УДК 537.877

Изучение применения Bluetooth-модуля HC-05 для интернета вещей в системе умного дома

Пузановский Кирилл Вячеславович – старший преподаватель Физико-технического факультета Кубанского государственного университета

Ярметова Мария Викторовна – студент Кубанского государственного университета

Тамахин Владислав Сергеевич – студент Кубанского государственного университета

Аннотация: Современные дома состоят из большого количества инженерных систем и электроприборов. С ростом количества устройств и сценариев их работы, контроль и управление всеми системами становится все сложнее. Зачастую, взаимодействие элементов между собой строится на беспроводных сетях – так как это упрощает монтаж и позволяет легко переконфигурировать систему. Увеличение концентрации беспроводных модулей на ограниченной площади здания негативно влияет на качество беспроводной связи. Практическое изучение эффектов, наблюдаемых при распространении электромагнитных волн в здании может дать ответ о принципах построения надежных беспроводных сетей для датчиков в умном доме. Поэтому целью данной работы является изучение и тестирование системы связи в модулях интернета вещей и умного дома, использующих Bluetooth v2.0.

Ключевые слова: датчики, микроконтроллер, умный дом, интернет вещей, схемотехника, Bluetooth, RSSI.

Существует несколько основных технологий беспроводной передачи информации в интернете вещей (IoT The Internet of Things – англ. Интернет вещей). Wi-Fi является одной из самых распространенных технологий для подключения устройств к интернету. Bluetooth – это технология беспроводной связи, которая обеспечивает короткий диапазон передачи данных между устройствами. Она широко применяется для подключения периферийных устройств, таких как наушники, клавиатуры, датчики и другие устройства IoT. Zigbee – это протокол беспроводной связи, который используется для маломощных устройств IoT. Он обеспечивает низкое энергопотребление и позволяет устройствам взаимодействовать между собой в сети с низкими задержками. Z-Wave – это другой протокол беспроводной связи, используемый для устройств IoT. Он обеспечивает надежную связь на небольшом расстоянии и имеет низкое энергопотребление. LoRaWAN – это протокол для дальней связи в интернете вещей. Он использует долгое расстояние и низкое энергопотребление, позволяя устройствам передавать данные на значительные расстояния.

Bluetooth является широко используемой технологией, которая поддерживается большинством современных устройств, включая смартфоны, наушники, колонки, компьютеры и другие устройства. Bluetooth – популярная и широко применяемая технология для беспроводной связи между устройствами. Одним из самых популярных Bluetooth-модулей, подключаемых к микроконтроллерам и применяемых при разработке прототипов устройств умного дома является модуль HC-05. Этот модуль построен на базе микросхемы BC417143, использует диапазон частот 2,4‑2,48 ГГц, мощность передачи составляет 0,25‑2,5 мВт. Пороговая чувствительность сигналов -80 dBм, радиус действия до 10 метров.

Для оценки верности определенных методов и гипотезы построения системы Умного дома с применением Bluetooth-модулей необходимо было провести экспериментальные исследования влияния расстояния и конструктивных особенностей жилых помещений на качество приема сигнала. Для определения данных параметров была собрана экспериментальная установка, в которой с помощью программно-апаратного комплекса изучалось падение мощности радиосигнала Bluetooth-модуля HC-05. В качестве приемника был использован модуль MUTARA SS8726018, установленный в мобильном телефоне Google Pixel 4a. Для регистрации уровня мощности сигнала (RSSI radio signal strength indicator – англ. Индикатор уровня мощности радиосигнала) была использована программа Bluetooth Intensity. Измерения проходили в трех комнатах, учитывался сигнал, проходящий по прямой через две кирпичные стены толщиной 15 см. Результаты измерений представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Результат измерений уровня RSSI в трех комнатах.

Анализируя полученные данные, можно интерпретировать результаты следующим образом: падение интенсивности сигнала Bluetooth проходящего через одну кирпичную стену составляет порядка ‑20 dBm. Приемлемый уровень сигнала для модуля MUTARA SS8726018 считается больше, чем ‑82 dBm. Поэтому сигнал, прошедший через вторую стену, практически полностью затух и имеет крайне низкое соотношение сигнал/шум, что не может гарантировать качественный прием.

Данные результаты хорошо подтверждаются теоретическими данными и могут служить общей оценкой эффективности технологии Bluetooth v2.0. Надо понимать, что низкая мощность излучения и невысокая проникающая способность, могут являться положительными качествами при построении интернета вещей в умном доме. Так, размещая базовую станцию или хабы в каждой комнате, в которой есть Bluetooth-модули, можно добиться уменьшения перекрестного излучения и в следствии усиление основного сигнала, работающего на данных частотах. Таким образом, локализуя беспроводные модули в одной комнате в соседней их влияние будет снижено, что особенно актуально при построении крупных сетей с большим количеством элементов.

Список литературы

1. Пузановский, К. В. Разработка модуля передачи информации в высоко дисперсных средах / К. В. Пузановский, В. А. Исаев, Е. Г. Пузановская // Наука среди нас. – 2018. – № 6(10). – С. 235-240. – EDN CEKWLM.
2. Пузановский, К. В. Роботизированная платформа для точного земледелия / К. В. Пузановский, И. Ю. Шуткин, И. В. Рядчиков // Молодой ученый. – 2015. – № 9-2(89). – С. 138-139. – EDN RSZHFD.
3. Схемотехника стабилизаторов напряжения / Т. В. Арутюнян, К. В. Пузановский, И. Ю. Шуткин [и др.] // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки : электронный сборник статей по материалам XLIX студенческой международной научно-практической конференции, Новосибирск, 30 января – 10 2017 года. Том № 1 (48). – Новосибирск: Ассоциация научных сотрудников "Сибирская академическая книга", 2017. – С. 157-162. – EDN XVXOCV.
4. Передача данных в атмосферной среде посредствам лазерного излучения / В. Д. Лиманенко, П. Д. Симиненко, В. А. Чапенко, К. В. Пузановский // Нанотехнологии: наука и производство. – 2023. – № 3. – С. 34-37. – EDN RRUCAU.
5. Федянина, М. А. Исследование температурной зависимости дисперсии показателя преломления стекла К8 в терагерцовом диапазоне / М. А. Федянина, Н. С. Балбекин, К. В. Пузановский // Сборник научных трудов XXXII Международной школы-симпозиума по голографии, когерентной оптике и фотонике : Материалы лекций заслуженных ученых и научных работ молодых ученых, Санкт-Петербург, 30 мая – 03 2022 года. – Санкт-Петербург: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", 2022. – С. 204-206. – EDN KKSJXB.