П.4 ZigBee

ZigBee – это спецификация протоколов сетевого и прикладного уровня на основе стандарта IEEE 802.15.4 для беспроводных сетей. Появился в 2004 году.

Поддерживающая организация – ZigBee Alliance (www.zigbee.org).

Спецификация ZigBee описывает прикладные сети, вопросы безопасности, прикладное программное обеспечение.

Прикладные профили ориентированы на автоматизацию зданий, промышленный мониторинг, вентиляцию и кондиционирование, работу с датчиками. Основной областью применения ZigBee/IEEE 802.15.4 является передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов (конвейеров, роботов), промышленные системы управления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря, «интеллектуальное» сельское хозяйство, системы охраны.

В отличие от других беспроводных технологий ZigBee создавался изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены, низкой потребляемой мощности, низкой скорости передачи и малых габаритов. ZigBee отождествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями WSN (Wireless Sensor Network). Устройства ZigBee используются там, где Bluetooth оказывается слишком дорогим и не требуется высокая скорость передачи.

ZigBee как и Bluetooth, использует нелицензируемый диапазон 2.4 ГГц. Максимальная скорость передачи составляет 250 кбит/с. Диапазон 2,4 ГГц разделен на 11÷26 каналов шириной по 5 МГц каждый.

Стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Используются передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.

Модель OSI сети ZigBee включает:

1. Физический уровень (РНУ) – радиоканал 2.4 ГГц.

2. Канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи МАС и LLС, которые определяются стандартом IЕЕЕ 802.15.4. Подуровень МАС управляет доступом к радиоканалу, используя CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов, синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информации. Подуровень сближения специфических сервисов SSCS (Service Specific Convergence Sublayer) выполняет роль интерфейса между подуровнямл LLС и МАС. Подуровень LLС выполняет связь сетевого уровня с уровнем МАС.

3.Сетевой уровень NWK (NetWorK) осуществляет регистрацию в сети нового устройства и исключение его из сети; обеспечение безопасности при передаче фреймов; указание маршрута фрейма к месту назначения; прокладку маршрутов между устройствами в сети; обнаружение в сети ближайших соседей; запоминание необходимой информации о соседних узлах.

4. Уровень приложений АРL, состоящий из подуровня поддержки приложений (APplication Support sub-layer – APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object – ZDO) и объектов Арplication Objects, определяемых изготовителем ZigBee-устройств. Уровень приложений связывает стек протоколов с конечным приложением пользователя, например, ОРС-сервером, который далее используется для обмена данными со SCADA.

В ZigBee имеются три типа устройств:

- координатор – формирует топологию сети и может устанавливать мосты с другими сетями. В каждой ZigBee сети имеется только один координатор;

- маршрутизатор – работает как промежуточное звено, передавая в нужном направлении данные от других устройств;

- конечное устройство – передает данные координатору или маршрутизатору и не может связываться с аналогичными ему устройствами.

Координатор может быть подключен к сети питания, а остальные сетевые устройства могут иметь батарейное питание.

Топология ZigBee-сети может иметь форму звезды, дерева или ячеистой сети.

В топологии типа звезда сеть контролируется координатором. Координатор отвечает за инициализацию и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непосредственно взаимодействующих с координатором.

В ячеистой и древовидной структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор некоторых ключевых параметров. Такая сеть может быть расширена с помощью ZigBee маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения, используя иерархическую или маячковую стратегию маршрутизации.

Ячеистая сеть должна обеспечить полную одноранговую коммуникацию устройств, то есть в ячеистой сети нет устройств разных рангов (координаторов, маршрутизаторов – все устройства равноправны).

Устройства в ZigBee-сети имеют короткий16-битный или расширенный 64-битный адрес.

Стандарт IEEE 802.15.4 использует суперфреймовую структуру сообщений (рис.4). Формат суперфрейма определяется сетевым координатором. Суперфрейм с двух сторон ограничивается маячками, делится на 16 равных по длине слотов и посылается сетевым координатором. Маячок помещается на место первого слота каждого суперфрейма и используется для синхронизации присоединенных устройств, для идентификации сети и для описания структуры суперфрейма. Передача сообщений должна быть окончена до прихода следующего маячка.

Существует три типа обменных процесса в ZigBee:

- передача от устройства к сетевому координатору;

- передача от сетевого координатора к устройству;

- передача между двумя одноранговыми устройствами.

Когда устройство собирается передать данные координатору в сети с маячками, оно сначала пытается обнаружить маячок (рис.5). Когда маячок найден, устройство подстраивается к структуре суперфрейма. Устройство передает данные координатору, используя слотовый механизм CSMA/CA. В ответ координатор отсылает фрейм уведомления о получении. На этом цикл обмена заканчивается.

Когда координатор желает передать данные устройству в сети с маячками, он помещает в маячок информацию о том, что имеются данные, готовые к передаче. Устройство периодически анализирует содержание маячка и, если в нем имеется информация о наличии сообщения, готового к передаче, устройство передает команду запроса данных, используя слотовый метод CSMA/CA. Координатор подтверждает прием запроса данных с помощью фрейма уведомления. Вслед за этим координатор отсылает данные, используя слотовый метод доступа CSMA/CA. Устройство подтверждает прием данных отправкой уведомления.

Если координатор собирается передать данные без использования маячка, он запоминает данные и ждет запроса от устройства. Устройство может передать команду запроса данных координатору, используя бесслотовый метод CSMA/CA. Координатор сначала посылает уведомление о получении (в том же цикле обмена), затем, используя CSMA/CA, отсылает данные и получает уведомление о получении от устройства.

Структура фреймов в ZigBee

В соответствии с моделью OSI, каждый нижележащий ypовень добавляет к протоколу свой заголовок. Стандарт предусматривает четыре типа фреймов:

-фрейм маячка;

-фрейм данных;

-фрейм уведомления о получении;

-фрейм команд МАС-подуровня.

Фрейм данных (рис.6) начинается с преамбулы, которая совместно с полем «Старт» служит для синхронизации данных в приемнике, поле «Длина» содержит длину поля МАС подуровня в 8-битовых байтах. Поле «Управление» содержит служебную информацию об управлении фреймами. Поле «Номер» – порядковый номер данных, поле «Адрес» – адресную информацию, в том числе 16-битный короткий или 64-битный расширенный адрес. Завершается фрейм полем контрольной суммы КС.

Уровень поддержки приложений APS для реализации своих функций использует коммуникационные структуры: профили, кластеры и конечные точки. Профиль описывает коллекцию (набор) устройств, используемых для некоторого приложения, и схему сообщений между этими устройствами.

Например, в ZigBee имеются профили для системы домашней автоматизации, профили для коммерческих, промышленных и учрежденческих систем. Все профили используют стандартные типы сообщений, форматы сообщений и процедуры их обработки.

В рамках профилей устройства обмениваются между собой с помощью кластеров, которые могут исходить или входить в устройство. Кластер – это сообщение или коллекция сообщений, в состав которых могут входить команды и ответы на них. Например, в профиле для домашней автоматизации имеется специализированный кластер для управления освещением. В его состав могут входить команды «Включить/Выключить». В состав кластера может входить набор команд для конфигурирования устройства. Каждый кластер имеет свой идентификатор и является уникальным только в пределах определенного профиля.

Конечная точка указывает объект в пределах устройства, с которым взаимодействует приложение. Конечные точки выполняют функцию адресации и позволяют определить, какому устройству предназначено посланное сообщение. В пределах одного устройства они имеют индексы от 1 до 240. Без конечных точек управлять несколькими объектами в пределах одного устройства было бы невозможно, поскольку адресуемым является только устройство, а конечные точки – это субадреса с номерами от 1 до 240.

Связи между конечными точками хранятся в виде таблицы связей, которая запоминается в устройстве, от которого исходят команды управления, если устройство имеет достаточную для этого емкость памяти. Таблица связей может храниться во вспомогательном устройстве.

Стремясь обеспечить совместимость устройств разных производителей в ZigBee-системе, стандарт предлагает стандартные профили, которые содержат стандартные наборы кластеров. Если стандартные профили не удовлетворяют потребностям системного интегратора, он может создать свои, пользовательский, профиль, включая определения кластеров.

Дата добавления: 2014-01-07