+7 (3812) 66 01 25

Карта сайта

Интеллектуальные решения для промышленной автоматизации


Описание стандарта беспроводных сетей Zigbee™

Введение

Highslide JS

В последнее время все большее распространение и значение приобретают беспроводные самоорганизующиеся сети, в особенности их частный случай - беспроводные сенсорные сети. Сети, которые по своему назначению, параметрам, спецификациям существенно отличаются от сетей связи – WiFi, GSM, LTE и т.п. Среди прочих, используемых в сенсорных сетях, выделяется спецификация Zigbee™ – наиболее продвинутая надстройка к стандарту IEEE 802.15.4

 

Описание стандарта

Область применения

Во многих приложениях требуются беспроводные сети связи, не обладающие высокой скоростью передачи, но надежные, живучие (способные к самовосстановлению), простые в развертывании и эксплуатации. Важно также, чтобы оборудование таких сетей допускало длительную работу от автономных источников питания, имело низкую стоимость, и было компактным. Пример такого приложения очень широк: это и автоматизация зданий, производственных помещений, промышленные АСУТП, «умный дом» и т.п.
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.

Отличительные черты Zigbee™

Сети Zigbee™, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных, полностью удовлетворяют перечисленные выше 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 низкую стоимость.
  • 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.

Немного истории

Альянс Zigbee™ был учрежден в 2002 году. Сейчас в него входят более 300 компаний. Цель альянса – разработка эффективных протоколов беспроводной сети и обеспечение совместимости устройств разных производителей. Первые стандарты «родились» в 2003 году и активно совершенствовались и расширялись.
Была внедрена стохастическая адресация, механизмы маршрутизации Many-to-One и Source Routing, а также возможность выявления асимметричных связей, что повысило эффективность сетей Zigbee™ для ряда специфических приложений. Разработаны стандартные профили приложений и библиотека стандартных кластеров. Это существенно упростило разработку приложений, облегчило и ускорило внедрение новых решений с использованием аппаратуры разных производителей. Введен ряд новых механизмов, повышающих защищенность и надежность сети. Предусмотрен автоматический переход на «чистый» частотный канал при возникновении помех. Действующая спецификация Zigbee™® Pro Feature Set 2006 принята в октябре 2007 г.

Топология

В основе сети Zigbee™ лежит ячеистая топология (mesh-топология). В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена. Также возможна реализация более простых топологий, таких как "Дерево" или "Звезда".

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.

Highslide JS

Устройства Zigbee™

Сети Zigbee™ строятся из базовых станций трех основных типов: координаторов, маршрутизаторов и конечных устройств.
Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью и доверительного центра (trust-центра) – устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.
Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.
Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств.
Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. Именно конечные устройства имеют дело с датчиками, локальными контроллерами и исполнительными механизмами.

Особенности

Технология Zigbee™ разработана для приложений, одним из ключевых требований которых является низкое энергопотребление. Периоды активности устройств, выполненных по технологии Zigbee™, могут быть крайне малы, что обеспечивает продолжительный срок службы батарей. Кроме того, микросхемы WiFi и Bluetooth слишком дороги для организации на их основе крупных сетей разнообразных устройств в масштабах предприятий и офисных зданий, а стандарт 802.15.4/Zigbee™ позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами, что обеспечивается простотой схемотехники, минимальным количеством внешних пассивных элементов, программным обеспечением стека, использующим отведенный ему объем памяти с высокой эффективностью. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, таким образом обслуживая очень большое число узлов и увеличивая дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Технология Zigbee™ не предназначена для передачи больших объемов информации, как WiFi и Bluetooth. Однако для передачи, например, показаний датчиков, объем которых редко превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей — в этом случае приоритетны показатели по энергопотреблению, цене и надежности. Большинство устройств Zigbee™ будет работать по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления. Типовые временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Так удается продлить срок службы батарей до 10 лет и более в зависимости от типа приложения и длительности рабочего цикла, причем ток при передаче может составлять порядка 15...30 мА, а в «спящем» режиме — менее 2 мкА. В результате, задержки по отклику настолько малы, что человек, войдя в комнату и щелкнув переключателем беспроводной связи Zigbee™, даже не заметит, что свет появился почти мгновенно, в то время как задержки при подключении устройств к сети Bluetooth составляют порядка 3 с.

Заключение

Zigbee™/802.15.4 является единственной стандартизированной беспроводной технологией, изначально нацеленной на самые широкие приложения мониторинга и контроля, распределенные сети датчиков, на развертывание беспроводных информационных сетей для недорогих малопотребляющих систем, используемых в промышленной, коммерческой, и бытовой автоматике. Одним из основных преимуществ стандарта Zigbee™/802.15.4 является простота установки и обслуживания подобных устройств. Особенности спецификации Zigbee™ позволяют с легкостью развертывать беспроводные промышленные сети: вы устанавливаете компактное устройство с автономным или вненим элементом питания, и включаете его. Далее все происходит автоматически и буквально через нескролько секунд новое устройство добавлено в сеть, а данные с него уже транслируются на ближайший сервер сбора данных или диспетчерский пункт.

Наши решения, основанные на технологии Zigbee™

Zigbee - модемы и терминалы, производства ООО "Кросс-Автоматика"



Связь со специалистом

Вы можете задать вопрос. Для этого заполните все поля и отправьте сообщение. Ответ будет отправлен на указанный электронный адрес в ближайшее время.

  

Заказать звонок

Мы перезвоним вам в ближайшее время. Пн-Пт с 9:00 до 18:00 по Мск.