Document 201600

Российская научно-социальная программа для молодёжи и школьников
«Шаг в будущее»
Городская учебно–исследовательская конференция старшеклассников
«Шаг в будущее»
Исследование сетей Wi-Fi:
видеонаблюдение при помощи сотового
телефона.
Автор:
Герасимов Дмитрий, учащийся 10 класса
МАОУ «Средняя общеобразовательная
школа №5»,
Руководитель:
Пищалев Федор Александрович,
учитель информатики высшей
квалификационной категории
МАОУ «Средняя общеобразовательная
школа №5»
г. Усть-Илимск,
2012 год
2
Содержание:
1. Введение
Страница:
3
1.1.
Актуальность
3
1.2.
Объект исследования
3
1.3.
Цель работы
3
1.4.
Задачи работы
3
2. Основная часть
4
2.1.
Методы исследования
4
2.2.
Термин Wi-Fi
4
2.3.
Краткая история
4
2.4.
Принцип работы
5
2.5.
Преимущества Wi-Fi
5
2.6.
Недостатки Wi-Fi
6
2.7.
Различные применения Wi-Fi в повседневной жизни
6
2.8.
Исследовательская часть
7
2.8.1. Создание устройства
7
2.8.2. Обсуждение
9
2.8.3. Выводы
9
3. Заключение
10
4. Список литературы
10
3
1. Введение
1.1. Актуальность
Технология Wi-Fi получила широкое применение во многих современных предприятиях,
муниципальных учреждениях, школах, домах, квартирах, как более универсальная
альтернатива проводных локальных сетей. Многие гостиницы, отели, рестораны, фаст-фуды
предоставляют доступ к своей Wi-Fi сети. Так же довольно часто встречаются беспроводные
сети Wi-Fi в коттеджных посёлках, т.к. подключение к Интернету за городом стоит довольно
дорого и жители посёлка могут заказать установку Wi-Fi сети для того, что бы разбить один
канал доступа в Интернет на всех. Помимо сетей в коттеджных посёлках, технология Wi-Fi
позволяет строить беспроводные сети городского масштаба, к которым могут подключиться
со своих ноутбуков или мобильных телефонов как частные пользователи (например, на
улице или в парке), так и корпоративные клиенты (например, заказать подключение к
Интернет для своего офиса). [1]
1.2. Объект исследования
 Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi.
Предмет исследования:
 Интернет-литература по данному вопросу;
 Данные, полученные в результате исследовательской работы.
1.3. Цель работы
Я поставил себе цель – познакомиться с принципом беспроводной передачи данных
стандарта Wi-Fi, найти сведения о применении Wi-Fi в повседневной жизни, найти
собственное применение сети Wi-Fi.
1.4. Задачи:
1. Найти сведения о принципе беспроводной передачи данных стандарта Wi-Fi.
2. Выяснить его достоинства и недостатки.
3. Найти сведения о различных применениях Wi-Fi в повседневной жизни.
4. Найти собственное применение сети Wi-Fi.
5. Отразить пример собственного применения сети Wi-Fi в конечном устройстве.
6. Оценить плюсы и минусы изделия, сделать выводы.
7. Подготовить демонстрационную работу.
4
2. Основная часть
2.1. Методы исследования
В процессе работы использованы следующие методы:
 Анализ Интернет-литературы
 Анализ и синтез
 Поиск
 Конструирование устройства
 Компьютерная обработка видеоизображения и фотографий
 Сравнение, обобщение
2.2. Термин Wi-Fi
Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE
802.11, который предусматривает передачу данных по радиоволнам на частотах 2,4; 3,6 и 5
ГГц. Под аббревиатурой Wi-Fi в настоящее время развивается целое семейство стандартов
передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
Любое
оборудование,
соответствующее
стандарту IEEE
802.11,
может
быть
протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения
логотипа Wi-Fi.
Термин «Wi-Fi» изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания
потребителя «намёком» на Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая точность). Несмотря на то,
что поначалу в некоторых пресс-релизах фигурировало словосочетание «Wireless Fidelity»
(«беспроводная точность»), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин
«Wi-Fi» никак не расшифровывается.
2.3. Краткая история
Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T в Ньивегейн в Нидерландах.
Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были
выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до
2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi — Вик Хейз находился в команде, участвовавшей в разработке
таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g. Стандарт IEEE 802.11n
был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость
передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g
(максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме
5
802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить
скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
29 июля 2011 года IEEE (Institute of Electrical and Electronics — Институт инженеров по
электротехнике и электронике) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Это
есть Super Wi-Fi. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволят
передавать данные на скорости до 22 Мб/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика.
2.4. Принцип работы
Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного
клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда
точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров
«напрямую». Точка доступа передаёт название сети (SSID (англ.)) с помощью специальных
сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с —
наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить,
возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух
точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании
данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе
критериев для соединения. [1]
Без надлежащей защиты, Wi-Fi сеть может быть легкодоступна для нежелательных
пользователей, которые используют этот доступ с целью бесплатного подключения
к Интернету или с целью поиска и копирования каких-либо данных на компьютерах в этой
сети. Таким образом, любому пользователю, собирающемуся установить Wi-Fi сеть,
необходимо использовать системы шифрования, такие, как Wired Equivalent Privacy (WEP),
или более современные — Wi-Fi Protected Access (WPA), WPA2, WPA2-Enterprise. [2]
2.5. Преимущества Wi-Fi
 Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость
развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель,
например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут
обслуживаться беспроводными сетями.
 Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.
 Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость
оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом WiFi.
6
 Мобильность. Вы не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в
комфортной для вас обстановке.
 В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с
компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.
 Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 раз)
меньше, чем у сотового телефона.
2.6. Недостатки Wi-Fi
 В диапазоне 2.4 ГГц работает множество устройств, таких как устройства,
поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает
электромагнитную совместимость.
 Реальная скорость передачи данных в Wi-Fi сети всегда ниже максимальной скорости,
заявляемой производителями Wi-Fi оборудования. Реальная скорость зависит от
многих факторов: наличия между устройствами физических преград (мебель, стены),
наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры,
расположения устройств относительно друг друга и т. п.
 Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при
правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства
поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Оба
протокола требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются
пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование для
защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома протокола WPA2
является
подбор
пароля,
поэтому
рекомендуется
использовать
сложные
цифробуквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора
пароля.
 В режиме ad-hoc стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/с
(802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP. [1]
2.7. Различные применения Wi-Fi в повседневной жизни
Постепенно появляются беспроводные MP3-плееры, принтеры, телевизоры, существует и
очень интересный "гибрид" мобильного и домашнего телефона — объединение двух
телефонных сетей — сотовой связи с наземными линиями — позволяющее одной
телефонной трубке переключаться с мобильного режима на домашний.
Услуга, получившая название BT (British Telecom) Fusion, означает, что телефонный
аппарат на открытом воздухе работает как типичный мобильник, но когда владелец
7
приходит домой, автоматически и «без шва» происходит переключение на «стационарный»
вариант связи — переход может случиться даже во время разговора.
Чтобы добиться этого эффекта, владелец телефона должен воспользоваться технологиями
Bluetooth или Wi-Fi, благодаря которым телефон соединяется с центром, который и
выступает в роли маршрутизатора. [3]
Так же существуют беспроводные IP-видеокамеры - это IP-видеокамеры с поддержкой
беспроводной передачи данных.
Современная IP-камера представляет собой цифровое устройство, производящее
видеосъёмку, оцифровку, сжатие и передачу по компьютерной сети видеоизображения. В
отличие от обычной веб-камеры сетевая камера функционирует как веб-сервер и имеет свой
собственный IP-адрес. Таким образом, возможно непосредственное подключение камеры к
Интернету, что позволяет получать видео и аудио сигнал и обеспечивать управление
камерой посредством Интернета через браузер. [4]
В беспроводных IP камерах наиболее широко распространён стандарт Wi-Fi. Существуют
и другие стандарты, например, видеокамеры, работающие по CDMA, UMTS, Bluetooth и т.д.
Преимущество беспроводных IP видеокамер перед проводными состоит в значительно
более простой (чем в случае с проводными IP видеокамерами) установке видеонаблюдения нет необходимости подводить к такой видеокамере сетевой кабель, хотя проводить питание
всё ещё необходимо. [5]
Wi-Fi сегодня применяется не только для серьёзной работы, но и для развлечений. Так,
например, в Америке широко распространена «охотничья» забава под названием Wi-Fi
hunting. Множество людей выезжают на своих автомобилях или велосипедах, колесят по
стране, нанося на карты места, где можно поживиться бесплатным Интернетом, или просто
посмотреть локальные ресурсы сети — кафе, квартиры, и даже McDonald’s. [3]
2.8. Исследовательская часть
2.8.1. Создание устройства
У меня дома стоит точка доступа Wi-Fi D-link DWL-2100AP, которая используется для
соединения с Интернетом моего сотового телефона Sony Ericsson Live with Walkman, в
котором установлен Wi-Fi адаптер. Разобравшись в принципе работы Wi-Fi, я понял, что это
технология является достаточно простой в эксплуатации, и может использоваться в самых
различных целях. Поэтому, я решил найти ещё одно применение сети Wi-Fi. Т.к. в моём
телефоне имеется в наличии фото-видеокамера, то мне в голову пришла мысль:
присоединить телефон к имеющейся у меня игрушечной машинке с дистанционным
радиоуправлением и транслировать изображение с камеры сотового телефона на компьютер
8
по сети Wi-Fi, т.е. использовать телефон в качестве управляемой беспроводной, мобильной
IP-камеры. Сначала я решил сделать управление машинкой не джойстиками с её пульта, а с
клавиатуры. Для этого нашёл маленькую программку, выводящую нужные мне сигналы
управления «влево-вправо» и «вперёд-назад» в порт принтера LPT на первые 4 контакта
шины данных (младшие биты) и с помощью папы мы сделали кабель-адаптер к пульту
(Прилож.I и II), добавив в него 4 ключа-транзистора для замыкания кнопок. К сожалению, в
телефоне отсутствует базовая функция транслирования изображения с камеры, но поскольку
операционная система (ОС) Android, которая установлена на нём, является очень
распространённой, то для неё существует огромное множество различного программного
обеспечения, для расширения его базовых функций. Поискав в Интернете, я нашёл
несколько приложений, которые выполняют нужную мне функцию: транслируют
изображение с камеры телефона на базе ОС Android по сети Wi-Fi. Одним из таких
приложений была программа DroidCam. Для использования этой программы необходимо
установить соответствующее приложение на телефон и программу на компьютер. После их
установки, я запустил приложение на телефоне и программу на компьютере, после чего с
помощью проигрывателя VLC я смог увидеть изображение с камеры телефона. Затем я
присоединил телефон к машинке (Прилож.III и IV). В результате этого, я, находясь в одной
комнате, смог, управляя машинкой, наблюдать за происходящим в другой комнате. Однако я
решил попробовать и другие программы, найденные мною в Интернете. Так программа IP
Webcam так же подразумевает установку приложения на телефон и программы на
компьютер, но она имеет более широкий выбор функций. Это возможность выбора гораздо
большего разрешения видеоизображения (до 1280x720, а в DroidCam до 640x480), выбор
частоты кадров и качества передаваемого изображения, а так же возможность просматривать
изображение через Интернет-браузер компьютера, такой как, например, Internet Explorer или
Google Chrome, что позволяет увидеть происходящее с меньшей задержкой, нежели чем
через проигрыватель VLC. Третьей была программа SmartCam, которая, как и все,
устанавливается на телефон и на компьютер. Но в отличие от предыдущих, эта программа
передаёт изображение в очень низком разрешении и, следовательно, в очень низком
качестве, а так же не позволяет просматривать изображение ни в проигрывателе VLC, ни в
Интернет-браузере, а только в небольшом окошке самой программы, что, несомненно, не
очень удобно. Поэтому эта программа почти сразу же была отвергнута. После проделанных
тестов с программами DroidCam и IP Webcam, я пришёл к выводу, что хоть и IP Webcam
имеет более широкий выбор функций и предоставляет большее разрешение, а,
следовательно, и лучшее качество картинки, но Wi-Fi адаптер в телефоне не позволяет
передавать изображение в таком качестве, поскольку имеет максимальную скорость
9
передачи данных всего 72 Мбит/с, хотя точка доступа имеет скорость до 108 Мбит/с,
поэтому эти обе программы для меня являются примерно равными между собой.
Так же для транслирования изображения с камеры телефона на компьютер можно
использовать технологию Bluetooth или сети сотовой связи. Но для передачи изображения по
каналу Bluetooth необходимо, чтобы спецификация адаптеров в телефоне и в компьютере
была как минимум 3.0, что позволяет передавать данные со скорость до 24 Мбит/c. Но, к
сожалению, установленный в моём телефоне адаптер Bluetooth имеет спецификацию только
2.1, где скорость передачи данных до 3 Мбит/с, что достаточно для трансляции изображения
только в очень низком качестве. Передача качественного видеоизображения с частотой
кадров 15…30 в секунду по сетям сотовой связи возможна только с применением технологий
3-го поколения, таких как UMTS. Но оператор сотовой связи БайкалВестКом, услугами
которого я пользуюсь, ещё не внедрил технологию UMTS в Усть-Илимске (ввод в
эксплуатацию намечен только в следующем, 2013 году). А технологии 2-го поколения, такие
как GPRS и EDGE, которые сейчас доступны у данного оператора, имеют очень низкие
скорости передачи данных - EDGE до 474 Кбит/с, доступно телефоном до 237 Кбит/с, а
GPRS ещё меньше, что для моих целей совершенно недостаточно.
2.8.2. Обсуждение
В ходе испытаний были получены следующие результаты:
1. Передача снимаемого сотовым телефоном видеоизображения в эфир.
2. Захват видеосигнала из эфира на ноутбук с возможностью записи в файл.
3. Управление игрушечным автомобилем кнопками ноутбука по радиоканалу.
4. Получение визуальной информации с подвижного объекта (машинки), находящегося
в труднодоступном для человека месте.
2.8.3. Выводы
Эксперимент по созданию самодельной управляемой беспроводной мобильной IPкамеры завершился положительным результатом – устройство работает. Использование его
возможно в домашних условиях, в школе для обучающих целей, а также в качестве
развлечения – например, шпионить за кошкой в подвале или соседями по даче! Так же
возможна установка на игрушечный вертолёт с дистанционным управлением, для получения
видеоизображения с воздуха. Мною были выявлены как его недостатки – во-первых, это всетаки дорогая игрушка (если куда-нибудь упадёт, например, вместе с вертолётиком); вовторых, ограниченный радиус передачи (малая мощность передатчика Wi-Fi), в-третьих,
плохая проходимость машинки; так и преимущества перед подобными промышленными
10
образцами – для экспериментов не пришлось ничего покупать (для школьника - важно), а
качество передаваемого изображения ничем не хуже типичных офисных камер.
3. Заключение
Я разобрался в принципе беспроводной передачи данных стандарта Wi-Fi, а так же нашёл
собственное применение сети Wi-Fi и отразил его в изготовленном устройстве. Современные
беспроводные технологии – это результат долгой, кропотливой исследовательской работы
ведущих мировых конкурирующих фирм, имеющих собственные исследовательские
лаборатории, большое количество конструкторов, имеющих отличное образование и
необходимое высокотехнологичное оборудование. Это направление науки и техники имеет
не только историю, настоящее, но и будущее.
4. Список литературы
1. Интернет–издание «Википедия – свободная энциклопедия», на русском языке – Wi-Fi.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi, © 1997-2012.
2. Wi-Fi точки доступа в России, Украине и Белоруссии на карте – Определение термина
Wi-Fi, применение Wi-Fi сетей. http://wifi4free.ru/articles/wifi-definition, © Студия
«Эстетик дизайн», 2008–2012
3. MEMBRANA: Люди. Идеи. Технологии. – Технология Wi-Fi: отличный повод забыть
провод. http://www.membrana.ru/particle/2336, © 2001—2012 MEMBRANA.
4. Интернет–издание «Википедия – свободная энциклопедия», на русском языке – Вебкамера. http://ru.wikipedia.org/wiki, © 1997-2012.
5. IP камеры Foscam – Беспроводные IP видеокамеры. http://f-cam.ru/wireless-ipvideocams.html, © 2007 - 2012.