Что такое технология ZigBee и как она работает

2024-04-10 17:28:00

ZigBee — это основанный на IEEE 802.15.4, маломощный, с низкой скоростью передачи данных, поддерживающий стандарт беспроводной сети, который в основном используется для двусторонней связи между датчиками и системой управления. Это стандарт связи ближнего действия, такой как Bluetooth и Wi-Fi, охватывающий диапазон от 10 до 100 метров. Разница в том, что Bluetooth и Wi-Fi являются стандартом связи с высокой скоростью передачи данных, поддерживающим передачу сложной структуры, такой как мультимедиа, программное обеспечение и т.д.

Технология ZigBee поддерживает передачу таких простых данных с датчиков. Он поддерживает низкую скорость передачи данных около 250 кбит / с. Рабочие частоты: 868 МГц, 902–928 МГц и 2,4 ГГц. Технология ZigBee используется в основном для приложений, требующих низкого энергопотребления, низкой стоимости, низкой скорости передачи данных и длительного времени автономной работы. Также, данный протокол активно используется в системах Умного дома (более подробно можно узнать по ссылке).

История технологии ZigBee

Стандарт ZigBee был разработан ZigBee Alliance, в который входят многие крупные компании, такие как Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments и др. Этот альянс был образован в 2002 году как некоммерческая организация.

ZigBee архитектура

Сетевой протокол ZigBee соответствует стандартам IEEE 802.15.4 для физического уровня и уровня MAC, а также к собственным сетевым и прикладным уровням.

Рисунок 1: Архитектура ZigBee

Ниже приводится объяснение для каждого слоя.

• Физический уровень: это самый нижний уровень протокола, который отвечает за управление и активацию радиоприемопередатчика, а также за выбор частоты канала и мониторинг канала. Он также отвечает за связь с радиоустройствами. Передача данных или команд осуществляется с помощью пакетов. Каждый пакет PHY состоит из заголовка синхронизации (SHR) (отвечает за синхронизацию приемника), физического заголовка (PHR) (содержит информацию о длине кадра) и полезной нагрузки PHY (предоставляется верхними уровнями в виде кадра и включает данные или команду).
• Управление доступом к среде передачи или MAC-уровень: он действует как интерфейс между физическим уровнем и сетевым уровнем. Он отвечает за генерацию маяков и синхронизацию устройств в сети с поддержкой маяков. Кадр MAC может быть кадром маяка (используется координатором для передачи маяков), кадром данных, кадром подтверждения или командным кадром. Он состоит из заголовка MAC (содержит информацию о безопасности и адресации), полезной нагрузки MAC переменной длины (содержит данные или команду) и нижнего колонтитула MAC (содержит 16-битную последовательность проверки кадра для проверки данных).
• Сетевой уровень: этот уровень соединяет прикладной уровень с уровнем MAC. Он управляет формированием сети и маршрутизацией. Он устанавливает новую сеть и выбирает топологию сети. Кадр NWK состоит из заголовка NWK и полезной нагрузки NWK. Заголовок содержит информацию об адресации и управлении на сетевом уровне. Полезная нагрузка NWK содержит кадр подуровня приложения.
• Подуровень поддержки приложений: он предоставляет набор услуг через два объекта - объект Application SupportData и объект управления поддержкой приложений, для прикладного и сетевого уровней. Доступ к этим объектам осуществляется через их соответствующие точки доступа к услугам (SAP).
• Уровень приложения: это самый высокий уровень в сети, который отвечает за размещение объектов приложения, которые содержат пользовательские приложения и объекты устройств ZigBee (ZDO). Одно устройство ZigBee может содержать до 240 объектов приложений, которые контролируют и управляют уровнями протокола. Каждый объект приложения может состоять из одного профиля приложения или программы, разработанной пользователем или альянсом ZigBee. Профиль приложения отвечает за передачу и прием данных в сети. Тип устройств и функции каждого устройства определяются в профиле приложения. Объекты устройств ZigBee действуют как интерфейс между объектами приложения, профилями устройств и подуровнем приложения.

Сетевые топологии ZigBee

Сеть ZigBee поддерживает множество типов топологий, самая популярная из которых - звездообразная и одноранговая топологии. Каждая сетевая топология состоит из узлов трех типов - ZigBee Coordinator, ZigBee Router и ZigBee End Device. Координатор выполняет задачу по присвоению уникального адреса каждому устройству в сети, инициирует и передает сообщения в сети и выбирает уникальный идентификатор для сети. Устройства ZigBee бывают двух типов - полнофункциональное устройство (FFD) и устройство с ограниченными функциями (RFD).

Рисунок 2: Топологии сети ZigBee

В звездообразной топологии координатор — это центральное устройство, которое запускает устройства в сети и управляет ими. Каждый координатор выбирает уникальный идентификатор, который не используется ни одной другой сетью в его регионе влияния. Каждое конечное устройство обменивается данными с координатором. Конечными устройствами обычно являются RFD, которые могут связываться только с координатором или FFD.

В одноранговой топологии каждое оконечное устройство может взаимодействовать друг с другом, находящимся поблизости. Устройства представляют собой FFD, которые могут напрямую связываться друг с другом. Однако этот тип топологии может содержать RFD, который обменивается данными только с одним устройством в сети. Одноранговая топология может быть топологией сетки или топологией дерева.

Связь с помощью ZigBee

Передача данных может осуществляться между координатором и устройством или одноранговым узлом. Передача данных между координатором и устройством может осуществляться двумя способами - с включенным маячком и без включения маяка.

В сети с поддержкой маяка используется метод доступа к каналу без конкуренции. Здесь Координатор выделяет конкретный временной интервал для каждого устройства, известный как Гарантированный временной интервал (GTS). Здесь необходимо синхронизировать все устройства в сети. Это обеспечивается отправкой сигнала Beacon от координатора на каждое устройство (узел), так что каждое устройство синхронизирует свои часы. Однако это может привести к сокращению срока службы батареи устройств, когда они не заняты какой-либо другой задачей, кроме синхронизации часов.

Как только устройство синхронизировано, оно может передавать данные координатору, используя метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA), в котором определяется тип сигнала занятия, или в течение периода распределения GTS. При отправке запроса Координатор отправляет подтверждение. Для передачи данных от Координатора к устройству на устройство отправляется индикация с сообщением Beacon. Затем устройство получает это сообщение и отправляет сообщение с запросом данных. Координатор отправляет подтверждение получения этого запроса данных и передает соответствующие данные.

В сети без радиомаяка Координатор не передает никаких сообщений радиомаяка. Напротив, каждое устройство передает данные с использованием метода CSMA-CA в одном и том же частотном канале. Устройство передает данные, как только канал очищается. Для передачи данных от Координатора на устройство, устройство сначала отправляет сообщение запроса данных Координатору, а затем последний передает сообщение данных с полезной нагрузкой нулевой длины при наличии данных. Если ожидающих данных нет, Координатор отправляет подтверждение, указывающее, что ожидающих данных нет.

Применение технологии ZigBee

Домашняя автоматизация: технология ZigBee оказалась самой надежной технологией в реализации домашней автоматизации. Различные приложения, такие как контроль и мониторинг потребления энергии, управление водными ресурсами, управление освещением и т. д. Были упрощены за счет автоматизации с использованием технологии ZigBee.

Промышленная автоматизация: RFID-устройства на основе ZigBee помогают обеспечить надежное управление доступом в промышленности. Другие приложения в отраслях включают управление процессами, управление энергопотреблением, отслеживание персонала и т. д.

Автоматизация здравоохранения: популярным примером автоматизации здравоохранения является удаленный мониторинг здоровья. Человек носит устройство ZigBee с датчиком измерения параметров тела, который собирает информацию о здоровье. Эта информация передается по сети ZigBee в сеть Интернет-протокола (IP), а затем передается медицинскому персоналу (врачу или медсестре), который затем прописывает соответствующие лекарства на основе полученной информации.

По материалам редакции AVmarket - avmarket.com.ua