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 (http://zigbee.org ).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.
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.
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.
Применения 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.
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.
Схема ZigBee-стэка
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.
|
