Введение

автоматизация дом безопасность умный

В самых разных отраслях имеется потребность в создании беспроводных сетей с большим числом датчиков и исполнительных механизмов, где не требуется высоких скоростей передачи данных, а на первый план выступают надежность, устойчивость (способность к самовосстановлению) и простота развертывания и эксплуатации. Важно также, чтобы оборудование таких сетей допускало длительную работу от автономных источников питания, имело низкую стоимость, и было компактным. Важнейшими требованиями к таким сетям являются также:

-длительная работа источников питания датчиков,

-низкая стоимость,

-компактность,

-возможность создания ячеистых сетей для связи между большим числом устройств.

Такому сочетанию требований еще 10 лет назад не отвечал ни один из сетевых стандартов, что и привело к созданию стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee, описывающих устойчивые масштабируемые многошаговые беспроводные сети, простые в развертывании и поддерживающие самые разные приложения

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

1. Особенности технологии ZigBee

У многих возникнет вопрос - почему ZigBee? Название ZigBee образовано из двух слов: zigzag (зигзагообразная траектория движения) и bee (пчела). А причем здесь пчелы? Домашние пчелы живут в ульях роем, во главе которого стоит королева. Ее обслуживают несколько трутней и тысячи рабочих пчел. Выживание, развитие и будущее колонии пчел напрямую зависит от того, насколько непрерывно, без сбоев будет происходить обмен информацией между всеми членами колонии. Принцип, по которому информация передается между членами пчелиного сообщества, допустим, о местонахождении цветочной поляны, схож с тем, на котором основаны алгоритмы ZigBee.

Сети ZigBee, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных, полностью удовлетворяют требования, а именно:

- благодаря ячеистой (mesh) топологии сети и использованию специальных алгоритмов маршрутизации сеть ZigBee обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов в случаях обрыва связи между отдельными узлами (появления препятствия), перегрузки или отказа какого-то элемента;

- спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных, передаваемых по беспроводным каналам, и гибкую политику безопасности;

- устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением, в особенности конечные устройства, для которых предусмотрен режим «сна», что позволяет этим устройствам работать до трех лет от одной обычной батарейки АА и даже ААА;

- сеть ZigBee - самоорганизующаяся, ее структура задается параметрами профиля стека конфигуратора и формируется автоматически путем присоединения (повторного присоединения) к сети образующих ее устройств, что обеспечивает простоту развертывания и легкость масштабирования путем простого присоединения дополнительных устройств;

- устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 ZigBee-модуль PAN4555 со встроенным микроконтроллером от Panasonic

Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. В сети ZigBee предусмотрено несколько альтернативных алгоритмов маршрутизации, выбор которых происходит автоматически.

Стандарт предусматривает возможность использования каналов в нескольких частотных диапазонах. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц.

Цена, которую пришлось заплатить в сетях ZigBee за минимизацию энергопотребления, компактность и дешевизну - относительно низкая скорость передачи данных.

«Брутто» скорость (включая служебную информацию) составляет 250 кбит/c. Средняя скорость передачи полезных данных, в зависимости от загрузки сети и числа ретрансляций, составляет от 5 до 40 кбит/с.

Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве.

Более того, сеть ZigBee в любой момент может быть расширена добавлением новых элементов или наоборот разбита на несколько зон простым назначением соответствующего числа новых конфигураторов сети. Это бывает полезно для снижения нагрузки и соответственно повышения скорости передачи данных.

Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405-2,485 ГГц не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований (Решение ГКРЧ при Мининформсвязи России <#"justify">.2 Состав и формат пакетов

Форматы передаваемых пакетов в сетях ZigBee:

пакет данных (используется для передачи данных)

пакет подтверждения (используется для подтверждения успешной передачи данных)

пакет МАС команды (используется для организации пересылок управляющих МАС команд)

сигнальный пакет (используется координатором для организации синхронизированного доступа)

Формат пакета данных:

позволяет передавать до 104 байт данных

для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Data sequence number)

контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (Frame Check Sequence - FCS)

Формат пакета подтверждения:

обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной передаче пакета данных

малая длина пакета увеличивает время нахождения в состоянии покоя сетевых конечных устройств.

передача пакета подтверждения осуществляется сразу после получения пакета данных

Формат пакета МАС команды:

используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств

позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети

Формат сигнального пакета:

конечные устройства «просыпаются» только в периоды приема пакетов синхронизации, считывают адреса в пакете синхронизации и переходят в спящее состояние, если адрес устройства не обнаружен

- сигнальные пакеты необходимы для сетей типа «многоячейковая» и «кластерное дерево», обеспечивая синхронизацию всех сетевых устройств без необходимости каждым из них тратить энергию своих автономных источников питания, «слушая» эфир в ожидании получения пакета