ZigBee
Această intrare sau secțiune privind telecomunicațiile nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
În telecomunicații , ZigBee este un standard de comunicații fără fir bazat pe specificația IEEE 802.15.4 , editat de ZigBee Alliance [1] . Prin utilizarea unor antene digitale mici, cu putere redusă și consum redus, implementează o rețea fără fir personal (WPAN).
Se precizează în standard o serie de profile de aplicații care permit crearea unei comunicări specifice pentru diferite profiluri tipice în domeniul Wireless Sensor Networks, variind de la lumea de energie (Energy Smart) la lumea de automatizare a casei (Pagina de automatizare și ZigbeeLightLink ). Relația dintre ZigBee și IEEE 802.15.4 este similară cu cea dintre Wi-Fi Alliance și IEEE 802.11 .
Specificația ZigBee 1.0 a fost aprobată pe 14 decembrie 2004 și este disponibilă public pentru dezvoltatori, dar nu este permisă utilizarea logo-ului ZigBee Alliance în scopuri comerciale decât dacă dispozitivul este certificat de către asociație mai întâi (și, prin urmare, trebuie să treacă o procedură de testare prin trecerea prin una dintre casele oficiale de testare a alianței). Producătorii de chipset-uri ZigBee așteaptă dispozitive de 128 KB . [ neclar ]
În 2014, ZigBee Alliance a anunțat o nouă stivă de protocol numită ZigBee 3.0, care va încorpora diverse profiluri de aplicații care sunt acum văzute ca verticale și care nu sunt interoperabile între ele. De fapt, după lansarea acestei stive (care va înlocui cea mai recentă versiune, specificația ZigBee PRO 2007) vor exista doar 2 domenii principale, unul pentru Energie și unul pentru HomeAutomation .
Introducere
ZigBee funcționează în frecvențe radio atribuite în scopuri industriale, științifice și medicale ( ISM , 868 MHz în Europa, 915 MHz în Statele Unite și 2,4 GHz în majoritatea restului lumii), dar de fapt astăzi singurele implementări adevărate disponibile pe piața sunt cele de la 2,4 GHz. Această tehnologie a fost creată cu scopul de a fi mai simplă și mai ieftină decât alte panouri wireless, cum ar fi, de exemplu, Bluetooth (acesta din urmă pentru a recurge la reparații a lansat ulterior o versiune mai puțin costisitoare din punct de vedere al consumului numit Bluetooth Low Energy).
În 2005, costul estimat pentru un transceptor de nod ZigBee a fost de aproximativ 1,10 USD pentru producător, numărând volume mari. Cu toate acestea, majoritatea dispozitivelor ZigBee necesită și un microcontroler , ceea ce crește costul total. Când a fost lansat ( 1998 ), Bluetooth era de așteptat să coste 4-6 USD pentru volume mari, în timp ce prețul actual de consum este sub 3 USD astăzi.
ZigBee Alliance a început să lucreze la versiunea 1.1, care își propune să profite de îmbunătățirile specificației 802.15.4b, dintre care cea mai evidentă îmbunătățire este CCM *, introdusă ca alternativă la modul CCM ( CTR + CBC-MAC ). CCM * se bucură de aceleași caracteristici de securitate ca CCM, oferind în același timp o mai mare flexibilitate în alegerea metodelor de autentificare și criptare.
Istorie
- Rețelele asemănătoare ZigBee au început să fie studiate în 1998 , când mulți ingineri au realizat că atât WiFi, cât și Bluetooth nu pot satisface nevoile multor aplicații noi. În special, mulți ingineri au văzut nevoia de a dezvolta rețele radio digitale ad-hoc cu propria lor autonomie organizațională.
- Standardul IEEE 802.15.4 a fost finalizat în mai 2003 .
- În vara anului 2003 , Philips Semiconductors a încetat să finanțeze studiul. Cu toate acestea, Philips Lighting a continuat să reprezinte angajamentul Philips față de industrie și rămâne un membru promotor al consiliului de administrație ZigBee Alliance.
- ZigBee Alliance a anunțat în octombrie 2004 că numărul membrilor sa dublat în anul precedent și a crescut la peste 100 de companii din 22 de țări. În aprilie 2005, existau peste 150 de companii.
- Prima specificație ZigBee a fost ratificată la 14 decembrie 2004 , la care au fost lansate ulterior două versiuni în 2007: ZigBee 2007 și ZigBee PRO (prima este un subset al caracteristicilor cerute de a doua în schimb).
- ZigBee Alliance anunță disponibilitatea specificației 1.0 pe 13 iunie 2005 .
- În decembrie 2014, ZigBee Alliance anunță lansarea noii specificații ZigBee 3.0.
Utilizări
Protocoalele ZigBee sunt concepute pentru utilizare în aplicații încorporate care necesită rate de transfer reduse și consum redus de energie. Scopul ZigBee este de a defini o rețea fără rețea fără rețea , economică și autogestionată, care poate fi utilizată în scopuri precum controlul industrial, rețelele de senzori, automatizarea casei , telecomunicațiile etc. Rețeaua rezultată va avea un consum atât de redus de energie încât poate funcționa timp de unul sau doi ani folosind bateria încorporată în nodurile individuale.
Tipuri de dispozitive
Există trei tipuri diferite de dispozitive ZigBee:
- ZigBee Coordinator (ZC) : este cel mai „inteligent” dispozitiv dintre cele disponibile, constituie rădăcina unei rețele ZigBee și poate acționa ca o punte între mai multe rețele. Nu poate exista decât un singur „coordonator” în fiecare rețea. De asemenea, este capabil să stocheze informații despre rețeaua sa și poate acționa ca un depozit pentru cheile de securitate.
- ZigBee Router (ZR) : Aceste dispozitive acționează ca routere intermediare care transmit date către și de la alte dispozitive. De fapt, nu există distincții hardware între un ZC și un ZR, cu excepția faptului că coordonatorului i se conferă rolul de inițializare a rețelei, după care acestea devin dispozitive identice.
- ZigBee End Device (ZED) : includ doar funcționalități minime pentru comunicarea cu nodul părinte (coordonator sau router), nu pot transmite date de pe alte dispozitive și, prin urmare, nu participă la multi-hop-ul unui mesaj; acestea sunt nodurile care necesită cea mai mică cantitate de memorie și, prin urmare, sunt adesea mai ieftine decât ZR sau ZC.
Protocoale
Protocoalele se bazează pe o cercetare în domeniul algoritmilor de rutare ( Ad-hoc On-demand Distance Vector ) care urmăresc să construiască rețele ad-hoc de noduri de viteză mică. În rețelele mai mari, rețeaua reală va fi formată din clustere de clustere , dar se pot forma și rețele Mesh sau clustere simple. Profile curente derivate din protocoalele ZigBee de sprijin atât „ far activat“ și „non-far activat“ rețele.
În rețelele fără faruri (cele a căror ordine de faruri este 15), se utilizează un mecanism de acces la canal de tip CSMA / CA. În acest tip de rețele, routerele ZigBee își mențin receptoarele întotdeauna active, ceea ce determină un consum substanțial de energie. În practică, aceste rețele sunt „amestecate”: unele dispozitive sunt gata în permanență să primească, în timp ce altele transmit pur și simplu în prezența unui stimul extern. Exemplul tipic al unei rețele de acest tip este dat de comutatoarele fără fir: nodul ZigBee din lampă poate primi în mod constant, având posibilitatea conectării directe la rețeaua electrică, în timp ce comutatorul (ca o telecomandă ) alimentat de la baterie poate rămâneți inactiv până în momentul în care este necesar să trimiteți un semnal. În acel moment este activat, trimite comanda, primește un semnal de confirmare și revine la inactiv. În acest exemplu, lampa va fi un ZR, dacă nu un ZC, în timp ce comutatorul va fi un ZED.
În rețelele activate cu faruri, nodurile numite ZigBee Router transmit periodic faruri pentru a confirma prezența lor către celelalte noduri. Între un far și următorul, nodurile pot schimba modurile pentru a economisi energie prin scăderea ciclului de funcționare . Intervalele dintre balize variază de la 15,36 milisecunde la 15,36 ms 2 14 = 251.658,24 secunde la 250 kb / s, 24 milisecunde la 24 ms 2 14 = 393,216 secunde la 40 kb / s și 48 ms la 48 ms 2 14 = 786,432 secunde la 20 kb / s. Cu toate acestea, operațiunile cu cicluri de lucru reduse cu intervale lungi de baliză necesită mecanisme de sincronizare precise, care sunt mai dificile și mai costisitoare de implementat.
În general, protocoalele ZigBee minimizează durata de funcționare a emițătorului radio, reducând astfel consumul de energie. În rețelele cu baliză activată, nodurile consumă energie numai în perioada în care baliza este prezentă, în timp ce în cele care nu sunt activate cu baliză, unele noduri sunt întotdeauna active (consumul lor de energie este, prin urmare, ridicat), în timp ce altele sunt de cele mai multe ori. .
Dispozitivele ZigBee trebuie să respecte standardele IEEE 802.15.4-2003 de rețea fără fir personală de joasă rată (WPAN). Specifică protocolul de strat fizic (PHY) și partea de strat de legătură de date din Controlul accesului mediu ( MAC ). Acest standard funcționează în banda ISM fără licență de 2,4 GHz , 915 MHz și 868 MHz. În banda de 2,4 GHz există 16 canale ZigBee, fiecare de 5 MHz . Frecvența centrală pentru fiecare canal poate fi calculată ca F C = (2400 + 5 · k) MHz , cu k = 1, 2, ..., 16. Transmițătoarele radio utilizează codificare DSSS . Folosim o modulație BPSK în benzile 868 și 915 MHz și un QPSK offset (O-QPSK) care transmite 4 biți pe simbol în banda de 2,4 GHz. Rata de date over-the-air este de 250 kb / s pe canal. banda de 2,4 GHz, 40 kb / s pe canal în banda de 915 MHz și 20 kb / s în banda de 868 MHz. Gama este cuprinsă între 10 și 75 de metri, în funcție de mediu. Puterea maximă transmisă este de obicei 0 dBm (1 mW).
Modul de bază de acces la canalul specificat de IEEE 802.15.4-2003 este Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA / CA). Aceasta înseamnă că nodurile verifică dacă canalul este liber atunci când trebuie să transmită. Există câteva excepții de la utilizarea CSMA: semnalele de baliză, trimise conform unui model predeterminat, confirmă mesajele și transmisiile dispozitivului în rețelele orientate spre baliză care au nevoie de latență redusă și utilizează sloturi de timp garantate (GTS) care, prin definiție, nu utilizează CSMA .
Software și hardware
Software-ul este conceput pentru a facilita dezvoltarea pe microprocesoare mici, cu costuri reduse. Designul emițătorului radio a fost optimizat pentru a avea un cost unitar redus cu producții la scară largă. Are puține circuite analogice și folosește digital ori de câte ori este posibil.
În timp ce emițătoarele radio sunt ieftine, procesul de calificare ZigBee implică validarea completă a cererilor de nivel fizic. Această analiză detaliată a stratului fizic are multe avantaje, deoarece toate emițătoarele din același set de semiconductori vor avea aceleași caracteristici RF. Pe de altă parte, un strat fizic necertificat care are defecțiuni ar putea afecta negativ capacitatea bateriei altor dispozitive dintr-o rețea ZigBee. În acest caz, de fapt, constrângerile inginerești sunt neapărat strânse, în ceea ce privește lățimea de bandă și consumul de energie. Astfel, emițătoarele sunt testate în conformitate cu standardul ISO-17025 și Clauza 6 din standardul 802.15.4-2003. Majoritatea producătorilor integrează emițătoare și microcontrolere radio pe un singur cip.
Notă
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe ZigBee
linkuri externe
- Site oficial , pe zigbee.org .
- Măsurători pe emițătoare ZigBee , pe instrumentazioneelettronica.it .
