Commissioning, fabrics, identita zařízení, řízení přístupu a zabezpečení. Principy interoperability a začlenění embedded zařízení do domácích a průmyslových IoT systémů.
8. Bluetooth Low Energy
  Architektura BLE, frekvenční kanály a PHY režimy. Advertising, scanning a navazování spojení. Connection events a parametry spojení. GAP, ATT a GATT. Services, characteristics a descriptors. Návrh vlastního BLE zařízení a přenos senzorických dat.
9. Pokročilé BLE, bezpečnost a energetická optimalizace
  LE 1M, 2M a Coded PHY. Extended Advertising, Periodic Advertising a moderní možnosti BLE. Pairing, bonding, autentizace, šifrování a správa klíčů. Vliv parametrů BLE na spotřebu, latenci a propustnost. Návrh energeticky úsporného bezdrátového uzlu.
10. Sub-GHz komunikace a návrh vlastního bezdrátového protokolu
    Vlastnosti bezlicenčních Sub-GHz pásem. FSK, GFSK a LoRa modulace. Vztah mezi dosahem, přenosovou rychlostí, šířkou pásma a citlivostí. Spreading factor, coding rate a airtime. Návrh vlastního protokolu – struktura rámce, adresace, CRC, sequence number, ACK, retransmise, timeouty, broadcast a řešení kolizí.
11. Návrh kompletního bezdrátového senzorového zařízení
    Systémový návrh od požadavků po realizaci. Volba MCU, rádia, senzorů, antény a napájení. Low-power režimy, energetický budget a odhad životnosti baterie. Bezpečné spuštění zařízení, provisioning, správa klíčů a aktualizace firmwaru. Přehled průmyslových technologií Wi-SUN, Wireless M-

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do jazyka C a platformy STM32Cube
  Základní struktura programu v jazyce C, datové typy, ukazatele, struktury, bitové operace a práce s periferiemi. Seznámení s STM32CubeIDE a STM32CubeMX, konfigurace projektu, generování kódu a knihovny HAL. Překlad, nahrání programu do mikrokontroléru a práce s debuggerem. Breakpointy, step-by-step debugging, sledování proměnných, registry periferií a práce s UART výstupem. Jednoduchá aplikace s GPIO, tlačítkem, LED a časovačem.
2. Senzorový uzel a nízkopříkonový provoz
  Připojení senzoru pomocí I²C nebo SPI. Periodické měření fyzikální veličiny. Využití časovače, RTC nebo přerušení. Low-power režimy mikrokontroléru a probouzení zařízení. Měření aktivní a klidové spotřeby, výpočet průměrného odběru a odhad životnosti bateriového zařízení.
3. Rádiový spoj, RSSI, SNR a link budget
  Realizace jednoduchého bezdrátového spojení mezi dvěma zařízeními. Nastavení vysílacího výkonu a komunikačního kanálu. Měření RSSI, SNR a packet error rate v závislosti na vzdálenosti, překážkách a vysílacím výkonu. Porovnání experimentálních výsledků s teoretickým link budgetem a modelem šíření.
4. IEEE 802.15.4 a analýza rámců
  Komunikace mezi zařízeními pomocí IEEE 802.15.4. Adresace zařízení, PAN ID, datové rámce, potvrzování rámců, broadcast a změna komunikačního kanálu. Zachycení komunikace pomocí packet snifferu a rozbor struktury IEEE 802.15.4 rámce. Analýza CSMA/CA a retransmisí.
5. Bluetooth Low Energy a GATT
  Realizace BLE peripheral zařízení. Advertising a navázání spojení. Návrh vlastní GATT služby a charakteristik pro přenos senzorických dat. Operace READ, WRITE a NOTIFY. Komunikace s mobilním telefonem nebo PC. Experimentální ověření vlivu connection intervalu a advertising intervalu na latenci a spotřebu energie.
6. Mesh komunikace – Thread a Zigbee
  Vytvoření víceuzlové bezdrátové sítě. Role jednotlivých zařízení, připojování uzlů do sítě, směrování a reakce sítě na výpadek uzlu. Analýza komunikace pomocí packet snifferu. Porovnání principů Thread a Zigbee, jejich adresace, topologie a způsobu přenosu aplikačních dat.
7. Sub-GHz komunikace a návrh vlastního protokolu
  Komunikace mezi NUCLEO-WL55JC v bezlicenčním Sub-GHz pásmu. Realizace point-to-point komunikace pomocí FSK nebo LoRa PHY. Návrh jednoduchého vlastního rámce obsahujícího adresu, typ zprávy, pořadové číslo, uživatelská data a kontrolní součet. Implementace ACK, timeoutu a retransmise. Porovnání FSK a LoRa z hlediska dosahu, airtime, citlivosti a spolehlivosti.
8. Projekt – specifikace a návrh systému
  Definice požadavků na řešený bezdrátový systém. Volba komunikační technologie, topologie sítě, senzorů, parametrů přenosu a způsobu napájení. Návrh struktury aplikačního protokolu a architektury firmware. Stanovení měřitelných parametrů, které budou na konci projektu experimentálně vyhodnoceny.
9. Projekt – implementace základní komunikace
  Implementace základních funkcí jednotlivých uzlů a bezdrátové komunikace. Ověření přenosu dat mezi uzlem a přijímačem, gateway nebo dalšími zařízeními. Řešení základních chybových stavů a diagnostiky systému.
10. Projekt – dokončení systému
    Integrace senzorů, aplikačního protokolu a dalších částí projektu. Implementace víceuzlové komunikace, retransmisí, reconnect mechanismů nebo zabezpečení podle charakteru projektu. Ověření kompletní funkce navrženého systému.
11. Projekt – měření a optimalizace
    Experimentální měření vlastností vytvořeného systému. Vyhodnocení například dosahu, RSSI, SNR, packet error rate, propustnosti, la