Wat is ZigBee technologie en hoe werkt het?

Wat is ZigBee?

ZigBee is een veelgebruikt draadloos communicatieprotocol voor het Internet of Things (IoT) en Machine-to-machine (M2M) toepassingen. Het belangrijkste doel van het opzetten van een draadloze technologie met lage snelheid is het bereiken van end-to-end apparaten met een laag stroomverbruik. De draadloze ZigBee-standaard is gebaseerd op de IEEE 802.15.4 personal area network-standaard. Het werkt in de spectrum zonder vergunning van de banden 2.4 GHz, 900 MHz en 868 MHz. ZigBee apparaten hebben niet alleen een lage snelheid, maar verbruiken ook minder stroom, waardoor ze een lange batterijlevensduur hebben. Dit is waar ZigBee apparaten hun voordelen hebben ten opzichte van vergelijkbare draadloze technologieën met kort bereik, zoals Bluetooth en Wi-Fi. Wi-Fi en Bluetooth apparaten hebben een langere batterijduur dan ZigBee apparaten. Het bereik van ZigBee-apparaten ligt tussen 10 m en 100 m. Het voorstel voor ZigBee werd gedaan door een alliantie die bekend staat als ZigBee Alliance en werd opgericht rond 2002. In 2005 werd ZigBee 1.0 aangekondigd als een draadloos persoonlijk netwerk (WPAN) standaard. Op het gebied van beveiliging heeft ZigBee zijn eigen voordelen ten opzichte van concurrenten zoals Wi-Fi. Met al deze veelbelovende eigenschappen wordt ZigBee op grote schaal gebruikt in vele sectoren en toepassingen en wint het enorm aan populariteit op de markt.

ZigBee netwerken

Alvorens in te gaan op de ZigBee netwerk essentials, is het belangrijk om verschillende types ZigBee knooppunten te identificeren. Elk ZigBee netwerk heeft ten minste één coördinator, een paar routers en veel eindapparaten. Een coördinator heeft de volgende eigenschappen:

• Het mag in geen enkele situatie nutteloos zijn
• Het initialiseert het netwerk door het kanaal en de PAN-ID te selecteren.
• Het routeert gegevens in het netwerk en zorgt ervoor dat routers en eindapparaten zich bij het netwerk kunnen aansluiten

Een router heeft de volgende eigenschappen:

• Een router moet verplicht lid worden van het netwerk voordat hij gegevens kan verzenden en ontvangen.
• Het routeert gegevens in het netwerk
• Het mag niet stationair zijn

Een eindapparaat heeft de volgende kenmerken:

• Hij kan in de slaapstand gaan als hij geen gegevens verzendt.
• Het kan alleen gegevens verzenden en ontvangen via zijn ouder

Nu we de belangrijkste componenten van een ZigBee netwerk hebben geïdentificeerd, zullen we de verschillende netwerktopologieën in een ZigBee netwerk bespreken. Een ZigBee netwerk kan worden gerealiseerd met behulp van de Ster topologie, waarbij een ZigBee coördinator een centrale controle is. Dit centrale knooppunt verzamelt alle informatie van alle aangesloten sensornodes. Boomtopologie is een andere bekende topologie van ZigBee netwerken. Deze topologie volgt de boom-, tak- en bladstructuur. Een ZigBee netwerk kan ook worden gerealiseerd met behulp van een Mesh topologie. Omdat echter alleen de eindapparaten kunnen slapen, kunnen ZigBee netwerken niet echt Netwerken. Daarom wordt een protocol dat bekend staat als "DigiMesh" gebruikt om Mesh-netwerken te realiseren.

ZigBee architectuur

De ZigBee architectuur bestaat uit vijf hoofdlagen. Dit zijn (van onder naar boven):

1. Fysieke laag

Deze laag is gedefinieerd onder de standaard IEE 802.15.4 WPAN. De belangrijkste verantwoordelijkheid is het besturen van de radiozendontvanger en het verzenden van commands en informatie als gegevenspakketten tussen verschillende apparaten.

2. Laag voor mediumtoegangscontrole (MAC)

Deze laag fungeert als tussenlaag tussen de netwerklaag en de fysieke laag. De MAC-laag is ook gedefinieerd in de IEE 802.15.4 WPAN-norm. Het is ook verantwoordelijk voor de overdracht van de bakenframes voor synchronisatie.

3. Netwerklaag

Deze laag is gedefinieerd in de ZigBee specificatie. Het behandelt alle netwerkoperaties. Dit omvat:

• Netwerk instellen
• Apparaat aansluiten en loskoppelen
• Routing
• Apparaatconfiguratie

4. Sublaag voor toepassingsondersteuning

Deze laag levert diensten voor eindapparaten om te communiceren met de netwerklaag. Deze diensten worden geleverd door Application Support Data Entity en Application Support Management Entity.

5. Toepassingslaag

Dit is de laatste en bovenste laag in de ZigBee architectuur. Het bevat gebruikersapplicaties en ZigBee Device Objects (ZDOs). ZDOs zijn verantwoordelijk voor het leveren van een interface tussen applicatie-objecten en de Application Support Sub layer in ZigBee apparaten. Het is ook verantwoordelijk voor het binden van nieuwe apparaten en het verwijderen van bestaande apparaten uit het netwerk.

Wanneer ZigBee overwegen?

Voordat we bepalen waarom ZigBee een goede kandidaat is voor jouw ontwerpapplicatie. Laten we eerst eens kijken naar enkele van de beschikbare ZigBee specificaties op de markt. Er zijn drie belangrijke ZigBee specificaties, namelijk:

• ZigBee Pro: Dit biedt communicatie tussen apparaten met laag stroomverbruik. Het biedt ook de nieuwe functie van "Green Power", waarbij apparaten die zichzelf van energie voorzien worden aangemoedigd door energy harvesting.
• ZigBee RF4CE: Dit is een eenvoudige ZigBee specificatie, waarbij een gebruiker geen behoefte heeft aan de complexe Mesh netwerkmogelijkheden in de ZigBee standaard.
• ZigBee IP: Deze specificatie biedt volledig draadloze mesh-netwerken op basis van IPv6.

ZigBee is ideaal voor toepassingen die een laag energieverbruik vereisen, met een enorm aantal apparaten die met elkaar verbonden zijn. ZigBee is niet ideaal voor toepassingen die hoge datasnelheden vereisen en is het meest geschikt voor afstanden tussen 1m - 100m. Het is ook geschikt voor toepassingen die een hoge betrouwbaarheid vereisen. Een hoge betrouwbaarheid wordt bereikt door ZigBee Mesh netwerken. Een andere interessante eigenschap van het ZigBee Mesh netwerk is het zelfherstellend vermogen. Dit zelfherstellend vermogen kan het netwerk helpen om zichzelf automatisch te herstellen wanneer de omgeving verandert. ZigBee is ook uitgerust met over-the-air AES-128-CCM encryptie om de commcommunicatie te beveiligen.

Voordelen en nadelen van ZigBee

Laten we ZigBee vergelijken met andere veelgevraagde IoT en M2M WPAN oplossingen in de industrie.

Toepassingen van ZigBee

ZigBee wordt gebruikt in verschillende sectoren en industrieën in de moderne wereld vanwege het lagere energieverbruik en de toenemende populariteit. ZigBee wordt steeds populairder omdat ZigBee Alliance met de dag groeit en verschillende apparaten interoperabel maakt. Enkele van de belangrijkste toepassingsgebieden waar ZigBee wordt ingezet zijn:

• Slimme apparaten: Deze omvatten slimme huishoudelijke apparaten en slimme gezondheidsmonitoringapparaten. Ze zijn beperkt tot een bepaalde persoonlijke ruimte waar controle en besturing van apparaten nodig is.
• Slimme verlichtingssystemen: Deze systemen beheren verlichtingsvariaties in een bepaalde ruimte door de lichtpenetratie op afstand of via interne toepassingen te regelen.
• Slimme energiebeheersystemen: Deze omvatten slimme meters en slimme zonnevolgsystemen die de gebruiker helpen om belangrijke variabelen in de omgeving en in het nutsbedrijf te controleren en te beheersen.
• Slimme winkelruimtes: Slimme supermarkten en winkels kunnen ZigBee-gebaseerde sensoren en apparaten gebruiken om een autodidactisch systeem te bedienen. Denk hierbij aan slimme winkelwagentjes en elektronica schappen.
• Slimme parkeersystemen: ZigBee kan worden gebruikt om een parkeerplaats effectief te onderhouden om de gebruikerseisen te verbeteren.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat ZigBee een ideale kandidaat is voor WPAN-netwerken die een laag stroomverbruik en lage datasnelheden vereisen. Nu steeds meer organisaties en industrieën zich aansluiten bij ZigBee Alliance, is het een veelbelovende technologie voor de toekomst.