Jste zde

ZigBee - novinka na poli bezdrátové komunikace

Redakce HW serveru, 8. Červen 2005 - 0:00

ZigBee je jednoduchý bezdrátový komunikační standard, který umožňuje vzájemnou komunikaci mnoha zařízení na vzdálenost stovek metrů. Díky nízkým nárokům na hardware a nízké spotřebě najde uplatnění v oblasti řízení budov , spotřební elektroniky a průmyslu, například v podobě bateriově napájených bezdrátových
senzorů.

Bezdrátový komunikační standard Zigbee, spravované organizací ZigBee Alliance a označovaný též jako IEEE 802.15.4, poskytuje cenově nenákladnou, nízkopříkonovou, bezdrátovou komunikaci pro monitorování a řízení systémů. V současné době patří mezi nové, specifikace byla vydána v roce 2004, perspektivní komunikační technologie, která se snaží vyplnit mezeru mezi rozšířenými technologiemi WIFI a Bluetooth. Zde je totiž mezera v podobě velké skupiny aplikací, pro které nejsou Bluetooth ani WIFI, příp. Irda, ideálním řešením, i když se dají použít.

Stručně napsáno: Jde o jednoduchou bezdrátovou síť s přenosem dat ve frekvenčním pásmu 2.4 GHz na vzdálenost stovek metrů, s minimální spotřebou vysílače a přijímače a rychlostí přenosu srovnatelnou s RS-232 po bezdrátové síti obsahující až tisíce účastníků.

Vlastnosti a použití

Standard Zigbee lze použít pro jednoduchou bezdrátovou komunikaci s nízkými požadavky na samotný hardware a napájení. Proto jeho hlavní doménou jsou aplikace s bateriovým napájením, kde při výrazně nižší spotřebě energie poskytuje výrazně delší dosah komunikace v porovnání s technologií Bluetooth (viz. tabulka 1.). To je vykoupeno nižší přenosovou rychlostí, která však v mnoha aplikacích plně postačuje. Například dálkové bezdrátové zapínání/vypínání přístrojů v domácnosti (osvětlení, stahování rolet, odmykání a otvírání dveří) nebo programování a ovládání spotřebičů (televize, DVD rekordér, HIFI systém,klimatizace). Nižší přenosová rychlost poskytuje vyšší odolnost proti rušení, což ZigBee předurčuje pro využití v průmyslu. Zde může zastávat funkci bezdrátové náhrady sériového přenosu RS-232 nebo RS-485. Zde je nevýhodné používat zbytečně složité a drahé WIFI, když přenosová rychlost je jen desítky kb/s. Proti dalším bezdrátovým řešením (např. RF) naopak vyniká topologií sítě, kterou může vytvořit díky propracovanému způsobu adresování. Navíc při bezdrátové komunikaci senzoru s řídícím procesem je opět výhodná nízká spotřeba na straně senzoru, takže může být napájen bateriově a tedy plně oddělen od rušení ve zbytku systému.

 

Další příklady aplikací:

  • Řízení budov - řízení vstupu, osvětlení, klimatizace, rolet apod.
  • Automatizace & MaR - bezdrátová komunikace senzorů, řízení motorů a regulátorů
  • Zdravotní péče - monitorování pacienta
  • Sport - monitorování tělesných funkcí za pohybu (teplota, tep, tlak apod.)
  • Spotřební elektronika - automatické dálkové ovládání domácích spotřebičů
  • Bezdrátová komunikace počítačových periferií - klávesnice, myš apod.
  • Zabezpečovací systémy - chipové přístupové karty, bezdrátové klávesnice, senzory apod.

Tab. 1. Porovnání základních parametrů používaných standardů pro bezdrátovou komunikaci

Struktura komunikačního standardu

Stejně jako každý jiný komunikační standard i ZigBee lze popsat OSI modelem. Ten lze rozdělit do třech základních bloků podle toho kým jsou definovány (viz. obrázek 1.) :

  • IEEE 802.15.4 - definuje fyzickou a linkovou vrstvu OSI modelu
  • ZigBee Alliance - definuje vyšší vrstvy OSI modelu (síťová a transportní )
  • Zákazník - definuje zákaznickou aplikace v aplikační vrstvě OSI modelu

Obr. 1. OSI model komunikačního protokolu ZigBee

IEEE 802.15.4

Standard IEEE 802.15.4 definuje fyzickou a linkovou vrstvu (MAC vrstvu) standardu ZigBee. Fyzická vrstva určuje způsob konkrétní fyzické bezdrátové komunikace, jíž bylo přiděleno několik radiových pásem :

  • pásmo ISM 2.4 GHz, 16 kanálů, přenosová rychlost 250kb/s, definováno celosvětově
  • pásmo 915 MHz, 10 kanálů, přenosová rychlost 40kb/s, definováno pro americký kontinent
  • pásmo 868 MHz, 1 kanál, přenosová rychlost 20kb/s, definováno pro Evropu

Pro přenos se datový signál moduluje metodou O-QPSK a vzduchem přenášejí prostřednictvím DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), tedy něco podobného jako v případě technologie WIFI. Pro přístup na kanál se využívá metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and optional time slotting). Stejnou metodu využívá i drátová průmyslová sběrnice LonWorks.

MAC vrstva (linková vrstva) definuje již samotnou komunikaci mezi jednotlivými zařízeními (uzly sítě) prostřednictvím rámců. Konkrétně jsou definovány čtyři typy komunikačních rámců využívané buď pro přenos užitečných datových informací, nebo k režijním účelům souvisejícím se sestavením, správou a řízením sítě:

  • Data Frame – rámec pro přenos užitečné informace pro všechny datové přenosy
  • Acknowledgement Frame – rámec pro přenos potvrzovací informace a je využitelný pouze na úrovni MAC pro potvrzovanou komunikaci
  • MAC Command Frame – rámec k centralizovanému konfigurování, nastavení a řízení klientských zařízení v síti
  • Beacon Frame – rámec k synchronizaci zařízení v síti a je využíván hlavně při konfiguraci sítě v módu v němž umožňuje uvádění klientských zařízení do spánkových režimů s extrémně sníženou spotřebou.

Na základě časové synchronizace mezi centrální stanicí a koncovou stanicí dochází u uspané koncové stanice k probouzení ve vymezeném časovém intervalu, a poté jsou přeneseny veškeré potřebné informace. Interval synchronizačních sekvencí může být nastaven v rozmezí 15 ms až přibližně 15 minut.

Na obrázku 2. je blokově zobrazen datový rámec (Data frame) paketu PPDU. Ten je plně definovaný standardem IEEE 802.15.4 a složený z části dodané MAC vrstvou (MPDU) a fyzickou vrstvou (SHR a PHR). MPDU obsahuje mimo přenášených dat (až 104 B) i informaci o adrese přijímací stanice, pořadové číslo datového paketu, řízení rámce a kontrolní mechanismus rámce (FCS - Frame Check Sequence ). Část doplňovaná fyzickou vrstvou obsahuje potřebné informace pro správný fyzický přenos paketu (informace o délce rámce, úvodní preambuly pro časové synchronizaci přijímače a informaci o začátku rámce).

Obr. 2. Datový rámec standardu ZigBee

 

MAC příkazový rámec (Command frame) se liší pouze náhradou části pro data v datovém rámci částí přenášející příkazy. Podobně definovaný potvrzovací rámec (Acknowledge frame) naopak tuto část úplně vypouští. Posledně jmenovaný rámec je velmi důležitý z hlediska vyslání paketů, protože informuje vysílající jednotku, že přijímač ji bez chyb přijal. Navíc díky pevné délce definuje tzv. quiet time „mrtvý čas“ vytvořený ihned po přenosu paketu.

Obr. 3. Příklady topologií realizovatelné standardem ZigBee

 

Standard IEEE 802.15.4 využívá pro adresaci jednotlivých zařízení binární adresovací kódy, které mohou být buď dlouhé (64 bitů), či zkrácené (16 bitů). Lokální adresa zkráceného adresovacího kódu umožňuje v jedné síti adresovat maximálně 65 535 zařízení. Každá sestavená síť je dále identifikována 16bitovým identifikátorem PAN ID (Personal Area Network ID), který slouží pro rozlišení překrývajících se sítí. Z hlediska topologie jsou definovány tři typy sítí (viz. obrázek. 3.). Základní je topologie typu hvězda (star topology), kde řízením je pověřen PAN koordinátor (jedno zařízení) a ostatní pracují jako koncová zařízení. Úpravou lze získat typ strom (tree topology). Třetí typ (Mesh topology) je kombinace obou předchozích.

Vyšší vrstvy - ZigBee Alliance

Nad vrstvami standardu IEEE 802.15.4 je definována síťová vrstva (NWK) a struktura pro aplikační vrstvu (APL). Síťová vrstva provádí připojování k síti a odpojování od ní, zabezpečení a směrování paketů. Jako základní zabezpečení mechanismus se používá 64bitový nebo 128bitový kryptografický algoritmus AES (Advanced Encryption Standard). Dále zajišťuje nalezení zařízení v rámci jednoho přeskoku. V případě koordinátora sítě je odpovědná za start sítě a přiřazování adres nově začleněným zařízením.

Aplikační vrstva protokolu ZigBee se skládá z pomocné aplikační podvrstvy (APS), objektů ZigBee (ZDO) a uživatelských aplikačních objektů. Aplikační pomocná podvrstva umožňuje párování zařízení podle poskytovaných služeb a požadavků. Objekt ZigBee definuje roli zařízení v rámci sítě (koordinátor, směrovač nebo koncové zařízení) a spravuje poskytované služby.

Praktická ukázka použití

Na následujícím obrázku 4. je příklad praktického použití komunikace ZigBee v průmyslu na příkladě bezdrátové komunikace a přenosu naměřených dat senzoru s řídícím systémem, například PLC. Díky nízké spotřebě ZigBee transceiveru je možné celou jednotku, složenou ze senzoru, mikrokontroléru a ZigBee vysílače, napájet z baterií, což zvyšuje flexibilitu umístění senzoru a zvýšenou odolnost proti rušení. Takto konstruovaná jednotka může na jedno nabití akumulátoru pracovat i roky. To lze v běžném životě přirovnat k výdrži baterií v infra dálkovém ovladači Vašeho televizoru, přičemž ZigBee umožňuje komunikovat na daleko větší vzdálenosti a bez přímé viditelnosti přijímače.

Obr. 4. Příklad typického zapojení smart senzoru se ZigBee transceiverem

Vývojové moduly pro ZigBee

Mezi průkopníky ZigBee v České republice lze zařadit například Radiocrafts, který u nás distribuuje MacroWeil. Jejich modul RC2200 je kompaktní SMD zařízení s vestavěným protokolem ZigBee pro bezdrátové sítě s hvězdicovou, stromovou či oko strukturou, který poskytuje vše potřebné pro rychlé uvedení technologie do reálné praxe - ZigBee Stack, MCu, integrovanou anténu či MMCX konektor atd. Vyniká zejména miniaturními rozměry 16,5 x 29,2 x 3,5 mm, nízkým napájecím napětím od 2,7V do 3,6V a rovněž nízkou spotřebou. Základní provedení je zalozeno ma mikroprocesoru ATmega128, z čehož vyplývá 128 kB Flash, 4 kB SRAM, SPI a JTAG rozhraní, 8 kanálový 10bitový AD převodník a pochopitelně i dvojitý USART.

Závěr

Mezinárodní bezdrátový standard je novým standardem, zaměřeným především na aplikace z oblasti automatizace, řízení budov i kancelářské použití. Standard ZigBee nemá působit jako přímá konkurence již zavedených komunikačních standardů typu Bluetooth, ale naopak jako jejich doplněk, který má rozšířit oblasti nasazení. ZigBee je vyvíjen mezinárodním konsorciem firem ZigBee Alliance a mezi hlavní účastníky jeho vývoje je možné jmenovat například nadnárodní firmy a korporace Freescale Semiconductor, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips, Samsung a další. To je již teď zárukou široké podpory ze strany výrobců. Velkou perspektivu Zigbee bylo možné zaznamenat i na letošním veletrhu CEBIT v Hannoveru.

V příštím článku se blíže podíváme na moduly RC2200.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: