Технология ZigBee
Буквенная аббревиатура ZigBee –это внутрифирменное обозначение технологии, включающей протоколы верхних уровней, специальное программное обеспечение, конфиденциальную техническую информацию для беспроводных устройств, работающих на частоте 2,4 МГц.
Технология ZigBee представляет собой отдельное направление, стоящее особняком от других технологий широкополосного доступа на частоте 2.4 МГц. Основные преимущества ZigBee – это микропотребление, максимально возможное количество узлов в сети (до 65536) и различные виды топологии сети («Звезда», «Каждый с каждым» (Mesh), «Кластерное дерево»)
Эта технология изначально разрабатывалась для переносных устройств с батарейным питанием. Скорость передачи данных между устройствами ZigBee, базирующимися на стандарте 802.15.4, зависит от числа занятых каналов и находится в диапазоне от 20 до 256 кбит/с.
Базовые характеристики ZigBee в сравнении с другими технологиями передачи данных на частоте 2.4 МГц приведены в таблице 1.
Таблица 1
В число основоположников ZigBee входят Philips, Mitsubishi, Motorola, Samsung, Honeywell, Ember, Chipcon, BM group. В конце 2002 года по инициативе Philips был образован «ZigBee Alliance», целью которого была разработка протоколов совместимости ZigBee - устройств различных производителей.
Базовыми направлениями деятельности перечисленных выше восьми фирм – основателей ZigBee являются бытовая электроника, силовая электроника, мобильные телефоны, датчики, военные и промышленные персональные беспроводные сети. Нетрудно понять, что именно для этих областей применения и предназначена совместно разработанная этими фирмами беспроводная технология ZigBee.
В настоящее время в консорциум «ZigBee Alliance» входят более ста фирм из 25 стран мира (в том числе Radiocrafts).
Сегодня во всем мире наблюдается стремительное развитие беспроводных устройств, стандарта 802.15.4. Это, прежде всего интеллектуальные беспроводные датчики, предназначенные для передачи небольших объемов телеметрической информации.
В качестве примера можно привести различные беспроводные сенсоры для бытовой электроники, промышленные телеметрические станции, сети мониторинга природной среды и т.д.
По данным «On World» за последние годы прирост этого сегмента рынка составил около 200%. Ожидается, что в 2009 году мировой объем продаж подобных устройств достигнет 100 миллионов штук.
Особенно интенсивно будет развиваться направление беспроводной связи стандарта 802.15.4, основанное на IP – технологиях 6LoWPAN.
Стандарт IEEE 802.15.4.
Цифрами 802.15.4 обозначают спецификацию стандартов IEEE, регламентирующих на физическом уровне функционирование оборудования, предназначенного для низкоскоростных WPAN (беспроводные персональные сети).
Поэтому правильнее говорить, что технология ZigBee опирается на стандарт 802.15.4.
В таблице 2. приведены данные об иерархических взаимоотношениях протоколов технологии ZigBee и стандарта IEEE 802.15.4.
Таблица 2. Иерархия протоколов технологии ZigBee и стандарта IEEE 802.15.4
Сам стандарт IEEE 802.15.4 определяет только два нижних уровня: физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к радиоканалу (MAC - layer) для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868МГц и 915 МГц.
Физический уровень протоколов 802.15.4 (PHY) определяет методы кодирования/декодирования и механизмы, которые используются для обеспечения требуемой скорости передачи в зависимости от среды передачи данных. Иными словами на уровне PHY определяются параметры приемопередатчиков.
Вопросы регулирование совместного использования среды передачи данных, определяются на МАС - уровне (Media Access Control - уровень доступа к среде передачи данных). Именно на MAC-уровне устанавливаются базовые принципы взаимодействия сети из нескольких ZigBee устройств.
Непосредственно в стандарте 802.15.4 оговариваются диапазон частот, тип модуляции, структура пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т.д.
Наиболее важные аспекты технологии ZigBee запатентованы. Они определяют такие конкретные параметры, как например уровень сети, протоколы безопасности, структуры приложения. Реально, в этом комплекте документации регламентируются алгоритмы и детальное программное обеспечение, управляющее работой различных ZigBee устройств и их связью с другими внешними устройствами.
Разработка стандарта IEEE 802.15.4, как нового типа WLAN началась в 2000 году, а окончательный вариант этого стандарта был утвержден IEEE в мае 2003 года. Стандарт является открытым и доступен для любого пользователя.
К сожалению этого нельзя сказать о протоколах ZigBee Alliance. Они закрыты и доступны только членам альянса, отчисляющим в него ежегодные взносы. Рядовые пользователи могут только покупать необходимую им информацию.
Сетевой уровень ZigBee отвечает за конфигурацию сети, а также за обнаружение устройств в сети и протоколы их взаимодействия между со-бой. На сетевом уровне в ZigBee поддерживаются три варианта топологии сети: «Звезда», «Кластерное дерево», «Каждый с каждым» (Mesh),
Следует особо подчеркнуть, что топология «Mesh – сетей» является одним из основных преимуществ ZigBee . На рисунке 1 показан пример построения сетей с помощью модулей Radiokrafts.
Рис. 1. Пример построения сетей с помощью модулей Radiocrafts
В «Mesh – сетях» отдельные узлы кооперируются для того, чтобы доставить сообщение по назначению. При этом каждый узел может осуществлять выбор одного из нескольких путей передачи сетевого трафика и передавать сообщению любому соседнему узлу. В случае неисправности одного из узлов, данные посылаются по другому маршруту Это свойство является исключительно важным в сетях, функционирующих на промышленных объектах в режиме жестких условий эксплуатации.
Профиль приложений пользователя поддерживает конкретные параметры прикладных устройств пользователя и узлов сети, а также их индивидуальные адреса и характеристики. Этот уровень является открытым в технологии ZigBee. Поэтому пользователь может использовать, как свой собственный профиль, так и профили, закрепленные альянсом ZigBee (например, разработанный Philips, профиль для контроля бытового осветительного оборудования HCL-Home Control Lighting).
В технологии ZigBee используются два типа устройств, различной сложности.
Полностью функциональное устройство (FFD - Full Function Device) способно принимать и передавать данные, в том числе и чужие по цепочке. При объединении FFD устройств могут быть реализованы топологии «Звезда», «Каждый с каждым» (Mesh) и «Кластерное дерево».
Устройство с ограниченным набором функции (RFD -Reduced Function Device) - это самый простой тип, который может только переговариваться с координирующим устройством. При объединении в сеть RFD может использоваться только в топология «Звезда»
Кроме деления на FFD и RFD в спецификации ZigBee определены три типа логических устройств - координатор сети, маршрутизатор и оконечное устройство.
Координатор инициализирует сеть, управляет сетевыми узлами, хранит информацию о настройках каждого сетевого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID.
Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного сетевого узла к другому (рис 2).
Рис.2. Взаимодействие FFD и RFD в сетях ZigBee
Тип логического устройства, при построении сети, определяет сам пользователь на этапе выборе определенного профиля и программирования.
Каждый узел сети имеет уникальный адрес. В зависимости от вида адресации в сети может быть определено различное число логических получателей и источников информации (конечных точек). В технологии ZigBee предусмотрено использование нескольких видов адресации, начиная от стандартной 16-битной и заканчивая расширенной, 64-битной.
Протоколы ZigBee разработанны с учетом максимального энергосбережения. Если устройство не задействовано, то оно переходит в режим ожидания с минимальным расходом энергопотребления. При необходимости координатор активизирует только конкретное устройство, которое нужно для передачи информации в данный момент.
В последнем варианте стандарта IEEE, 802.15.4 регламентируются низкоскоростные радиосети (Low Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN), за которыми закреплено 27 каналов в перечисленных ниже трех эфирных нелицензируемых диапазонах:
2,4 ГГц (16 каналов) – международный;
915 МГц (10 каналов) – США;
868 МГц (1 канал) - Европа.
Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и находится в диапазоне от 20 до 256 кбит/с.
Стандарт IEEE 6LoWPAN
Инженерная группа по развитию интернета (Internet EngineeringTask Force – IETF) разработала ряд методов выполнения протокола IPv6 для сетей IEEE 802.15.4. Комплекс этих методик получил название стандарт 6loWPAN. Полное название Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4. В документе http://6lowpan.tzi.org приведены основные форматы для передачи пакетов IPv6 и инструкции по адресации в сетях IEEE 802.15.4.
В стандарте 6loWPAN детальным образом прописаны режимы IEEE 802.15.4 и правила адресации для IP, адаптационные уровни и форматы фрэймов, способы диспетчеризации, адресация в сетях с топологией «звезда» и «каждый с каждым», локальная адресация и кодировка в IPv6, кодировка в UDP и т.д. Технологии 6loWPAN являются очень важным этапом в развитии беспроводной связи, поскольку дают возможность использовать Интернет в сетях стандарта 802.15.4 без дополнительных затрат. Таким образом, появляется возможность объединять локальные беспроводные сети, расположенные в различных регионах мира.
По оценкам специалистов, время жизни устройств этого стандарта составит, как минимум 10 лет.
Сама идея построения стандарта 6loWPAN проста и понятна – вы-ход в Интеренет реализуется через точки доступа. На сегодняшний день шлюзы для связи Интернет с сетями 802.15.4 выпускает фирма Sensinode http://www.sensinode.com/top/index.php.
На основе технологий, разработанных этой фирмой можно объединять устройства стандарта 802.15.4 (NanoSensor) в сети с выходом в Интернет. В сетях «каждый с каждым» базовые устройства могут «переговариваться», как между собой, так и со шлюзом (NanoRouter). В свою очередь несколько шлюзов могут переговариваться друг с другом (рис. 3).
Рис.3 . Схема работы устройств, стандарта 802.15.4 с выходом в Интеренет
Приложения 6LoWPAN очень похожи по своей структуре на Интерент - приложения.
Фирмой Sensinode разработан комплект протоколов, зарегистрированных под торговой маркой NanoStack. Эти протоколы поддерживают стандартный комплект API – сокет для выхода в сеть. Приложения разработаны на базе UDP и работают, как с отдельными ячейками, так и с ядром сети.
Поскольку технологии Интернет знает практически любой грамотный инженер, то можно прогнозировать хорошее будущее стандарта 6LoWPAN.
Продукция Radiocrafts AS
Норвежская фирма Radiocrafts AS разрабатывает и производит полностью готовые к работе модули стандарта 802.15.4.
Фирма выпускает модули для всех трех диапазонов этого стандарта: 2,4 ГГц, 915 МГц, 868 МГц с поддержкой 6LoWPAN и ZigBee.
История фирмы началась 15 лет назад, когда инженеры фирмы разработали свою первую продукцию – беспроводные модули для диапазона 433МГц.
В настоящее время продукция фирмы пользуется успехом во всем мире.
Radiocrafts AS член альянса ZigBee и участник проекта TI's Third Party Program.
Российским разработчикам хорошо знакомы две серии «RC2200, ZigBee ready» - модули с DSSS манипуляцией и «RC2200AT-SPPIO –ZigBee» - модули с поддержкой последовательного интерфейса и пользовательских вводов/выводов.
Модель RC2300 представляет серию нового поколения с поддержкой 6LoWPAN, разработанную на базе чипсета CC2430/CC2431 Texas Instruments http://www.radiocrafts.com/index.php?sideID=243&listeID=33&ledd1=33.
Для построения сетей ZigBee нужно иметь модули включающие в себя трансивер, внешний микроконтроллер и стек протоколов ZigBee (набор управляющих программ). Как уже отмечалось выше, работа трансивера регламентирована открытым и полностью доступным международным стандартом IEEE 802.15.4. Что касается стека протоколов, то он доступен только членам ZigBee Alliance. Поэтому для разработки сетей беспроводной связи необходимо приобретать дополнительное дорогостоящее программное обеспечение и отладочные комплекты.
Цены на законченные стеки ZigBee протокола в зависимости от сложности могут колебаться в диапазоне от 5000 до 50000 USD.
Фирма Radiocrafts предлагает не тратить деньги и время на программное обеспечение и разработку, а воспользоваться ее готовыми решениями.
В случае, когда нужно строить корпоративную беспроводную сеть, основанную только на стандарт 802.15.4, можно обойтись без полного стека протоколов ZigBee. Необходимое для этого программное обеспечение нижнего уровня предоставляется фирмой Radiocrafts бесплатно.