| Zigbee | |
|---|---|
| Taso ( OSI-mallin mukaan ) | alkaen kanavasta (DLC) |
| Luotu vuonna | 2003 |
| Protokollan tarkoitus | Langaton viestintä vähän kuluttavien laitteiden välillä, mahdollisuus rakentaa mesh-verkkotopologia |
| Erittely | IEEE 802.15.4 |
| Kehittäjä | Zigbee Alliance |
| Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa | |
Zigbee on IEEE 802.15 -standardin säätelemä huipputason verkkoprotokollien - APS-sovellustason ( sovellustukialikerros ) ja NWK-verkkotason - alemman tason palveluita käyttävien MAC -median pääsynhallintakerroksen ja PHY - fyysisen kerroksen määrittely . 4 standardia . Zigbee ja IEEE 802.15.4 kuvaavat langattomia henkilökohtaisia verkkoja (WPAN). Zigbee-spesifikaatio on keskittynyt sovelluksiin, jotka vaativat taatun turvallisen tiedonsiirron suhteellisen alhaisilla nopeuksilla ja mahdollisuuden verkkolaitteiden pitkäaikaiseen toimintaan autonomisista virtalähteistä (akuista).
Zigbee-tekniikan tärkein ominaisuus on, että se tukee alhaisella virrankulutuksella yksinkertaisten verkkotopologioiden (" pisteestä pisteeseen ", " puu " ja " tähti ") lisäksi myös itseorganisoituvaa ja itsekorjautuvaa verkkoa . (verkko)topologia , jossa on välitys ja viestin reititys . Lisäksi Zigbee-spesifikaatio sisältää mahdollisuuden valita reititysalgoritmi sovellusvaatimuksista ja verkko-olosuhteista riippuen, sovellusten standardisointimekanismin - sovellusprofiilit, vakioklusterikirjaston, päätepisteet, sidokset, joustavan suojausmekanismin ja helpottaa käyttöönottoa. , huolto ja päivitykset.
Zigbee-teknologian pääsovellusalueita ovat langattomat anturiverkot , kodin automaatio ("Smart Home" ja "Intelligent Building"), lääketieteelliset laitteet, teollisuuden valvonta- ja ohjausjärjestelmät sekä kulutuselektroniikka ja henkilökohtaisten tietokoneiden "oheislaitteet".
Itseorganisoitumis- ja itseparantumiskyky, verkkotopologia, turvallisuus, korkea kohinansieto, alhainen virrankulutus ja taajuusresoluution tarve tekevät Zigbee-verkosta sopivan perustan reaaliaikaisen paikannusjärjestelmän ( RTLS ) langattomalle infrastruktuurille.
Zigbee on standardi korkean tason viestintäprotokollien sarjalle, joka käyttää pieniä, pienitehoisia digitaalisia lähetin-vastaanottimia, jotka perustuvat IEEE 802.15.4-2006 -standardiin langattomille henkilökohtaisille verkkoille, kuten langattomille kuulokkeille, jotka on liitetty matkapuhelimiin lyhytaaltoisten radioaaltojen kautta. Tekniikka määritellään Zigbee-spesifikaatiossa, jonka tarkoituksena on olla yksinkertaisempi ja halvempi kuin muut henkilökohtaiset verkot, kuten Bluetooth . Zigbee on suunniteltu RF-sovelluksiin, joissa pitkä akunkesto ja verkon turvallisuus ovat tärkeitä.
Zigbee Alliance on elin, joka valvoo ja julkaisee Zigbee-standardeja [1] ja julkaisee myös sovellusprofiileja, jolloin OEM-valmistajat voivat luoda yhteentoimivia tuotteita. Tämänhetkinen luettelo julkaistuista tai tuotannossa olevista sovellusprofiileista:
Yhteistyö IEEE 802.15.4 :n ja Zigbeen välillä on samanlaista kuin IEEE 802.11 :n ja Wi-Fi Alliancen välillä . Zigbee 1.0 -spesifikaatio ratifioitiin 14. joulukuuta 2004, ja se on Zigbee-allianssin jäsenten saatavilla. Zigbee 2007 -spesifikaatio julkaistiin 30. lokakuuta 2007. Ensimmäinen sovellusprofiili, Zigbee "Home Automation", julkistettiin 2. marraskuuta 2007. Zigbee toimii teollisilla, tieteellisillä ja lääketieteellisillä (ISM-kaista) radiotaajuuksilla: 868 MHz in Euroopassa, 915 MHz Yhdysvalloissa ja Australiassa ja 2,4 GHz useimmissa maailman maissa (useimmilla lainkäyttöalueilla maailmassa). Pääsääntöisesti myynnissä on Zigbee-siruja, jotka ovat yhdistettyjä radio- ja mikro-ohjaimia Flash-muistikoolla 60 K - 128 K sellaisilta valmistajilta kuin Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 ja Atmel ATmega128RFA1. Radiomoduulia voidaan käyttää myös erikseen minkä tahansa prosessorin ja mikro-ohjaimen kanssa. Tyypillisesti radiovalmistajat tarjoavat myös Zigbee-ohjelmistopinon, vaikka muita itsenäisiä pinoja on saatavana.
Koska Zigbee voi herätä (eli siirtyä lepotilasta heräämiseen) 15 millisekunnissa tai lyhyemmässä ajassa, laitteen vasteviive voi olla hyvin alhainen, varsinkin verrattuna Bluetoothiin, jossa unesta heräämiseen -viive on tyypillisesti kolme sekuntia. [2] Koska Zigbee on suurimman osan ajasta lepotilassa, virrankulutus voi olla hyvin alhainen, mikä johtaa pitkän akun käyttöiän.
Pinon ensimmäinen julkaisu tunnetaan nyt nimellä Zigbee 2004. Pinon toinen julkaisu on nimeltään Zigbee 2006, ja se korvaa periaatteessa Zigbee 2004:ssä käytetyn MSG/KVP-kehyksen yhdessä "klusterikirjaston" kanssa. Vuoden 2004 pino on nyt enemmän tai vähemmän vanhentunut. Zigbee 2007 -toteutus on tällä hetkellä nykyinen ja sisältää kaksi pinoprofiilia, Stack Profile #1 (jota kutsutaan yksinkertaisesti Zigbeeksi) koti- ja pienyrityskäyttöön ja Stack Profile #2 (jota kutsutaan Zigbee Proksi). Zigbee Pro tarjoaa enemmän ominaisuuksia, kuten lähetyksen, useat yhteen -reitityksen ja vahvan symmetrisen avaimen suojauksen (SKKE), kun taas Zigbee (Stack Profile #1) vie vähemmän RAM-muistia ja Flash-tilaa. Molempien profiilien avulla voit ottaa käyttöön täyden mesh-verkon ja työskennellä kaikkien Zigbee-sovellusprofiilien kanssa.
Zigbee 2007 on täysin yhteensopiva Zigbee 2006 -laitteiden kanssa. Zigbee 2007 -laite voi muodostaa yhteyden Zigbee 2006 -verkkoon ja toimia sen kanssa ja päinvastoin. Reititysvaihtoehtojen eroista johtuen Zigbee Pro -laitteet voivat olla vain Zigbee 2006 -verkkopäätelaitteita (ZED) ja päinvastoin, Zigbee 2006 ja Zigbee 2007 -laitteet voivat olla vain Zigbee Pro -verkon päätelaitteita. Samaan aikaan laitteissa toimivat sovellukset toimivat samalla tavalla pinoprofiilin toteutuksesta riippumatta.
Zigbee-protokollat on suunniteltu käytettäviksi sulautetuissa sovelluksissa, jotka vaativat alhaista tiedonsiirtonopeutta ja pientä virrankulutusta. Zigbee-teknologian tarkoituksena on luoda edullinen itseorganisoituva verkko, jonka mesh-topologia on suunniteltu ratkaisemaan monenlaisia ongelmia. Verkkoa voidaan käyttää teollisessa ohjauksessa, sulautetuissa antureissa, lääketieteellisen tiedon keräämisessä, tunkeutumis- tai palovaroittimessa, rakennus- ja kotiautomaatiossa jne. Tuloksena oleva verkko kuluttaa hyvin vähän virtaa - yksittäiset laitteet mahdollistavat Zigbee-sertifioinnin mukaan energiaakkujen toimivuuden kahdella vuotta [3] .
Tyypilliset sovellusalueet [4] :
Zigbee-laitteita on kolmea eri tyyppiä.
Protokollat perustuvat äskettäin kehitettyyn AODV -algoritmiin (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) ja muihin langattomiin verkkoihin) ja NeuRFoniin, jotka on suunniteltu muodostamaan ad-hoc-verkkoja (satunnaisten tilaajien muodostama hajautettu langaton verkko) tai solmuja. Useimmissa tapauksissa verkko on klusteriklusteri. Se voi olla myös verkon tai yksinäisen klusterin muodossa.
Tällä hetkellä Zigbee-protokolla tukee verkkoja läsnäoloilmoituksella (majakoilla) tai ilman niitä. Verkoissa, joissa majakoiden järjestys on 15, käytetään Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ( CSMA/CA ) -käyttöä. Tämän tyyppisissä verkoissa Zigbee-reitittimet pitävät vastaanottimensa yleensä päällä koko ajan, mikä vaatii lisätehoa. Tämä mahdollistaa kuitenkin heterogeenisten verkkojen luomisen, joissa jotkut laitteet vastaanottavat jatkuvasti dataa, kun taas toiset lähettävät dataa vain tarvittaessa. Tyypillinen esimerkki tällaisesta verkosta on langaton valonohjaus: lamppuun kytketty Zigbee-solmu voi vastaanottaa signaalia koko ajan, koska se (kuten lamppu) on kytkettynä verkkovirtaan, kun akkukäyttöinen kytkin pysyy lepotilassa, kunnes kytkin ei vaihtanut tilaa. Kun tila muuttuu, kytkin siirtyy aktiiviseen tilaan, lähettää komennon lampulle, odottaa vahvistusta ja palaa nukkumaan. Tällaisissa verkoissa lampun solmun on oltava vähintään Zigbee-reititin (ZR), jos ei koordinaattori, kytkinsolmu, yleensä Zigbee-päätelaite (ZED).
Majakkaverkoissa erityiset verkkosolmut, Zigbee-reitittimet, lähettävät määräajoin majakoita vahvistaakseen läsnäolonsa muissa verkkosolmuissa. Solmut voivat olla lepotilassa majakkaiden välissä, mikä vähentää niiden käyttöjaksoa ja pidentää akun käyttöikää. Majakkavälit voivat vaihdella välillä 15,36 ms - 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s nopeudella 250 kbit/s, 24 ms - 24 ms * 2 14 = 393,216 s nopeudella 40 kbit/s s nopeudella 20 kbit/s. Toimintojen (signaalien) alhainen käyttöjakso yhdessä pitkien majakkavälien kanssa edellyttää kuitenkin tarkkaa ajoitusta, mikä voi olla ristiriidassa alhaisten tuotekustannusten vaatimuksen kanssa.
Yleisesti ottaen Zigbee-protokollat vähentävät radiolähettimien käynnistysaikaa ja vähentävät virrankulutusta. Majakkaverkoissa solmujen täytyy olla aktiivisia vain majakan lähetyksen aikana. Majakattomissa verkoissa virrankulutus on selvästi epäsymmetristä, ja jotkut laitteet ovat aina aktiivisia, kun taas toiset viettävät suurimman osan ajastaan lepotilassa. Zigbee-laitteiden on oltava IEEE 802.15.4-2003 langattoman henkilökohtaisen verkon yhteensopivia (pois lukien "energianhallinta"-profiili 2.0). Standardi määrittelee protokollan alemmat kerrokset - fyysisen kerroksen (PHY) ja pääsynvalvontaosan (MAC) linkistä tietokerrokseen (DLL). Tämä standardi määrittelee toiminnan 2,4 GHz:n (maailmanlaajuinen lisensoimaton taajuus), 915 MHz (Amerikassa) ja 868 MHz (Eurooppa) ISM-kaistalla. 2,4 GHz:llä on 16 Zigbee-kanavaa, joista jokainen vaatii 5 MHz:n kaistanleveyden. Kunkin kanavan perustaajuus voidaan laskea seuraavasti: FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, missä ch = 11, 12, ..., 26.
Radioissa käytetään suoraa hajaspektrilaajakaistamodulaatiota, jota ohjataan modulaattorin bittinopeudella. Binäärivaihesiirtoavainnointia käytetään 868 ja 915 MHz kaistoilla ja offset-kvadratuurivaiheen avainnointia, joka lähettää 2 bittiä symbolia kohden, käytetään 2,4 GHz:n kaistalla. Puhtaimmillaan, ilmateitse lähetettynä, tiedonsiirtonopeus on 250 kbps kullekin kanavalle 2,4 GHz:n kaistalla, 40 kbps kullekin kanavalle 915 MHz:n kaistalla ja 20 kbps 868 MHz:n kaistalla. Lähetysetäisyys on 10-75 metriä ja Zigbee prolla yli 1500 metriä, vaikka se riippuu suuresti yksittäisistä laitteista. Radion suurin lähtöteho on periaatteessa 0dBm (1mW).
Kanavan peruskäyttötila "kantoaallon taajuuden ohjaus, monikäyttö / kehystörmäysten välttäminen" ( CSMA / CA - kanavan (MAC) tason todennäköisyyspohjainen verkkoprotokolla). Eli ennen kuin solmut aloittavat lähetyksen ihmisen tiedonvaihtopolulla, ne tarkistavat lyhyesti, ettei mikään niistä lähetä ennen yleisen työn aloittamista. CSMA:n toiminnassa on kolme merkittävää poikkeusta. Majakat lähetetään määritetyn aikavälin sisällä, eikä CSMA:ta käytetä. Viestien kuittaukset eivät myöskään käytä CSMA:ta. Lopuksi laitteet majakkasuuntautuneissa verkoissa, joilla on alhainen varkain reaaliaikaisissa vaatimuksissa, voivat myös käyttää taattuja aikavälejä, jotka määritelmän mukaan eivät käytä CSMA:ta.
Vuonna 2002 perustettu yritysryhmä, joka standardoi, ylläpitää ja julkaisee ZigBee-standardeja [5] [6] .
Zigbee-nimi on tämän ryhmän rekisteröity tavaramerkki, eikä se ole ainoa tekninen standardi. Organisaatio julkaisee sovellusprofiilin, sallii useiden alkuperäisten laitevalmistajien (OEM) luoda yhteensopivia tuotteita. IEEE 802.15.4 -standardin ja Zigbeen [7] välinen suhde on samanlainen kuin IEEE 802.11 -standardin ja Wi-Fi Alliancen välillä .
3. maaliskuuta 2009 RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) suostui työskentelemään Zigbee Alliancen kanssa RF-kaukosäätimen standardoidun spesifikaation jakamiseksi yhdessä. Zigbee RF4CE on suunniteltu laajaan käyttöön kauko-ohjattavissa audio- ja videotuotteissa, kuten televisioissa ja digisovittimissa. Tämä lupaa monia etuja olemassa oleviin kauko-ohjausratkaisuihin verrattuna, mukaan lukien lisääntynyt tietoliikenne, lisääntynyt toimintavarmuus, lisääntynyt kapasiteetti ja joustavuus, yhteensopivuus ja näkökentän esteen välttäminen [8] .
Ohjelmisto on suunniteltu yksinkertaistamaan pienten, halpojen mikroprosessorien rakentamista. Zigbeessä käytetyt radiomallit on optimoitu huolellisesti, jotta saavutetaan alhainen hinta tämän sarjan useiden tuotteiden joukossa. On olemassa useita analogisia vaiheita, joissa digitaalisia piirejä voidaan käyttää.
Vaikka radiolähettimet itsessään ovat edullisia, Zigbeen kelpuutusprosessi sisältää täyden fyysisen kerroksen vaatimusten tarkistuksen. Tällaisella yksityiskohtaisella fyysisen kerroksen hienosäädöllä on lukuisia etuja, koska kaikilla tästä puolijohdeelementtien sarjasta johdetuilla radiomoduuleilla on samat RF-ominaisuudet. Toisaalta, jos fyysistä kerrosta ei ole sertifioitu, virheellinen toiminta voi lyhentää akun käyttöikää muissa Zigbee-verkkoon kuuluvissa laitteissa. Jos muut protokollat voivat piilottaa heikon herkkyyden tai muita piilotettuja ongelmia, mikä johtaa vääristyneeseen heikentyneeseen vasteeseen, Zigbee-radioilla on vakavia teknisiä rajoituksia sekä virransyötön että kaistanleveyden suhteen. Näin ollen radiot testataan sertifioiduissa laboratorioissa standardin 802.15.4-2006 kohdan 6 ohjeiden mukaisesti. On olemassa ratkaisuja, jotka yhdistävät mikro-ohjaimen ja radiolähettimen samassa paketissa, esimerkiksi STMicroelectronicsin STM32W-sarjan mikro-ohjaimet .
Zigbee-spesifikaatio on suuren yleisön saatavilla ei-kaupalliseen käyttöön [9] . Zigbee-allianssin jäsenyyden aloitustaso, nimeltään Adopter, tarjoaa pääsyn vielä julkaisemattomiin spesifikaatioihin ja antaa luvan luoda tuotteita spesifikaation kaupalliseen käyttöön. Rekisteröityminen Zigbee-määrittelyn käytön aikana edellyttää kaupallisen kehittäjän liittymistä Zigbee-allianssiin. "Mitään tämän eritelmän osaa ei saa käyttää tuotteiden valmistukseen tai myyntiin ilman Zigbee-allianssin jäsenyyttä." Vuosimaksut ovat ristiriidassa GNU General Public License -lisenssin kanssa . Kohdan 2-b mukaan: "Sinun on oltava varma, että kaikki levittämäsi tai julkaisemasi teos, jos koko teos tai osa siitä sisältää ohjelman tai on johdettu ohjelmasta tai jostain sen osasta, koko teos on lisensoitu kokonaisuudessaan ilman siirtämistä kolmansille osapuolille tämän lisenssin ehtojen mukaisesti. Koska GPL-lisenssi ei tee eroa kaupallisen ja ei-kaupallisen käytön välillä, ei ole mahdollista lisensoida Zigbee-pinoa GPL:n alaisuudessa tai yhdistää Zigbee-suoritusta GPL-lisensoidun koodin kanssa. Kehittäjän vaatimus liittyä Zigbee-allianssiin on myös ristiriidassa muiden vapaiden ohjelmistolisenssien kanssa [10] .
Zigbee-verkkojen käyttö Venäjän federaatiossa taajuusalueella 2400–2483,5 MHz ei vaadi taajuuslupien ja lisälupien hankkimista [11] ( Venäjän tieto- ja viestintäministeriön alaisen valtion radiotaajuuskomitean päätös, 7.05 . .2007 nro 07-20-03-001), Radiotaajuuskomitean päätöksiä päivitetään jatkuvasti lähellä samaa [12] .
Brändin nimi tulee mehiläisten käyttäytymisestä pesään palattuaan.
| Langattomat anturiverkot | |
|---|---|
| Käyttöjärjestelmät | |
| Alan standardit | |
| Ohjelmointikielet | |
| Laitteisto |
|
| Ohjelmisto | |
| Sovellukset |
|
| Protokollat | |
| Konferenssit / aikakauslehdet |
|
| kodin automatisointi | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ohjaus | |||||||||
| Anturit | |||||||||
| Esiintyjät |
| ||||||||
| Sovellukset |
| ||||||||
| Protokollat | |||||||||
| Ambient Intelligence | |
|---|---|
| Käsitteet |
|
| Tekniikka |
|
| Alustat | |
| Sovellus |
|
| Ensimmäiset tutkijat |
|
| Katso myös |
|