Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Ciekawy artykuł o technologii Zigbee

tomekszym 30 Sty 2006 21:37 9594 0
  • Ciekawy artykuł o technologii Zigbee

    Technologia ZigBee została zaprojektowana specjalnie z myślą o wykorzystaniu w produkcji różnego rodzaju czujników i urządzeń sterujących, bądź monitorujących. Ratyfikowany w maju 2003 roku, IEEE 802.15.4 jest prostym lecz silnym protokołem pakietowym, zapewniającym dużą niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru, sprawdzanie błędów, priorytyzowaną łączność, transmisję z widmem rozproszonym (sekwencja bezpośrednia), zdolność zmieniania częstotliwości dla uniknięcia interferencji i możliwości wyboru przez użytkownika poziomu bezpieczeństwa. Urządzenia te nie wymagają dużej szerokości pasma, natomiast opóźnienie przy ich wykrywaniu oraz zużycie energii powinno w ich przypadku być zminimalizowane. Kwestia kosztów samego urządzenia również nie pozostaje bez znaczenia.
    Technologia ta korzysta ze standardu łącza radiowego, zdefiniowanego przez IEEE 802.15.4, uzupełniając go o sieć logiczną oraz oprogramowanie związane z bezpieczeństwem i aplikacjami użytkownika. Zgodność ze standardem IEEE zapewnia dużą kompatybilność we współpracy między urządzeniami pracującymi w tej technologii.
    ZigBee aspiruje do pozycji globalnego standardu obsługującego sieci typu czujnik-system sterowania. Technologia ta została zaprojektowana tak, aby spełniać wymagania:
    • Mały pobór mocy. Baterie zasilające urządzenia używające tej technologii powinny wystarczać na okres miesięcy a nawet lat. Oszczędność energii pozostaje nie bez znaczenia nie tylko dla wygody użytkownika, ale również jest pożądana z ekologicznego punktu widzenia.
    • Łatwość użycia. W przeciwieństwie do technologii Bluetooth, w której wybór trybu pracy zależy od wymaganego opóźnienia oraz poboru mocy, ZigBee posiada tylko dwa tryby pracy: aktywny (wysyłanie/odbiór sygnału) oraz stan uśpienia. W ten sposób aplikacje nie muszą wybierać odpowiedniego trybu w zależności od potrzeb transmisji – dzieje się to niezależnie.
    • Niskie koszty. Koszty urządzeń działających w technologii ZigBee są bardzo nieduże (kilkadziesiąt centów do kilku dolarów). Dzięki małemu zużyciu energii, ich eksploatacja również jest niedroga. Wbudowana konfiguracja powoduje, iż dodatkowe urządzenia sieciowe stają się niepotrzebne, co dodatkowo zmniejsza koszty.
    • Możliwość obsługi dużej liczby urządzeń. Sieci ZigBee mogą obsługiwać praktycznie każdą liczbę urządzeń . Ma to zasadnicze znaczenie dla wielkich tablic czujników i sieci sterujących.
    • Prosty protokół. Kod protokołu stosu ZigBee stanowi ok. ¼ kodu stosu Bluetooth. Prostota kodu pozwala na łatwe współdziałanie oraz wspomniane już obniżenie kosztów.
    • Globalna implementacja. Standard IEEE 802.15.4 implementowany przez ZigBee pozwala na pracę w pasmach 868 MHz w Europie, 915 MHz w Ameryce, Australii oraz 2.4 GHz – akceptowanym jako pasmo globalne niemal we wszystkich państwach.

    Charakterystyka ZigBee/IEEE 802.15.4
    • Podwójny protokół warstwy fizycznej (dla 2.4GHz i 868/915 MHz)




    • Szybkość transmisji danych: 250 kbps (2.4 GHz), 40 kbps (915 MHz), 20 kbps (868 MHz)
    • Zoptymalizowany dla aplikacji o krótkim cyklu pracy (<0.1%)
    • Dostęp do kanału obsługi z użyciem CSMA/CA - uzyskuje wysoką przepustowość i małe opóźnienie dla urządzeń o krótkim cyklu pracy takich jak czujniki i kontrolki.
    • Niski pobór mocy – czas zużywania baterii zasilających: wiele miesięcy do kilku lat.
    • Możliwe wiele topologii sieciowych: gwiaździsta, peer-to-peer, kratowa.
    • Przestrzeń adresowa:
    - do 18,450,000,000,000,000,000 urządzeń (64-bitowy adres IEEE)
    - do 65,535 sieci
    • Możliwe zagwarantowanie szczeliny czasowej dla aplikacji wymagających małego opóźnienia.
    • Protokół hand-shaked niezawodności transferu
    • Zasięg: 100m - standardowy (5-500m zależnie od środowiska)
    Typy urządzeń.
    Standard IEEE definiuje dwa typy urządzeń:
    1. Full Function Device (FFD):
    o Może funkcjonować w dowolnej topologii
    o Może być koordynatorem sieci
    o Może być koordynatorem
    o Może rozmawiać z każdym innym urządzeniem

    2. Redued Function Device (RFD):
    o Może funkcjonować tylko w topologii gwiaździstej
    o Nie może stać się koordynatorem sieci
    o Rozmawia tylko z koordynatorem sieci
    o Bardzo prosta implementacja




    Sieć IEEE 802.15.4/ZigBee wymaga co najmniej jednego urządzenia FFD jako koordynatora sieci, natomiast urządzenia końcowe mogą być typu RFD, aby zmniejszyć koszt systemu.
    Wszystkie urządzenia muszą posiadać 64-bitowe adresy IEEE. Krótkie (16-bitowe) adresy mogą być alokowane, aby zmniejszyć rozmiar pakietu.
    Tryby adresowania:
    - sieć + identyfikator urządzenia (topologia gwiaździsta)
    - identyfikator źródła/celu (peer-to-peer)


    Architektura stosu Zigbee
    ZigBee Document 053474r06, Version 1.0 December 14th, 2004 Sponsored by: ZigBee Alliance

    Architektura stosu Zigbee zbudowana jest z funkcjonalnych bloków zwanych warstwami. Każda warstwa zapewnia określony komplet usług, scharakteryzowany dla niej.
    Całość danych dostarcza usługa transmisji danych, a pozostałe usługi odpowiadają za zarządzanie. Każda usługa wystawia własny interfejs dla wyższych warstw poprzez SAP (Sernice Access Point), natomiast każdy SAP wspiera wstępne usługi dla osiągnięcia wymaganej funkcjonalności.
    Architektura stosu Zigbee przedstawiona na rys.??. opiera się o popularną strukturę komunikacji sieciowej OSI (Open Systems Interconnection), składającą się z siedmiu warstw: fizycznej, łącza danych, sieciowej, transportowej, sesji, prezentacji i aplikacji. Dla Zigbee zdefiniowane jednak zostały tylko te warstwy, które związanie są z zamierzona funkcjonalnością w tym segmencie rynku.


    Standard IEEE 802.15.4 definiuje dwie najniższe warstwy: fizyczną (PHYsical) i podwarstwę MAC (Media Access Control). Na tej podstawie Zigbee Aliance zbudowało warstwę sieciową NWK i strukturę dla całej warstwy aplikacji, która zawiera wsparcie podwarstwą aplikacji APS (APlication Support), ZDO (Zigbee Device Objects) i zdefiniowane przez producenta obiekty aplikacji.
    Warstwa PHY IEEE 802.15.4 jest podzielona na dwa segmenty, które obsługują dwa zakresy częstotliwości 868/915 MHz i 2,4 GHz. Niższa częstotliwość zawiera europejskie pasmo 868 Mhz i pasmo 915 MHz używane w Stanach Zjednoczonych i Australii. Wyższa częstotliwość warstwa PHY używana jest na całym świecie.
    Podwarstwa MAC kontroluje dostęp kanałów radiowych używając mechanizmu CSMA-CA. Może ona również odpowiadać za transmisję ramek sygnalizacyjnych beacon, synchronizację i dostarczenie mechanizmu transmisji.
    Warstwa Zigbee NWK powinna zawierać mechanizmy używane do przyłączania i odłączania się do sieci, zabezpieczenie ramek i ich drogę (odnalezienie jej i utrzymanie) do zamierzonego celu, odnalezienie sąsiadów i gromadzenie informacji o nich.
    Warstwa aplikacji Zigbee składa się z APS, struktury aplikacji AF (Aplication Framework), ZDO i zdefiniowanego obiektu aplikacji. Podwarstwa APS zawiera stworzenie i utrzymanie tablic, które mogą zestawić dwa urządzenia bazując na jej usługach i potrzebach, przekazywanie wiadomości pomiędzy połączonymi urządzeniami.
    ZDO definiuje rolę urządzenia w sieci (koordynator Zigbee i/lub urządzenie), inicjację i/lub odpowiedzialność za tworzenie próśb i ustanowienie zabezpieczenia relacji między urządzeniami. ZDO odpowiada także odnajdywanie urządzeń w sieci i określanie, która usługa aplikacji powinna je prowadzić.






    Porównanie ZigBee i Bluetooth.
    Bluetooth i ZigBee mają wiele wspólnego. Oba są standardami IEEE 802.15 wireless personal-area networks, działają w nielicencjonowanym paśmie 2.4GHz (takim samym jak Wi-Fi 802.11b/g), mają małe rozmiary i zużywają niskie ilości energii.
    Technologia ZigBee to próba rozwiązania problemów, których nie usunął standard Bluetooth. W praktyce, różnice pomiędzy obiema technologiami są na tyle istotne, że każda z nich nadaje się do innych zastosowań.

    Bluetooth Zigbee
    Zasięg 10m 100m
    Maksymalna przepustowość 720Kb/s 20Kb/s (868 MHz – Europa)
    40Kb/s (915MHz - USA)
    250Kb/s (2,4GHz – cały świat)
    Wykorzystywane pasmo radiowe 2,4GHz 3 zakresy
    Maksymalna liczba urządzeń w jednej sieci Kilka (w praktyce 6) 256
    Możliwość połączeń między sieciami nie tak
    Architektura 2- warstwowa 3- warstwowa
    Częstość uzupełniania zasilania Co kilka dni Ok. 2 lata
    Szybkość wykrywania nowych węzłów sieci >3s 30ms
    Szybkość aktywacji (wyjścia ze stanu uśpienia >3s 15ms
    Bezpieczeństwo Szyfrowanie warstwy transportowej (do 128 bitów) Dowolne, ale TYLKO na poziomie aplikacji
    Cena pojedynczego urządzenia Kilkanaście do kilkadziesiąt dolarów Kilka dolarów

    Tabela 1. Porównanie najważniejszych charakterystyk Bluetooth i Zigbee.
    Zigbee Aliance



    Bluetooth jest funkcjonalnym zamiennikiem przewodu miedzianego próbuje, bowiem pogodzić dwa sprzeczne ze sobą wymagania: nieduże zużycie energii i relatywnie szybką transmisję danych - ok. 720 kbps. Przewiduje stosunkowo rzadkie (np. raz dziennie) przesyłanie dużych porcji informacji, np. synchronizację między komputerem palmtop, telefonem komórkowym, aparatem cyfrowym a komputerem PC. Standard ZigBee jest zaś nastawiony na częste przesyłanie drobnych, zwykle tekstowych komunikatów. W związku z tym ZigBee nie maksymalizuje transferu danych - prędkość transmisji może sięgać co najwyżej 250 kbps, a w typowych środowiskach zaledwie 20 lub 40 kbps.
    W przeciwieństwie do transferu danych, wykrywanie się urządzeń oraz aktywacja ze stanu uśpienia, odbywa się dużo szybciej w technologii ZigBee – wykrywanie urządzeń zajmuje ok. 30 ms a aktywacja ok. 15 ms, natomiast w przypadku Bluetooth obie te czynności zajmują nie mniej niż 3 s.
    Uzupełnianie energii w technologii Bluetooth polega na regularnym doładowywaniu akumulatora, podczas kiedy ZigBee zakłada, iż zdalne urządzenia nie będą doładowywane częściej, niż co 2 lata, co dla wielu z nich może oznaczać cały ich cykl życia. Na czas pracy akumulatorów znaczny wpływ ma tutaj dostosowywanie mocy sygnału do odległości od nadajnika (w przypadku ZigBee może wynosić nawet ok. 100 m). Bluetooth utrzymuje cały czas tę samą moc sygnału, a jego zasięg nie wynosi więcej niż 10 m.
    Architektura sieci Bluetooth jest dwuwarstwowa (kontroler i zależne od niego urządzenia typu slave). W sieciach ZigBee występują trzy typy urządzeń: kontroler sieci, który z założenia jest na stałe podłączony do stałego źródła zasilania, węzeł sieci i sensor, mogący komunikować się tylko z węzłem sieci. Pojedyncza sieć Bluetooth nie może komunikować się z inną, a w jej ramach liczba urządzeń jest ograniczona do raptem kilku. Sieć ZigBee może mieć do 256 urządzeń, a ponadto może łączyć się z innymi, podobnymi sieciami, tworząc rozległe, skomplikowane struktury drzewiaste.
    Podsumowując, protokół ZigBee służy zarządzaniu bezprzewodowymi sensorami wykorzystywanymi m.in. w klimatyzacjach, urządzeniach grzewczych i świetlnych. Standard IEEE 802.15.4 definiuje spójność fizyczną MAC ramek, sieci, bezpieczeństwa i aplikacji określonych przez ZigBee Alliance – konsorcjum 100 firm zainteresowanych rozwojem tej technologii. Dzięki niemu możliwe byłoby na przykłade włączanie światła drogą bezprzewodową co wyeliminowałoby konieczność kładzenia kabli elektrycznych w/na ścianach.
    Bluetooth, oparty o IEEE 802.15.1, eliminuje konieczność używania kabli w celu nawiązania łączności z komputerem, drukarką, telefonem czy słuchawkami. Użytkownicy bluetooth z palmtopami lub laptopami mogą aktualizować i wymieniać pliki, zadania z terminarza i business karty. Bluetooth jest zorientowany na mobilnych użytkowników i małe odległości podczas, gdy ZigBee umożliwia zdalne zarządzanie na większą skalę.
    Cenowo ZigBee okazuje się dużo bardziej ekonomicznym rozwiązaniem – koszt pojedynczego urządzenia jest rzędu wielkości kilkudziesięciu centów do maksymalnie kilku dolarów, gdy takie samo urządzenie działające w technologii Bluetooth może kosztować kilka lub kilkanaście dolarów.

    Prognozy.
    Plany odnośnie wykorzystania ZigBee są bardzo ambitne. Planuje się montowanie ZigBee w telefonach w postaci chip’a dual-function ZigBee-Bluetooth, który miałby zapewnić bezprzewodową kontrolę nad wszystkim, o czym możemy pomyśleć i umożliwić dokonywanie zakupów w wolnostojących automatach. Według danych ON Word, popyt na bezprzewodowe sieci czujników w sektorze przemysłowym wzrósł w przeciągu ubiegłego roku o ponad 30%. W dużej części jest to efektem rosnącej niezawodności i skalowalności tego typu rozwiązań. ON Board prognozuje, że do 2010 roku łączna liczba węzłów czujników będzie wynosić 168 milionów. Bezprzewodowe czujniki znajdą najprawdopodobniej duży obszar zastosowań w inteligentnych budynkach. Zostaną bowiem wyeliminowane niebagatelne koszty kładzenia kabli do połaczenia poszczególnych czujników w systemach sterujących oświetleniem, ogrzewaniem czy klimatyzacją budynku.
    Mały pobór prądu sprawi, ze bedą w stanie pracować nawet do 7 lat bez konieczności wymiany baterii.


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day