| Zigbee | |
|---|---|
| Szint ( az OSI modell szerint ) | csatornától kezdve (DLC) |
| Létrehozva: | 2003 |
| A protokoll célja | Vezeték nélküli kommunikáció alacsony fogyasztású eszközök között, mesh hálózati topológia kialakításának lehetőségével |
| Leírás | IEEE 802.15.4 |
| Fejlesztő | Zigbee Szövetség |
| Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon | |
A Zigbee a legfelső szintű hálózati protokollok - az APS alkalmazásszint ( alkalmazástámogató alréteg ) és az NWK hálózati szint - alacsonyabb szintű szolgáltatásokat használó specifikációja - a MAC média hozzáférés-vezérlő réteg és a PHY fizikai réteg , amelyet az IEEE 802.15 szabályoz. 4 szabvány . A Zigbee és az IEEE 802.15.4 a vezeték nélküli személyes hálózatokat (WPAN) írja le. A Zigbee specifikáció azokra az alkalmazásokra összpontosít, amelyek garantáltan biztonságos adatátvitelt igényelnek viszonylag kis sebességgel, és lehetővé teszik a hálózati eszközök hosszú távú, autonóm áramforrásról (akkumulátorról) történő működését.
A Zigbee technológia fő jellemzője, hogy alacsony fogyasztás mellett nem csak az egyszerű hálózati topológiákat („ pont-pont ”, „ fa ” és „ csillag ”) támogatja, hanem az önszerveződő és öngyógyító hálót is. (háló) topológia továbbítással és üzenetútválasztással . Ezenkívül a Zigbee specifikáció magában foglalja az alkalmazás követelményeitől és a hálózati feltételektől függő útválasztási algoritmus kiválasztását, az alkalmazás szabványosítási mechanizmusát - alkalmazásprofilokat, szabványos fürtkönyvtárat, végpontokat, kötéseket, rugalmas biztonsági mechanizmust, valamint egyszerű telepítést biztosít. , karbantartás és frissítés.
A Zigbee technológia fő alkalmazási területei a vezeték nélküli szenzorhálózatok , az otthoni automatizálás ("Smart Home" és "Intelligent Building"), az orvosi berendezések, az ipari felügyeleti és vezérlőrendszerek , valamint a fogyasztói elektronikai és személyi számítógépes "perifériák".
Az önszerveződési és öngyógyító képesség, a mesh topológia, a biztonság, a magas zajtűrés, az alacsony energiafogyasztás és a frekvenciafelbontás hiánya teszi a Zigbee hálózatot megfelelő alapjává egy valós idejű helymeghatározó rendszer ( RTLS ) vezeték nélküli infrastruktúrájának.
A Zigbee egy kis, alacsony fogyasztású digitális adó-vevőket használó magas szintű kommunikációs protokollok szabványa, amelyek az IEEE 802.15.4-2006 szabványon alapulnak vezeték nélküli személyi hálózatokhoz, például a mobiltelefonokhoz rövidhullámú rádióhullámokon keresztül csatlakoztatott vezeték nélküli fejhallgatókhoz. A technológiát a Zigbee specifikáció határozza meg, azzal a szándékkal, hogy egyszerűbb és olcsóbb legyen, mint más személyes hálózatok, például a Bluetooth . A Zigbee olyan rádiófrekvenciás alkalmazásokhoz készült, ahol a hosszú akkumulátor-élettartam és a hálózat biztonsága elengedhetetlen.
A Zigbee Alliance az a szervezet, amely érvényesíti és közzéteszi a Zigbee szabványokat [1] , valamint közzéteszi az alkalmazásprofilokat, lehetővé téve az OEM-ek számára, hogy interoperábilis termékeket hozzanak létre. A közzétett vagy gyártás alatt álló alkalmazásprofilok aktuális listája:
Az IEEE 802.15.4 és a Zigbee közötti együttműködés hasonló az IEEE 802.11 és a Wi-Fi Alliance közötti együttműködéshez . A Zigbee 1.0 specifikációt 2004. december 14-én ratifikálták, és a Zigbee szövetség tagjai számára elérhető. 2007. október 30-án közzétették a Zigbee 2007 specifikációt. Az első alkalmazásprofilt, a Zigbee "Home Automation"-t 2007. november 2-án jelentették be. A Zigbee ipari, tudományos és orvosi (ISM sáv) rádiósávokon működik: 868 MHz Európa, 915 MHz az Egyesült Államokban és Ausztráliában, és 2,4 GHz a világ legtöbb országában (a világ legtöbb joghatósága alatt). Általában Zigbee chipek kaphatók, amelyek kombinált rádió és mikrokontrollerek 60 K és 128 K közötti Flash memória mérettel olyan gyártóktól, mint a Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 és Atmel ATmega128RFA1. A rádiómodul külön-külön is használható bármilyen processzorral és mikrokontrollerrel. A rádiógyártók jellemzően Zigbee szoftververmet is kínálnak, bár más független verem is elérhető.
Mivel a Zigbee 15 ezredmásodperc vagy annál rövidebb idő alatt képes felébredni (azaz alvó állapotból felébredni), az eszköz válaszideje nagyon alacsony lehet, különösen a Bluetooth-hoz képest, ahol az elalvástól az ébredéshez szükséges késleltetés általában eléri a három másodpercet. [2] Mivel a Zigbee az idő nagy részében alvó üzemmódban van, az energiafogyasztás nagyon alacsony lehet, ami hosszú akkumulátor-élettartamot eredményez.
A verem első kiadása ma Zigbee 2004 néven ismert. A verem második kiadása a Zigbee 2006, és alapvetően a Zigbee 2004-ben használt MSG/KVP keretrendszert, valamint a "fürtkönyvtárat" helyettesíti. A 2004-es stack mára többé-kevésbé elavult. A Zigbee 2007 megvalósítása jelenleg aktuális, és két veremprofilt tartalmaz, az 1. veremprofilt (amelyet egyszerűen csak Zigbee-nek hívnak) otthoni és kisvállalkozási használatra, valamint a 2. veremprofilt (amelynek neve Zigbee Pro). A Zigbee Pro több funkciót kínál, mint például a műsorszórást, a több-az-egyhez útválasztást és az erős szimmetrikus kulcsbiztonságot (SKKE), míg a Zigbee (Stack Profile #1) kevesebb RAM-ot és Flash-területet foglal el. Mindkét profil lehetővé teszi a teljes mesh hálózat telepítését, és az összes Zigbee alkalmazásprofillal való együttműködést.
A Zigbee 2007 teljes mértékben kompatibilis a Zigbee 2006-os eszközökkel. A Zigbee 2007-es eszközök csatlakozhatnak a Zigbee 2006-os hálózatokhoz, működhetnek vele, és fordítva. Az útválasztási lehetőségek eltérései miatt a Zigbee Pro eszközök csak Zigbee 2006 hálózati végkészülékek (ZED), és fordítva, a Zigbee 2006 és Zigbee 2007 eszközök csak Zigbee Pro hálózatban lehetnek végkészülékek. Ugyanakkor az eszközökön futó alkalmazások ugyanúgy működnek, függetlenül a veremprofil megvalósításától.
A Zigbee protokollokat alacsony adatsebességet és alacsony energiafogyasztást igénylő beágyazott alkalmazásokban való használatra tervezték. A Zigbee technológia célja egy alacsony költségű önszerveződő hálózat létrehozása, melynek mesh topológiája sokféle probléma megoldására szolgál. A hálózat használható ipari vezérléshez, beágyazott érzékelőkhöz, orvosi adatgyűjtéshez, behatolás- vagy füstriasztóhoz, épület- és lakásautomatizáláshoz stb. Az így létrejövő hálózat nagyon kevés áramot fogyaszt - az egyes eszközök a Zigbee tanúsítványa szerint két energiaelemet is lehetővé tesznek. év [3] .
Tipikus alkalmazási területek [4] :
Három különböző típusú Zigbee készülék létezik.
A protokollok az újonnan kifejlesztett AODV (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) és más vezeték nélküli hálózatok) és a NeuRFon algoritmuson alapulnak, amelyek ad-hoc hálózatok (véletlen előfizetők által alkotott decentralizált vezeték nélküli hálózat) vagy csomópontok kialakítására szolgálnak. A legtöbb esetben a hálózat klaszterek fürtje. Ez lehet hálózat vagy magányos klaszter formája is.
Jelenleg a Zigbee protokoll támogatja a hálózatokat jelenléti értesítéssel (beacon) vagy anélkül. Azokban a hálózatokban, ahol a jelzőfények le vannak tiltva (ahol a jeladók sorrendje 15), a Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ( CSMA/CA ) használatos. Az ilyen típusú hálózatokban a Zigbee routerek általában folyamatosan bekapcsolva tartják vevőiket, ami további áramot igényel. Ez azonban lehetővé teszi heterogén hálózatok létrehozását, ahol egyes eszközök folyamatosan kapnak adatokat, míg mások csak szükség esetén továbbítanak adatot. Az ilyen hálózatok tipikus példája a vezeték nélküli fényvezérlés: a lámpához csatlakoztatott Zigbee csomópont folyamatosan tud jelet fogadni, mert (a lámpához hasonlóan) a hálózatra van csatlakoztatva, miközben az akkumulátoros kapcsoló alvó üzemmódban marad, amíg a a kapcsoló állapota nem változott. Amikor az állapot megváltozik, a kapcsoló aktív módba lép, parancsot küld a lámpának, megerősítésre vár, és visszatér alvó üzemmódba. Az ilyen hálózatokban a lámpa csomópontnak legalább egy Zigbee routernek (ZR) kell lennie, ha nem koordinátornak, akkor egy kapcsoló csomópontnak, általában egy Zigbee végeszköznek (ZED).
A beacon hálózatokban a speciális hálózati csomópontok, a Zigbee útválasztók időszakos jeladókat küldenek, hogy megerősítsék jelenlétüket más hálózati csomópontokon. A csomópontok alvó állapotban lehetnek a jelzőfények között, ami csökkenti a munkaciklusukat és növeli az akkumulátor élettartamát. A beacon intervallumok 15,36 ms és 15,36 ms között változhatnak * 2 14 = 251,65824 s 250 kbit/s esetén, 24 ms és 24 ms között * 2 14 = 393,216 s 40 kbit/s és 48,4 = 7 * 2 ms között s 20 kbit/s-hoz. A műveletek (jelek) alacsony terhelhetősége és a hosszú beacon intervallumok azonban pontos időzítést igényelnek, ami összeütközésbe kerülhet az alacsony termékköltség követelményével.
Általában a Zigbee protokollok csökkentik a rádióadók bekapcsolási idejét és csökkentik az energiafogyasztást. A beacon hálózatokban a csomópontoknak csak akkor kell aktívnak lenniük, amíg a beacon küld. A beaconless hálózatokban az energiafogyasztás határozottan aszimmetrikus, egyes eszközök mindig aktívak, míg mások idejük nagy részét alvó üzemmódban töltik. A Zigbee eszközöknek meg kell felelniük az IEEE 802.15.4-2003 vezeték nélküli személyi hálózatnak (kivéve a 2.0-s "energiagazdálkodási" profilt). A szabvány meghatározza a protokoll alsóbb rétegeit - a fizikai réteget (PHY), valamint az adatréteghez (DLL) mutató kapcsolat hozzáférés-vezérlési (MAC) részét. Ez a szabvány a 2,4 GHz-es (világméretű licenc nélküli frekvencia), a 915 MHz-es (Amerika) és a 868 MHz-es (Európa) ISM-sávon határozza meg a működést. 2,4 GHz-en 16 Zigbee csatorna van, mindegyik csatorna 5 MHz-es sávszélességet igényel. Az egyes csatornák alapfrekvenciája a következőképpen számítható ki: FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, ahol ch = 11, 12, ..., 26.
A rádiók közvetlen szórt spektrumú szélessávú modulációt használnak, amelyet a modulátor bitsebessége vezérel. A 868 és 915 MHz-es sávokon bináris fáziseltolásos kulcsolást, a 2,4 GHz-es sávon pedig az eltolásos kvadratúra fáziseltolásos kulcsozást, amely szimbólumonként 2 bitet továbbít. A legtisztább formában az éteren keresztül továbbítva az adatsebesség 250 kbps minden csatornán a 2,4 GHz-es sávban, 40 kbps a 915 MHz-es sávban, és 20 kbps a 868 MHz-es sávban. Az átviteli távolság 10-75 méter, a Zigbee pro esetében pedig több mint 1500 méter, bár ez nagyban függ az egyes berendezésektől. A rádió maximális kimeneti teljesítménye alapvetően 0dBm (1mW).
Alapvető csatorna hozzáférési mód "vivőfrekvencia vezérlés, többszörös hozzáférés / keretütközés elkerülése" ( CSMA / CA - a csatorna (MAC) szintű valószínűségi hálózati protokollja). Vagyis mielőtt a csomópontok megkezdenék az átvitelt az emberi információcsere útján, az általános munka megkezdése előtt röviden ellenőrzik, hogy egyikük sem ad. A CSMA működése alól három figyelemre méltó kivétel van. A jeladókat a megadott időintervallumon belül küldi el, és a CSMA nem kerül felhasználásra. Az üzenetek visszaigazolása sem használja a CSMA-t. Végül, a beacon-orientált hálózatokban lévő eszközök, amelyeknek alacsony a lopakodó képessége a valós idejű követelményeknek, szintén használhatnak garantált időréseket, amelyek definíció szerint nem használnak CSMA-t.
2002-ben alakult a ZigBee szabványokat szabványosító, karbantartó és közzétevő vállalatcsoport [5] [6] .
A Zigbee név a csoport bejegyzett védjegye, és nem az egyetlen műszaki szabvány. A szervezet közzéteszi az alkalmazásprofilt, lehetővé teszi számos eredeti berendezés-gyártó (OEM) számára, hogy kompatibilis termékeket hozzanak létre. Az IEEE 802.15.4 szabvány és a Zigbee [7] közötti kapcsolat hasonló az IEEE 802.11 szabvány és a Wi-Fi Alliance közötti kapcsolathoz .
2009. március 3-án az RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) megállapodott abban, hogy együttműködik a Zigbee Alliance-szal az RF távirányító szabványos specifikációjának közös terjesztésében. A Zigbee RF4CE távirányítós audio- és videotermékekben, például televíziókban és set-top boxokban való széleskörű felhasználásra lett tervezve. Ez számos előnnyel kecsegtet a meglévő távirányítós megoldásokkal szemben, beleértve a megnövekedett kommunikációt, a megnövekedett működési megbízhatóságot, a megnövekedett képességeket és rugalmasságot, a kompatibilitást és a rálátási akadály elkerülését [8] .
A szoftvert úgy tervezték, hogy leegyszerűsítse a kisméretű, olcsó mikroprocesszorok készítésének folyamatát. A Zigbee-ben használt rádiókialakításokat gondosan optimalizálták, hogy alacsony árat érjenek el a sorozat számos terméke között. Számos analóg fokozat létezik, ahol digitális áramkörök használhatók.
Míg maguk a rádióadók olcsók, a Zigbee minősítési folyamata magában foglalja a teljes fizikai réteg követelményeinek ellenőrzését. Az ilyen részletes fizikai réteg finomhangolásnak számos előnye van, mivel az ebből a félvezető elemekből származó összes rádiómodulnak ugyanazok az RF jellemzői lesznek. Másrészt, ha a fizikai réteg nem rendelkezik tanúsítvánnyal, a helytelen működés csökkentheti az akkumulátor élettartamát a Zigbee hálózathoz tartozó más eszközökben. Ahol más protokollok elrejthetik a gyenge érzékenységet vagy más rejtett problémákat, ami torz, csökkent válaszadást eredményez, a Zigbee rádióknak komoly műszaki korlátai vannak mind a tápellátás, mind a sávszélesség tekintetében. Így a rádiókat minősített laboratóriumok tesztelik a 802.15.4-2006 szabvány 6. bekezdésének irányelvei szerint. Vannak olyan megoldások, amelyek egy mikrokontrollert és rádióadót kombinálnak egy csomagban, például az STMicroelectronics STM32W sorozatú mikrovezérlői .
A Zigbee specifikáció nem kereskedelmi használatra elérhető a nagyközönség számára [9] . A Zigbee szövetség tagsági belépési szintje, az Adopter, hozzáférést biztosít a még közzé nem tett specifikációkhoz, és engedélyezi a specifikáció kereskedelmi felhasználására szolgáló termékek létrehozását. A Zigbee specifikáció használata során történő regisztrációhoz a kereskedelmi fejlesztőnek csatlakoznia kell a Zigbee szövetséghez. "E specifikáció egyetlen része sem használható fel termékek gyártására vagy értékesítésére a Zigbee szövetség tagsága nélkül." Az éves díjak ütköznek a GNU General Public License-szel . A (2-b) bekezdés szerint: „Biztosnak kell lennie abban, hogy minden olyan művet, amelyet terjeszt vagy közzétesz, ha a munka egésze vagy egy része tartalmazza a programot, vagy a programból vagy annak bármely részéből származik, akkor az összes művet teljes egészében licencelni kell. harmadik félnek történő átruházás nélkül, a jelen licenc feltételei szerint. Mivel a GPL licenc nem tesz különbséget a kereskedelmi és nem kereskedelmi felhasználás között, nem lehetséges a Zigbee verem licencelése a GPL alatt, illetve a Zigbee végrehajtása nem kombinálható a GPL licenckóddal. A fejlesztőnek a Zigbee szövetséghez való csatlakozásának követelménye más szabad szoftverlicencekkel is ütközik [10] .
A Zigbee hálózatoknak az Orosz Föderációban a 2400–2483,5 MHz frekvenciatartományban történő használatához nincs szükség frekvenciaengedélyek és további jóváhagyások megszerzésére [11] (Az Oroszországi Információs és Kommunikációs Minisztérium alá tartozó Rádiófrekvenciák Állami Bizottságának 07.05-i határozata .2007 No. 07-20-03-001), az Állami Rádiófrekvenciás Bizottság határozatait folyamatosan frissítjük , a 2007.05.07.-i 07-20-03-001 számú határozatot már régóta több változáson ment keresztül, de a jelentése megmarad közel azonos [12] .
A márka neve a mézelő méhek viselkedéséből ered, miután visszatértek a kaptárba.
| Vezeték nélküli szenzorhálózatok | |
|---|---|
| Operációs rendszer | |
| Ipari szabványok |
|
| Programozási nyelvek | |
| Hardver |
|
| Szoftver | |
| Alkalmazások |
|
| Protokollok | |
| Konferenciák / Magazinok |
|
| otthoni automatizálás | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ellenőrzés | |||||||||
| Érzékelők | |||||||||
| Előadók |
| ||||||||
| Alkalmazások |
| ||||||||
| Protokollok | |||||||||
| Környezeti intelligencia | |
|---|---|
| Fogalmak |
|
| Technológia |
|
| Platformok | |
| Alkalmazás |
|
| Első felfedezők |
|
| Lásd még |
|