Faro multicolore tesina

Faro RGB bluetooth

1 Standard Bluetooth

Il bluetooth è una tecnologia di rete personale senza fili , cioè una tecnologia di di debole portata che

permette di collegare delle apparecchiature fra loro senza fili. Contrariamente alla tecnologia IrDa

(collegamento infrarossi), le apparecchiature Bluetooth non richiedono una linea di visione diretta per

comunicare, cosa che rende ancora più flessibile la sua utilizzazione e permette soprattutto una

comunicazione da una stanza all'altra, in piccoli spazi.

La tecnologia Bluetooth è stata originariamente messa a punto per Ericsson nel 1994. Nel febbraio

1998 un gruppo di interesse battezzato Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), che riuniva

più di 2000 compagnie fra cui Agere, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia e Toshiba, è

stato formato per produrre le specifiche Bluetooth 1.0, pubblicate nel luglio del 1999.

L'obiettivo del Bluetooth è di trasmettere dei dati o della voce tra delle periferiche come computer o

palmari, che possiedono un circuito radio a basso costo, su un raggio dall'ordine di una dozzina di

metri fino ad un po' meno di un centinaio di metri e con un basso consumo elettrico. La tecnologia

Bluetooth è sempre più usata nei telefoni cellulari, per permettere loro di comunicare con dei

dispositivi mani-libere come gli auricolari.

Il nome « Bluetooth » (letteralmente « dente blu ») fa riferimento al nome del re danese Harald II (910-

986), soprannominato Harald II Blåtand (« dal dente blu »), al quale si attribuisce l'unificazione della

Svezia e della Norvegia nonché l'introduzione del cristianesimo nei paesi scandinavi.

Figura 2 Logo standard Bluetooth

1.1 Caratteristiche 5

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Lo standard Bluetooth opera nella banda libera ISM centrata attorno ai 2.4 GHz. Questa banda è

occupata da un elevato numero di emettitori RF, dallo standard Wireless Ethernet (IEEE 802.11b), e

dai generatori di rumore come i forni a microonde e le lampade al sodio da strada. Ciò ha reso

necessario l’utilizzo di una tecnica di modulazione robusta alle interferenze: si è scelto una 2-FSK e

per renderla ancora più immune ai distrurbisi usa la tecnica del frequencyhopping che consiste nel

variare la frequenza di trasmissione a intervalli regolari in maniera pseudocasuale attraverso un

codice prestabilito.

Questo sistema di comunicazione funziona secondo uno schema Time Division Multiplexing

(TDM),dove l’unità base è uno slot di durata pari a 625 μs. Quando i dispositivi sono connessi, negli

slot pari è abilitato a trasmettere il master, mentre negli slot dispari sono abilitati a rispondere gli slave.

L’utilizzo della tecnica frequencyhoppingcomporta che ogni time slot sia caratterizzato da una

frequenza di trasmissione differente infatti si hanno 79 canali spaziati di 1 MHz l’uno dall’altro, a

partire da 2402 MHz fino a 2480 MHz.

Classi di potenza

Le specifiche Bluetooth definiscono tre classi di potenza e le relative distanze che si possono

raggiungere in trasmissione.

I dispositivi di Classe 1 hanno d’obbligo il requisito del controllo di potenza, che è opzionale per le

classi 2 e 3. Comunque, per un minimo consumo di potenza, è preferibile avere il controllo di potenza

1.2 Modulazione 2-FSK 6

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In telecomunicazioni ed elettronica con il termine modulazione si indica l'insieme delle tecniche di

trasmissione finalizzate ad imprimere un segnale elettrico o elettromagnetico detto modulante su di un

altro segnale elettrico o elettromagnetico detto portante che ha invece lo scopo di trasmettere le

informazioni del modulante ad alta frequenza ovvero di convertire il segnale modulante da banda

base a quella che è chiamata banda traslata secondo il teorema della modulazione. La portante con il

segnale informativo modulante agganciato sarà detto quindi segnale modulato.L'operazione inversa di

ripristino del segnale informativo originario in banda base è detta demodulazione.

Nella modulazione PSK la portante può assumere in funzione della sequenza di bit da trasmettere un

determinato numero di fasi, lasciando inalterata lì ampiezza e la frequenza.

La modulazione 2PSK o bifase è la più semplice delle modulazioni PSK ed è impiegata nei sistemi di

trasmissione a bassa velocità. La portante può assumere due fasi 0° e 180°, alle quali sono associati

i due stati logici 1 e 0 del codice binario.

L’espressione del segnale modulato è: v(t) = A cos (ω t + β)

M P

Dove β è la variazione di fase generata dalla modulazione, che per esempio può valere:

β=0° in corrispondenza del bit 1

β=180° in corrispondenza del bit 0

a= Segnale modulante

b= Segnale portante

c= Segnale modulato Figura 3 Diagramma temporale modulazione FSK

1.3 Protocollo Bluetooth 7

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Per garantire il funzionamento fra dispositivi costruiti da produttori diversi, lo standard bluetooth ha

definito oltre ai requisiti del sistema radio, anche il protocollo di comunicazione. Esso è organizzato in

una pila, in cui ogni strato (layer), usa i servizi dei layer più in basso offrendone a sua volta a quelli

superiori. In una comunicazione fra dispositivi Bluetooth ogni layer comunica col suo omologo

presente su un altro dispositivo mediante il relativo protocollo.

Figura 4 Schema protocollare Bluetooth

● Baseband e Bluetooth Radio :

sono gli strati più bassi e servono ad effettuare le procedure relative alla connessione fisica fra i

dispositivi. In particolare stabiliscono la sequenza delle frequenze di salto e controllano il canale fisico,

formano i pacchetti dati che verranno effettivamente trasmessi, implementano la correzione degli

errori di trasmissione e l'eventuale cifratura dei dati.

● Link Manager : questo protocollo viene adoperato per il setup, il controllo e la sicurezza del

collegamento; i segnali scambiati a questo livello tra due dispositivi non si propagano ai layer

superiori. Il Link Manager è responsabile delle operazioni di paging e page scanning, inquiry ed

inquiry scanning e delle modalità di basso consumo.

● Host Controller Interface (HCI): non è un layer vero e proprio poiché non eroga servizi per i livelli

superiori né comunica col suo omologo presente su un altro dispositivo. Serve piuttosto a fornire

un'interfaccia uniforme di comandi per accedere al Link Manager e alle potenzialità del sistema radio.

Offre, inoltre, accesso allo stato dell'hardware e ai registri di controllo.

● Logical Link Control and Adaptation Protocol: il layer L2CAP ha la funzione di fornire servizi per

l'invio dei dati ai livelli superiori. A tale scopo, supporta:

○ multiplexing dei livelli più alti di protocollo;

○ segmentazione e riassemblaggio dei pacchetti di dimensioni elevate;

○ gestione delle connessioni logiche con i layer superiori;

Grazie a L2CAP, è consentito l'invio di pacchetti dati più grandi di quelli permessi dalla semplice

trasmissione radio e l'invio di informazioni sulla qualità del servizio. Non è prevista la segmentazione

di pacchetti audio sincroni ma soltanto di dati asincroni. 8

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● Service DiscoveryProtocol (SDP): questo strato permette ad un dispositivo di individuare i servizi di

cui potrebbe usufruire connettendosi ad altri dispositivi Bluetooth a portata di comunicazione e di

notificare i servizi che possono essere forniti.

● Telephony Control - Binary (TCS Bin): è un protocollo orientato ai bit, che fornisce funzionalità per il

supporto di telefonia senza fili.

● RFCOMM : permette di emulare porte seriali attraverso il layer L2CAP, con i relativi segnali. Per

esempio, RFCOMM può emulare una porta con lo standard RS-232.

1.4 Fasi funzionali Bluetooth: Standby: Il modulo bluetooth è in attesa di

connessione.

Inquiry: il dispositivo Bluetooth ricerca la presenza

di altri moduli e questi se sono posti in modalità

standby, rispondono alla chiamata.

Page: in questa fase il dispositivo richiede la

connessione con una delle periferiche individuate

durante la fase di "inquiry".

Connected: il dispositivo è connesso ad una

periferica.

Park\hold: funzioni di risparmio energetico.

Figura 5 Fasi funzionali

2 Microcontrollore 9

Figura 6 Microcontrollore

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Un microcontrollore è un chip che ha al suo interno oltre al microprocessore una memoria ram, una

memoria rom e altre periferiche come

Periferiche bidirezionali di I/O

 Convertitori ADC e DAC multicanale

 UART (AsynchronousReceiverTransmitter)

 Bus (SPI, I2C, CAN, LIN, USB) interfacciamento protocolli standard

 Timer, Contatori, Comparatori

 PWM modulazione segnale di uscita



La gestione delle periferiche è regolata mediante i registri interni del microcontrollore. Ogni locazione

di memoria del registro è associata ad un significato specifico per la periferica.

Cenni Storici

Il primo modello di microcontrollore è stato l’8048 di Intel, rilasciato nel 1975, con RAM e ROM sullo

stesso chip. Lo sviluppo della tecnologia CMOS nella prima metà degli anni ottanta, ha fornito un

impulso decisivo alla diffusione dei microcontrollori, consentendo una notevole riduzione dei consumi

e della dissipazione nei chip.

Nel 1993, Microchip ha introdotto il modello PIC16C84, caratterizzato da memoria programma in

EEPROM, ovvero cancellabile elettricamente, che permetteva sia lo sviluppo veloce del prototipo, sia

la modifica del Firmware a circuito montato. La semplificazione del contenitore, senza finestrella in

quarzo, ha contribuito a ridurre il costo finale del componente.

Nello stesso anno, Atmel ha rilasciato il primo microcontrollore che utilizzava una memoria di tipo

flash, ancora più semplice e veloce da programmare/modificare, più compatta e con un ciclo di vita

molto più elevato.

2.1 ATMEGA328 10

Figura 7 ATMEGA328

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Nel mio progetto ho utilizzato l’ATMEGA328 un microcontrollore prodotto dalla atmel programmato

tramite la scheda arduino.

L'ATMEGA328 fa parte di una famiglia di microcontrollori l’AVR, sviluppati dalla Atmel a partire dal

1996. L'AVR fu una delle prime famiglie di microcontrollori a utilizzare una memoria flash interna per

memorizzare il contenuto del programma: questo permette di cancellare la memoria di programma e

riscriverla con una nuova versione in pochi secondi e anche senza rimuovere il microcontrollore dalla

scheda su cui è montato, velocizzando enormemente il processo di correzione e messa a punto del

codice.

Caratteristiche principali:

Dimensioni memoria di programma: 32KB

Dimensioni RAM dati: 2KB

Tensione di alimentazione: da 1.8 a 5.5 volt

Canali A/D disponibili: 6

Canali digitali I/O disponibili: 23

2.2 ATMEGA328 Porte Input/Output

L’ATMEGA328 è fornito di funzionalità di Input/Output, grazie alle quali esso riceve i segnali 11

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dall’esterno.

I/O Digitali

Sono presenti 14 pin per l’I/O digitale che possono essere utilizzati sia come input che come output,

lavorando con il principio che vuole una tensione di +5 volt massimi come 1 logico e una tensione

prossima a 0 volt come 0 logico. Sei di queste porte possono essere utilizzate come pin di output in

PWM.

Inputi Analogici

Sono poi disponibili altri 6 pin specificamente dedicati a ingressi di segnali analogici, cioè valori di

tensione letti da sensori esterni i cui valori, fino a un massimo di 5 Volt, sono convertiti in 1024 livelli

discreti. Figura 8 Piedinatura ATMEGA328

2.3 Modulazione PWM

Con l’ATMEGA328 abbiamo a disposizione fino a sei uscite PWM, in questo progetto ne vengono

utilizzate tre, una per ogni colore. 12

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La modulazione di larghezza di impulso (pulse-widthmodulation), è un tipo di modulazione digitale che

permette di ottenere una tensione media variabile dipendente dal Duty Cycle.

Il duty cycle (Dc) è definito come il rapporto percentuale fra il tempo (Ton) durante il quale il segnale

presenta il suo valore alto e il periodo totale (T).

D =(T / T) x 100

c on

Questa modulazione è largamente utilizzata anche per regolare la potenza elettrica inviata ad un

carico, per esempio negli inverter, per regolare la velocità dei motori in corrente continua e per variare