Was ist die ZigBee-Technologie und wie funktioniert sie?

Was ist ZigBee?

ZigBee ist ein weit verbreitetes drahtloses Kommunikationsprotokoll für das Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine (M2M) Anwendungen. Der Hauptzweck der Einrichtung einer drahtlosen Technologie mit niedriger Rate besteht darin, End-to-End-Geräte mit niedrigem Stromverbrauch zu erreichen. Der drahtlose ZigBee-Standard basiert auf dem IEEE 802.15.4-Standard für Personal Area Networks. Er arbeitet im unlizenziertes Spektrum der Bänder 2,4 GHz, 900 MHz und 868 MHz. ZigBee-Geräte haben nicht nur eine niedrige Übertragungsrate, sondern auch einen geringeren Stromverbrauch, was zu einer langen Batterielebensdauer führt. Hier liegen die Vorteile von ZigBee-Geräten gegenüber ähnlichen drahtlosen Technologien mit kurzer Reichweite, wie z. B. Bluetooth und Wi-Fi. Da Wi-Fi- und Bluetooth-Geräte im Vergleich zu ZigBee-Geräten eine sehr lange Batterielebensdauer haben. Die Reichweite von ZigBee-Geräten liegt zwischen 10 m und 100 m. Der Vorschlag für ZigBee wurde von einer 2002 gegründeten Allianz namens ZigBee Alliance gemacht. Im Jahr 2005 wurde dann ZigBee 1.0 als drahtloses persönliches Netzwerk (WPAN) Standard. Wenn es um Sicherheitsfragen geht, hat ZigBee seine eigenen Vorteile gegenüber seinen Konkurrenten wie Wi-Fi. Mit all diesen vielversprechenden Eigenschaften wird ZigBee in vielen Branchen und Anwendungen eingesetzt und erfreut sich auf dem Markt großer Beliebtheit.

ZigBee-Vernetzung

Bevor wir uns mit den Grundlagen des ZigBee-Netzwerks befassen, ist es wichtig, verschiedene Arten von ZigBee-Knoten zu identifizieren. Jedes ZigBee-Netzwerk hat mindestens einen Koordinator, einige Router und viele Endgeräte. Ein Koordinator hat die folgenden Eigenschaften:

• Sie sollte in keiner Situation untätig sein
• Er initialisiert das Netzwerk durch Auswahl des Kanals und der PAN-ID
• Er leitet die Daten im Netz weiter und ermöglicht Routern und Endgeräten, dem Netz beizutreten

Ein Router verfügt über die folgenden Merkmale:

• Ein Router muss dem Netz beitreten, bevor er Daten sendet und empfängt.
• Es leitet Daten im Netz weiter
• Es sollte nicht untätig sein

Ein Endgerät hat folgende Eigenschaften:

• Er kann in den Ruhezustand gehen, wenn er keine Daten überträgt.
• Er kann Daten nur über seine Muttergesellschaft senden und empfangen

Nachdem wir nun die Hauptkomponenten eines ZigBee-Netzwerks identifiziert haben, werden wir als nächstes verschiedene Netzwerktopologien in einem ZigBee-Netzwerk diskutieren. Ein ZigBee-Netzwerk kann mit der Sterntopologie realisiert werden, bei der ein ZigBee-Koordinator eine zentrale Steuerung darstellt. Dieser zentrale Knoten würde alle Informationen von allen angeschlossenen Sensorknoten sammeln. Die Baumtopologie ist eine weitere bekannte ZigBee-Netztopologie. Diese Topologie folgt der Baum-, Zweig- und Blattstruktur. Ein ZigBee-Netzwerk kann auch mit einer Mesh-Topologie realisiert werden. Da jedoch nur die Endgeräte in der Lage sind, zu schlafen, können ZigBee-Netzwerke nicht echt sein. Maschennetze. Daher wird ein Protokoll namens "DigiMesh" verwendet, um Mesh-Netze zu realisieren.

ZigBee-Architektur

Die ZigBee-Architektur besteht aus fünf Hauptschichten. Sie sind (von unten nach oben):

1. Physikalische Schicht

Diese Schicht ist im Rahmen des IEE 802.15.4 WPAN-Standards definiert. Ihre Hauptaufgabe ist die Steuerung des Funkgeräts und die Übertragung von Befehlen und Informationen in Form von Datenpaketen zwischen verschiedenen Geräten.

2. Medium Access Control (MAC) Schicht

Diese Schicht fungiert als Zwischenschicht zwischen der Netzwerkschicht und der physikalischen Schicht. Die MAC-Schicht ist auch im IEE 802.15.4 WPAN-Standard definiert. Sie ist auch für die Übertragung der Beacon-Frames zur Synchronisation zuständig.

3. Netzwerkschicht

Diese Schicht ist in der ZigBee-Spezifikation definiert. Sie verwaltet alle Netzwerkoperationen. Dies beinhaltet:

• Netzwerk-Einrichtung
• Endgeräteanschluss und -trennung
• Weiterleitung
• Konfiguration des Geräts

4. Anwendungsunterstützende Unterschicht

Diese Schicht bietet Dienste für Endgeräte zur Interaktion mit der Netzschicht. Diese Dienste werden von Application Support Data Entity und Application Support Management Entity bereitgestellt.

5. Anwendungsschicht

Dies ist die letzte und oberste Schicht in der ZigBee-Architektur. Sie enthält Benutzeranwendungen und ZigBee Device Objects (ZDOs). ZDOs sind für die Bereitstellung einer Schnittstelle zwischen Anwendungsobjekten und der Application Support Sub-Schicht in ZigBee-Geräten verantwortlich. Außerdem ist sie für die Anbindung neuer Geräte und das Entfernen vorhandener Geräte aus dem Netz zuständig.

Wann sollte man ZigBee in Betracht ziehen?

Bevor wir herausfinden, warum ZigBee ein guter Kandidat für Ihre Design-Anwendung ist. Lassen Sie uns zunächst einige der auf dem Markt verfügbaren ZigBee-Spezifikationen betrachten. Es gibt drei Hauptspezifikationen für ZigBee, nämlich:

• ZigBee Pro: Dies ermöglicht eine stromsparende Ko1TP14Kommunikation von Gerät zu Gerät. Außerdem bietet es die neue Funktion "Green Power", bei der Geräte mit eigener Stromversorgung durch Energy Harvesting unterstützt werden.
• ZigBee RF4CE: Hierbei handelt es sich um eine einfache ZigBee-Spezifikation, bei der der Benutzer die komplexen Mesh-Netzwerkfunktionen des ZigBee-Standards nicht benötigt.
• ZigBee IP: Diese Spezifikation bietet IPv6-basierte, vollständig drahtlose Mesh-Netzwerke.

ZigBee ist ideal für Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch erfordern und bei denen eine große Anzahl von Geräten miteinander verbunden sind. ZigBee ist nicht ideal für Anwendungen, die hohe Datenraten erfordern, und eignet sich am besten für Entfernungen zwischen 1 m und 100 m. Außerdem ist es für Anwendungen geeignet, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern. Hohe Zuverlässigkeit wird durch ZigBee Mesh Networking erreicht. Ein weiteres interessantes Merkmal des ZigBee Mesh-Netzwerks ist seine Fähigkeit zur Selbstheilung. Diese Fähigkeit zur Selbstheilung kann dem Netzwerk helfen, sich automatisch zu reparieren, wenn sich die Umgebung ändert. ZigBee ist außerdem mit einer Over-the-Air-AES-128-CCM-Verschlüsselung ausgestattet, um die Communication zu sichern.

Vorteile und Nachteile von ZigBee

Vergleichen wir ZigBee mit anderen gefragten IoT- und M2M-WPAN-Lösungen in der Branche.

Anwendungen von ZigBee

ZigBee wird aufgrund des geringeren Stromverbrauchs und der zunehmenden Beliebtheit in der modernen Welt in verschiedenen Bereichen und Branchen eingesetzt. ZigBee wird immer beliebter, da die ZigBee Alliance von Tag zu Tag wächst und verschiedene Geräte miteinander kompatibel macht. Einige der wichtigsten Anwendungsbereiche, in denen ZigBee eingesetzt wird, sind:

• Intelligente Haushaltsgeräte: Dazu gehören intelligente Haushaltsgeräte und intelligente Geräte zur Gesundheitsüberwachung. Sie sind auf einen bestimmten persönlichen Bereich beschränkt, in dem die Überwachung und Steuerung von Geräten erforderlich ist.
• Intelligente Beleuchtungssysteme: Diese Systeme steuern die Beleuchtungsvariationen in einem bestimmten Raum, indem sie den Lichteinfall entweder aus der Ferne oder über interne Anwendungen kontrollieren.
• Intelligente Energiemanagementsysteme: Dazu gehören intelligente Zähler und intelligente Solar-Tracking-Geräte, die dem Nutzer helfen, wichtige Variablen in der Umgebung und im Versorgungsunternehmen zu überwachen und zu steuern.
• Intelligente Einkaufsräume: Intelligente Supermärkte und Einzelhandelsgeschäfte können ZigBee-basierte Sensoren und Geräte verwenden, um ein selbstlernendes System zu betreiben. Dazu gehören intelligente Einkaufswagen und elektronische Regale.
• Intelligente Parksysteme: ZigBee kann verwendet werden, um einen Parkplatz effektiv zu pflegen und die Anforderungen der Nutzer zu verbessern.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend können wir sagen, dass ZigBee ein idealer Kandidat für WPAN-Netzwerke ist, die einen geringen Stromverbrauch und niedrige Datenraten erfordern. Mit der zunehmenden Anzahl von Organisationen und Branchen, die sich der ZigBee Alliance anschließen, ist es eine vielversprechende Technologie für die Zukunft.