ZigBee для мониторинга и контроля.

Июн 16, 2023
zigbee dlya monitoringa i kontrolya 2

ZigBee для мониторинга и контроля.

Термин ZigBee родился из ассоциации с движением танцующих пчел, напоминающем зигзаг – таким способом они обмениваются информацией.

Этот стандарт – результат совместной работы целого ряда компаний, объединившихся в ZigBee Альянс .

Стандарт предоставляет спецификации для разработки дешевых, низкоэнергозатратных беспроводных сенсорных сетей, работающих скоординированно и автономно.

Основные преимущества ZigBee:
– надежность и способность к самоорганизации;
– большое количество поддерживаемых узлов;
– простота установки;
– длительный (год и более) срок автономной работы;
– безопасность;
– низкая стоимость;
– широкая область использования;
– обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов
– независимость от производителя оборудования.

Что представляет собой стандарт IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 – это стандарт, утвержденный Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) для низкоскоростных беспроводных сетей персональной зоны покрытия (WPANs) и определяющий физический уровень и уровень среднего доступа.

Спецификации: для физического уровня, или PHY, при низкоэнергозатратном радиовещании с расширенным спектром на частоте 2,4 ГГц и базовой скоростью передачи 250 килобит в секунду, а также для частот 915 МГц и 868 МГц с пониженной скоростью передачи.

Подробная информация на сайте IEEE 802.15 Working Group for WPAN: http://ieee802.org/15/pub/TG4.html.

zigbee dlya monitoringa i kontrolya 2

Стандарт IEEE 802.15.4 обеспечивает три частотных диапазона

Отличие ZigBee от других беспроводных стандартов

Имеется множество стандартов, определяющих средне- и высокоскоростные параметры для голоса, беспроводных локальных компьютерных сетей, видео и т.д.

Однако до последнего времени не существовало беспроводного сетевого стандарта, отвечающего специфическим потребностям сенсорных и контролирующих устройств, которым при длительном использовании батарей и поддержке большого числа устройств в сети необходимы не высокая пропускная способность, а низкая латентность и экономичное энергопотребление.

Производится множество специализированных беспроводных систем с такими характеристиками, однако они существуют вне стандартов, вследствие чего возникают проблемы их взаимодействия друг с другом и соответствия новым технологиям.

zigbee dlya monitoringa i kontrolya 3

Относительное расположение беспроводных стандартов

Реальные области использования ZigBee

ZigBee прекрасно подходит для решения широкого круга задач автоматизированного управления зданий, технологического, медицинского контроля и мониторинга.

В их числе:
– управление освещением;
– технологический и структурный контроль;
– управление кондиционированием и отоплением;
– автоматическое считывание показаний счетчиков;
– действие беспроводных детекторов дыма и CO;
– контроль помещений, работа систем безопасности;
– контроль параметров окружающей среды;
– медицинское считывание и контроль;
– менеджмент активов.

Применение ZigBee

Например, сенсоры, установленные в контейнерах, в каждом из них самоорганизуются в сеть, а отдельные сети – в общую сеть контейнеровоза и передают в контрольный центр данные о состоянии грузов.

ZigBee с точки зрения производителя

Поставщики ZigBee-решений

Производитель, разрабатывающий ZigBee совместимое устройство, должен выбрать поставщиков ZigBee-технологий.

Они в свою очередь предоставят ПО (программное обеспечение) (ZigBee-стэк) наряду с радиотрансивером и микроконтроллером.

Ведущие производители микросхем ZigBee–компании Freescale, Texas Instruments (TI) и Atmel. Среди других отметим Ember, STMicroelectronics, Silicon Laboratories и Jennic.

Наиболее популярны на рынке процессоры ATmega1281 (компания Atmel), MSP430 (TI) и HC08 (Freescale).

Размеры их флэш-памяти от 64 Кб до 256 Кб (для установки ZigBee-стэка необходимо как минимум 128 Кб).

Радиотрансиверы предлагаются компаниями Chipcon (например, трансивер CC2420), входящей в состав TI, и Freescale (MC13192). Радио EM2420 от Ember – это лицензионная версия CC2420. В июне этого года Atmel наконец-то представил новый радиотрансивер AT86RF230.

Затянувшееся ожидание оправдалось, поскольку RF230 обеспечивает радиус покрытия, примерно в три раза больший, чем у конкурентов.

Большинство радиотрансиверов работают на частоте 2,4 ГГц, хотя предлагаются также и радиотрансиверы с более низкой частотой – 868 и 915 МГц (например, компанией ZMD).

Недавно появились решения на основе так называемых систем на чипе (System+on+Chip, SoC). Jennic стал пионером со своим JN512.

За ним последовали Chipcon с CC2430, Ember с EM250 и Freescale с MC1321. Среди основных игроков намечается тенденция к расширению производстватаких решений.

zigbee dlya monitoringa i kontrolya 5

Пример ZigBee-модуля и сенсорной платы с двумя чипами

Модуль или Система на чипе

Поставщиками ZigBee разработаны модули, предназначенные для облегчения процесса создания приложений. Такие модули содержат радиотрансиверы и микроконтроллеры, а также необходимые пассивные элементы.

Модули – отнюдь не промежуточный этап между решениями на базе двух чипов и системой на чипе. Они занимают отдельную нишу.

Использование ZigBee-модуля позволяет сократить цикл разработки, поскольку нет необходимости в дополнительной радиоэкспертизе.

Модули, как правило, уже сертифицированы (FCC/CE) и с легкостью интегрируются даже на двухслойную плату. Они дороже систем на чипе, но это компенсируется целым рядом преимуществ.

Большинство производителей (например, компании Cirronet, Helicomm, MaxStream, Radiocraft и Telegesis) используют радиотрансиверы компаний Chipcon (TI) и Freescale.

Модуль с трансивером Atmel AT86RF230 выпускает пока только MeshNetics.

Для разработчика

Производители чипов и модулей обычно предлагают демонстрационные наборы и наборы для разработчика.

Типичный набор включает в себя сенсорные платы, радио, микроконтроллер с системным ПО, аксессуары и ПО для управления беспроводной сетью. Основная цель набора – дать представление о возможностях модуля или чипа и предоставить условия для разработки простых приложений.

ПО- фактор

ПО – это критический фактор при разработке ZigBee+ приложений. ZigBee+стэк определяет вариант формирования сети и обмена данными.

Архитектура стэка представляет собой набор блоков, называемых слоями. Каждый слой отвечает за специфический набор функций вышерасположенного слоя.

zigbee dlya monitoringa i kontrolya 6

Схема ZigBee-стэка

zigbee dlya monitoringa i kontrolya 7

Возможные конфигурации сети и роли узлов

Существуют три различные сетевые топологии, поддерживаемые ZigBee: «звезда» (star), «ячеистая» (mesh) и «гибридная» (cluster tree).

«Звездная» топология, будучи наиболее простой, используется достаточно часто. Ячеистая топология обеспечивает высокую степень надежности. Блоки данных могут передаваться посети посредством различных узлов и маршрутизаторов.

При наличии помех на определенных узлах вместо них могут использоваться другие.

«Гибридная» сеть сочетает обе топологии.

Основные поставщики ZigBee+стэков Figure8 Wireless (теперь в составе TI), Freescale, Ember,CompXs (приобретена компанией Integration Associates). Стэки созданы ими в привязке к соответствующим аппаратным решениям. Существует также несколькопоставщиков независимых стэков, например AirBee, MeshNetics и Mindtek.

Беспроводное получение данных

Ценность беспроводной сенсорной сети очевидна при получении информации с датчиков.
Поэтому правильно написанное ПО становится необходимым условием полноценной работы сети. В функции такого ПО входят конфигурация сети, тестирование и мониторинг узлов, получение данных с сенсоров и контроль приводов.

Проблема в том, что на большинстве предприятий уже действует та или иная IT-система, замена которой представляется нежелательной. Примером может служить система диспетчерского управления и сбора данных SCADA.

Сегодня большая часть ее вариантов являются проводными, а потому с ограниченной функциональностью, так как автоматизирована или отслеживается лишь небольшая часть критически важных узлов и технологий.

При этом стоимость кабельной установки может достигать 300 дол. за 1 м, и вдобавок проводные решения просто невозможны в некоторых удаленных, труднодоступных и опасныхточках и узлах. А беспроводные системы прекрасно оправдывают себя при автоматизации зданий.

Их сенсоры могут быть установлены практически в любой точке, что позволяет получать более точные данные о фактическом состоянии объектов и значительно снизить затраты благодаря экономии на стоимости проводки.

Это происходит, например, при использовании ZigBee в системе управления HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование).

Таким образом, переход к беспроводным сенсорным сетям позволяет преодолевать ограничения, существующие при проводных решениях.

Однако остаются вопросы: каким образом существующие IT-системы будут получать информацию с беспроводных датчиков и возможна ли безболезненная интеграция новых беспроводных сенсорных сетей с уже действующими IT-системами?

Ведь компании, вложившие много средств в установку таких систем и обучение персонала, не собираются отказываться от них, но в то же время хотели бы воспользоваться преимуществами новейших технологий.

Для этих целей компании Crossbow, MeshNetics и Tendril Networks уже предоставляют пакеты так называемого связующего ПО (middleware).

Обычно оно устанавливается на сервере между БСС (беспроводной сенсорной сетью) и системой предприятия.

Связующее ПО фильтрует данные и передает нужную информацию приложениям IT-системы предприятия.

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять