Zigbee

Zigbee

ZigBee — название набора протоколов высокого сетевого уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелена на приложения, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при меньших скоростях передачи данных.

Модуль ZigBee (слева) и монета в 1 евро (справа) диаметром в 23 мм для сравнения размеров.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.
Области применения данной технологии — это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.

Описание

ZigBee –стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые радио, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как например беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных приложений, требующих долгую жизнь батареек и безопасность сети.
Альянс ZigBee – группа компаний, обеспечивающих и публикующих стандарты ZigBee.^[1]
ZigBee – недорогой, маломощный стандарт для беспроводных сетей с ячеистой топологией. Низкая стоимость позволяет широко развернуть технологию для беспроводных приложений контроля и наблюдения, маломощность позволяет долгую жизнь маленьким батарейкам.
Альянс ZigBee – является органом стандартизации, определяющим для ZigBee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты. Текущий список профилей приложений, опубликованных или уже находящихся в работе:

• Домашняя автоматизация
• Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0)
• Автоматизация коммерческого строительства
• Телекоммуникационные приложения
• Персональный, домашний и больничный уход
• Игрушки

Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и ZigBee подобно тому, что было между IEEE 802.15.4 и альянсом Wi-Fi. Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса ZigBee. Сравнительно недавно 30 октября 2007 была размещена спецификация ZigBee 2007. О первом профиле приложения Домашняя автоматизация ZigBee было объявлено 2 ноября 2007. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Технология ZigBee была разработана с целью быть проще и дешевле чем другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth. Продавцы чипов ZigBee продают объединённые радио и микроконтроллеры с размером флеш-памяти от 60К до 128К таких производителей как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радио также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило продавцы чипов предлагают также стек программного обеспечения ZigBee, хотя доступны и другие независимые стеки.
Так как ZigBee может активироваться (т.е. переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше скрытое состояние может быть очень низким, особенно по сравнению с Блютус, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному обычно достигает трёх секунд.^[2] Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается долгая жизнь батарей.
Первый выпуск стека называется сейчас ZigBee 2004. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006 и в основном заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в 204 вместе с «библиотекой кластеров». Стек 2004 года сейчас более или менее вышел из употребления. В настоящее время стек ZigBee 2007 является текущим, он содержит два профиля стека, профиль стека №1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования и профиль стека №2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как многоролевость, многомаршрутность и высокую безопасность вместе с симметричным ключевым обменом (SKKE), в то время как ZigBee (профиль стека №1) предлагает меньший след в оперативной памяти и в флеш-памяти. Оба профиля позволяют полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee.
ZigBee 2007 полностью совместим с устройствами ZigBee 2006. В то же время устройство ZigBee 2007 может подключаться и работать с сетью ZigBee 2006 и с вице-версией. В связи с наличием различий в опциях маршрутизации, устройства ZigBee Pro не могут быть конечными устройствами (ZEDs) сетей ZigBee 2006 или ZigBee 2007. Приложения, которые запускаются на тех устройствах, работают одинаково, независимо от профиля стека.

Лицензирование

Спецификация ZigBee доступна для широкой публики при условиях некоммерческого использования.^[3] Входной уровень членства в альянсе ZigBee, называемый Adopter, обеспечивает доступ к ещё не опубликованным спецификациям и разрешает создавать продукты для коммерческого использования спецификации. Регистрация в ходе использования спецификации ZigBee требует от коммерческого разработчика присоединения к альянсу ZigBee. «Ни одна часть этой спецификации не может быть использована для производства продуктов или продажи без членства в альянсе ZigBee.» Происходят ежегодные конфликты по поводу оплаты с общей публичной лицензией GNU. Согласно пункту 2-b: «Вы должны быть уверены в том, что любая работа, которую вы распространяете или публикуете, если вся эта работа или её часть содержит программу или извлечёна из программы или из любой её части, вся эта работа должна быть лицензирована как целое без передачи третьим лицам, согласно условиям данной лицензии». С тех пор как лицензия GPL не делает различий между коммерческим и некоммерческим использованием невозможно выполнить лицензировать стек ZigBee согласно GPL или совместить выполнение ZigBee с лицензионным кодом GPL. Требование к разработчику присоединиться к альянсу ZigBee также вступает в конфликт с другими лицензиями свободного программного обеспечения.^[4]

Приложения

Протоколы ZigBee разработаны для использования во встроенных приложениях, требующих низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Цель ZigBee – это создание недорогой, самоорганизующейся сети с ячеистой топологией предназначенной для решения широкого круга задач. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т.д. Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии – индивидуальные устройства согласно данным сертификации ZigBee позволяют энергобатареям работать два года.^[5].
Типовые области приложения:^[6]

• Домашние развлечения и контроль – рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.
• Домашнее оповещение –датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров [с пришельцами].
• Мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.
• Коммерческое строительство – мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа.
• Промышленное оборудование – контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Существуют три различных типа устройств ZigBee.

• Координатор ZigBee – наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre.
• Маршрутизатор ZigBee – Маршрутизатор может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.
• Конечное устройство ZigBee – его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не може т передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.
  

Протоколы

Протоколы построены на недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей) и NeuRFon предназначенными для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является скоплением скоплений. Она также может принимать форму сети или одиночного скопления. Текущие профили получаются из протоколов ZigBee поддерживают сети со включёнными или с отключёнными маячками.
В сетях с отключёнными маячками (где порядок маячков составляет 15) используется механизм доступа к каналам. В этом типе сети маршрутизаторы ZigBee обычно поддерживают свои приёмники включёнными продолжительно, что требует более мощной энергоподдержки. Однако это позволяет разнородным сетям в которых некоторые устройства продолжительно принимают, пока другие только передают в то время когда определяются внешние сигналы. Типичный пример разнородной сети это беспроводной ламповый выключатель. Узел ZigBee в лампе может принимать постоянно, с того времени как он подключён к общему питанию, в то время как ключ, соединяющий лампу с батареей, остаётся в спящем режиме, пока выключатель отключён. Затем ключ переходит в активный режим, посылает к лампе команду, ожидая подтверждения, и возвращается в спящее состояние. В таких сетях узел лампы должен быть, по меньшей мере маршрутизатором ZigBee, если не координатором, узел ключа, обычно, это конечное устройство ZigBee.
В сетях с маячками специальные узлы сети маршрутизаторы ZigBee передают периодических маячки, чтобы подтвердить свое присутствие на других узлах сети. Узлы могут находится в спящем состоянии между маячков, что снижает их скважность и увеличивает жизнь батареек. Интервалы маячков могут различаться от 15.36 мс до 15.36 мс * 214 = 251.65824 с для скорости в 250 kbit/s, от 24 мс до 24 мс * 214 = 393.216 с для скорости в 40 kbit/s и от 48 мс до 48 мс * 214 = 786.432 с для 20 kbit/s. Однако низкая скважность операций (сигналов) вместе с длинными интервалами маячков требует точного распределения времени, что может войти в противоречие с требованием низкой стоимости изделия.
В общем, протоколы ZigBee снижают время включения радиопередатчиков и также сокращают энергопотребление. В маячковых сетях узлы должны быть активными только во время осуществления маячком передачи. В безмаячковых сетях расход энергии решительно ассиметричен, некоторые устройства всегда активны, в то время как другие проводят большую часть своего времени в спящем режиме. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей (исключая профиль 2.0 «рационального использования энергии»). Стандарт определяет нижние слои протокола – физический слой (PHY), и контроль доступа (MAC) часть ссылки на слой данных (DLL). Этот стандарт определяет работу на частотах 2.4 ГГц (в мире, нелицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2.4 ГГц есть 16 каналов ZigBee, каждый канал требует ширины диапазона в 5 МГц. Основная частота для каждого канала может быть рассчитана как FC = (2405 + 5 * (ch - 11)) МГц, где ch = 11, 12, ..., 26.
Радио используют широкополосную модуляцию с прямым расширением спектра которая управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция используется на полосах в 868 и 915 МГц а офсетная квадратурная фазовая манипуляция передающая по 2 бита в символе используется на полосе 2,4 ГГц. В чистом виде, при передаче через воздух скорость передачи данных составляет 250 кбит/с для каждого канала в диапазоне 2.4 ГГц, 40 кбит/с для каждого канала в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Расстояние передачи от 10 до 75 метров и свыше 1500 метров для Zigbee pro, хотя оно сильно зависит от отдельного оборудования. Максимальная выходная мощность радио в основном составляет 0 dBm (1 mW).
Базовый режим доступа к каналу «контроль несущей частоты, многократный доступ/избежание коллизий кадров» (CSMA/CA- вероятностный сетевой протокол канального (МАС) уровня.). То есть перед тем как узлы начинают передачу по пути обмена информацией для людей, они кратко проверяются, что ни один из них не ведёт передачу перед началом общей работы. Существуют три знаменитые исключения для работы CSMA. Маячки посылаются за предусмотренный промежуток времени и CSMA не используется. Также подтверждения посланий также не используют CSMA. Наконец устойства в маячковых ориентированных сетях, которые имеют низкую скрытность в требованиях режима реального времени могут также использовать слоты гарантированного времени., которые по определению не используют CSMA.

ZigBee RF4CE

3 марта 2009 концерн RF4CE (Радиочастоты для бытовой электроники) согласился работать с альянсом ZigBee для совместного распространения стандартизированной спецификации предназначенной для радиочастотного дистанционного управления. ZigBee RF4CE был разработан для широкого употребления в дистанционно управляемых аудио/видео продукции, такой как телевизоры и телеприставки. Это обещает множество преимуществ по сравнению с существующими техническими решениями для дистанционного управления, включая расширение связей, повышение надежности работы, расширенные возможности и гибкость, совместимость, и ухода от барьера прямой видимости.^[7]

Программное и аппаратное обеспечение

Программное обеспечение разработано с целью упрощения процесса построения небольших недорогих микропроцессоров. Радиоразработки, используемые в ZigBee тщательно оптимизированы, чтобы достичь низкой цены среди большого числа продукции этой линейки. Есть несколько аналоговых каскадов, где возможно используется цифровые контуры.
Хотя радиопередатчики сами по себе недороги процесс квалификации ZigBee включает в себя полную проверку требований на физическом уровне. Такая подробная доводка физического уровня имеет многочисленные преимущества, так как все радио, полученные из этого набора полупроводниковых элементов, будут обладать теми же RF-характеристиками. С другой стороны, если физический уровень будет не сертифицирован, неправильное функционирование может уменьшить длительность работы батарей в других устройствах, включённых в сеть ZigBee. Там где другие протоколы могут скрывать плохую чувствительность или другие скрытые проблемы, что проявляется в искажённой уменьшенной реакции ZigBee радио имеют жёсткие инженерные ограничения, касающиеся как энергопитания так и широты диапазона. Таким образом, радио проходят испытания на стандарт ISO 17025 с указаниями пункта 6 из 802.15.4-2006 стандарта. Большинство торговцев вынашивают планы объединения радио и микроконтроллера в одну микросхему.

История

• Сети образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998, когда многие установщики осознали, что протоколы WiFi и Bluetooth стали неподходящими для многих приложений. В частности, многие инженеры увидели необходимость в самоорганизуемых ad-hoc сетях.
• Стандарт IEEE 802.15.4 был создан в мае 2003
• Летом 2003 главный поставщик ячеистых сетей Philips Semiconductors прекратил инвестиции. Однако Philips Lighting продолжил участие со стороны данной корпорации, которая осталась покровителем (промоутером) в составе совета директоров альянса ZigBee.
• О создании альянса ZigBee было объявлено в 2004. В следующем году число его членов удвоилось и выросло до более чем 100 компаний в 22 странах. К апрелю 2005 число участников достигло более 150 компаний и к декабрю 2005 до 200 компаний.
• Спецификации ZigBee были ратифицированы 14 декабря 2004
• Альянс ZigBee объявляет о доступности для общественности Спецификация 1.0 13 июня 2005 года (известный сейчас как спецификация ZigBee 2004).
• Альянс ZigBee объявляет о завершении и немедленной готовности членов расширенная версия стандарта ZigBee сентября 2006, известной сейчас как спецификация ZigBee 2006.
• В течение последнего квартала 2007 года, ZigBee PRO, расширенная спецификация ZigBee была завершена

Происхождение термина ZigBee

Имя бренда происходит от поведения медовых пчёл, после возвращения их в улей.

Примечания

1. ↑ Our Mission. zigbee.org. Проверено 11 июля 2009.
2. ↑ http://www.commsdesign.com/showArticle.jhtml?articleID=192200323 ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks
3. ↑ ZigBee Specification Download Request. zigbee.org. Проверено 15 апреля 2009.
4. ↑ Zigbee, Linux, and the GPL. freaklabs.org. Проверено 14 июня 2009.
5. ↑ http://www.microcontroller.com/news/atmel_microcontrollers_avr.asp
6. ↑ What's so good about ZigBee networks?. Daintree Networks. Проверено 19 января 2007.
7. ↑ Introducing ZigBee RF4CE. Daintree Networks. Проверено 4 мая 2009.

Внешние ccылки

• Zigbee Alliance homepage
• IEEE 802.15.4 web site
• ZigBee Review and comparison to other home automation technologies
• ZigBee Tutorial
• ZigBee Resources including whitepapers and specification updates
• FreakZ open source Zigbee project, Project homepage, and Zigbee/802.15.4 chip comparison
• XBee.NET Library for the Microsoft .NET Framework