| Zigbee | |
|---|---|
| Nivel (conform modelului OSI ) | pornind de la canal (DLC) |
| Creat în | 2003 |
| Scopul protocolului | Comunicație wireless între dispozitive cu consum redus, cu posibilitatea construirii unei topologii de rețea mesh |
| Specificație | IEEE 802.15.4 |
| Dezvoltator | Alianța Zigbee |
| Fișiere media la Wikimedia Commons | |
Zigbee este o specificație a protocoalelor de rețea de nivel superior - nivelul aplicației APS (sublayer de suport pentru aplicații ) și nivelul rețelei NWK - folosind servicii de nivel inferior - stratul de control al accesului la media MAC și stratul fizic PHY , reglementate de IEEE 802.15. 4 standard . Zigbee și IEEE 802.15.4 descriu rețele wireless personale (WPAN). Specificația Zigbee este axată pe aplicații care necesită transmisie sigură garantată a datelor la viteze relativ scăzute și posibilitatea de funcționare pe termen lung a dispozitivelor de rețea din surse de alimentare autonome (baterii).
Caracteristica principală a tehnologiei Zigbee este că, cu un consum redus de energie , acceptă nu numai topologii simple de rețea („ punct-la-punct ”, „ copac ” și „ stea ”), ci și o rețea de auto-organizare și auto-vindecare. topologie (mesh) cu retransmitere și rutare a mesajelor. În plus, specificația Zigbee include abilitatea de a selecta un algoritm de rutare în funcție de cerințele aplicației și de condițiile rețelei, un mecanism de standardizare a aplicației - profiluri de aplicație, o bibliotecă de cluster standard, puncte finale, legături, un mecanism de securitate flexibil și, de asemenea, oferă ușurință în implementare. , întreținere și upgrade-uri.
Principalele domenii de aplicare ale tehnologiei Zigbee sunt rețelele de senzori fără fir , automatizarea locuinței („Smart Home” și „Intelligent Building”), echipamentele medicale, sistemele industriale de monitorizare și control , precum și electronice de larg consum și „periferice” pentru computere personale.
Capacitatea de auto-organizare și auto-vindecare, topologia rețelei, securitatea, imunitatea ridicată la zgomot, consumul redus de energie și lipsa necesității de rezoluție a frecvenței fac din rețeaua Zigbee o bază potrivită pentru o infrastructură wireless a sistemului de poziționare în timp real ( RTLS ).
Zigbee este un standard pentru un set de protocoale de comunicație de nivel înalt care utilizează transceiver digitale mici, de putere redusă, bazate pe standardul IEEE 802.15.4-2006 pentru rețelele personale fără fir, cum ar fi căștile fără fir conectate la telefoanele mobile prin unde radio cu unde scurte. Tehnologia este definită de specificația Zigbee, concepută cu intenția de a fi mai simplă și mai ieftină decât alte rețele personale, cum ar fi Bluetooth . Zigbee este proiectat pentru aplicații RF în care durata lungă de viață a bateriei și securitatea rețelei sunt esențiale.
Zigbee Alliance este organismul care aplică și publică standardele Zigbee [1] și, de asemenea, publică profiluri de aplicații, permițând OEM-urilor să creeze produse interoperabile. Lista curentă a profilurilor de aplicații publicate sau în producție:
Colaborarea dintre IEEE 802.15.4 și Zigbee este similară cu cea dintre IEEE 802.11 și Wi-Fi Alliance . Specificația Zigbee 1.0 a fost ratificată pe 14 decembrie 2004 și este disponibilă pentru membrii alianței Zigbee. Pe 30 octombrie 2007 a fost publicată specificația Zigbee 2007. Primul profil de aplicație, Zigbee „Home Automation”, a fost anunțat pe 2 noiembrie 2007. Zigbee operează pe benzi radio industriale, științifice și medicale (bandă ISM): 868 MHz în Europa, 915 MHz în SUA și Australia și 2,4 GHz în majoritatea țărilor din lume (în majoritatea jurisdicțiilor din lume). De regulă, sunt disponibile cipuri Zigbee, care sunt combinate radio și microcontrolere cu dimensiuni de memorie Flash de la 60 K la 128 K de la producători precum Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 și Atmel. ATmega128RFA1 . Modulul radio poate fi folosit și separat cu orice procesor și microcontroler. De obicei, producătorii de radio oferă și o stivă de software Zigbee, deși sunt disponibile alte stive independente.
Deoarece Zigbee se poate trezi (adică trece de la starea de repaus la trezire) în 15 milisecunde sau mai puțin, latența de răspuns a dispozitivului poate fi foarte scăzută, mai ales în comparație cu Bluetooth, unde latența de la somn până la trezire ajunge de obicei la trei secunde. [2] Deoarece Zigbee este în modul de repaus de cele mai multe ori, consumul de energie poate fi foarte scăzut, ceea ce duce la o durată lungă de viață a bateriei.
Prima ediție a stivei este acum cunoscută ca Zigbee 2004. A doua versiune a stivei se numește Zigbee 2006 și înlocuiește practic cadrul MSG/KVP utilizat în Zigbee 2004 împreună cu „biblioteca cluster”. Stiva din 2004 este acum mai mult sau mai puțin învechită. Implementarea Zigbee 2007 este în prezent actuală și conține două profiluri de stivă, Stack Profile #1 (care se numește pur și simplu Zigbee) pentru uz casnic și pentru afaceri mici și Stack Profile #2 (care se numește Zigbee Pro). Zigbee Pro oferă mai multe funcții, cum ar fi difuzarea, rutarea multi-la-unu și securitatea puternică a cheii simetrice (SKKE), în timp ce Zigbee (Profilul Stivă #1) ocupă mai puțin spațiu RAM și Flash . Ambele profiluri vă permit să implementați o rețea completă și să lucrați cu toate profilurile de aplicație Zigbee.
Zigbee 2007 este pe deplin compatibil cu dispozitivele Zigbee 2006. Un dispozitiv Zigbee 2007 se poate conecta și poate funcționa cu o rețea Zigbee 2006 și invers. Datorită diferențelor dintre opțiunile de rutare, dispozitivele Zigbee Pro pot fi numai dispozitive finale de rețea (ZED) Zigbee 2006 și invers, dispozitivele Zigbee 2006 și Zigbee 2007 pot fi numai dispozitive finale dintr-o rețea Zigbee Pro. În același timp, aplicațiile care rulează pe dispozitive funcționează la fel, indiferent de implementarea profilului de stivă.
Protocoalele Zigbee sunt concepute pentru a fi utilizate în aplicații încorporate care necesită rate scăzute de date și consum redus de energie. Scopul tehnologiei Zigbee este de a crea o rețea de auto-organizare cu costuri reduse, cu o topologie de tip plasă concepută pentru a rezolva o gamă largă de probleme. Rețeaua poate fi utilizată în control industrial, senzori încorporați, colectare de date medicale, alarmă de intruziune sau de fum, automatizare a clădirilor și a locuinței etc. Rețeaua rezultată consumă foarte puțină energie - dispozitivele individuale, conform certificării Zigbee, permit bateriilor de energie să funcționeze două. ani [3] .
Domenii de aplicare tipice [4] :
Există trei tipuri diferite de dispozitive Zigbee.
Protocoalele se bazează pe algoritmul nou dezvoltat AODV (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) și alte rețele wireless) și NeuRFon, conceput pentru a forma rețele ad-hoc (rețea wireless descentralizată formată din abonați aleatori) sau noduri. În cele mai multe cazuri, rețeaua este un cluster de clustere. De asemenea, poate lua forma unei rețele sau a unui cluster solitar.
În prezent, protocolul Zigbee acceptă rețele cu sau fără notificare de prezență (balize). În rețelele cu balize dezactivate (unde ordinea balizelor este de 15), este utilizat Accesul multiplu Carrier Sense cu prevenirea coliziunilor ( CSMA/CA ). În acest tip de rețea, routerele Zigbee își păstrează de obicei receptoarele pornite tot timpul, ceea ce necesită putere suplimentară. Totuși, acest lucru permite crearea de rețele eterogene, în care unele dispozitive primesc în mod constant date, în timp ce altele transmit date doar atunci când este necesar. Un exemplu tipic de astfel de rețea este controlul luminii fără fir: un nod Zigbee conectat la o lampă poate primi un semnal tot timpul, deoarece (precum lampa) este conectat la rețea în timp ce comutatorul alimentat cu baterie rămâne în modul de repaus până la comutatorul nu a schimbat starea. Când starea se schimbă, comutatorul intră în modul activ, trimite o comandă la lampă, așteaptă confirmarea și revine în stare de repaus. În astfel de rețele, nodul lampă trebuie să fie cel puțin un router Zigbee (ZR), dacă nu un coordonator, un nod comutator, de obicei un dispozitiv final Zigbee (ZED).
În rețelele de balize, nodurile speciale de rețea, routerele Zigbee, transmit balize periodice pentru a confirma prezența lor pe alte noduri de rețea. Nodurile pot fi într-o stare de repaus între balize, ceea ce le reduce ciclul de funcționare și crește durata de viață a bateriei. Intervalele de semnalizare pot varia de la 15,36 ms la 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s pentru 250 kbit/s, de la 24 ms la 24 ms * 2 14 = 393,216 s pentru 40 kbit/s și 48 ms până la 4184 ms = 4184 ms . s pentru 20 kbit/s. Cu toate acestea, ciclul de funcționare scăzut al operațiunilor (semnale), împreună cu intervalele lungi de semnalizare necesită sincronizare precisă, care poate intra în conflict cu cerințele pentru un cost scăzut al produsului.
În general, protocoalele Zigbee reduc timpul de pornire al transmițătoarelor radio și reduc consumul de energie. În rețelele de baliză, nodurile trebuie să fie active doar în timp ce semnalizatorul transmite. În rețelele fără baliză, consumul de energie este hotărât asimetric, unele dispozitive fiind mereu active, în timp ce altele își petrec cea mai mare parte a timpului în modul de repaus. Dispozitivele Zigbee trebuie să fie compatibile cu rețeaua personală wireless IEEE 802.15.4-2003 (excluzând profilul „gestionare a energiei” 2.0). Standardul definește straturile inferioare ale protocolului - stratul fizic (PHY) și partea de control al accesului (MAC) a legăturii la stratul de date (DLL). Acest standard specifică funcționarea pe banda ISM de 2,4 GHz (frecvență fără licență la nivel mondial), 915 MHz (Americi) și 868 MHz (Europa). La 2,4 GHz, există 16 canale Zigbee, fiecare canal necesită o lățime de bandă de 5 MHz. Frecvența fundamentală pentru fiecare canal poate fi calculată ca FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, unde ch = 11, 12, ..., 26.
Radiourile folosesc modulația directă în bandă largă cu spectru răspândit, care este controlată de rata de biți din modulator. Schimbarea de fază binară este utilizată pe benzile de 868 și 915 MHz, iar pe banda de 2,4 GHz este utilizată codificarea cu deplasare de fază în cuadratură, care transmite 2 biți per simbol. În forma sa cea mai pură, atunci când este transmisă prin aer, viteza de transmitere a datelor este de 250 kbps pentru fiecare canal din banda de 2,4 GHz, 40 kbps pentru fiecare canal din banda de 915 MHz și 20 kbps pentru banda de 868 MHz. Distanța de transmisie este de la 10 la 75 de metri și de peste 1500 de metri pentru Zigbee pro, deși depinde foarte mult de echipamentul individual. Puterea maximă de ieșire a radioului este practic de 0dBm (1mW).
Mod de acces la canal de bază „controlul frecvenței purtătoare, acces multiplu / evitarea coliziunilor de cadre” ( CSMA / CA - protocol de rețea probabilistic la nivel de canal (MAC)). Adică, înainte ca nodurile să înceapă să transmită de-a lungul căii de schimb de informații umane, ei verifică pe scurt dacă niciunul dintre ele nu transmite înainte de a începe lucrul general. Există trei excepții notabile de la funcționarea CSMA. Balizele sunt trimise în intervalul de timp specificat și CSMA nu este utilizat. De asemenea, confirmările de mesaje nu folosesc CSMA. În cele din urmă, dispozitivele din rețelele orientate pe beacon care au stealth scăzut în cerințele în timp real pot folosi, de asemenea, intervale de timp garantate, care, prin definiție, nu folosesc CSMA.
Fondat în 2002 ca un grup de companii care standardizează, menține și publică standardele ZigBee [5] [6] .
Numele Zigbee este o marcă înregistrată a acestui grup și nu este singurul standard tehnic. Organizația publică profilul aplicației, permite multor producători de echipamente originale (OEM) să creeze produse compatibile. Relația dintre standardul IEEE 802.15.4 și Zigbee [7] este similară cu cea dintre standardul IEEE 802.11 și Wi-Fi Alliance .
Pe 3 martie 2009, RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) a fost de acord să colaboreze cu Zigbee Alliance pentru a distribui în comun o specificație standardizată pentru telecomandă RF. Zigbee RF4CE a fost proiectat pentru utilizare pe scară largă în produse audio și video controlate de la distanță, cum ar fi televizoare și set-top box-uri. Acest lucru promite multe avantaje față de soluțiile de control de la distanță existente, incluzând comunicații sporite, fiabilitate operațională crescută, capacitate și flexibilitate sporite, compatibilitate și evitarea barierei liniei de vedere [8] .
Software-ul este conceput pentru a simplifica procesul de construire a microprocesoarelor mici și ieftine. Design-urile radio utilizate în Zigbee sunt optimizate cu atenție pentru a obține un preț scăzut printre numărul mare de produse din această linie. Există mai multe etape analogice în care pot fi utilizate circuite digitale.
În timp ce transmițătoarele radio în sine sunt ieftine, procesul de calificare Zigbee include o verificare completă a cerințelor stratului fizic. O astfel de reglare fină detaliată a stratului fizic are numeroase avantaje, deoarece toate modulele radio derivate din acest set de elemente semiconductoare vor avea aceleași caracteristici RF. Pe de altă parte, dacă stratul fizic nu este certificat, funcționarea necorespunzătoare poate reduce durata de viață a bateriei în alte dispozitive incluse în rețeaua Zigbee. Acolo unde alte protocoale pot ascunde sensibilitatea slabă sau alte probleme ascunse, ceea ce duce la un răspuns distorsionat și redus, radiourile Zigbee au limitări inginerești severe atât în ceea ce privește alimentarea cu energie, cât și lățimea de bandă. Astfel, radiourile sunt testate de laboratoare certificate cu ghidurile de la paragraful 6 din standardul 802.15.4-2006. Există soluții care combină un microcontroler și un transmițător radio într-un singur pachet, de exemplu, microcontrolere din seria STM32W de la STMicroelectronics .
Specificația Zigbee este disponibilă publicului larg în scopuri necomerciale [9] . Nivelul de intrare de membru al alianței Zigbee, numit Adopter, oferă acces la specificațiile care nu au fost încă publicate și autorizează crearea de produse pentru utilizare comercială a specificației. Înregistrarea în timpul utilizării specificației Zigbee necesită ca dezvoltatorul comercial să se alăture alianței Zigbee. „Nici o parte a acestei specificații nu poate fi utilizată pentru fabricarea sau vinderea de produse fără a fi membru al alianței Zigbee”. Există conflicte de taxe anuale cu Licența publică generală GNU . Conform paragrafului 2-b: „Trebuie să vă asigurați că orice lucrare pe care o distribuiți sau publicați, dacă întreaga lucrare sau o parte din acea lucrare conține programul sau este derivată din program sau din orice parte a acestuia, toată lucrarea respectivă trebuie să fie licențiată ca întreg. fără transfer către terți, conform termenilor acestei licențe. Deoarece licența GPL nu face distincție între utilizarea comercială și cea necomercială, nu este posibilă licențierea stivei Zigbee sub GPL sau combinarea execuției Zigbee cu codul licențiat GPL. Cerința ca un dezvoltator să se alăture alianței Zigbee intră în conflict și cu alte licențe de software liber [10] .
Utilizarea rețelelor Zigbee în Federația Rusă în intervalul de frecvență 2400–2483,5 MHz nu necesită obținerea de autorizații de frecvență și aprobări suplimentare [11] (Decizia Comitetului de Stat pentru Frecvențe Radio din cadrul Ministerului Informațiilor și Comunicațiilor din Rusia din 07.05 ). .2007 Nr. 07-20-03-001), hotărârile Comitetului de Stat pentru Frecvențe Radio sunt actualizate constant, decizia din 07.05.2007 Nr. 07-20-03-001 a suferit de mult mai multe modificări, dar sensul rămâne aproape de aceeași [12] .
Denumirea mărcii provine din comportamentul albinelor după ce se întorc în stup.
| Rețele de senzori fără fir | |
|---|---|
| Sisteme de operare | |
| Standarde din industrie | |
| Limbaje de programare | |
| Hardware |
|
| Software | |
| Aplicații |
|
| Protocoale | |
| Conferințe / Reviste |
|
| automatizarea locuintei | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Control | |||||||||
| Senzori | |||||||||
| Interpreți |
| ||||||||
| Aplicații |
| ||||||||
| Protocoale | |||||||||
| Inteligența ambientală | |
|---|---|
| Concepte |
|
| Tehnologie |
|
| Platforme | |
| Aplicație |
|
| Primii exploratori |
|
| Vezi si |
|