Благодаря развитию коммуникационных устройств, таких как смартфоны и компьютеры, глобальные коммуникационные технологии постоянно развиваются. Беспроводные, широкополосные и IP-технологии стали доминирующими силами в современном мире. В сфере беспроводной связи важную роль играют различные протоколы, такие как Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee . Хотя Wi-Fi и Bluetooth более знакомы обычным пользователям, технология ZigBee все больше проникает в нашу повседневную жизнь.
Содержание
1. Что такое технология Zigbee?
ZigBee — это технология беспроводной связи, работающая по стандарту IEEE 802.15.4, обеспечивающая малую дальность действия, низкое энергопотребление и низкую скорость передачи данных. Название «ZigBee» происходит от замысловатого танцевального рисунка медоносных пчел, известного как «танец виляния». Медоносные пчелы используют этот танец для эффективной передачи информации внутри своих колоний. Термин «ZigBee» происходит от жужжащего звука (зиг), издаваемого пчелами при взмахах крыльев. Эта технология получила название «ZigBee», чтобы отразить свою цель — обеспечить простую и эффективную связь между устройствами.
До появления ZigBee доминирующей беспроводной технологией был Bluetooth. Однако Bluetooth имел определенные технические ограничения, которые делали его менее подходящим для промышленного дистанционного управления и домашней автоматизации. Признавая необходимость в беспроводной технологии связи, лучше подходящей для этих приложений, протокол ZigBee был официально представлен в Соединенных Штатах в 2003 году.
Технология ZigBee хорошо подходит для приложений, требующих автоматического управления и дистанционного управления. Она может быть встроена в различные устройства, что делает её популярным выбором в сфере Интернета вещей и умного дома. Ниже приведены некоторые примеры применения ZigBee:
- Интеллектуальная система управления освещением
- Интеллектуальная система безопасности
- Система контроля температуры
- Домашняя автоматизация
- Сенсорные сети
- Отслеживание логистики
- Система сбора данных
- Интеллектуальное управление дорожным движением
- Экологический мониторинг
- Управление энергопотреблением
2. Принцип работы ZigBee
Разработанная для приложений с низкой скоростью передачи данных, экономичностью и длительным сроком службы батареи, эта беспроводная технология работает в диапазонах частот 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 250 кбит/с. Она включает в себя методы энергосбережения, позволяющие беспроводным устройствам в приложениях ZigBee проводить большую часть времени в энергосберегающих режимах. Это значительно снижает необходимость частой замены батарей, обеспечивая надежную работу устройств в течение многих лет.
Для понимания принципа работы ZigBee необходимо разобраться в его многоуровневой архитектуре, включающей физический уровень, уровень управления доступом к среде передачи (MAC), сетевой уровень и прикладной уровень.
2.1. Физический уровень
Физический уровень в ZigBee определяет интерфейс между физическим беспроводным каналом и уровнем MAC. Его основная задача — предоставление услуг передачи данных и управления, специфичных для физического уровня. Сервис работает путем передачи и приема данных через беспроводной физический канал, в то время как служба управления физическим уровнем поддерживает базу данных, содержащую данные, относящиеся к физическому уровню. ZigBee соответствует стандарту IEEE 802.15.4 и поддерживает два физических уровня: 2,4 ГГц и 868/915 МГц. Эти физические уровни используют формат пакетов Direct Sequence Spread Spectrum ( DSSS ), но различаются по параметрам данных и областям применения.
Структура пакета физического уровня ZigBee следующая: преамбула (4B) обеспечивает синхронизацию, разделитель пакета (1B) отмечает начало пакета, заголовок физического уровня (1B) указывает длину блока данных, а блок данных содержит фактические передаваемые данные.
Диапазон частот 2,4 ГГц
Устройства ZigBee, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц, не требуют специальных процедур применения, поскольку этот диапазон частот глобально выделен как промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазон. В этом диапазоне частот ZigBee использует методы модуляции высокого порядка и псевдослучайный код длиной в 8 микросхем для прямого расширения спектра. Такие конфигурации обеспечивают такие преимущества, как более высокая пропускная способность, уменьшенная задержка связи, более короткие рабочие циклы и меньшее энергопотребление.
Диапазон частот 868/915 МГц
Частотный диапазон 868/915 МГц не является унифицированным во всем мире. Для предотвращения помех сигнала в разных регионах выбираются разные частотные диапазоны. Например, в США используется диапазон 915 МГц, а в Европе — диапазон 868 МГц ZigBee. Несмотря на различия в частотах, основная технология остается той же: модуляция с помощью бинарной фазовой манипуляции (BPSK) с дифференциальным кодированием и прямое расширение спектра с использованием M-последовательности длиной 15 микросхем. Поскольку разница между двумя частотными диапазонами незначительна, настройка синтезатора сигнала позволяет легко адаптироваться к требуемому изменению частоты.
2.2. Уровень MAC
В стандартах IEEE 802 канальный уровень состоит из двух подуровней: логического управления каналом (LLC) и управления доступом к среде передачи (MAC). LLC является общим уровнем, тогда как протокол MAC зависит от конкретного физического уровня.
В соответствии со стандартом IEEE 802.15.4, протокол MAC-уровня может быть объединен с различными стандартами LLC. Благодаря протоколу Service-Specific Convergence Sub-layer (SSCS) может передаваться стандарт LLC типа IEEE 802.2, что позволяет другим стандартам LLC напрямую использовать услуги MAC-уровня IEEE 802.15.4.
ZigBee использует простой и адаптируемый протокол MAC-уровня. Типы кадров включают кадры данных, кадры подписи, кадры команд и кадры подтверждения. Эта технология обладает преимуществами для дальнейшего развития и использования благодаря своей экономичности, простоте внедрения, высокой надежности передачи данных, низкому энергопотреблению и пригодности для работы на малых расстояниях.
Кроме того, принцип работы ZigBee основан на протоколе множественного доступа с обнаружением несущей и обнаружением коллизий ( CSMA/CD ) для доступа к каналу. Он использует протокол полного подтверждения связи, чтобы гарантировать проверку данных перед передачей, тем самым предотвращая периоды простоя, которые могут привести к перегрузке или конфликтам.
2.3. Сетевой уровень
Роль сетевого уровня
Сетевой уровень в ZigBee отвечает за различные задачи, включая создание, подключение и отключение от сети, а также маршрутизацию и передачу сетевых пакетов. Его основная функция заключается в предоставлении подходящего сервисного интерфейса для прикладного уровня и использовании функциональных возможностей уровня MAC для предоставления услуг. Следовательно, сетевой уровень находится между уровнем MAC и прикладным уровнем. В рамках сетевого уровня определены две сервисные сущности: сущность службы данных сетевого уровня (NLDE) и сущность службы управления сетевым уровнем (NLME).
- NLDE: Через точку доступа к сервису Data Service Entity, NLDE предоставляет услуги по передаче данных.
- NLME: NLME предоставляет управленческие услуги через точку доступа организации, предоставляющей управленческие услуги.
Принцип работы оборудования ZigBee
Беспроводные устройства, работающие в сетях ZigBee, можно разделить на два основных типа: полнофункциональные устройства (FFD) и устройства с ограниченными функциями (RFD).
- FFD: Эти устройства обладают расширенными возможностями и могут взаимодействовать как с FFD, так и с RFD. В них используется полнофункциональный микроконтроллер (MCU), отвечающий за управление сетью.
- RFD: Хотя RFD могут взаимодействовать только с FFD, а не с другими RFD, они обычно используются для простых задач управления. Эти задачи требуют минимального объема данных и использования ресурсов, что делает RFD подходящими в качестве коммуникационных терминалов.
Внутри FFD существует устройство, известное как координатор персональной сети (PAN), которое служит центральным узлом и концентратором для выполнения функций ZigBee. Помимо подключения к приложению, координатор персональной сети PAN берет на себя такие обязанности, как управление идентификацией других участников сети, поддержание информации о состоянии каналов связи и обеспечение пересылки пакетов.
С точки зрения топологии сети, в устройствах ZigBee присутствуют три основных элемента: сетевой координатор, сетевые маршрутизаторы и конечные сетевые устройства.
- Координатор: отвечает за создание сети и распределение ресурсов.
- Маршрутизатор: используется для обнаружения, установления и поддержания маршрутной информации для сетевых пакетов, а также для их пересылки.
- Конечное устройство: это пользовательское оборудование, способное самостоятельно подключаться к сети и покидать её, а также принимать и отправлять сетевые пакеты. Однако конечные устройства не выполняют функции маршрутизации или пересылки.
Координаторы и маршрутизаторы обычно реализуются как устройства FFD, а конечные устройства — как устройства RFD.
Топология сети
В сети ZigBee топология сети играет решающую роль и напрямую влияет на ее функциональность. Оптимизированная топология ZigBee обеспечивает эффективную компоновку сети, устанавливает пути передачи данных и повышает отказоустойчивость и надежность. В настоящее время технология ZigBee использует три основные сетевые структуры: звездообразную сеть, ячеистую сеть и кластерную сеть.
- Звездная сеть: Эта структура хорошо подходит для устройств, требующих бесперебойной работы в течение длительного периода времени. Это наиболее часто используемая сетевая топология в развертываниях ZigBee.
- Меш-сеть: Меш-сеть использует несколько взаимосвязанных беспроводных сетей для обеспечения дополнительных каналов передачи данных. В случае неожиданного сбоя канала связь может быть беспрепятственно перенаправлена через альтернативные каналы. Такая структура сети обеспечивает высокую надежность.
- Кластерная сеть: Кластерная сеть сочетает в себе преимущества и характеристики как звездообразных, так и ячеистых сетей, используя их сильные стороны для оптимизации производительности сети.
2.4. Уровень приложения
Верхний уровень, отвечающий за управление протоколами высокого уровня, обычно представляет собой протокол прикладного уровня, который управляет всем стеком протоколов. В контексте ZigBee протокол прикладного уровня может быть разработан пользователями в соответствии со специфическими требованиями их устройств. Он поддерживает функциональные характеристики поддерживаемых устройств и облегчает обнаружение других устройств в сети. Протоколы прикладного уровня обеспечивают эффективную связь между множеством устройств, предоставляя соответствующие услуги и удовлетворяя их специфические потребности.
Что касается технологии беспроводной связи, ZigBee использует метод доступа к многоканальным сетям без коллизий, известный как CSMA/CA (Collision Avoidance). Этот подход эффективно снижает конфликты между радиоканалами, повышая общую производительность сети. Кроме того, для обеспечения надежной передачи данных ZigBee включает в себя комплексный протокол связи с ответными действиями. Это означает, что устройства взаимодействуют друг с другом в процессе связи, чтобы гарантировать точную передачу данных.
| Перспективы | Зигби | Wi-Fi | Z-Wave |
|---|---|---|---|
| Зона покрытия сигнала | Протокол связи ближнего действия, дальность действия сигнала от 10 до 100 метров в зависимости от окружающей среды и мощности устройства. | Технология беспроводных локальных сетей позволяет распространять сигнал на сотни метров, но его распространение может быть затруднено из-за физических препятствий. | Высокий уровень проникновения сигнала, минимальное воздействие на окружающую среду, зона покрытия сигнала от 30 до 100 метров. |
| Скорость передачи данных | 10-250 кбит/с, в зависимости от используемой версии протокола ZigBee. | От Мбит/с до Гбит/с, в зависимости от стандартов Wi-Fi. | 9,6-100 кбит/с |
| Потребление электроэнергии | Низкое энергопотребление обеспечивает более длительный срок службы батареи устройства. | Высокое энергопотребление, требуется более емкий аккумулятор или источник постоянного питания для высокоскоростной передачи данных и обеспечения высокой пропускной способности. | Энергосберегающая конструкция, увеличивающая время работы в режиме ожидания. |
| Совместимость устройств | Открытый стандартный протокол связи, улучшенная совместимость с устройствами. | Широко распространены, практически все устройства поддерживают подключение к Wi-Fi. | Поддерживает взаимодействие и совместимость устройств, но с меньшим количеством разновидностей устройств. |
| Безопасность | Многоуровневые меры безопасности, зашифрованная связь с использованием 128-битного алгоритма шифрования AES, аутентификация и обмен ключами. | Основной механизм безопасности — протокол WPA2. | Для обеспечения безопасности связи используется 128-битный алгоритм шифрования AES. |
| Расходы | Самый низкий | Середина | Высший |
| Область применения | Сфера Интернета вещей включает в себя такие области, как умный дом, автоматизация зданий, интеллектуальное освещение, системы видеонаблюдения. | Широкий спектр применения | Специально разработан для умных домов. |
4. Итоги
В заключение, ZigBee выделяется как мощная и стабильная беспроводная технология, пользующаяся высоким спросом в различных отраслях. Ее возможности делают ее ценным активом для множества приложений. По мере дальнейшего развития и модернизации ZigBee, она обладает потенциалом для достижения еще более впечатляющих результатов в будущем. Будущее ZigBee выглядит многообещающим, и она готова предложить захватывающие инновации и внести свой вклад в развитие технологий беспроводной связи.