Studienarbeit. Steuerung einer Hausautomatisierungsanlage über IrDA

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Studienarbeit Steuerung einer Hausautomatisierungsanlage über IrDA vorgelegt von: Michael Reiß geboren am: Studiengang: Studienrichtung: Verantwortlicher Professor: Betreuender wiss. Mitarbeiter: Elektrotechnik und Informationstechnik Informations- und Kommunikationstechnik Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz Dipl.-Ing. Michael Heubach Beginn der Arbeit: Abgabe der Arbeit: Ilmenau, den

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 IrDA - Grundlagen Der IrDA - Protokollstack Physical Layer (IrPHY) Infrared Link Access Protocol (IrLAP) Infrared Link Management Protocol (IrLMP) IrLMP Information Access Service (LM-IAS) Optionale Protokolle des IrDA - Protkollstacks Tiny Transport Protocol (TinyTP) IrCOMM IrOBEX IrLAN IrMC IrTran-P I

3 INHALTSVERZEICHNIS II 3 Architektur des Basisgerätes Verfügbare Schnittstellen auf dem Basisgerät Anpassung des seriellen Signalpegels Verwendetes Betriebssystem Die serielle Schnittstelle unter Linux Konzipierung der IrDA-Schnittstelle Der IrDA-Protokollstack unter Linux Unterstützte IR-Dongles Aufbau einer TCP/IP-Verbindung Das Point-to-Point Protocol PPP-Verbindung über IrNET PPP-Verbindung über IrCOMM Inbetriebnahme der IrDA-Schnittstelle Konfiguration des Kernels Installation der irda-utils Kompilierung und Installation des nicht kompilierten Pakets Installation des vorkompilierten Debian-Pakets Test der IrDA-Schnittstelle Installation und Konfiguration von SynCE Installation und Konfiguration eines PPP-Servers Start der notwendigen Prgramme für eine IrDA TCP/IP-Verbindung 34

4 INHALTSVERZEICHNIS III 6 Bewertung der Kommunikation über IrDA 37 A Umsetzer für die serielle Schnittstelle 39 A.1 Die COM-Schnittstelle auf dem Basisgerät A.2 Schaltung des externen Schnittstellenumsetzers B Installations- und Konfigurationsmaßnahmen 42 B.1 Installationsanleitung SynCE B.2 Einrichtung einer Direktverbindung unter Windows XP B.3 Herstellen einer Direktverbindung mit einem PDA

5 Abbildungsverzeichnis 2.1 IrDA - Protokollstack Ablauf Informationstransfer auf IrLAP LVTTL-Pegel, RS232C-Pegel TCP/IP - Verbindung Konfiguration des Kernels für IrDA Konfiguration des Kernels für IrDA-Treiber Start von IrDA Ausgabe von irdadump Ausgabe von ifconfig mit IrDA Ausgabe von ifconfig mit PPP Eigenschaften der PPP-Verbindung A.1 Schaltung des Schnittstellenumsetzers A.2 Sicht auf geroutete Leiterplatte des Schnittstellenumsetzers B.1 Erstellen einer Direktverbindung IV

6 ABBILDUNGSVERZEICHNIS V B.2 Eigenschaften der Direktverbindung B.3 Direktverbindung herstellen B.4 Aufruf von ActiveSync am PDA B.5 Eigenschaften von ActiveSync

7 Tabellenverzeichnis 1.1 Vorteile und Nachteile von IrDA gegenüber Bluetooth Implementierung von IrDA-Protokollen in Windows / Linux A.1 Pinbelegung COM-Schnittstelle auf Motherboard A.2 Beschreibung der Signale auf COM-Schnittstelle A.3 Benötigte Bauelemente für den Umsetzer VI

8 Abkürzungsverzeichnis 4PPM CRC FIR HDLC IP IR IrDA IrLAP IrLMP LAN LISTIG LM-IAS LVTTL NDM NRM PPP RZI SIR TCP TinyTP VFIR Four Pulse Position Modulation Cyclic Redundancy Check Fast Infrared High Level Data Link Protocol Internet Protocol Infrared Infrared Data Association Infrared Link Access Protocol Infrared Link Management Protocol Local Area Network LAN-integriertes Steuerungssystem für intelligente Gebäudetechnik IrLMP Information Access Service Low Voltage TTL Normal Disconnect Mode Normal Response Mode Point-to-Point Protocol Return-to-Zero, inverted Serial Infrared Transmission Control Protocol Tiny Transport Protocol Very Fast Infrared VII

9 Kapitel 1 Einleitung Die elektronische Steuerung von Anlagen und Geräten in einem Haus über eine Automatisierungseinrichtung ist derzeit ein stark expandierendes Marktsegment. Schon heute werden Geräte angeboten, die ausgehend von einer Hauszentrale Heizkörper, Steckdosen, Rolläden und viele weitere Geräte über Funk steuern können. Es existiert jedoch bei den angebotenen Automatisierungseinrichtungen kein allgemein anerkannter Standard zur Steuerung der Anlage. Es ist bis jetzt nicht möglich, über ein beliebiges Endgerät auf eine Hauszentrale zuzugreifen. Durch das Projekt LAN-integriertes Steuerungssystem für intelligente Gebäudetechnik (LISTIG) soll erreicht werden, dass über ein einheitliches Basisgerät die verschie- denen Automatisierungseinrichtungen gesteuert werden können. Die Kommunikation mit dem Basisgerät soll weiterhin mit beliebigen Endgeräten möglich sein. Abhängig von den Endgeräten müssen somit unterschiedliche Kommunikationstechniken vom Basisgerät unterstützt werden. Eine heute bei Endgeräten weit verbreitete Technik ist die Kommunikation über Infrarot- Licht. Auch wenn mittlerweile neuere Kommunikationstechniken wie Bluetooth existieren, kann man einige Vorteile für eine Verbindung über einen Infrarot-Lichtstrahl nennen. Die Vergleichbarkeit von IrDA und Bluetooth ist gegeben, da sich beide Systeme nur für die drahtlose Übertragung von Daten über kurze Entfernungen eignen. 1

10 KAPITEL 1. EINLEITUNG 2 Technik Vorteile Nachteile IrDA große Verbreitung bei Endgeräten nur sehr kurze Reichweite (bis 2 m) sehr billig direkte Sichtverbindung notwendig keine Probleme mit EMV Einfluß von Umgebungslicht hohe Übertragungsraten möglich keine Verschlüsselung geringer Stromverbrauch Bluetooth größere Reichweite (bis 100 m) eingeschränkter Frequenzbereich kein Sichtkontakt notwendig kleine Verbreitung bei Endgeräten Verschlüsselung elektromagnetische Störquellen teurere Komponenten Tabelle 1.1: Vorteile und Nachteile von IrDA gegenüber Bluetooth Besonders der Vorteil der großen Verbreitung bei Endgeräten, welche sicherlich aus den extrem niedrigen Kosten für eine Infrarot-Schnittstelle folgt, machen diese alte Technik trotz der vorhandenen Nachteile zur drahtlosen Kommunikation mit dem Basisgerät interessant. Das Ziel dieser Studienarbeit ist es, für das vorgegebene Basisgerät eine Infrarot- Schnittstelle zu konzipieren und diese in Betrieb zu nehmen. Es soll untersucht werden, mit welchen Endgeräten ein drahtloser Zugriff auf das Basisgerät über Infrarot möglich ist. Abschließend soll eine Bewertung hinsichtlich Störanfälligkeit und Reichweite dieser Kommunikationstechnik getroffen werden.

11 Kapitel 2 IrDA - Grundlagen Die Infrared Data Assocation 1 (IrDA) ist eine im Juni 1993 von 50 Firmen gegründete Nonprofit-Organisation von Geräte- und Softwareherstellern. Das Ziel der Organisation ist die Entwicklung eines herstellerübergreifenden Standards für die Kommunikation über Infrarot-Licht. Die IrDA-Spezifikationen kann man in zwei grundlegende Standards unterteilen. Die Spezifikation IrDA DATA wurde 1994 (IrDA 1.0 SIR) für bidirektionale, kabellose Point-to-Point Verbindungen mittels Infrarot-Licht definiert. Dieser bzw. nachfolgende Standards (1995 IrDA 1.1 FIR; 1999 VFIR) werden heute in über 300 Millionen Geräten, wie z. B. in Notebooks, Mobiltelefonen und PDA s genutzt. Sender und Empfänger müssen miteinander Sichtkontak haben, der Abstand zwischen Beiden sollte nach der Spezifikation von IrDA maximal 1 Meter betragen (meist wird von den Infrarot-Geräten eine höhere Reichweite ermöglicht, als laut Spezifikation notwendig ein typischer Wert ist 2 Meter). IrDA CONTROL ist die zweite wichtige Spezifikation. Sie wurde für Consumer-Geräte entwickelt und ermöglicht es kabellosen Peripheriegeräten, wie z. B. Tastaturen oder Fernbedienungen, mit ihren entsprechenden Hauptgeräten zu kommunizieren. Man erreicht mit IrDA CONTROL eine Datenrate von 75 kbit/s zwischen Sender und 1 3

12 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN 4 IrCOMM IrOBEX IrLAN IrMC... IrTran-P IrLMP Information Access Service (LM-IAS) Tiny Transport Protocol (TinyTP) Infrared Link Management Protocol (IrLMP) Infrared Link Access Protocol (IrLAP) Physical Layer (IrPHY) SIR FIR Bit/s 4 Mbit/s VFIR 16 Mbit/s Standard-Protokolle Optionale Protokolle Abbildung 2.1: IrDA - Protokollstack Empfänger, wobei die spezifizierte Reichweite mindestens 5 Meter beträgt. Beide Spezifikationen bestehen aus verschiedenen Protokollen. Im Weiteren wird nur auf den Protokollstack von IrDA DATA eingegangen, da über diesen die Kommunikation mit dem Basisgerät und damit die Steuerung der Hausautomatisierungsanlage erfolgen wird. 2.1 Der IrDA - Protokollstack Physical Layer (IrPHY) Die unterste Schicht des Protokollstacks dient der reinen Übertragung von Daten über ein Infrarotgerät. Hierbei ist eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger notwendig, wobei die Geräte so gegenüberstehen sollten, dass die Aufweitung des Sendestrahls weniger als 30 beträgt. Die mögliche Reichweite beträgt nach der IrDA-Spezifikation bis zu 1 Meter (Standard IrDA-Gerät als Sender und Empfänger). Weiterhin wurde auch eine Low-Power-Version mit einer Reichweite bis zu 0,2 Metern (Low-Power IrDA-Gerät als Sender und Empfänger) verabschiedet. Die Datenpakete werden bereits auf dieser Schicht mit Cyclic Redundancy Checks (CRC) geschützt.

13 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN 5 Man unterscheidet zwischen drei möglichen Protokollen auf der pyhsikalischen Schicht: Serial InfraRed (SIR), Fast InfraRed (FIR) und Very Fast InfraRed (VFIR). Das zur Zeit noch meistgenutzte Protokoll ist der SIR-Modus. Die Infrarot-Geräte emulieren dabei einen seriellen Port, es entsteht ein asynchroner, serieller Datenstrom mit einer Übertragungsrate zwischen 2,4 115,2 kbit/s. Als Modulationsverfahren wird das Return-to-Zero, inverted (RZI) - Verfahren eingesetzt. Eine auftretende logische Null wird als IR-Impuls codiert, bei einer logischen Eins wird kein Impuls ausgesendet. Die IR-Impulse selbst besitzen maximal eine Pulsbreite von 3/16 der Bitbreite. Aufgrund dieser genutzten Modulation erreicht man einen sehr geringen Stromverbrauch der IrDA-Sender. Im FIR-Modus sind Übertragungsraten von 576 kbit/s, 1,152 Mbit/s bzw. 4 Mbit/s möglich. Als Modulationsverfahren wird bei den ersten beiden Übertragungsraten wieder das Return-to-Zero, inverted - Verfahren eingesetzt, jedoch mit einer maximalen Impulsbreite von 1/4 der Bitbreite. Für die Übertragung mit 4 Mbit/s kommt eine Four Pulse Position Modulation (4PPM) zum Einsatz. Hierbei werden jeweils zwei Datenbits zu einem Datenbitpaar zusammengefasst, dieses wird über einen optischen Impuls übertragen. Die neuste Spezifikation ist der VFIR-Modus. Man erreicht eine Datenübertragungsrate von bis zu 16 Mbit/s, eine Abwärtskompatibilität zu FIR und SIR ist gegeben. Diese hohe Datenrate wird über die neu entwickelte HHH 2 (1,13)-Modulation gewährleistet. Die Aufgaben der pyhsikalischen Schicht kann man zusammenfassend mit drei wichtigen Punkten beschreiben: unzuverlässiges Senden / Empfangen von Daten im Halbduplex-Verfahren Kodierung der Datenbits, Modulation Zugriff auf die Infrarot-Hardware 2 benannt nach den Entwicklern Hirt, Hassner und Heise

14 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN Infrared Link Access Protocol (IrLAP) Direkt über der physikalischen Schicht liegt das obligatorische Infrared Link Access Protocol (IrLAP). Es gewährleistet den Aufbau einer verlustfreien Übertragung von Daten zwischen zwei Geräten. Der zuverlässige Datentransfer wird über eine Low- Level Flusskontrolle, Übertragungswiederholungen und Fehlerkorrektur erreicht. IrLAP basiert auf dem High-Level Data Link Protcol (HDLC). Zwischen zwei IR-Geräten besteht bei einer LAP-Verbindung eine Master-Slave-Beziehung. Die Primary Station (Master) ist für den Aufbau der Verbindung, den Datentransfer, die Flusskontrolle und die Behandlung von Übertragungsfehlern verantwortlich. Die Secondary Station (Slave) sendet nur, wenn sie selbst angesprochen wird. Die maximale Sendedauer einer Station ist jeweils auf 500 ms begrenzt. Auf der IrLAP-Schicht kann man zwei verschiedene Betriebsmodes unterscheiden. Der Grundzustand bei unverbundenen Geräten ist der Normal Disconnect Mode (NDM). Bevor ein IR-Gerät auf das Medium zugreifen darf, muss es überprüfen, ob bereits eine Übertragung stattfindet. Aus diesem Grund wird das Medium für eine Zeit von mindestens 500 ms beobachtet. Findet keine Aktivität statt, ist das Medium frei für eine neue Verbindung. Weiterhin wird im NDM die Aushandlung der Verbindungsparameter vorgenommen. Dazu wird eine Verbindung mit 9600 bit/s zwischen den Geräten aufgebaut und es kommt zum Austausch der möglichen Übertragungsparameter. Danach werden von IrLAP die besten Parameter ausgewählt, die von beiden IR-Geräten unterstützt werden. Der Normal Response Mode (NRM) besteht bei verbundenen Geräten. Dort findet die eigentliche Datenverbindung mit den ausgehandelten Parametern statt. Da dieses Protokoll auf der Basis eines HDLC-Derivats arbeitet, existieren drei verschiedene IrLAP-Rahmen. Die unnummerierten Rahmen (U-Frames) werden zum Aufbau und der Trennung von Verbindungen und zum Suchen von IR-Geräten genutzt. Zur Übertragung von Informationen mit Sende- und Empfangsfolgenummer kommen Datenrahmen (I-Frames) zum Einsatz. Mit den Überwachungsrahmen (S-Frames) können

15 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN 7 Rahmen mit Sendefolgenummer, Empfangsfolgenummer beim Informationstransfer im NRM: Primary Station Secondary Station Primary Station Secondary Station I 0,0 I 1,0 I 2,0 P I 0,0 I 0,3 I 1,0 P # Timeout S 0, P I 1,3 F I 0,1 F I 3,2 P Rahmen beim Informationstransfer im NRM mit Verlust eines Paketes: I 1,1 P Abbildung 2.2: Ablauf Informationstransfer auf IrLAP I-Frames bestätigt werden. Ein Poll-Bit und ein Final-Bit dienen zur Steuerung der Übertragung. Mit Hilfe der Sende- und Empfangsfolgenummer kann ein zuverlässiger Datentransfer gewährleistet werden (Abbildung 2.2 verdeutlicht den Ablauf). Abschließend die wichtigsten Aufgaben von IrLAP: Bereitstellung einer zuverlässigen Vollduplexverbindung Aushandlung der Rollenverteilung mit bestmöglichen Verbindungsparametern Beobachtung der IR-Umgebung nach vorhandenen Geräten Infrared Link Management Protocol (IrLMP) Das obligatorische IrDA Link Management Protocol (IrLMP) setzt auf eine zuverlässige Verbindung auf und bietet neben Multiplexing auch die Auflösung von Adresskonflikten als Funktionalität an. Durch das Multiplexing ist es möglich, dass mehrere IrLMP-Dienstnehmer über einen IrLAP-Link arbeiten (LM-MUX). Dazu werden in dieser Schicht mehrere logische Verbindungen über einen physikalischen Datenkanal aufgebaut. Falls mehrere Geräte dieselbe IrLAP-Adresse nutzen, fordert IrLMP die Geräte auf, eine neue Adresse zu generieren und somit den Adresskonflikt aufzulösen. Die Adressierung auf der IrLMP-Schicht besteht aus dem Logical Service Access Point

16 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN 8 (LSAP) und dem LSAP Selector (LSAP-SEL). Mit LSAP wird dabei die eigentliche Geräteadresse bezeichnet. Die LSAP-SEL ist eine weitere Byte-Zahl und bezieht sich auf die Adresse eines Dienstes innerhalb einer Station. Die Hauptaufgaben von IrLMP zusammengefasst: Bereitstellung mehrerer logischer Verbindungen (Multiplexing) Adresskonfliktauflösung Verdeckung der Rollenverteilung IrLMP Information Access Service (LM-IAS) Der Information Access Service (IAS) stellt einen Informationsdienst dar, der die verfügbaren Dienste eines Gerätes beschreibt. Man kann ihn somit als eine Art Gelbe Seiten für ein Gerät bezeichnen. Eine vollständige IAS-Implementierung besteht aus einem Client und einem Server. Der Server besitzt die Informationen über eigene (lokale) Dienste bzw. Anwendungen, die für eine ankommende Verbindung verfügbar sind. Der Client erkundigt sich über die eingetragenen Dienste des Gerätes, mit dem kommuniziert werden soll. Eine ankommende IAS-Anfrage wird somit vom IAS-Server beantwortet. Genutzt wird der IAS somit zur: Beschreibung der verfügbaren Dienste eines Gerätes 2.2 Optionale Protokolle des IrDA - Protkollstacks Die folgenden Protokolle gehören zwar zum IrDA - Protokollstack, jedoch können Hersteller diese optional implementieren. Es werden hier nur ein paar ausgewählte Protokolle kurz beschrieben.

17 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN Tiny Transport Protocol (TinyTP) Das Tiny Transport Protocol (TinyTP) ist zwar ein optionales Protokoll, jedoch fast alle weiteren Protokolle bauen darauf auf. Man kann es somit als eine nötige Schicht betrachten. TinyTP bietet eine credit-basierte Flusskontrolle für die einzelnen IrLMP- Verbindungen und eine Segmentierung / Reassemblierung (SAR) an. Das Protokoll arbeitet verbindungsorientiert, als Dienstprimitive nutzt es TTP Connect (aushandeln der jeweiligen SDU-Größe), TTP Disconnect, TTP Data (zuverlässige Datenübertragung) und TTP UData IrCOMM Das IrCOMM-Protokoll dient der Emulation einer seriellen Schnittstelle. Dadurch können Applikationen, die über die serielle Schnittstelle kommunizieren, dies in gleicher Weise über eine Infrarot-Verbindung tun. Die Steuerleitungen der seriellen Schnittstelle werden durch eine Unterteilung der übertragenen Daten in Daten- und Steuerpakete nachgebildet IrOBEX Ein Transfer von Datenobjekten (z. B. Dateien, elektronische Visitenkarten) von einem Gerät auf ein beliebig anderes Gerät wird mit dem Ir Object Exchange Protocol (IrOBEX) erreicht. Die Vorteile von IrOBEX liegen in der Anwendungsfreundlichkeit, der Kompaktheit und der Plattformunabhängigkeit IrLAN Über IrLAN soll die Anbindung portabler PC s an ein Local Area Network (LAN) gewährleistet werden. Das Protokoll unterstützt eine LAN-artige Verbindung zweier IrDA-Geräte untereinander, die Anbindung eines PC s an ein LAN über einen zweiten PC, welcher selbst ein Netzanschluss besitzt und somit als Router fungiert oder die Verbindung eines PC s an ein LAN über ein Access Point Device (IR-LAN Adapter).

18 KAPITEL 2. IRDA - GRUNDLAGEN IrMC Das IrMC-Protokoll (Mobile Communications) legt fest, wie Mobiltelefone und andere mobile Geräte Daten miteinander austauschen. Dabei vereint IrMC wiederum mehrere andere Protokolle: IrOBEX (Austausch elektronischer Visitenkarten, Kalender), IrCOMM (Nutzung des im Mobiltelefon integrierten Modems) und RTCON (Real Time Transfer Protcol für die Sprachübetragung zur Freisprecheinrichtung) IrTran-P Die Möglichkeit zum Austausch von Bilddateien mit digitalen Kameras oder Scannern soll mit Hilfe des IrDA Transfer Picture Protocol (IrTran-P) gewährleistet werden.

19 Kapitel 3 Architektur des Basisgerätes Das Basisgerät beruht auf einem Board mit dem von der Firma ST Microelectronics gefertigten STPC Atlas Prozessors. Diese passiv gekühlte CPU unterstützt direkt die herkömmlichen Schnittstellen wie den PCI-Bus, sowie Standardschnittstellen für Eingabegeräte und Speichermedien. Weiterhin ist in dem Prozessor eine Grafikkarte integriert, die sowohl einen analogen (CRT-Monitore, HDSUB-Buchse, 15 polig) als auch einen digitalen Ausgang (TFT-Display, ODU-Minifix Stiftleiste, 40 polig) besitzt. Trotz der kleinen Abmessungen des Motherboard s von 120 mm x 124 mm sind somit alle zum Betrieb eines Computersystems relevanten Schnittstellen vorhanden. Ohne zusätzliche Hardware können Eingabegeräte wie eine Tastatur oder Maus (serielle Schnittstelle, USB) und Massenspeichergeräte wie Festplatten oder CD-ROM Laufwerke (IDE) angeschlossen werden. Das vorhandene Basisgerät wurde mit folgender Konfiguration betrieben: Massenspeicher: Primary Master Festplatte 850 MB Primary Slave CD-ROM Laufwerk Hauptspeicher: 128 MB SDRAM, aufgelötet Im späteren Betrieb kann auf den Einsatz einer Festplatte verzichtet werden. Stattdessen sind jeweils Flash-Speicher (4 MB / 8 MB) für das Betriebssystem und als Programmspeicher vorgesehen. Somit enthält das Basisgerät keine mechanisch beweg- 11

20 KAPITEL 3. ARCHITEKTUR DES BASISGERÄTES 12 ten Bauelemente mehr, dies führt zu einer sehr hohen Betriebssicherheit und zu keiner Lärmemission. 3.1 Verfügbare Schnittstellen auf dem Basisgerät Auf dem Board des Basisgerätes befindet sich keine integrierte IrDA-Schnittstelle. Zur Erweiterung des Systems um eine Infrarot-Schnittstelle muss deswegen ein externes IrDA-Gerät, ein sogenannter Dongle, angeschlossen werden. Diese Dongles werden auf dem Markt sowohl für die serielle als auch für die USB-Schnittstelle angeboten. Das Embedded System mit dem STPC Atlas Prozessor bietet neben zwei seriellen Schnittstellen auch ein USB Interface. Beide Schnittstellentypen eignen sich für den Anschluß eines IrDA-Dongles. Das Basisgerät soll aber auch mit einer Bluetooth- Funktionalität ausgestattet werden. Die dafür benötigten Bluetooth-Sticks werden jedoch meist nur für USB angeboten. Zur Vermeidung der Verwendung eines USB-Hubs muss somit für das IrDA-Gerät die serielle Schnittstelle genutzt werden. Dies stellt jedoch nur bedingt eine Einschränkung dar. Es kann über die serielle Schnittstelle eine maximale Geschwindigkeit von 115,2 kbit/s erreicht werden. Diese Datenrate ist jedoch nahezu doppelt so hoch wie bei einer ISDN-Verbindung. Zur drahtlosen Steuerung einer Hausautomatisierungsanlage müssen relativ wenige Daten ausgetauscht werden. Somit stellt die Datenrate bei einem SIR-IrDA-Dongle vordergründig kein Problem dar. Ein klarer Vorteil eines seriellen Dongles ist die sehr gute Treiberunterstützung für Linux. 3.2 Anpassung des seriellen Signalpegels Die beiden seriellen Schnittstellen auf dem Basisgerät arbeiten intern mit einem Low- Voltage-TTL (LVTTL) Pegel. Diese allgemeine Logik-Spezifikation arbeitet mit CMOS- Schaltkreisen, die eine Speisespannung von 3.3 V benötigen. Durch diese niedrige Speisespannung erreicht man eine Verminderung der Verlustleistung und, bedingt durch kleinere Abmessungen der Halbleiterstrukturen, einen höheren Integrationsgrad.

21 KAPITEL 3. ARCHITEKTUR DES BASISGERÄTES 13 LVTTL-Pegel V CC 3.3 V RS232C-Pegel 15 V 2.4 V V OH 2.0 V V IH 0.8 V V IL 0.4 V V OL GND 5 V V OH 3 V V IH 0 V -3 V V IL -5 V V V OH Ausgangsspannung High OL V OL Ausgangsspannung Low V IH Eingangsspannung High V IL Eingangsspannung Low -15 V Abbildung 3.1: LVTTL-Pegel, RS232C-Pegel Der Infrarot-Dongle erwartet jedoch an der seriellen Schnittstelle die elektrischen Eigenschaften des EIA 1 RS232C-Standards (entsprechender ITU 2 -Standard: V.24 und V.28). Das zu übertragende Spannungssignal ist hierbei bipolar, man arbeitet im V.28-Standard mit einem Spannungspotential von +/- 15 V. Die Daten werden dabei in negativer Logik, die Steuersignale in positiver Logik übertragen. Für die Anpassung der elektrischen Spannungspegel (siehe Abbildung 3.1) ist somit ein externer Schnittstellenumsetzer vorzusehen. Die passende Schaltung zur Umwandlung der Spannungspotentiale beruht auf dem Schaltkreis MAX212 von Maxim. Die Funktionalität dieses Schaltkreises lässt sich in drei Teile zerlegen: 1. Eine Spannungsversorgung konvertiert aus den angelegten 3.3 V eine Spannung von etwa +/- 6.5 V. 2. Der IC besitzt 3 Sender mit einer typischen Ausgangsspannung von +/- 5.5 V. Damit kann aus dem LVTTL-Pegel ein gültiger RS232C-Pegel konvertiert werden. 1 Electrical Industry Association 2 International Telecommunication Union

22 KAPITEL 3. ARCHITEKTUR DES BASISGERÄTES Weiterhin existieren 5 Empfänger am MAX 212, die eine Eingangsspannung von +/- 25 V akzeptieren und daraus wieder einen gültigen LVTTL-Pegel erzeugen. Der Schaltkreis mit diesen 3 Sendern und 5 Empfängern kann somit eine RS232 mit allen Steuer- und Datenleitungen umsetzen. Die erreichbare Datenrate der Schaltung soll bei bis zu 120 kbit/s liegen. Mit Hilfe des Flachbandkabels wird die Schaltung auf das Motherboard des Basisgerätes auf COM1 oder COM2 angeschlossen. In den weiteren Ausführungen wird davon ausgegangen, dass die COM1-Schnittstelle dafür genutzt wird. Der IrDA-Dongle kann nun an den Sub-D-Stecker des Schnittstellenumsetzers angeschlossen werden. Die entworfene Schaltung und eine Liste der notwendigen Bauelemente ist im Anhang A.2 beigefügt. Weiterhin befindet sich auf der beiliegenden CD-ROM das Gerber-File der hergestellten Leiterplatte. 3.3 Verwendetes Betriebssystem Auf dem Basisgerät wird das Open-Source Betriebssystem Debian/GNU Linux verwendet. Das Debian-Projekt 3 wurde im August 1993 gegründet und ist eine Gemeinschaft von fast 1000 aktiven Entwicklern. Das Ziel der Gemeinschaft ist es, ein freies Betriebssystem auf der Basis des Linux-Kern, der von Linus Torvalds begonnen wurde, zu entwickeln. Für Debian sind mittlerweile über 8700 Pakete (vorkompilierte Software) frei verfügbar. Die aktuelle stabile (stable) Version ist Debian GNU/Linux 3.0 r2 (freigegeben am ), welche auch den Codenamen Woody trägt. 3.4 Die serielle Schnittstelle unter Linux Der Zugriff auf die seriellen Schnittstellen geschieht über sogenannte Gerätedateien (device files). Diese befinden sich in dem Verzeichnis /dev/. Die erste serielle Schnittstelle (COM1) spricht man über die Gerätedatei ttys0, die Zweite (COM2) über ttys1 3

23 KAPITEL 3. ARCHITEKTUR DES BASISGERÄTES 15 an. Die Schnittstellen werden normalerweise während des Kernel-Starts automatisch erkannt. Mit Hilfe des Befehls setserial kann man Informationen über die zur Verfügung stehenden seriellen Schnittstellen ermitteln: listig# setserial -bg /dev/ttys* /dev/ttys0 at 0x03f8 (irq = 4) is a 16550A /dev/ttys1 at 0x02f8 (irq = 3) is a 16550A Die Angabe 16550A bedeutet, dass man eine UART (Universal Asynchronus Receiver / Transmitter) mit einem Zwischenpuffer (FIFO) von 16 Zeichen hat. Bei diesem Typ wird nach spätestens 14 empfangenen Bytes ein Interrupt ausgelöst, wodurch die CPU alle 14 Bytes auf einmal auslesen kann.

24 Kapitel 4 Konzipierung der IrDA-Schnittstelle Die zu konzipierende IrDA-Schnittstelle am Basisgerät soll die Infrarot-Kommunikation mit in der Umgebung vorhandenen PDA s oder PC s ermöglichen. Das Ziel besteht darin, eine TCP/IP-Verbindung auf dem IrDA-Protokollstack aufzusetzen. 4.1 Der IrDA-Protokollstack unter Linux Für die Implementierung der von IrDA herausgegebenen Standards unter Linux setzt sich seit 1997 das Linux-IrDA Projekt 1 ein. Seit Februar 1999 ist das Projekt ein offizielles Mitglied der Infrared Data Assocation. Zur Nutzung von IrDA muss im Linux-Kernel der Support dafür aktiviert werden. Weiterhin müssen die vom Linux-IrDA Projekt herausgegebenen Utility-Programme (irda-utils), die für den Betrieb eines Infrarot-Gerätes benötigt werden, installiert werden. Die dazu notwendigen Schritte werden im nächsten Kapitel erläutert

25 KAPITEL 4. KONZIPIERUNG DER IRDA-SCHNITTSTELLE Unterstützte IR-Dongles Die folgenden Dongles 2 für die serielle Schnittstelle werden vom Linux-IrDA Projekt unterstützt: ACTiSYS ACT-IR200L, IR220L, IR220L+, IR220LN Adaptec Airport 1000, 2000 Extendsys JetEye PC (ESI-9680) Greenwich GIrBIL Parallax Litelink Tekram IRmate IR-210B Zur Realisierung einer IrDA-Schnittstelle am Basisgerät wurde der Dongle IRmate IR- 210B der Firma Tekram ausgewählt. Es handelt sich dabei um einen IrDA-kompatiblen SIR Infrarot-Adapter mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 115,2 kbit/s. Angeschlossen wird dieser an die Schaltung zur Signalpegelanpassung der seriellen Schnittstelle (siehe 3.2, Seite 12). 4.3 Aufbau einer TCP/IP-Verbindung Die flexibelste Möglichkeit eine TCP/IP-Verbindung auf dem IrDA-Protokollstack aufzubauen, ist die Nutzung des Point-to-Point Protocols (PPP). Die Abbildung 4.1 zeigt die grundsätzliche Idee für eine TCP/IP-Kommunikation über PPP zwischen zwei Geräten. Weiterhin besteht die Variante, mit dem im IrDA-Stack definierten IrLAN eine TCP/IP- Verbindung zu realisieren. Dies führt jedoch in der Praxis zu Problemen. IrLAN ist laut der IrDA-Spezifikation nur ein optional zu implementierendes Protokoll. Die neueren 2

26 KAPITEL 4. KONZIPIERUNG DER IRDA-SCHNITTSTELLE 18 Basisgerät PDA, PC,... PPP-Server TCP/IP-Verbindung PPP-Client IrCOMM bzw. IrNET IrDA-Protokollstack IrCOMM bzw. IrNET IrDA-Protokollstack IR-Link Standard IrDA-Protokolle Optionale IrDA-Protokolle Abbildung 4.1: TCP/IP - Verbindung Betriebssysteme von Microsoft unterstützen es nicht mehr (Tabelle 4.1). Eine sicherlich berechtigte Annahme ist, dass sehr viele Endgeräte auf einem Microsoft-Betriebssystem basieren. Es ergibt somit keinen Sinn, eine TCP/IP-Verbindung über das IrLAN- Protokoll aufbauen zu wollen, welches von Endgeräten kaum unterstützt wird. Aus diesem Grund muss man die zweite Variante verwerfen und die Realisierung über PPP abwickeln Das Point-to-Point Protocol Mit Hilfe des Point-to-Point Protocols (PPP) ist es möglich, zwei verbundene Rechner direkt miteinander zu vernetzen. Die Verbindung kann dabei über einen aufgebauten Telefonkanal, eine direkte Leitung oder auch über eine Infrarot-Kommunikation realisiert sein. PPP erlaubt eine Vielzahl von Einstellungen an Parametern, man kann z. B. die IP-Adressen beider Rechner festlegen und eine Authentifizierung der Kommunikationspartner verlangen. Durch diese hohe Flexibilität des Protokolls ist es sehr weit verbreitet, beispielsweise nutzt nahezu jeder Internet-Provider für den Zugang seiner Kunden PPP. Der Vorgänger von PPP war SLIP (serial line IP). Dieses Protokoll bietet jedoch keine Fehlererkennung, keine Authentifikation und keine dynamische Adresszuweisung. Es wird deshalb kaum mehr genutzt. Das Point-to-Point Protocol verwendet wiederum eine Reihe weiterer Protokolle. Das