Беспроводные сети ZigBee

 ZigBee^® – это открытый стандарт беспроводной связи для  систем сбора данных и управления.  Технология ZigBee  позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

В настоящее время технология ZigBee выходит за границы исследовательских лабораторий и начинает широко применяться на практике для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности.

Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц.  Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире  составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах  5 ... 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети  соcтавляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

Топология

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология).  В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.

В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.

Главное устройство в ZigBee-сети - это координатор. Координатор выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети.

Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они выполняют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств. Их количество диктуется потребностью конкретного приложения.

Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество  спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером  - 32.

Альянс ZigBee^®, учрежденный  в 2002 году, представляет собой сообщество компаний (уже более 300), объединившихся с целью разработки  эффективных протоколов для беспроводной сети и обеспечения  совместимости  устройств различных производителей.

Спецификация ZigBee^® Pro Feature Set  была принята альянсом в октябре 2007 года. Она обладает следующими преимуществами по сравнению с предшествующей версией спецификации (ZigBee 2006):

• Новая  спецификация позволяет создавать сети с количеством узлов до нескольких тысяч. Это достигается благодаря стохастической адресации, новым механизмам маршрутизации Many-to-One и Source Routing, а также возможности выявления асимметричных связей в сети.
• Для обеспечения совместимости устройств различных производителей в спецификации ZigBee® PRO разработаны стандартные профили приложений и библиотека стандартных кластеров.
• Введен целый ряд новых механизмов, позволяющих сделать сеть ZigBee более защищенной и надежной.
• Значительно увеличен срок службы батарей конечных дочерних устройств за счет использования механизма, который позволяет родительским узлам представлять в сети дочерние устройства во время их сна.
• Предусмотрено автоматическое изменение частотного канала сети в случае возникновения помех.

Стек протоколов ZigBee

Спецификация ZigBee регламентирует стек протоколов  взаимодействия узлов сети, в котором протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней.

В качестве двух нижних уровней (физического и уровня доступа к среде MAC) используется стандарт IEEE 802.15.4. MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм CSMA (прослушивания несущей и устранения коллизий), сетевой уровень NWK отвечает за маршрутизацию сообщений, а уровень поддержки приложений APS обеспечивает интерфейс с уровнем приложения.

Сектор ZDO (ZigBee® Device Object), связывающий три верхних уровня, отвечает за определение роли устройства в сети (будет оно являться координатором или конечным устройством), инициализацию и реакцию на запросы соединения и обнаружения, за установление надежного и безопасного соединения между устройствами сети.  Сектор SSP (Security Service Provider) осуществляет операции, связанные с обеспечением безопасности на сетевом уровне и на уровне поддержки приложения.

Совместимость устройств, профили, кластеры

Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZigBee-кластеров ZCL  (ZigBee Cluster Library).

Библиотека ZCL группирует кластеры по функциональному признаку: общего назначения, для работы с датчиками, для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т.д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием новой спецификации ZigBee PRO Feature Set.

Профилем называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие  параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который  включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZCL.

В настоящее время альянсом ZigBee опубликованы  два  стандартных  профиля  приложения  Home Automation (октябрь 2007 г.)  и Smart Energy (май 2008 г.).

Профиль Home Automation дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «умный дом». Он регламентирует работу таких устройств, как устройства управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т.д.

Профиль Smart Energy позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней  автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов.

Таким образом владельцы домов и коммунальные компании могут объединить усилия для достижения наиболее эффективного и экономного потребления электроэнергии. Появляется возможность регулировать режимы энергопотребления, разгружая сеть в пиковые часы нагрузки.

Если при разработке беспроводной сети не требуется обеспечивать совместимость с устройствами других производителей, каждый разработчик может использовать свои  частные профили приложения.

При этом по-прежнему необходимо применять кластеры из стандартной библиотеки ZCL для того, чтобы сохранить совместимость со спецификацией ZigBee® PRO.