| Zigbee | |
|---|---|
| Úroveň (podle modelu OSI ) | počínaje kanálem (DLC) |
| Vytvořeno v | 2003 |
| Účel protokolu | Bezdrátová komunikace mezi zařízeními s nízkou spotřebou, s možností vybudování topologie mesh sítě |
| Specifikace | IEEE 802.15.4 |
| Vývojář | Aliance Zigbee |
| Mediální soubory na Wikimedia Commons | |
Zigbee je specifikace síťových protokolů nejvyšší úrovně - aplikační úroveň APS ( podvrstva aplikační podpory ) a síťová úroveň NWK - využívající služby nižší úrovně - vrstvu řízení přístupu k médiím MAC a fyzickou vrstvu PHY , regulované IEEE 802.15. 4 standardní . Zigbee a IEEE 802.15.4 popisují bezdrátové osobní sítě (WPAN). Specifikace Zigbee je zaměřena na aplikace, které vyžadují garantovaný bezpečný přenos dat při relativně nízkých rychlostech a možnost dlouhodobého provozu síťových zařízení z autonomních zdrojů napájení (baterií).
Hlavním rysem technologie Zigbee je, že při nízké spotřebě energie podporuje nejen jednoduché síťové topologie („ point-to-point “, „ strom “ a „ hvězda “), ale také samoorganizující se a samoopravující síť . (mesh) topologie s přenosem a směrováním zpráv . Specifikace Zigbee navíc zahrnuje možnost výběru směrovacího algoritmu v závislosti na požadavcích aplikace a podmínkách sítě, mechanismus standardizace aplikací – aplikační profily, standardní knihovnu clusteru, koncové body, vazby, flexibilní bezpečnostní mechanismus a také poskytuje snadné nasazení. , údržbu a upgrady.
Hlavními oblastmi použití technologie Zigbee jsou bezdrátové senzorové sítě , domácí automatizace ("Smart Home" a "Intelligent Building"), lékařská zařízení, průmyslové monitorovací a řídicí systémy , stejně jako spotřební elektronika a "periferie" osobních počítačů.
Schopnost samoorganizace a samoléčení, topologie sítě, bezpečnost, vysoká odolnost proti šumu, nízká spotřeba energie a žádná potřeba frekvenčního rozlišení činí ze sítě Zigbee vhodný základ pro bezdrátovou infrastrukturu systému určování polohy v reálném čase ( RTLS ).
Zigbee je standard pro sadu vysokoúrovňových komunikačních protokolů využívajících malé digitální transceivery s nízkou spotřebou na základě standardu IEEE 802.15.4-2006 pro bezdrátové osobní sítě, jako jsou bezdrátová sluchátka připojená k mobilním telefonům prostřednictvím krátkovlnných rádiových vln. Technologie je definována specifikací Zigbee, navržená se záměrem být jednodušší a levnější než jiné osobní sítě, jako je Bluetooth . Zigbee je určen pro RF aplikace, kde je zásadní dlouhá životnost baterie a zabezpečení sítě.
Zigbee Alliance je orgán, který prosazuje a publikuje standardy Zigbee [1] a také publikuje profily aplikací, což umožňuje výrobcům OEM vytvářet interoperabilní produkty. Aktuální seznam profilů aplikací publikovaných nebo ve výrobě:
Spolupráce mezi IEEE 802.15.4 a Zigbee je podobná jako mezi IEEE 802.11 a Wi-Fi Alliance . Specifikace Zigbee 1.0 byla ratifikována 14. prosince 2004 a je k dispozici členům aliance Zigbee. 30. října 2007 byla zveřejněna specifikace Zigbee 2007. První aplikační profil, Zigbee "Home Automation", byl oznámen 2. listopadu 2007. Zigbee funguje na průmyslových, vědeckých a lékařských (pásmo ISM) rádiových pásmech: 868 MHz v Evropa, 915 MHz v USA a Austrálii a 2,4 GHz ve většině zemí světa (v rámci většiny jurisdikcí na světě). Zpravidla jsou v prodeji čipy Zigbee, což jsou kombinované rádiové a mikrokontroléry s velikostí paměti Flash od 60 K do 128 K od výrobců jako Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 a Atmel ATmega128RFA1. Rádiový modul lze také použít samostatně s libovolným procesorem a mikrokontrolérem. Výrobci rádií obvykle nabízejí také softwarový zásobník Zigbee, ačkoli jsou k dispozici i jiné nezávislé zásobníky.
Protože se Zigbee dokáže probudit (tj. přejít z režimu spánku do probuzení) za 15 milisekund nebo méně, může být latence odezvy zařízení velmi nízká, zejména ve srovnání s Bluetooth, kde latence mezi uspáním a probuzením obvykle dosahuje tří sekund. [2] Protože je Zigbee většinu času v režimu spánku, spotřeba energie může být velmi nízká, což má za následek dlouhou životnost baterie.
První vydání zásobníku je nyní známé jako Zigbee 2004. Druhé vydání zásobníku se nazývá Zigbee 2006 a v podstatě nahrazuje rámec MSG/KVP používaný v Zigbee 2004 spolu s „knihovnou clusterů“. Zásobník z roku 2004 je nyní víceméně zastaralý. Implementace Zigbee 2007 je aktuálně aktuální a obsahuje dva profily zásobníku, profil zásobníku #1 (který se jednoduše nazývá Zigbee) pro domácí použití a použití v malých firmách a profil zásobníku #2 (který se nazývá Zigbee Pro). Zigbee Pro nabízí více funkcí, jako je vysílání, vícenásobné směrování a silné zabezpečení symetrických klíčů (SKKE), zatímco Zigbee (Stack Profile #1) zabírá méně místa RAM a Flash. Oba profily umožňují nasadit plnou síť mesh a pracovat se všemi aplikačními profily Zigbee.
Zigbee 2007 je plně kompatibilní se zařízeními Zigbee 2006. Zařízení Zigbee 2007 se může připojit k síti Zigbee 2006 a pracovat s ní a naopak. Kvůli rozdílům v možnostech směrování mohou být zařízeními Zigbee Pro pouze koncová zařízení sítě Zigbee 2006 (ZED) a naopak zařízení Zigbee 2006 a Zigbee 2007 mohou být pouze koncovými zařízeními v síti Zigbee Pro. Aplikace, které běží na zařízeních, přitom fungují stejně, bez ohledu na implementaci profilu zásobníku.
Protokoly Zigbee jsou navrženy pro použití ve vestavěných aplikacích vyžadujících nízké přenosové rychlosti a nízkou spotřebu energie. Účelem technologie Zigbee je vytvořit nízkonákladovou samoorganizující se síť s mesh topologií navrženou pro řešení široké škály problémů. Síť lze použít v průmyslovém řízení, vestavěných senzorech, sběru lékařských dat, hlásiči vniknutí nebo kouře, automatizaci budov a domácností atd. Výsledná síť spotřebovává velmi málo energie – jednotlivá zařízení podle certifikace Zigbee umožňují, aby energetické baterie fungovaly dvě let [3] .
Typické oblasti použití [4] :
Existují tři různé typy zařízení Zigbee.
Protokoly jsou založeny na nově vyvinutém algoritmu AODV (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) a další bezdrátové sítě) a NeuRFon, navržených pro vytváření ad-hoc sítí (decentralizované bezdrátové sítě tvořené náhodnými účastníky) nebo uzlů. Ve většině případů je síť shlukem clusterů. Může mít také podobu sítě nebo osamoceného shluku.
V současné době protokol Zigbee podporuje sítě s nebo bez upozornění na přítomnost (beacons). V sítích s vypnutými majáky (kde je pořadí majáků 15) se používá vícenásobný přístup Carrier Sense s předcházením kolize ( CSMA/CA ). V tomto typu sítě mají routery Zigbee obvykle své přijímače stále zapnuté, což vyžaduje další napájení. To však umožňuje vytváření heterogenních sítí, kdy některá zařízení neustále přijímají data, zatímco jiná data předávají pouze v případě potřeby. Typickým příkladem takové sítě je bezdrátové ovládání světla: uzel Zigbee připojený k lampě může neustále přijímat signál, protože je (stejně jako lampa) připojen k síti, zatímco vypínač napájený z baterie zůstane v režimu spánku, dokud spínač nezměnil stav. Když se stav změní, spínač přejde do aktivního režimu, vyšle příkaz do lampy, čeká na potvrzení a vrátí se do režimu spánku. V takových sítích musí být lampovým uzlem minimálně Zigbee router (ZR), pokud ne koordinátor, switch node, obvykle Zigbee koncové zařízení (ZED).
V sítích s majákem vysílají speciální síťové uzly, směrovače Zigbee, periodické majáky, aby potvrdily svou přítomnost na jiných uzlech sítě. Uzly mohou být v klidovém stavu mezi majáky, což snižuje jejich pracovní cyklus a zvyšuje životnost baterie. Intervaly majáku se mohou lišit od 15,36 ms do 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s pro 250 kbit/s, od 24 ms do 24 ms * 2 14 = 393,216 s pro 40 kbit/s a 48 m = 4 ms = 48 s pro 20 kbit/s. Nízký pracovní cyklus operací (signálů) spolu s dlouhými intervaly majáku však vyžaduje přesné načasování, což může být v rozporu s požadavkem na nízkou cenu produktu.
Obecně platí, že protokoly Zigbee zkracují dobu zapnutí rádiových vysílačů a snižují spotřebu energie. V sítích s majákem musí být uzly aktivní pouze tehdy, když maják vysílá. V sítích bez majáků je spotřeba energie rozhodně asymetrická, přičemž některá zařízení jsou vždy aktivní, zatímco jiná tráví většinu času v režimu spánku. Zařízení Zigbee musí být v souladu s bezdrátovou osobní sítí IEEE 802.15.4-2003 (s výjimkou profilu „správa energie“ 2.0). Standard definuje nižší vrstvy protokolu – fyzickou vrstvu (PHY) a část pro řízení přístupu (MAC) vazby na datovou vrstvu (DLL). Tato norma specifikuje provoz v pásmu ISM 2,4 GHz (celosvětová nelicencovaná frekvence), 915 MHz (Amerika) a 868 MHz (Evropa). Na frekvenci 2,4 GHz je k dispozici 16 kanálů Zigbee, každý kanál vyžaduje šířku pásma 5 MHz. Základní frekvenci pro každý kanál lze vypočítat jako FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, kde ch = 11, 12, ..., 26.
Rádia využívají přímou širokopásmovou modulaci s rozprostřeným spektrem, která je řízena bitovou rychlostí v modulátoru. Binární klíčování fázovým posuvem se používá v pásmech 868 a 915 MHz a v pásmu 2,4 GHz se používá klíčování s kvadraturním fázovým posuvem, které přenáší 2 bity na symbol. Ve své nejčistší podobě je při přenosu vzduchem rychlost přenosu dat 250 kbps pro každý kanál v pásmu 2,4 GHz, 40 kbps pro každý kanál v pásmu 915 MHz a 20 kbps pro pásmo 868 MHz. Přenosová vzdálenost je od 10 do 75 metrů a přes 1500 metrů pro Zigbee pro, i když je velmi závislá na individuálním vybavení. Maximální výstupní výkon rádia je v podstatě 0dBm (1mW).
Základní režim přístupu ke kanálu "řízení nosné frekvence, vícenásobný přístup / zamezení kolizí rámců" ( CSMA / CA - pravděpodobnostní síťový protokol na úrovni kanálu (MAC). To znamená, že předtím, než uzly začnou vysílat po cestě lidské výměny informací, krátce zkontrolují, že žádný z nich nevysílá, než zahájí obecnou práci. Existují tři významné výjimky z fungování CSMA. Majáky jsou odesílány ve stanoveném časovém intervalu a CSMA se nepoužívá. Potvrzení zpráv také nepoužívá CSMA. A konečně, zařízení v sítích orientovaných na majáky, které mají nízké požadavky na utajení v reálném čase, mohou také používat zaručené časové sloty, které podle definice nepoužívají CSMA.
Společnost byla založena v roce 2002 jako skupina společností, která standardizuje, udržuje a publikuje standardy ZigBee [5] [6] .
Název Zigbee je registrovaná ochranná známka této skupiny a není jediným technickým standardem. Organizace zveřejňuje profil aplikace a umožňuje mnoha výrobcům originálního vybavení (OEM) vytvářet kompatibilní produkty. Vztah mezi standardem IEEE 802.15.4 a Zigbee [7] je podobný jako mezi standardem IEEE 802.11 a Wi-Fi Alliance .
3. března 2009 se společnost RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) dohodla na spolupráci se Zigbee Alliance na společné distribuci standardizované specifikace pro RF dálkové ovládání. Zigbee RF4CE byl navržen pro široké použití v dálkově ovládaných audio a video produktech, jako jsou televizory a set-top boxy. To slibuje mnoho výhod oproti stávajícím řešením dálkového ovládání, včetně zvýšené komunikace, zvýšené provozní spolehlivosti, zvýšené schopnosti a flexibility, kompatibility a vyhnutí se překážce přímé viditelnosti [8] .
Software je navržen tak, aby zjednodušil proces vytváření malých, levných mikroprocesorů. Návrhy rádií používané v Zigbee jsou pečlivě optimalizovány, aby bylo dosaženo nízké ceny mezi velkým počtem produktů v této řadě. Existuje několik analogových stupňů, kde jsou možná použity digitální obvody.
Zatímco samotné rádiové vysílače jsou levné, proces kvalifikace Zigbee zahrnuje úplnou kontrolu požadavků na fyzickou vrstvu. Takové podrobné jemné doladění fyzické vrstvy má četné výhody, protože všechny rádiové moduly odvozené z této sady polovodičových prvků budou mít stejné RF charakteristiky. Na druhou stranu, pokud fyzická vrstva není certifikována, nesprávný provoz může snížit životnost baterie v jiných zařízeních zahrnutých v síti Zigbee. Tam, kde jiné protokoly mohou skrývat špatnou citlivost nebo jiné skryté problémy, což má za následek zkreslenou sníženou odezvu, mají rádia Zigbee vážná technická omezení týkající se napájení i šířky pásma. Vysílačky jsou tedy testovány certifikovanými laboratořemi podle pokynů odstavce 6 normy 802.15.4-2006. Existují řešení, která kombinují mikrokontrolér a rádiový vysílač v jednom balení, například mikrokontroléry řady STM32W od STMicroelectronics .
Specifikace Zigbee je k dispozici široké veřejnosti pro nekomerční použití [9] . Vstupní úroveň členství v alianci Zigbee, nazvaná Adopter, poskytuje přístup k dosud nezveřejněným specifikacím a opravňuje k vytváření produktů pro komerční využití specifikace. Registrace v průběhu používání specifikace Zigbee vyžaduje, aby se komerční vývojář připojil k alianci Zigbee. "Žádná část této specifikace nesmí být použita k výrobě produktů nebo prodeji bez členství v alianci Zigbee." Dochází ke konfliktům ročních poplatků s GNU General Public License . Podle odstavce 2-b: „Musíte si být jisti, že jakékoli dílo, které šíříte nebo publikujete, pokud celé toto dílo nebo jeho část obsahuje program nebo je z programu nebo jakékoli jeho části odvozeno, veškeré toto dílo musí být licencováno jako celek. bez převodu na třetí strany, podle podmínek této licence. Protože licence GPL nerozlišuje mezi komerčním a nekomerčním použitím, není možné licencovat zásobník Zigbee pod licencí GPL ani kombinovat provádění Zigbee s licencovaným kódem GPL. Požadavek, aby se vývojář připojil k alianci Zigbee, je také v konfliktu s jinými licencemi na svobodný software [10] .
Používání sítí Zigbee v Ruské federaci v kmitočtovém rozsahu 2400–2483,5 MHz nevyžaduje získání kmitočtových povolení a dodatečných schválení [11] (Rozhodnutí Státního výboru pro rádiové frekvence pod Ministerstvem informací a komunikací Ruska ze dne 07.05 . .2007 č. 07-20-03-001), rozhodnutí Státního výboru pro rádiové frekvence jsou neustále aktualizována, rozhodnutí ze dne 07.05.2007 č. 07-20-03-001 již dlouho prošlo několika změnami, ale význam zůstává téměř stejné [12] .
Název značky pochází z chování včel po návratu do úlu.
| Bezdrátové senzorové sítě | |
|---|---|
| Operační systémy | |
| Průmyslové standardy |
|
| Programovací jazyky | |
| Hardware |
|
| Software | |
| Aplikace |
|
| Protokoly | |
| Konference / Časopisy |
|
| automatizace domácnosti | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Řízení | |||||||||
| Senzory | |||||||||
| Účinkující |
| ||||||||
| Aplikace |
| ||||||||
| Protokoly | |||||||||
| Ambient Intelligence | |
|---|---|
| Koncepty |
|
| Technika |
|
| Platformy | |
| aplikace |
|
| První průzkumníci |
|
| viz také |
|