ZigBee – перспективная технология для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации

ZigBee – перспективная технология для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации

- перспективная технология для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации

Содержание

Введение

. Сравнительные характеристика протоколов организации беспроводных сетей

.1 Что такое беспроводные сети?

.2 Преимущества ZigBee

.3 Сравнение стандартов семейства 802.15 и 802.11b

.3.1 Организация WiFi сети

.3.2 Организация Bluetooth сети

.3.3 Организация ZigBee сети

.3.4 Организация UWB сети

. Организация сети ZigBee

.1 Структура сети ZigBee 802.15.4

.2 Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

.3 Топология сети ZigBee

. Реализация устройства ZigBee на базе однокристального модуля

.1 Решение на основе чипа “Freescale” MC13192

.2 Варианты аппаратных решений ZigBee на кристаллах различных производителей

.2.1 Приемопередатчики ZigBee компании Ember

.2.2 Отладочные средства для сетей ZigBee компании Ember

.2.3 Отладочные средства для кристалла EM 250

.2.4 Отладочные средства для кристалла EM 260

.2.5 Отладочные средства для кристаллов EM2420+Atmega128L

.3.a Програмные обеспечение Freescale

.3.б Програмные обеспечение Ember

.3.б.1 Стек протоколов ZigBee

.3.б.2 Библиотеки EmberZNet

.3.б.3 Компилятор xIDE for EM250

.3.б.4 Анализатор трафика InSight Desk Top

.3.с Технология программирования

Заключение

Список используемой литературы

Введение

ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и выключателей с батарейным питанием. Cтандарт ZigBee (6 947 Кб) <#"650532.files/image001.jpg">

Технология беспроводной передачи данных WiFi, основана на стандарте IEEE 802.11. Стандарт IEEE 802.11, определяет протоколы, необходимые для организации локальных беспроводных сетей (WLAN). Основные из них - протокол управления доступом к среде MAC (Medium Accsess Control) и протокол передачи сигналов в физической среде PHY. В качестве основного метода доступа к среде, стандартом 802.11, определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий). В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. WiFi ориентирован на передачу относительно больших объемов информации, - это может быть потоковое видео, HiFi аудио, голос, ЛВС.

1.3.2 Организация Bluetooth сети

Беспроводная технология Bluetooth, основана на стандарте IEEE 802.15.1, является стандартом, определяющим функционирование компактных систем связи на небольших расстояниях между мобильными персональными компьютерами, мобильными телефонами и иными портативными устройствами. Bluetooth представляет собой недорогой радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона около 100 м. Для работы радиоинтерфейса Bluetooth используется так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (industrial, scientific, medical), предназначенный для работы промышленных, научных и медицинских приборов. Радиоканал обладает полной пропускной способностью в 1 Мбит/с, что обеспечивает создание асимметричного канала передачи данных на скоростях 723,3/57,6 Кбит/с или полнодуплексного канала на скорости 433,9 Кбит/с. Если данные не передаются, то через Bluetooth-соединение можно передавать до 3-х дуплексных аудиоканалов по 64 Кбит/с в каждом направлении. Возможна также и комбинированная передача данных и звука. В части организации обмена данными Bluetooth соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону со скоростью 1600 переключений в секунду в полосе 2400-2483,5 МГц. Bluetooth работает как многоточечный радиоканал, управляемый, аналогично сотовой связи GSM, многоуровневым протоколом.

1.3.3 Организация ZigBee сети

ZigBee (IEEE, 802.15.4) - это стандарт для низкоскоростных персональных сетей беспроводной связи - Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Всего за ним закреплено 27 каналов в трех эфирных диапазонах. Общий для всего мира на частоте 2,4 ГГц (16 каналов), дополнительный для США на 915 МГц (10 каналов) и такой же на 868 МГц для Европы (один канал). Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и колеблется от 256 кбит/с, до скромных 20. Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), физический уровень использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-QPSK) на частоте 2,4 ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных, что позволяет использовать метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения.

1.3.4 Организация UWB сети

UWB (Ultra Wideband) - технология радиочастотной связи, основанная на передаче импульсов очень короткой продолжительности (несколько наносекунд и даже меньше) в самом широком на сегодня диапазоне частот (от 3 до 10 ГГц), из-за чего скорость передачи данных может достигать очень больших значений. Оборудование, использующее эту технологию, потребляет меньше мощности и при работе на одинаковых частотах с другими коммуникационными устройствами не создает существенных помех. Сфера применения данной технологии не ограничивается только беспроводными коммуникациями, UWB так же может использовать для передачи данных коаксиальные кабеля или витые пары с потенциальной скоростью передачи данных более 1 Гигабита в секунду.фундаментально отличается от других радиочастотных способов связи. Уникальность технологии состоит в том, что она не использует в качестве несущего сигнала синусоиду. Вместо этого используются модулированные высокочастотные низкоэнергетические импульсы с длительностью менее 1 нс.

Так как UWB использует широкий диапазон частот, скорость беспроводной передачи данных может достигать 480 Мбит/с, но на очень небольших дистанциях - до 3 метров. При увеличении расстояния до 10 метров можно достичь скорости не более 100 Мбит/с. В этом кроется основная проблема данной технологии: с увеличением расстояния резко падает скорость передачи данных, гораздо быстрее чем у Wi-Fi сетей.

2. Организация сети ZigBee

определяет характер работы сетей датчиков. Устройства образуют иерархическую сеть, корнем которой является координатор ZigBee. Маршруты могут учитывать иерархию, возможна также оптимизация информационных потоков

1.      Координатор ZigBee определяет сеть и устанавливает для нее оптимальные параметры

2.      Маршрутизаторы ZigBee включаются в сеть либо через координатор ZigBee или через другие, уже входящие в сеть маршрутизаторы

.        Оконечные устройства могут соединяться с любым маршрутизатором ZigBee или координатором ZigBee

.        По умолчанию трафик сообщений распространяется по ветвям иерархии

.        Если маршрутизоры имеют соответствующие возможности, они могут определять оптимизированные маршруты к определенной точке и хранить их для последующего использования в таблицах маршрутизации

2.1 Структура сети ZigBee 802.15.4

Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации.

В 2001 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE разработал новый стандарт 802.15.4 семейства беспроводных персональных сетей WPAN. В 2002 году был организован альянс ZigBee. Альянс ZigBee - это консорциум поставщиков полупроводниковых компонентов, производителей готовых решений, а также конечных потребителей (всего более 90 компаний), который разрабатывает глобальную спецификацию программного стека протоколов ZigBee на базе стандарта IEEE 802.15.4 для надежных, с низкими энергозатратами беспроводных приложений с поддержкой различных сетевых топологий типа «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть» [1].

Технология ZigBee заняла нишу радиоинтерфейсов для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением, где использовались либо технологии с более высокими эксплутационными характеристиками и с высоким энергопотреблением, либо решения, базирующиеся на микросхемах радиотрансиверов различных производителей, не относящихся ни к одному из распространенных стандартов. Приведенные на рис. 1 стандарты (Bluetooth, WLAN) отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с) и с дальностью передачи от 10 до 100 метров. Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов). Все это позволяет заменить проводные соединения в таких системах, как компьютерные и развлекательные системы, вычислительные сети. Однако существует огромное множество систем (разнообразные датчики, системы контроля и сбора информации и т. д.), обладающих особой спецификой (небольшие объемы передаваемой информации, малое энергопотребление, простота установки и обслуживания, большое количество узлов сети и т. п.), вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со 100-процентой эффективностью использовать упомянутые технологии. Именно на реализацию подобных задач нацелен стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей (рис. 1).

Рис. 1. Классификация основных беспроводных стандартов

Применение технологии ZigBee/802.15.4 позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC [2]

2.2 Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

Таблица 2

Спецификация ZigBee-стека определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств.

Глобальная спецификация ZigBee для беспроводных приложений, основанная на едином стандарте 802.15.4, изначально нацелена и сфокусирована на приложениях мониторинга и контроля, распределенных сетях датчиков, на развертывании беспроводных информационных сетей для недорогих низкопотребляющих систем, использующихся в коммерческой, промышленной и домашней автоматике (рис. 2).

Рис. 2. Области применения технологии ZigBee / 802.15.4

Одним из основных преимуществ стандарта 802.15.4/ZigBee является простота установки и обслуживания подобных систем. Особенности спецификации ZigBee позволяют с легкостью развертывать беспроводные персональные сети: «вы просто вынимаете устройство из коробки, вставляете батареи и совершаете простую операцию наподобие нажатия клавиши - подносите два устройства друг к другу, нажимаете кнопки и держите до тех пор, пока не загорятся зеленые светодиоды». Таким образом, происходит объединение двух устройств в сеть либо привязка, например, выключателя света к определенной лампе. Реализация данного принципа предполагает внедрение ZigBee-модулей во все новые приборы и системы для дома и офиса. В результате появляется возможность создания единой сети совместимых устройств от разнообразных производителей.

Главный критерий внедрения новых технологий на крупных предприятиях - конечная цена одного устройства.

Цена вопроса в такого рода приложениях крайне высока, и в промышленных масштабах даже десятые доли цента играют огромную роль. Тем не менее, основным способом снижения стоимости конечного решения ZigBee является наличие большого числа потенциальных и существующих рынков и увеличение объемов поставок электронных компонентов от производителей. А ведь рынок бытовых устройств просто огромен и исчисляется миллиардами единиц [5].

Стоимость решений, базирующихся на стандарте 802.15.4/ZigBee, сейчас составляет около 5$ и будет постепенно снижаться до 2$ в течение нескольких лет (в цену входят микроконтроллер, радиотрансивер, программный стек).

Однако все зависит от составляющих элементов схемы. Некоторые решения позволяют использовать уже существующий микроконтроллер (МК) в системе, в других приложениях необходим дополнительный МК.

Например, использование только микросхемы приемопередатчика и программного обеспечения стека может добавить к стоимости конечного изделия порядка 2-4$, в то время как стоимость конечного изделия может возрасти на 5-6$, если потребуется применение более дорогого МК в системе или же использование дополнительного МК для реализации стека.

Стек протоколов ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee [1].

Реализация беспроводной сети возможна и без использования ZigBee-стека. Любой собственный стек может использовать уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет два нижних уровня стека: уровень доступа к среде (MAC) и физический уровень передачи данных в среде распространения (PHY), то есть нижние уровни протокола беспроводной передачи данных [2]. Альянс определяет программные уровни стека ZigBee от уровня канала передачи данных (Data Link Control) до уровня профилей устройств (ZigBee Profiles). Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов (табл. 2). Уровень PHY осуществляет активацию-дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала. Важно понимать, что стандарт 802.15.4 - это физическое радио (микросхема радио-приемопередатчика), а ZigBee - это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.

Далее в структуре стека ZigBee следует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, организацию сети, формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.

Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK, CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных.

Для предотвращения нежелательных взаимодействий возможно использование временного разделения на основе протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий).

Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются» для приема сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять передачу данных. Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), что не позволяет использовать метод CSMA-CA для обнаружения коллизий - только для их предотвращения.

Создание библиотеки единых профилей устройств, работающих в сети ZigBee, призвано обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. Пользовательские профили (набор сервисов, необходимый для устройств определенного типа, например систем освещения или пожарных датчиков), находящиеся на самой вершине стека ZigBee, предоставляют типовые программные модули для использования в отдельных приложениях

2.3 Топология сети ZigBee

Стек ZigBee поддерживает разнообразные конфигурации сети и позволяет объединять устройства по следующим топологиям: «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть». Сетевые функции стека обеспечивают сканирование сети для детектирования активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, функции маршрутизации. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу. На рис. 3 наглядно представлены различные варианты топологий сетей ZigBee.

Рис. 3 Различные топологии сетей ZigBee/802.15.4

Компания Freescale Semiconductor начала в числе первых предлагать законченные решения по реализации беспроводных соединений различной степени сложности на базе стандарта IEEE 802.15.4 [3]. Номенклатура продукции компании включает микросхемы радиотрансиверов МС13191/2, работающих в диапазоне ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 ГГц, специализированные 8-битные микроконтроллеры MC9S08GB/GT, наборы программного обеспечения для реализации беспроводных интерфейсов любой топологии - от простых соединений типа «точка-точка» и «звезда» до сложных сетевых топологий типа «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть» на базе стека ZigBee, что позволяет создавать готовые беспроводные решения 802.15.4 / ZigBee на компонентах одного производителя.

Линейка радиомодемов компании Freescale Semiconductor включает две микросхемы приемопередатчиков МС13191 и МС13192.

Радиомодемы работают на частоте 2,4 ГГц, соответствуют уровням MAC/PHY стандарта 802.15.4 (МС13192) и обеспечивают скорость передачи данных до 250 кбит/с. Микросхемы являются универсальными RF-приемопередатчиками, которые могут использоваться для организации любого радиоинтерфейса (не только ZigBee-совместимого). Для обмена данными возможно использование двух режимов: пакетный и потоковый режимы передачи.

3. Реализация устройства ZigBee на базе однокристального модуля

.1 Решение на основе чипа “Freescale” MC13192

Для решения данного круга задач и был разработан стандарт низкоскоростных БСПД IEEE 802.15.4. Его разработчиком выступил альянс компаний (Invensys, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips и др.), назвавший себя ZigBee - (от Zig-zag - зигзаг и Вее -пчела). Подразумевалось, что топология сети будет напоминать зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к цветку. Под таким замысловатым названием технология ZigBee и получает все большее распространение.

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0-868,6 МГц (для Европы); 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот - 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц); 16 каналов в диапазоне 2450 МГц (шаг центральных частот - 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц). Соответственно, скорость в каналах - 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц), 40 Кбит/с (915 МГц) и 250 Кбит/с (2450 Мгц) (табл.3).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуляция и расширяющие последовательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц различны.

В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на группы по четыре бита. Каждая группа заменяется одной из 16 квазиортогональных последовательностей длиной 32 бита (чипа). Последовательности приведены в стандарте. Модуляция данных - квадратурная фазовая (QPSK). Четные чипы квазиортогональной последовательности (начиная с нулевого) модулируют синфазный (I) канал, нечетные - квадратурный (Q) канал. В результате последовательность в квадратурном канале смещена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется Offset-QPSK (QPSK со сдвигом).

Таблица 3.Частотные диапозоны и скорости передачи в сетях IEEE 802.15.4

Рис.4 Топология сети IEEE 802.15.4 типа “звезда” и каждый с каждым

Рис.5 Объединение нескольких кластеров в сети 802.15.4

Длительность импульса после квадратурного модулятора вдвое больше, чем длительность одного чипа (форма импульса - половина периода синусоиды с частотой, вдвое меньшей частоты чипов).

Рис.6 Структура пакетов физического уровня стандарта IEEE 802.15.4

В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию по схеме E = Ei-1  R, Е = 0. Здесь R и E - биты до и после кодирования, соответственно. Далее происходит замена каждого бита расширяющей последовательностью длиной 15 бит ("1" заменяется на 053716, "0" - на инверсную последовательность 7АС816). Затем преобразованный поток данных передается в радиоканал посредством двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK). Форма импульса при этом соответствует так называемому приподнятому косинусу, в данном случае - функции вида [sin (x)]/ /[x(1-x2)], где x = 2π ft, t = 0..1/f. Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств - т.н. полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD). Их основное различие в том, что FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD - только с FFD. В каждой пико сети (PAN) должно быть устройство - координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD.

Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа "звезда". Если в сети несколько FFD, топология может быть более сложной - типа "каждый с каждым" (рис.4) или представлять собой объединение нескольких звездообразных кластеров (рис.5). Но в любом случае одно из FFD выполняет функцию координатора сети. Каждому устройству сети присваивается 64-разрядный адрес. Отметим, что стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках одной PAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения(simplification) обмена внутри сети координатор PAN может присвоить устройствам более короткие 16-разрядные адреса. В этом случае для межсетевого(internet) взаимодействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, также назначаемые координатором.

Информационный обмен в пико сети происходит посредством последовательности суперфреймов. В общем случае суперфрейм включает управляющий интервал (beacon), за ним следует интервал конкурентного доступа (САР- contention access period), в соответствии с механизмом CSMA/CA, и период назначенного доступа. Последний содержит набор временных интервалов, назначенных определенным устройствам, чувствительным к задержкам, для передачи данных (гарантированные тайм-слоты, GTS) - например, для связи беспроводного манипулятора "мышь" с компьютером. Управляющий интервал передает только координатор PAN. Отметим, что в суперфрейме может не быть ни управляющего интервала, ни GTS. В общем, структура суперфреймов аналогична принятой в стандарте IEEE 802.15.3 .

Каждое устройство передает информацию посредством фреймов (пакетов). Они могут быть четырех типов - управляющие (beacon frame), фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд МАС-уровня. Фреймы физического уровня (рис.6) содержат заголовок с синхропоследовательностью и информацией о размере фрейма (до 127 байт) и собственно поле данных - пакет МАС-уровня. Последний содержит заголовок со всей необходимой информацией о фрейме (тип, наличие криптозащиты, необходимость подтверждения приема и т.п.), адреса и идентификаторы устройства - отправителя и получателя, собственно поле данных и проверочную контрольную сумму. Сама процедура обмена информацией может использовать пакеты подтверждения приема данных (если потеря пакета критична).

В заключение нашего очень беглого обзора отметим, что рассмотренные стандарты весьма активно поддержали производители ИС. Недавно появились первые чипсеты стандарта IEEE 802.15.3. Так, Freescale Semiconductor, дочерняя компания фирмы Motorola, выпустила чипсет XS110 из трех микросхем - трансивера с ВЧ(высокая частота-High frequency)-трак-том, baseband-процессора (коммуникационный процессор, выполняющий все преобразования физического уровня, включая ЦАП/АЦП) и МАС-контроллера.

Рис.7 Структура кадров MAC-уровня стандарта IEEE 802.15.4

Рис.8 Однокристальный модем MC 13192 компании Freescale Semiconductor

Максимальная скорость, обеспечиваемая модемом на основе этого чипсета, - 114 Мбит/с (т.е. речь идет о версии стандарта на основе технологии DS-UWB). Энергия потребления чипсета - 750 мВт, напряжение питания - 3,3 В. Общая мощность излучения в полосе частот 3,1-10,6 ГГц менее 1 мВт. Микросхемы изготовлены на основе 0,18-мкм КМОП-и SiGe-технологии.

Для сетей IEEE 802.15.4 (ZigBee) чип сеты производит уже достаточно широкий круг производителей. Характерен продукт той же компании Freescale Semiconductor - однокристальный модем МС13192 для диапазона 2,4 ГГц . Это - законченное решение беспроводного модема. Устройство содержит интерфейс с микроконтроллером и может применяться во множестве задач.

3.2 Варианты аппаратных решений ZigBee на кристаллах различных производителей

3.2.1 Приемопередатчики ZigBee компании Ember

Компания Ember специализируется на разработке полупроводниковых кристаллов(Semi-conductor chip), отладочных средств(checkout device) и программного обеспечения(software) для беспроводных сетей датчиков. Она является одним из восьми основателей альянса ZigBee и предлагает сегодня программное обеспечение EmberZNet, сертифицированное альянсом.

Технология Ember позволяет строить беспроводные сети с топологиями "звезда","дерево", "мэш", в которых узлы способны самостоятельно распознавать друг друга без какой-либо сложной настройки, выполнять ретрансляцию сообщений, самостоятельно выбирать наилучший маршрут и находить новый маршрут в случае выхода из строя одного из узлов.

Компания Ember выпускает сегодня три различных кристалла для реализации устройств ZigBee: EM2420, EM250, EM260. Они различаются между собой по функциональному назначению, составу внутренних узлов и характеристикам собственно приемопередатчика ZigBee.

Реализует функции физического уровня (PHY) и многие функции уровня управления доступом к среде (МАС) стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee. Требует малого количества внешних компонентов.

 Частотный диапазон 2.4 ГГц

 Скорость передачи данных: 250Кбит/c

 Встроенный управляемый переключатель прием/передача

 Низкий ток потребления (RX:19.7мА; TX:17,4мА; sleep:1мкА)

 Напряжение питания: 2.1 - 3.6В (имеется внутренний стабилизатор)

 Программируемая выходная мощность(Output power): -32...0 дБм

 Чувствительность приемника(receiver sensitivity): -94 дБм

 Встроенные буферы (RX-буфер - 128 байт, TX-буфер - 128 байт)

 Определение мощности принимаемого сигнала

 Аппаратные аутентификация и шифрование по AES-128

 Монитор батареи

 Температурный диапазон: -40°C...+85°С

 Корпус QLP48 (7мм x 7мм)

 SPI-интерфейс для связи с микроконтроллером

EM250

Однокристальное решение для построения экономичного устройства ZigBee

Включает приемопередатчик 2,4ГГц стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, малошумящий(low noise) усилитель в цепи приемника, усилитель в цепи передатчика, малопотребляющее 16-разрядное ядро XAP2, предназначенное как для выполнения сетевых функций, так и функций приложения.

Состав периферийных узлов:

 FLASH: 128K/RAM: 5K/EEPROM

 Защита от несанкционированного доступа к памяти

 Два последовательных канала с поддержкой DMA

 Три 16-разрядных таймера

 Сигма-дельта АЦП (12-разрядов)

 Регулятор напряжения и монитор батареи питания

Характеристики радиоканала:

 Мощность передатчика: до 5 дБм (режим Boost)

 Чувствительность приемника: -98 дБм (режим Boost)

 Аппаратное 128-разрядное шифрование данных

 Температурный диапазон: -40°C...+85°С

 Напряжение питания: 2.1 - 3.6В

 Корпус QLP48 (7мм x 7мм)

EM260

Сетевой сопроцессор для устройства ZigBee

Содержит приемопередатчик диапазона 2,4ГГц стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee и малопотребляющее 16-разрядное ядро XAP2, которое предназначено только для поддержки стека протоколов ZigBee. Для управления приложением используется дополнительный микроконтроллер любого типа, связь с которым осуществляется по SPI.

Библиотека EmerZNet для кристалла EM260 аналогична библиотекам для кристаллов EM2420 и EM250, но предоставляется уже в откомпилированном виде, готовом для "прошивки" в кристалл EM260.

Особенности:

 Низкое энергопотребление ((RX:26мА; TX:27мА; sleep:1мкА)

 Мощность передатчика: до 5дБм

 Чувствительность приемника: -98 дБм

 Температурный диапазон: -40°C...+85°С

 Напряжение питания: 2.1 - 3.6В

 Корпус QLP40 (7мм x 7мм)

беспроводной сеть zigbee

3.2.2 Отладочные средства для сетей ZigBee компании Ember

Отладочные средства компании Ember обеспечивают настройку приложения ZigBee на сетевом уровне. Основной сетевой отладочной программой при этом является программа-анализатор трафика Insight DeskTop, которая собирает трафик беспроводной сети через резервный канал(cached circuit) Ethernet. Для сбора трафика беспроводной сети используются устройства, получившие названия снифферов. Эти устройства постоянно слушают эфир и передают все пакеты через проводную локальную сеть программе InSight DeskTop. Также к локальной сети могут быть подключены и отдельные узлы сети ZigBee.

Кроме сбора трафика такая система позволяет программисту "перепрошивать" узлы беспроводной сети через резервный канал Ethernet или по радиоканалу.

Таким образом, разработчик распределенной сети может на экране одного компьютера наблюдать взаимодействие всех беспроводных узлов и перепрограммировать эти узлы, не покидая своего рабочего места.

3.2.3 Отладочные средства для кристалла EM250Jump Start Kit

Отладочный комплект содержит необходимые программные и аппаратные средства для реализации беспроводной сети Zigbee, состоящей из трех узлов, имеющих выход на резервный канал Ethernet. Возможно отдельное приобретение различных составляющих комплекта и расширение сети, как при помощи фирменных целевых устройств, так и при помощи целевых плат собственной разработки, выполненных на базе EM250.

Целевое устройство, представляющее собой один узел беспроводной сети, реализовано в отладочном комплекте в виде двух плат: базовой платы EM250_BRBD (EM250 Breakout Board) и мезонинного радиомодуля EM250_RCM (EM250 Radio Communication Module). Базовая плата содержит регулятор напряжения, интерфейсные узлы, набор отладочных кнопок и светодиодов, динамик и макетное поле. Радиомодуль выполнен на базе приемопередатчика ZigBee EM250 с необходимыми внешними компонентами, интегрированной антенной и SIF-разъемом для программирования и отладки.

Insight Adapter представляет собой многофункциональное устройство, которое обеспечивает связь целевого узла с резервным каналом Ethernet. Библиотека Ember выполнена таким образом, что приемопередатчик в режиме отладки, посылая каждое сообщение в эфир, дублирует его также в отладочный SIF-порт. Поэтому, если узел подключен при помощи устройства InSight Adapter к локальной сети, то все пакеты, отсылаемые узлом в эфир, будут переданы также в центральную отладочную прогамму InSight DeskTop. InSight Adpater можно также использовать в качестве программатора для EM250 и EM260 и, наконец, InSight Adapter совместно с целевым устройством при зарузке в последнее специального программного кода становится сниффером сети ZigBee.

Для отладки большой сети удобно иметь несколько снифферов, расположенных, например, в разных концах здания, и передающих через канал Ethernet на единый отладочный компьютер информацию о трафике сети Zigbee в радиусе своего действия. Версия "Developer Edition" программы InSight DeskTop <#"650532.files/image021.jpg">

Рис.8 Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI

При разработке беспроводной системы в стандарте IEEE 802.15.4/ZigBee не стоит обязательного требования реализации протоколов всех семи уровней, а имеется возможность построения сетей различной сложности.

В любом случае ZigBee устройство кроме высокочастотного приемопередатчика должно содержать микроконтроллер, реализующий тот или иной поднабор протоколов стандарта ZigBee.Компания Freescale предлагает три варианта реализации сети, различающиеся по своей сложности и стоимости (рис.9).

Рис.9 Сетевые уровни трансиверов протокола ZigBee

Первый вариант предполагает использование бесплатного пакета SMAC <#"650532.files/image023.jpg">

Стек протоколов ZigBee

Согласно спецификации ZigBee1.0, главным и обязательным узлом в сети является координатор, который формирует сеть, задавая номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID. Остальные узлы ( роутеры и конечные устройства) затем подключаются к координатору. Совокупность параметров сети, определяемых на уровне приложения и обеспечивающих совместимость узлов в сети (например, количество уровней "дерева", максимальное количество присоединяемых роутеров, узлов и т.д.), называется профилем приложения.

Каждая организация может использовать частный профиль, может опубликовать свой профиль или может использовать профиль, закрепленный альянсом ZigBee. В настоящее время официально стандартизован профиль HCL (Home Control Lighting), который регламентирует параметры беспроводной сети для управления осветительным оборудованием и имеет целью обеспечить совместимость конечных устройств различных производителей.

3.3.б.2 Библиотеки EmberZNet

Компания Ember предоставляет сегодня разработчикам, использующим приемопередатчики Ember, следующие версии дистрибутивов с библиотеками, реализующими стек протоколов беспроводной сети:

 EmberZNet v.2.5 for EM2420/AVR

 EmberZNet v.2.5 for EM250

 EmberZNet v.2.5 for EM260

Каждый дистрибутив содержит по две библиотеки tree-stack и mesh-stack для реализации соответственно сетей с топологией дерево и ячеистых сетей.

Стек EmberZNet

В сети с топологией "дерево" маршруты для передачи сообщений жестко заданы структурой "дерева", часто они могут быть неэффективными. Координатор в такой сети содержит всю необходимую информацию о сетевых маршрутах и поэтому для функционирования сети он всегда должен находиться в работоспособном состоянии. В ячеистой сети всегда осуществляется маршрутизация, т.е. поиск наиболее эффективного маршрута, при выборе которого учитывается не только количество промежуточных узлов, но и качество связи на каждом участке сети, что позволяет найти наиболее надежный путь для передачи сообщения. Таблицы маршрутизации в ячеистой сети распределены по всей сети и поэтому при выходе из строя координатора сеть не теряет своей работоспособности.

Библиотека EmberZNet_tree соответствует первой версии спецификации ZigBee. На ее базе могут быть построены устройства, реализующие стандартный профиль ZigBee для реализации систем управления осветительным оборудованием (HCL - Home Control Lighting).

Библиотеки Ember, как показано на рисунке, реализуют дополнительный транспортный уровень над стандартным уровнем поддержки приложений APS. Транспортный уровень обеспечивают программисту дополнительные сервисы при передаче сообщений такие, например, как возможность передачи групповых сообщений в сети, более простую адресацию в сети и более эффективные механизм маршрутизации для систем сбора данных. Важным преимуществом библиотек Ember является поддержка работы с мобильными и батарейными беспроводными узлами.

Состав дистрибутивов EmberZNet:

·             Библиотека "tree-stack" (в объектных кодах)

·             Библиотека "mesh-stack" (в объектных кодах)

·             Подпрограммы уровня взаимодействия с аппаратной частью HAL (в исходных кодах)

·             Утилиты

o     загрузчик

o     подпрограммы работы с ADC, UART

·             Примеры готовых приложений (в исходных кодах)

o     Simple-Lighting (пример приложения с использованием стандартного профиля HCL)

o     Sensor (пример приложения для ячеистой сети - система сбора данных от удаленных датчиков)

o     Rangetest - простое приложение, предназначенное для тестирования аппаратной части (радиуса действия)

·             Документация

o     Описание API-функций взаимодействия приложения и библиотек

o     Руководства разработчика

Техническая документация на микросхемы и отладочные платы

3.3.б.3 Компилятор xIDE for EM250

Для подготовки программного кода для кристалла EM250 компания Ember предлагает пакет xIDE for EM250, который представляет собой интегрированную отладочную среду (IDE) и содержит менеджер проекта, редактор текста, ассемблер, компилятор, линковщик и отладчик.

Пакет EmberZNet содержит несколько простых проектов, которые разработчик может использовать в качестве основы для своей собственной разработки.

Для того, чтобы загрузить проект необходимо открыть файл-проекта с расширением XIW. Рабочая область xIDE for EM250 позволяет одновременно загружать несколько проектов. Интегрированная среда содержит справочную систему, позволяющую быстро освоиться с новым компилятором.

Результатом компиляции проекта являются два файла с расширениями XPV и XDV соответственно. Первый из этих файлов является собственно программным кодом, а второй содержит постоянные переменные приложения.

"Прошивку" кристалла можно осуществлять или при помощи программы InSight DeskTop или из командной строки с использованием утилиты em250_load.exe. Эта утилита включена в состав драйверов для InSight DeskTop и появляется в директории SIF/bin при установке компилятора xIDE for EM250.

В качестве аппаратного средства для загрузки программного кода в кристалл необходимо использовать отладочную плату Ember InSight Adapter.

3.3.б.4 Анализатор трафика InSight DeskTop

Программма InSight Desktop представляет собой анализатор трафика беспроводной сети ZigBee и является мощным отладочным средством. Она позволяет записывать, декодировать и фильтровать пакеты, передаваемые в сети, а также отображает взаимодействие узлов в графической форме.

Сообщения записываются в лог-файл в порядке их поступления. Важной особенностью является возможность при отображении лог-файла группировать пакеты в транзакции заданного уровня (MAC-уровня, сетевого уровня или транспортного). Выполняя пошаговый просмотр лог - файла, разработчик имеет возможность лишь по мере необходимости вникать в подробности более низких уровней и быстро выявлять причины неправильной работы сети.

Графическое окно позволяет загружать план местности, где эксплуатируется сеть (чертеж здания, садового участка, гаража в формате JPEG). Наблюдение взаимодействия узлов на фоне реального плана делает отладочный процесс еще более наглядным и может также использоваться уже в готовой системе для контроля работы сети.

Взаимодействие с сетью

InSight Desktop взаимодействует с сетью через резервный канал Ethernet. Разработчик, посылая сообщения узлам через резервный канал, может управлять распределенной системой.

Основные компоненты

Для того, чтобы иметь возможность собирать сетевой трафик технология InSight содержит следующие основные программные компоненты

 Отладочная часть библиотеки EmberZNet

 Программный код "Sniffer firmware"

 Программный код "Backchannel firmware"

 Анализатор трафика InSight Desktop

Программный код "sniffer firmware" выполняется микроконтроллером одного из узлов. Этот узел собирает все пакеты, которые ему слышны в сети с заданным идентификатром PAN ID и пересылает их на компьютер при помощи резервного канала Backchannel.

Программный код "Backchannel Firmware" выполняется эмуляционным модулем, который представляет собой сопроцессор, расположенный на отладочной плате между основным процессором узла и каналом Ethernet. Эмуляционный модуль передает весь принимаемый от основного процессора трафик в сокеты TCP/IP. InSight Desktop взаимодействует с отладочной платой через эти сокеты TCP/IP. Программный код Backchannel firmware уже прошит во все отладочные платы поставляемые Ember.

3.3.С Технология программирования

Основные группы API-функций стека EmberZNet

осуществляется при помощи переменных, API-функций и callback -функций. В случае использования сопроцессора EM260, API-функции заменяются на транзакции SPI, а вместо вызова callback-функции сопроцессор формирует сигнал прерывания для внешнего микроконтроллера.

При помощи переменных программист задает количество конечных точек для данного узла и параметры профиля сети (количество уровней "дерева", максимальное количество подключаемых роутеров, максимальное количество подключаемых конечных устройств).

Основные группы API-функций пакета EmberZNet1.0 и некоторые их примеры представлены в таблице. В состав пакета входит подробное описание каждой функции. Видно, что программист должен позаботиться об инициализации стека и собственно беспроводной сети. Для функционирования стека в теле основного цикла должна вызываться функция EmberTick().

Для того, чтобы из множества слышимых сообщений стек мог выделить относящуюся к данному узлу информацию, приложение перед тем, как принимать и передавать сообщения, должно установить связи (bindings), т.е сохранить в памяти адреса своих корреспондентов. В зависимости от приложения эти связи могут быть постоянными или временными. В первом случае данные об адресатах могут записываться в энергонезависимую память, а во втором в оперативную, что позволяет их удалять из памяти, высвобождая место для новых адресатов.

Главным узлом в сети ZigBee является координатор. Он отвечает за образование сети при помощи функции emberFormNetwork(), другие узлы затем подключаются к сети при помощи функции emberJoinNetwork(). Координатор и роутеры могут разрешать и запрещать присоединение к сети при помощи функции emberPermitJoining(). Например, при разворачивании системы на объекте присоединение к сети первоначально может быть разрешено, но после того, как все узлы будут установлены и образование сети произойдет успешно, монтажник может при помощи какой-либо условной кнопки запретить дальнейшее наращивание сети.

Передача и прием сообщений осуществляются при помощи буферов, организуемых в памяти, для работы с которыми также предлагается ряд функций.- функции представляют собой процедуры, которые определяются в приложении, но вызываются стеком в определенных известных ситуациях. Например, если стек принял из сети сообщение, которое адресовано данному узлу, то он вызывает callback-функцию emberIncomingMessageHandler(), содержание которой заранее задал программист конечного приложения. Перечень callback - функций, которые должен определить программист, также приведен в описании стека.

Технология программирования целевого устройства, использующего стек Ember, состоит из нескольких этапов. Предварительно в Boot-блок памяти микроконтроллера записывается предоставляемый компанией Ember загрузчик Bootloader, который затем позволяет загружать код приложения по последовательному каналу и затем модифицировать его по радиоканалу.

При помощи предоставляемого приложения "rangetest" разработчик целевой платы еще до разработки программного кода имеет возможность протестировать качество радиотракта своего устройства (максимальную дальность передачи при заданном уровне ошибок) и занести в энергонезависимую память данных параметры, необходимые для работы стека и приложения.

В состав пакетов Ember также входят примеры готовых приложений в исходных кодах для реализации узла-шлюза (studiogateway) между беспроводной сетью и персональным компьютером, узла-координатора, осуществляющего сбор данных с удаленных датчиков, и узлов-роутеров, посылающих координатору данные со своих датчиков.

Как и прочие беспроводные стандарты - Wi-Fi, RFID и Bluetooth, ZigBee работает на радиочастотах, не требующих получения лицензии, а потому использовать устройства ZigBee может любой желающий. Впрочем, не это является его конкурентным преимуществом. Привлекательность новинки, в отличие от прочих “радиоштучек”, состоит в сверхмалом энергопотреблении микропередатчиков. Утверждается, что построенная на базе ZigBee система полива поля для гольфа сохранит свою работоспособность на протяжении 7 лет без необходимости замены элементов питания в датчиках. Причем именно в системах, состоящих из множества датчиков, автоматически объединяющихся в сеть, преимущества ZigBee будут наиболее заметны.

Главный секрет экономичности заключается в том, что изделия на основе ZigBee передают небольшие объемы данных и работают со скоростью около 250 Kbit/s, то есть являются достаточно медленными устройствами. Впрочем, для получения данных от датчиков типа “включено/выключено” этого вполне хватает. Один из разработчиков нового стандарта даже признался в интервью сетевому изданию WiredNews, что на первых порах оппоненты в открытую смеялись над энтузиастами стандарта - скорости передачи позавчерашнего дня никогда и никому больше не будут интересны. Но жизнь показала, что как для перевозки почты не требуется спортивный “Феррари”, так и для передачи небольших объемов данных не требуется сверхскоростной канал. Важнее экономичность и простота устройства - именно эти преимущества обеспечивают востребованность ZigBee для повседневного использования.

Другая особенность технологии - простота масштабирования сети, функционирующей по технологии ZigBee. Без каких-либо переделок или дополнительной адаптации на основе ZigBee может быть построена сеть из нескольких датчиков или создана гигантская система из многих сотен радиосенсеров. Для стандарта, претендующего на массовость и ориентированного на неподготовленных пользователей, качество по-настоящему уникальное.

Возможно, именно поэтому аналитики предсказывают большое будущее ZigBee как промышленному стандарту для устройств, ориентированных на потребительский рынок. В отличие от проводных аналогов, развертывание сети на основе ZigBee оказывается гораздо более простым делом, да к тому же еще и экономит массу средств. К примеру, создание противопожарной системы крупного отеля обычно требует прокладки километров кабеля, установки сотен датчиков, организации управления ими с центрального пульта, ну и так далее. При использовании ZigBee все сводится к размещению радиодатчиков в номерах, все прочее - установка взаимосвязей и построение сети - происходит автоматически. Ну или почти автоматически. Все-таки кое-что придется делать и монтажникам, занятым настройкой системы. Но вот от километров проводов можно отказаться точно...

Ожидается, что если дела пойдут нормально, то уже к 2008 г. будет выпущено не менее 150 млн отдельных изделий, построенных по технологии ZigBee.

Интересно, что Эрик Михельсен (Erik Michielsen), возглавляющий отдел построения сетей по технологии RFID в компании ABI Research, абсолютно уверен в том, что работоспособные продукты на основе ZigBee появятся уже к концу нынешнего года, а не позднее чем в 2006 г. они будут доступны для покупки в магазинах. То есть победного шествия новой технологии, по мнению этого специалиста, осталось ждать совсем недолго. Успех продвижения новинки, полагает он, заключается уже даже не в свойствах протокола ZigBee, а в том, как новинка будет подана публике. Новые изделия должны быть конкурентны по цене и просты в установке, только тогда публика оценит их по достоинству. И это, наверное, правильно. В конце концов, дело не в технологии, а в проблемах, которые она позволяет решить.

Список используемой литературы

1.       Сардин, И. Проблемы функционирования беспроводных устройств Bluetooth и IEEE 802.11 в нелицензируемом диапазоне ISM 2,4ГГц и пути их решения / И. Сардина // Беспроводные технологии.-2006.- №3.-С.5-17.

2.      Клемешев, Н. Инструментальный подход к работе с новыми коммуникационными технологиями / Н. Клемешева // Беспроводные технологии.2006.-№3.-С.7-19.

.        Таненбаум, Э. Компьютерные сети / Э.Таненбаума.-СПб.:Питер,2005.-922с

.        Захаров, Д. Интернет начинает эфирное вещание / Д. Захаров // Коммерсантъ: Приложение ТЕЛЕКОМ.-2004.-№83.-С.2805-2922.

.        Кразит, Т. Стандарт IEEE 802.15.4 как алтернатива / Т.Кразит // Computer-world.-2003.-№34.-С.17-60.

.        Бараш, Л. Многообразие стандартов беспроводных технологий / Л.Бараш // Компьютерное обозрение.-2003.-№10.-С.365-379

.        Стандарты и технологии (беспроводные системы) // Электронные компоненты.-2003.-№5.-С.79-83.

.        Мейтин М. Bluetooth: устройства всех стран, соединяйтесь! Без проводов / М. Мейтин // ЭЛЕКТРОНИКА:НТБ.-2003.-№5.-С.70-95.

.        Шахнович И. Беспроводные локальные сети. Анатомия стандартов IEEE 802.11 / И. Шахнович // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ.-2003.-№1.-С.30-45.

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: www.wireless.ru

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: www.ieee.com

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: www.zigbee.org

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/TG4.html

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: www.freescale.com/zigbee

.        [материалы сайта][Электронный ресурс].-[2007].-режимы доступа: www.instat.com