| Zigbee | |
|---|---|
| Nivå (enligt OSI-modellen ) | från kanal (DLC) |
| Skapad i | 2003 |
| Syftet med protokollet | Trådlös kommunikation mellan enheter med låg förbrukning, med möjlighet att bygga en mesh-nätverkstopologi |
| Specifikation | IEEE 802.15.4 |
| Utvecklaren | Zigbee Alliance |
| Mediafiler på Wikimedia Commons | |
Zigbee är en specifikation av nätverksprotokoll på toppnivå - APS-applikationsnivån ( applikationsstödsubskikt ) och NWK-nätverksnivån - med hjälp av tjänster på lägre nivå - MAC -medieåtkomstkontrollskiktet och det fysiska PHY -skiktet , reglerat av IEEE 802.15. 4 standard . Zigbee och IEEE 802.15.4 beskriver trådlösa personliga nätverk (WPAN). Zigbee-specifikationen är inriktad på applikationer som kräver garanterad säker dataöverföring vid relativt låga hastigheter och möjlighet till långvarig drift av nätverksenheter från autonoma strömkällor (batterier).
Huvudfunktionen hos Zigbee-tekniken är att den med låg strömförbrukning inte bara stöder enkla nätverkstopologier (" punkt-till-punkt ", " träd " och " stjärna "), utan också ett självorganiserande och självläkande nät (mesh) topologi med relä och meddelandedirigering . Dessutom inkluderar Zigbee-specifikationen möjligheten att välja en routningsalgoritm beroende på applikationskrav och nätverksförhållanden, en applikationsstandardiseringsmekanism - applikationsprofiler, ett standardklusterbibliotek, slutpunkter, bindningar, en flexibel säkerhetsmekanism, och ger även enkel implementering , underhåll och uppgraderingar.
De huvudsakliga tillämpningsområdena för Zigbee-tekniken är trådlösa sensornätverk , hemautomation ("Smart Home" och "Intelligent Building"), medicinsk utrustning, industriella övervaknings- och kontrollsystem , såväl som konsumentelektronik och persondator "kringutrustning".
Förmågan att självorganisera och självläka, mesh-topologi, säkerhet, hög brusimmunitet, låg strömförbrukning och inget behov av frekvensupplösning gör Zigbee-nätverket till en lämplig bas för en trådlös infrastruktur för realtidspositioneringssystem ( RTLS ).
Zigbee är en standard för en uppsättning kommunikationsprotokoll på hög nivå som använder små digitala sändtagare med låg effekt baserad på IEEE 802.15.4-2006-standarden för trådlösa personliga nätverk som trådlösa hörlurar anslutna till mobiltelefoner via kortvågsradiovågor. Tekniken definieras av Zigbee-specifikationen, designad med avsikten att vara enklare och billigare än andra personliga nätverk som Bluetooth . Zigbee är designad för RF-applikationer där lång batteritid och nätverkssäkerhet är avgörande.
Zigbee Alliance är det organ som upprätthåller och publicerar Zigbee-standarderna [1] och som även publicerar applikationsprofiler, vilket gör att OEM-tillverkare kan skapa interoperabla produkter. Aktuell lista över applikationsprofiler publicerade eller i produktion:
Samarbetet mellan IEEE 802.15.4 och Zigbee liknar det mellan IEEE 802.11 och Wi-Fi Alliance . Zigbee 1.0-specifikationen ratificerades den 14 december 2004 och är tillgänglig för medlemmar i Zigbee-alliansen. Den 30 oktober 2007 publicerades Zigbee 2007-specifikationen. Den första applikationsprofilen, Zigbee "Home Automation", tillkännagavs den 2 november 2007. Zigbee verkar på industriella, vetenskapliga och medicinska (ISM-band) radioband: 868 MHz i Europa, 915 MHz i USA och Australien, och 2,4 GHz i de flesta länder i världen (under de flesta jurisdiktioner i världen). Som regel säljs Zigbee-chips som är kombinerade radio- och mikrokontroller med flashminnesstorlekar från 60 K till 128 K från tillverkare som Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics Zmel240 och Zmel. ATmega128RFA1 . Radiomodulen kan även användas separat med valfri processor och mikrokontroller. Vanligtvis erbjuder radiotillverkare också en Zigbee-programstack, även om andra oberoende stackar är tillgängliga.
Eftersom Zigbee kan vakna (dvs. gå från viloläge till vakna) på 15 millisekunder eller mindre, kan enhetens svarsfördröjning vara mycket låg, särskilt jämfört med Bluetooth, där fördröjningen från viloläge till vakna vanligtvis når tre sekunder. [2] Eftersom Zigbee är i viloläge för det mesta, kan strömförbrukningen vara mycket låg, vilket resulterar i lång batteritid.
Den första utgåvan av stacken är nu känd som Zigbee 2004. Den andra utgåvan av stacken heter Zigbee 2006, och ersätter i princip MSG/KVP-ramverket som används i Zigbee 2004 tillsammans med "klusterbiblioteket". 2004 års stack är nu mer eller mindre föråldrad. Zigbee 2007-implementeringen är för närvarande aktuell och innehåller två stackprofiler, Stack Profile #1 (som helt enkelt kallas Zigbee) för hem- och småföretagsanvändning, och Stack Profile #2 (som kallas Zigbee Pro). Zigbee Pro erbjuder fler funktioner som broadcast, många-till-en routing och stark symmetrisk nyckelsäkerhet (SKKE), medan Zigbee (Stack Profile #1) tar upp mindre RAM och Flash-utrymme. Båda profilerna låter dig distribuera ett komplett mesh-nätverk och arbeta med alla Zigbee-applikationsprofiler.
Zigbee 2007 är helt kompatibel med Zigbee 2006-enheter. En Zigbee 2007-enhet kan ansluta till och fungera med ett Zigbee 2006-nätverk och vice versa. På grund av skillnader i routingalternativ kan Zigbee Pro-enheter endast vara Zigbee 2006-nätverksändenheter (ZEDs), och vice versa kan Zigbee 2006- och Zigbee 2007-enheter endast vara slutenheter i ett Zigbee Pro-nätverk. Samtidigt fungerar applikationer som körs på enheter likadant, oavsett implementeringen av stackprofilen.
Zigbee-protokoll är designade för användning i inbyggda applikationer som kräver låga datahastigheter och låg strömförbrukning. Syftet med Zigbee-teknologin är att skapa ett självorganiserande nätverk till låg kostnad med en mesh-topologi utformad för att lösa ett brett spektrum av problem. Nätverket kan användas inom industriell styrning, inbyggda sensorer, medicinsk datainsamling, intrångs- eller brandvarnare, byggnads- och hemautomation, etc. Det resulterande nätverket förbrukar väldigt lite ström - enskilda enheter, enligt Zigbee-certifiering, tillåter energibatterier att fungera två gånger år [3] .
Typiska användningsområden [4] :
Det finns tre olika typer av Zigbee-enheter.
Protokollen är baserade på den nyutvecklade algoritmen AODV (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) och andra trådlösa nätverk) och NeuRFon, designade för att bilda ad-hoc-nätverk (decentraliserat trådlöst nätverk som bildas av slumpmässiga abonnenter) eller noder. I de flesta fall är nätverket ett kluster av kluster. Det kan också ta formen av ett nätverk eller ett ensamt kluster.
För närvarande stöder Zigbee-protokollet nätverk med eller utan närvaromeddelande (beacons). I nätverk med beacons inaktiverade (där ordningen på beacons är 15) används Carrier Sense Multiple Access med Collision Avoidance ( CSMA/CA ). I den här typen av nätverk håller Zigbee-routrar vanligtvis sina mottagare på hela tiden, vilket kräver extra ström. Detta tillåter dock skapandet av heterogena nätverk, där vissa enheter ständigt tar emot data, medan andra överför data endast när det behövs. Ett typiskt exempel på ett sådant nätverk är trådlös ljusstyrning: en Zigbee-nod som är ansluten till en lampa kan ta emot en signal hela tiden eftersom den (liksom lampan) är ansluten till elnätet medan den batteridrivna strömbrytaren förblir i viloläge tills switch ändrade inte tillstånd. När tillståndet ändras går omkopplaren till aktivt läge, skickar ett kommando till lampan, väntar på bekräftelse och återgår till viloläge. I sådana nätverk måste lampnoden vara minst en Zigbee-router (ZR), om inte en koordinator, en switchnod, vanligtvis en Zigbee-ändenhet (ZED).
I beacon-nätverk sänder speciella nätverksnoder, Zigbee-routrar, periodiska beacons för att bekräfta deras närvaro på andra nätverksnoder. Noderna kan vara i viloläge mellan beacons, vilket minskar deras arbetscykel och ökar batteritiden. Beacon-intervall kan variera från 15,36 ms till 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s för 250 kbit/s, från 24 ms till 24 ms * 2 14 = 393,216 s för 40 kbit/s och 2 14 ms för 40 kbit/s till 48, * 48 ms = 48,4 ms s för 20 kbit/s. Emellertid kräver den låga arbetscykeln av operationer (signaler) tillsammans med långa beacon-intervall exakt timing, vilket kan komma i konflikt med kravet på låg produktkostnad.
Generellt sett minskar Zigbee-protokollen påslagningstiden för radiosändare och minskar strömförbrukningen. I beacon-nätverk behöver noder bara vara aktiva medan beaconen sänder. I beaconless nätverk är strömförbrukningen avgjort asymmetrisk, med vissa enheter alltid aktiva medan andra tillbringar större delen av sin tid i viloläge. Zigbee-enheter måste vara kompatibla med IEEE 802.15.4-2003 trådlösa personliga nätverk (exklusive "energy management"-profil 2.0). Standarden definierar de nedre lagren av protokollet - det fysiska lagret (PHY) och accesskontrolldelen (MAC) av länken till datalagret (DLL). Denna standard specificerar drift på ISM-banden 2,4 GHz (världsomspännande olicensierad frekvens), 915 MHz (Amerika) och 868 MHz (Europa). Vid 2,4 GHz finns det 16 Zigbee-kanaler, varje kanal kräver en 5MHz bandbredd. Grundfrekvensen för varje kanal kan beräknas som FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, där ch = 11, 12, ..., 26.
Radion använder bredbandsmodulering med direkt spridningsspektrum, som styrs av bithastigheten i modulatorn. Binär fasskiftnyckling används på 868 och 915 MHz-banden, och offset kvadraturfasskiftningsnyckel, som sänder 2 bitar per symbol, används på 2,4 GHz-bandet. I sin renaste form, när den sänds via luften, är datahastigheten 250 kbps för varje kanal i 2,4 GHz-bandet, 40 kbps för varje kanal i 915 MHz-bandet och 20 kbps för 868 MHz-bandet. Sändningsavståndet är från 10 till 75 meter och över 1500 meter för Zigbee pro, även om det är mycket beroende av den individuella utrustningen. Radions maximala uteffekt är i princip 0dBm (1mW).
Grundläggande kanalåtkomstläge "bärvågsfrekvenskontroll, multipel åtkomst / undvikande av ramkollisioner" ( CSMA / CA - probabilistiskt nätverksprotokoll för kanalnivån (MAC). Det vill säga, innan noderna börjar sända längs vägen för mänsklig informationsutbyte, kontrollerar de kort att ingen av dem sänder innan det allmänna arbetet påbörjas. Det finns tre anmärkningsvärda undantag från driften av CSMA. Beacons skickas inom det angivna tidsintervallet och CSMA används inte. Meddelandebekräftelser använder inte heller CSMA. Slutligen kan enheter i beacon-orienterade nätverk som har låga stealth i realtidskrav också använda garanterade tidsluckor, som per definition inte använder CSMA.
Grundades 2002 som en grupp företag som standardiserar, underhåller och publicerar ZigBee-standarder [5] [6] .
Zigbee-namnet är ett registrerat varumärke som tillhör denna grupp och är inte den enda tekniska standarden. Organisationen publicerar applikationsprofilen, låter många originalutrustningstillverkare (OEM) skapa kompatibla produkter. Förhållandet mellan IEEE 802.15.4-standarden och Zigbee [7] liknar det mellan IEEE 802.11-standarden och Wi-Fi Alliance .
Den 3 mars 2009 gick RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) överens om att arbeta med Zigbee Alliance för att gemensamt distribuera en standardiserad specifikation för RF-fjärrkontroll. Zigbee RF4CE har designats för utbredd användning i fjärrstyrda ljud- och videoprodukter som tv-apparater och set-top-boxar. Detta lovar många fördelar jämfört med befintliga fjärrkontrolllösningar, inklusive ökad kommunikation, ökad driftsäkerhet, ökad kapacitet och flexibilitet, kompatibilitet och undvikande av siktbarriären [8] .
Mjukvaran är utformad för att förenkla processen att bygga små, billiga mikroprocessorer. Radiodesignerna som används i Zigbee är noggrant optimerade för att uppnå ett lågt pris bland det stora antalet produkter i denna linje. Det finns flera analoga steg där digitala kretsar eventuellt används.
Även om själva radiosändarna är billiga, inkluderar Zigbee-kvalificeringsprocessen en fullständig kontroll av fysiska lagerkrav. Sådan detaljerad finjustering av fysiskt lager har många fördelar, eftersom alla radiomoduler som härrör från denna uppsättning halvledarelement kommer att ha samma RF-egenskaper. Å andra sidan, om det fysiska lagret inte är certifierat, kan felaktig användning minska batteritiden i andra enheter som ingår i Zigbee-nätverket. Där andra protokoll kan dölja dålig känslighet eller andra dolda problem, vilket resulterar i förvrängd reducerad respons, har Zigbee-radioapparater allvarliga tekniska begränsningar vad gäller både strömförsörjning och bandbredd. Således testas radioapparater av certifierade laboratorier enligt riktlinjerna i punkt 6 i standarden 802.15.4-2006. Det finns lösningar som kombinerar en mikrokontroller och en radiosändare i ett paket, till exempel mikrokontroller i STM32W-serien från STMicroelectronics .
Zigbee-specifikationen är tillgänglig för allmänheten under icke-kommersiell användning [9] . Zigbee-alliansens ingångsnivå, kallad Adopter, ger tillgång till specifikationer som ännu inte ska publiceras och tillåter skapandet av produkter för kommersiellt bruk av specifikationen. Registrering under användningen av Zigbee-specifikationen kräver att den kommersiella utvecklaren går med i Zigbee-alliansen. "Ingen del av denna specifikation får användas för att tillverka produkter eller sälja utan medlemskap i Zigbee-alliansen." Det finns årliga avgiftskonflikter med GNU General Public License . Enligt paragraf 2-b: "Du måste vara säker på att allt verk du distribuerar eller publicerar, om hela eller delar av det verket innehåller programmet eller härrör från programmet eller någon del av det, måste allt det verket vara licensierat i sin helhet. utan överföring till tredje part, enligt villkoren i denna licens. Eftersom GPL-licensen inte skiljer mellan kommersiell och icke-kommersiell användning är det inte möjligt att licensiera Zigbee-stacken under GPL eller kombinera Zigbee-körning med den GPL-licensierade koden. Kravet på att en utvecklare ska gå med i Zigbee-alliansen står också i konflikt med andra fri mjukvarulicenser [10] .
Användningen av Zigbee-nätverk i Ryska federationen i frekvensområdet 2400–2483,5 MHz kräver inte erhållande av frekvenstillstånd och ytterligare godkännanden [11] (Beslut av den statliga kommittén för radiofrekvenser under Rysslands informations- och kommunikationsministerium daterat 07.05. .2007 nr 07-20-03-001), beslut av den statliga kommittén för radiofrekvenser uppdateras ständigt, beslutet av 07.05.2007 nr 07-20-03-001 har länge genomgått flera förändringar, men innebörden kvarstår nära samma [12] .
Namnet på varumärket kommer från beteendet hos honungsbin efter att de återvänt till kupan.
| Trådlösa sensornätverk | |
|---|---|
| Operativsystem | |
| Branschstandarder |
|
| Programmeringsspråk | |
| Hårdvara |
|
| programvara | |
| Ansökningar |
|
| Protokoll | |
| Konferenser / Tidningar |
|
| hemautomation | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kontrollera | |||||||||
| Sensorer | |||||||||
| Skådespelare |
| ||||||||
| Ansökningar |
| ||||||||
| Protokoll | |||||||||
| Ambient Intelligence | |
|---|---|
| Begrepp |
|
| Teknologi |
|
| Plattformar | |
| Ansökan |
|
| Första upptäcktsresande |
|
| se även |
|