Czym jest technologia ZigBee i jak działa?

Czym jest ZigBee?

ZigBee jest szeroko stosowanym protokołem komunikacji bezprzewodowej w Internecie rzeczy (IoT) i Machine-to-machine (M2M). Głównym celem ustanowienia technologii bezprzewodowej o niskiej szybkości jest uzyskanie urządzeń końcowych o niskim poborze mocy. Standard bezprzewodowy ZigBee oparty jest na standardzie sieci osobistej IEEE 802.15.4. Działa on w nielicencjonowane widmo pasm 2,4 GHz, 900 MHz i 868 MHz. Oprócz niskiej szybkości, urządzenia ZigBee charakteryzują się niższym zużyciem energii, co zapewnia im długi czas pracy na baterii. W tym miejscu urządzenia ZigBee mają przewagę nad podobnymi technologiami bezprzewodowymi krótkiego zasięgu, takimi jak Bluetooth i Wi-Fi. Ponieważ urządzenia Wi-Fi i Bluetooth mają bardzo długi czas pracy na baterii w porównaniu do urządzeń ZigBee. Zasięg działania urządzeń ZigBee mieści się w zakresie od 10 m do 100 m. Propozycja ZigBee została złożona przez sojusz znany jako ZigBee Alliance założony około 2002 roku. Następnie, w 2005 roku ZigBee 1.0 został ogłoszony jako bezprzewodowa sieć osobista (WPAN). Jeśli chodzi o kwestie bezpieczeństwa, ZigBee ma swoją przewagę nad konkurentami, takimi jak Wi-Fi. Dzięki tym wszystkim obiecującym cechom ZigBee jest szeroko stosowany w wielu branżach i aplikacjach oraz zyskuje ogromną popularność na rynku.

ZigBee Networking

Zanim zagłębimy się w podstawy sieci ZigBee, warto zidentyfikować kilka typów węzłów ZigBee. Każda sieć ZigBee ma co najmniej jednego koordynatora, kilka routerów i wiele urządzeń końcowych. Koordynator posiada następujące cechy:

• Nie powinien być bezczynny w żadnej sytuacji
• Inicjalizuje sieć, wybierając kanał i identyfikator PAN ID
• Kieruje dane w sieci i umożliwia routerom i urządzeniom końcowym dołączenie do sieci.

Router posiada następujące funkcje:

• Router musi obowiązkowo dołączyć do sieci przed wysłaniem i odebraniem danych
• Kieruje dane w sieci
• Nie powinien być bezczynny

Urządzenie końcowe ma następujące cechy:

• Może przejść w tryb uśpienia, gdy nie przesyła danych
• Może wysyłać i odbierać dane tylko za pośrednictwem swojego rodzica

Teraz, po zidentyfikowaniu głównych komponentów sieci ZigBee, omówimy różne topologie sieci w sieci ZigBee. Sieć ZigBee może być realizowana przy użyciu topologii gwiazdy, w której koordynator ZigBee jest centralnym elementem sterującym. Ten centralny węzeł zbiera wszystkie informacje ze wszystkich podłączonych węzłów czujników. Topologia drzewa to kolejna znana topologia sieci ZigBee. Topologia ta opiera się na strukturze drzewa, gałęzi i liści. Sieć ZigBee może być również realizowana przy użyciu topologii Mesh. Jednakże, ponieważ tylko urządzenia końcowe są zdolne do uśpienia, sieci ZigBee nie mogą być prawdziwe Sieci siatkowe. Dlatego protokół znany jako "DigiMesh" jest używany do realizacji sieci Mesh.

Architektura ZigBee

Architektura ZigBee składa się z pięciu głównych warstw. Są to (od dołu do góry):

1. Warstwa fizyczna

Warstwa ta jest zdefiniowana w standardzie IEE 802.15.4 WPAN Standard. Jej głównym zadaniem jest sterowanie radiowym urządzeniem nadawczo-odbiorczym i wysyłanie poleceń commands oraz informacji w postaci pakietów danych między różnymi urządzeniami.

2. Warstwa kontroli dostępu do medium (MAC)

Warstwa ta działa jako warstwa pośrednia między warstwą sieciową a warstwą fizyczną. Warstwa MAC jest również zdefiniowana w standardzie IEE 802.15.4 WPAN. Jest ona również odpowiedzialna za przesyłanie ramek beacon w celu synchronizacji.

3. Warstwa sieciowa

Warstwa ta jest zdefiniowana w specyfikacji ZigBee. Obsługuje ona wszystkie operacje sieciowe. Obejmuje to:

• Konfiguracja sieci
• Podłączanie i odłączanie urządzenia końcowego
• Routing
• Konfiguracja urządzenia

4. Podwarstwa wsparcia aplikacji

Ta warstwa zapewnia usługi dla urządzeń końcowych do interakcji z warstwą sieciową. Usługi te są dostarczane przez Application Support Data Entity i Application Support Management Entity.

5. Warstwa aplikacji

Jest to ostatnia i najwyższa warstwa w architekturze ZigBee. Zawiera ona aplikacje użytkownika i obiekty urządzeń ZigBee (ZDO). ZDO są odpowiedzialne za zapewnienie interfejsu między obiektami aplikacji a warstwą Application Support Sub w urządzeniach ZigBee. Jest również odpowiedzialny za wiązanie nowych urządzeń i usuwanie istniejących urządzeń z sieci.

Kiedy warto rozważyć ZigBee?

Przed określeniem, dlaczego ZigBee będzie doskonałym kandydatem do zastosowania w projekcie. Najpierw rozważmy niektóre z dostępnych na rynku specyfikacji ZigBee. Istnieją trzy główne specyfikacje ZigBee, a mianowicie:

• ZigBee Pro: Zapewnia niskoenergetyczną komunikację między urządzeniami communication. Oferuje również nową funkcję "Green Power", w której urządzenia z własnym zasilaniem są zachęcane do zbierania energii.
• ZigBee RF4CE: Jest to prosta specyfikacja ZigBee, w której użytkownik nie potrzebuje złożonych możliwości sieci Mesh w standardzie ZigBee.
• ZigBee IP: Ta specyfikacja zapewnia w pełni bezprzewodowe sieci mesh oparte na protokole IPv6.

ZigBee jest idealny do zastosowań wymagających niskiego zużycia energii, z ogromną liczbą urządzeń połączonych ze sobą. ZigBee nie jest idealny do zastosowań wymagających dużej szybkości transmisji danych i jest najbardziej odpowiedni dla odległości w zakresie od 1 m do 100 m. Nadaje się również do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności. Wysoka niezawodność jest osiągana przez sieć ZigBee Mesh. Kolejną interesującą cechą sieci ZigBee Mesh jest jej zdolność do samonaprawy. Ta zdolność do samonaprawy może pomóc sieci automatycznie naprawić się wraz ze zmieniającym się środowiskiem. ZigBee jest również wyposażony w szyfrowanie over-the-air AES-128-CCM w celu zabezpieczenia komunikacji co1TP14.

Zalety i wady ZigBee

Porównajmy ZigBee z innymi najbardziej poszukiwanymi rozwiązaniami IoT i M2M WPAN w branży.

Zastosowania ZigBee

ZigBee jest wykorzystywany w różnych branżach we współczesnym świecie ze względu na niższe zużycie energii i rosnącą popularność. ZigBee staje się coraz bardziej popularne, ponieważ ZigBee Alliance rozwija się z dnia na dzień, dzięki czemu różne urządzenia mogą ze sobą współpracować. Niektóre z głównych obszarów zastosowań ZigBee to:

• Inteligentne urządzenia: Obejmują one inteligentne urządzenia domowe i inteligentne urządzenia monitorujące stan zdrowia. Są one ograniczone do danej przestrzeni osobistej, w której wymagane jest monitorowanie i kontrolowanie urządzeń.
• Inteligentne systemy oświetleniowe: Systemy te zarządzałyby zmianami oświetlenia w danej przestrzeni, kontrolując przenikanie światła zdalnie lub za pomocą aplikacji wewnętrznych.
• Inteligentne systemy zarządzania energią: Obejmują one inteligentne liczniki i inteligentne urządzenia śledzące energię słoneczną, które pomagają użytkownikowi monitorować i kontrolować ważne zmienne w środowisku i w przedsiębiorstwie użyteczności publicznej.
• Inteligentne przestrzenie handlowe: Inteligentne supermarkety i sklepy detaliczne mogą wykorzystywać czujniki i urządzenia oparte na technologii ZigBee do obsługi samouczącego się systemu. Obejmują one inteligentne wózki sklepowe i półki elektroniczne.
• Inteligentne systemy parkingowe: ZigBee może być wykorzystywany do skutecznego utrzymywania miejsca parkingowego w celu zwiększenia wymagań użytkowników.

Wnioski

Podsumowując, możemy powiedzieć, że ZigBee jest idealnym kandydatem do sieci WPAN, które wymagają niskiej mocy i niskiej szybkości transmisji danych. Wraz z rosnącą liczbą organizacji i branż dołączających do ZigBee Alliance, jest to obiecująca technologia na przyszłość.