Технология ZigBee

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Уфимский государственный нефтяной технический университет"

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Курсовая работа

по дисциплине «Телеуправление и передача данных»

на тему: Технология ZigBee

Выполнил:

Мугурбанова Э.Д.

Проверил: доцент

Емец С.В.

Уфа, 2014

Содержание

Введение   

. Особенности технологии ZigBee

.1 Почему именно ZigBee?

.2 Состав и формат пакетов

.3 Схемы модуляции    

.4 Типы устройств

.5 Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)     

. Сеть ZigBee       

.1 Топология ячеистой сети  

.2 Динамика сети

. Безопасность ZigBee  

.1 Центр управления безопасностью        

.2 Режимы безопасности

. Автоматизация домов и эксплуатация устройств на ZigBee

.1 Умным домам - умные устройства      

.2 Инструменты ввода в эксплуатацию    

Заключение         

Список использованной литературы       

Введение

автоматизация дом безопасность умный

В самых разных отраслях имеется потребность в создании беспроводных сетей с большим числом датчиков и исполнительных механизмов, где не требуется высоких скоростей передачи данных, а на первый план выступают надежность, устойчивость (способность к самовосстановлению) и простота развертывания и эксплуатации. Важно также, чтобы оборудование таких сетей допускало длительную работу от автономных источников питания, имело низкую стоимость, и было компактным.   Важнейшими требованиями к таким сетям являются также:

-              длительная работа источников питания датчиков,

-              низкая стоимость,

-              компактность,

-              возможность создания ячеистых сетей для связи между большим числом устройств.

          Такому сочетанию требований еще 10 лет назад не отвечал ни один из сетевых стандартов, что и привело к созданию стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee, описывающих устойчивые масштабируемые многошаговые беспроводные сети, простые в развертывании и поддерживающие самые разные приложения

Альянс ZigBee, учрежденный в 2002 году, представляет собой сообщество компаний (более 300), объединившихся с целью разработки эффективных протоколов для беспроводной сети и обеспечения совместимости устройств различных производителей [1].

автоматизация дом безопасность умный

1. Особенности технологии ZigBee

.1 Почему именно ZigBee

У многих возникнет вопрос - почему ZigBee? Название ZigBee образовано из двух слов: zigzag (зигзагообразная траектория движения) и bee (пчела). А причем здесь пчелы? Домашние пчелы живут в ульях роем, во главе которого стоит королева. Ее обслуживают несколько трутней и тысячи рабочих пчел. Выживание, развитие и будущее колонии пчел напрямую зависит от того, насколько непрерывно, без сбоев будет происходить обмен информацией между всеми членами колонии. Принцип, по которому информация передается между членами пчелиного сообщества, допустим, о местонахождении цветочной поляны, схож с тем, на котором основаны алгоритмы ZigBee.

          Сети ZigBee, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных, полностью удовлетворяют требования, а именно:

-         благодаря ячеистой (mesh) топологии сети и использованию специальных алгоритмов маршрутизации сеть ZigBee обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов в случаях обрыва связи между отдельными узлами (появления препятствия), перегрузки или отказа какого-то элемента;

-         спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных, передаваемых по беспроводным каналам, и гибкую политику безопасности;

-         устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением, в особенности конечные устройства, для которых предусмотрен режим «сна», что позволяет этим устройствам работать до трех лет от одной обычной батарейки АА и даже ААА;

-         сеть ZigBee - самоорганизующаяся, ее структура задается параметрами профиля стека конфигуратора и формируется автоматически путем присоединения (повторного присоединения) к сети образующих ее устройств, что обеспечивает простоту развертывания и легкость масштабирования путем простого присоединения дополнительных устройств;

-         устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 ZigBee-модуль PAN4555 со встроенным микроконтроллером от Panasonic

Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. В сети ZigBee предусмотрено несколько альтернативных алгоритмов маршрутизации, выбор которых происходит автоматически.

          Стандарт предусматривает возможность использования каналов в нескольких частотных диапазонах. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц.

Цена, которую пришлось заплатить в сетях ZigBee за минимизацию энергопотребления, компактность и дешевизну - относительно низкая скорость передачи данных.

«Брутто» скорость (включая служебную информацию) составляет 250 кбит/c. Средняя скорость передачи полезных данных, в зависимости от загрузки сети и числа ретрансляций, составляет от 5 до 40 кбит/с.

Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве.

Более того, сеть ZigBee в любой момент может быть расширена добавлением новых элементов или наоборот разбита на несколько зон простым назначением соответствующего числа новых конфигураторов сети. Это бывает полезно для снижения нагрузки и соответственно повышения скорости передачи данных.

Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405-2,485 ГГц не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований (Решение ГКРЧ при Мининформсвязи России <#"730702.files/image003.gif">

позволяет передавать до 104 байт данных

для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Data sequence number)

контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (Frame Check Sequence - FCS)

Формат пакета подтверждения:

обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной передаче пакета данных

малая длина пакета увеличивает время нахождения в состоянии покоя сетевых конечных устройств.

передача пакета подтверждения осуществляется сразу после получения пакета данных

Формат пакета МАС команды:

позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети

Формат сигнального пакета:

конечные устройства «просыпаются» только в периоды приема пакетов синхронизации, считывают адреса в пакете синхронизации и переходят в спящее состояние, если адрес устройства не обнаружен

- сигнальные пакеты необходимы для сетей типа «многоячейковая» и «кластерное дерево», обеспечивая синхронизацию всех сетевых устройств без необходимости каждым из них тратить энергию своих автономных источников питания, «слушая» эфир в ожидании получения пакета[3]

1.3 Схемы модуляции

Оборудование стандарта EEE 802.15.4b может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц во всем мире.

В диапазонах 868 МГц и 915 МГц полосы используются три дополнительных схемы модуляции: двоичная фазовая манипуляция BPSK, квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом OQPSK и технология расширения спектра методом параллельных последовательностей (Parallel Sequence Spread Spectrum, PSSS), что показано в таблице.

В зависимости от схемы модуляции радиооборудование может поддерживать различные скорости передачи данных: 250 Кбит на частоте 2,4 ГГц, от 20 кбит до 250 кбит на частоте 868 МГц и от 40 Кбит до 250 Кбит в диапазоне 915 МГц. На рисунке ниже показано распределение каналов в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4b, в соответствии с которым в диапазоне 868 МГц организуется только один канал, 10 каналов на 915 МГц и 16 каналов на 2,4 ГГц. Центральные частоты этих каналов fc определяются следующим образом:

fc = 868,3 [МГц], k = 0;

fc = 906+2(k-1) [МГц], k = 1, 2,…, 10;

fc = 2405+5(k-11) [МГц], k = 11, 12,…, 26, где k - номер канала [4].

Распределение каналов в стандарте IEEE 802.15.4b

1.4 Типы устройств

Сети ZigBee включают следующие типы устройств (базовых станций):

-              координаторы;

-              маршрутизаторы;

-              конечные устройства.

Координатор - это устройство запускает сеть и управляет ею. Координатор формирует сеть, является центром управления сети и доверительным центром (trust-центром) - устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети, отвечает за ключи безопасности.

Маршрутизатор расширяет область покрытия сети, осуществляет динамическую маршрутизацию в обход препятствий, восстанавливает маршруты в случаях перегрузки сети или отказа какого-либо устройства. Маршрутизаторы осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих узлов.

Конечное устройство может принимать и отправлять сообщения, но не может транслировать пакеты и осуществлять маршрутизацию. Конечные устройства подключаются к маршрутизатору или координатору и не могут поддерживать дочерних устройств.

Как особый тип устройств, в сетях ZigBee можно выделить так называемые «спящие устройства». По сути это конечные устройства, переведенные в спящий режим.

Спящие устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Их количество определяется конкретным приложением. На время «сна» маршрутизаторы, к которым эти устройства подключены, «представляют» их в сети [1].

1.5 Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZigBee-кластеров ZCL (ZigBee Cluster Library).

Каждый кластер имеет два «конца» - клиент и сервер.

Кластер похож на класс в объектно-ориентированном программировании и представляет собой совокупность:

описания стандартного устройства ZigBee (осветительное устройство, диммер, выключатель, счетчик)

описания стандартных атрибутов для этого устройства (вкл./выкл., яркость, показания счетчика)

описания стандартных команд для этого устройства (установить уровень яркости, считать показания, включить/выключить)

ZigBee-cервер - это устройство, которое хранит значение атрибута, в то время, как ZigBee-клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, пара стандартных устройств лампочка и выключатель могут вместе реализовать функционирование стандартного кластера включить/выключить. При этом лампочка будет ответственна за серверную часть кластера. Она хранит значение атрибута включено/выключено. Выключатель дистанционно устанавливает значение этого атрибута и реализует, таким образом, клиентскую часть кластера.

2. Сеть ZigBee

.1 Топология ячеистой сети

Наиболее перспективной в сети ZigBee является ячеистая топология (mesh-топология).

Ячеистая сеть - это сеть взаимосвязанных маршрутизаторов и конечных устройств, в которой каждый маршрутизатор имеет, по крайней мере, две связи и может транслировать сообщения своих соседей. Как показано на рис. 1, ячеистая сеть состоит из одного координатора и нескольких маршрутизаторов и конечных устройств.

.

Рисунок 2.1 Ячеистая сеть ZigBee

В такой сети каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология поддерживает «многошаговую» (multi-hop) связь, при которой данные проходят шагами от одного устройства к другому, используя наиболее надежные линии связи и наиболее эффективные маршруты, пока не достигнут цели.

Способность к многошаговой передаче помогает обеспечить живучесть сети (способность к самовосстановлению). Если одно из устройств отказывает или оказывается под воздействием помех, сеть способна перемаршрутизироваться, используя оставшиеся устройства.

Преимущества:

-              ячеистая топология обладает высокой живучестью и надежностью. Если какой-либо маршрутизатор становится недоступным, могут быть найдены и использованы альтернативные маршруты.

-              использование промежуточных устройств при передаче данных делает ячеистую сеть широко масштабируемой.

-              слабые сигналы и мертвые зоны могут быть легко исключены простым добавлением дополнительных маршрутов.

.2 Динамика сети

Помимо процесса подключения новых устройств к изменению структуры сети могут привести другие процессы. Устройства могут, например, покидать сеть или повторно подключаться к сети в других местах (например, при перезагрузке устройства).

Рисунок 2.2 показывает пример переподключения. В этом примере устройство с коротким адресом «0E3B» переподключается к сети, как «097D» и впоследствии как «0260». На каждом этапе это устройство присоединяется к другому маршрутизатору, который выделяет адрес из имеющегося в его распоряжении диапазона адресов.

Одно из важных достоинств сети ZigBee - способность отслеживать устройства и топологию сети в режиме частых подключений, отключений и переподключений устройств.

Рисунок 2.2 Переподключение конечного устройства в древовидной сети

Основной алгоритм маршрутизации в сетях ZigBee - «Ad hoc On Demand Distance Vector» (AODV) основан на понятии «вектор расстояния» маршрута, когда каждый маршрутизатор, участвующий в трансляции запроса маршрута от конкретного источника к конкретному пункту назначения создает свою запись в маршрутной таблице. Эта запись как минимум содержит «логическое расстояние» от источника запроса и адрес предыдущего маршрутизатора.

Эта серия передаваемых в обратном направлении ответов формирует прямой маршрут для будущей передачи пакетов от И до А (рис. 8). Механизм «логического расстояния» позволяет источнику и узлам, расположенным на пути запроса, выбрать минимальное «логическое расстояние» маршрута от источника до места назначения.

Рисунок 5. Поиск маршрута. Шаг 1

Рисунок 6. Поиск маршрута. Шаг 2 (ЛР - логическое расстояние)

Рисунок 7. Поиск маршрута. Шаг 3

Рисунок 8. Поиск маршрута. Шаг 4

Описанный базовый алгоритм эффективен и универсален, однако требует значительного объема памяти для хранения маршрутов, что усложняет и удорожает устройства.

Поэтому в сетях ZigBee реализован и другой алгоритм, которые позволяет снизить требования к объему памяти, а иногда и уменьшить сетевой трафик, необходимый для поиска маршрутов - иерархическая маршрутизация.

В процессе формирования ZigBee сети алгоритм распределения адресов задает диапазоны адресов сетевым устройствам в иерархическом порядке, начиная с координатора. В результате любое устройство в сети, зная свой адрес и адрес получателя пакета, может определить, принадлежит ли конкретный сетевой адрес к «нисходящей» ветви (и к какой именно), или находится в другом месте в иерархии устройств. Исходя из этого, любое устройство может принять простое решение маршрутизации: передавать пакет «вверх» - в направлении координатора или «вниз» - к дочернему устройству.

Пример иерархической маршрутизации представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Иерархическая маршрутизация

Как в случае на рис. 7, пакет, отправленный устройством И, предназначен для устройства А. Однако устройство 4 исчерпало свои возможности маршрутизации, поэтому оно не может транслировать пакет непосредственно на устройство А, а вместо этого, используя иерархическую маршрутизацию, направляет этот пакет «вверх» по иерархической лестнице - на устройство 2. Далее пакет транслируется на координатор К, который передает его на искомый адрес А.

Преимущества иерархической маршрутизации заключаются в ее простоте и меньшем использовании ресурсов, что позволяет создавать очень недорогие устройства без возможностей маршрутизации, которые, тем не менее, могут участвовать в любой ZigBee совместимой сети. Недостаток алгоритма в том, что пакеты будут двигаться вверх и вниз до координатора и обратно даже в том случае, когда между источником и приемником возможна прямая связь [1].

3. Безопасность ZigBee

.1 Центр управления безопасностью

Центр управления безопасностью определяет, следует ли разрешить или запретить присоединение новых устройств к своей сети.

Центр управления играет следующие роли в обеспечении безопасности:

доверенный менеджер по проверке подлинности устройств, желающих присоединиться к сети;

менеджер сети, поддерживающий и распространяющий сетевые ключи;

диспетчер конфигурации, обеспечивающий безопасность взаимодействия устройств.использует три типа ключей для управления безопасностью: главный ключ, сетевой ключ и ключ канала связи.

Главные ключи - эти дополнительные ключи не используются для шифрования пакетов. Они используются как первоначальный разделяемый двумя устройствами секретный код, когда устройства выполняют процедуру генерации ключа канала связи.

Сетевые ключи - эти ключи обеспечивают безопасность сетевого уровня в сети ZigBee. Сетевой ключ имеют все устройства в сети ZigBee.

Ключи каналов связи - эти дополнительные ключи обеспечивают безопасность одноадресной передачи сообщений между двумя устройствами на уровне приложений.

3.2 Режимы безопасности

В режиме стандартной безопасности перечень устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей можно хранить как в центре управления безопасностью, так и в самих устройствах. Центр управления безопасностью, тем не менее, отвечает за поддержание стандартного сетевого ключа и контролирует политику приема в сеть. В этом режиме требования к ресурсам памяти центра управления безопасностью гораздо ниже, чем для режима повышенной безопасности.

В режиме повышенной безопасности центр управления безопасностью ведет список устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей, необходимых для контроля и применения политики обновления сетевых ключей и доступа в сеть. В этом режиме по мере роста количества устройств в сети быстро возрастает необходимый центру управления безопасностью объем памяти [1].

4. Автоматизация домов и эксплуатация устройств на ZigBee

.1 Умным домам - умные устройства

Популярность любой новой технологии в основном определяется областью ее применения. Чем шире применение, тем выше популярность. И с этим у технологии ZigBee проблем быть не должно. Круг задач, при реализации которых оправданно её использование, поистине огромен. Но только в одной из них у ZigBee сейчас нет ни конкурентов, ни такого большого поля для будущей деятельности. Это одно из самых быстроразвивающихся и перспективных направлений с временной IT-индустрии, сулящее огромные барыши и практически неограниченный рынок сбыта. Это так называемые умные дома.

Умные дома или интернет-дома, либо, говоря техническим языком, автоматизированные здания, являются одним из главных объектов, на которые ориентированы устройства ZigBee. Если задуматься сейчас над проблема ми этой отрасли и, в первую очередь, над высокими ценами на комплексные решения, то становится ясно, автоматизация сегодня- это удел богатых компаний. Все беды этого рынка проистекают из огромных затрат, не обходимых на приобретение оборудования и инсталляцию проводных коммуникаций. Высокие цены определяются узкой специализацией приобретаемой аппаратуры и отсутствием толковой конкуренции.

На рынке, где нет общего стандарта, каждая компания проталкивает свои решения и собственные каналы передачи данных, что, в свою очередь, означает полную несовместимость аппаратуры разных производителей.

Применение специальных каналов передачи данных автоматически ограничивает элементную базу, которую сторонние разработчики могут использовать для создания совместимых устройств, а необходимость применения дорогой элементной базы ведет и к удорожанию устройств.

Внедрение технологии ZigBee в роли универсального стандарта передачи данных способно легко устранить неразбериху в коммуникациях. Мгновенно пропадает и еще одна из проблем - прокладка проводных интерфейсов и шин питания. Инсталляция оборудования сводится только к грамотному расположению датчиков в помещении. Все дальнейшие настройки могут осуществляться удаленно, с сервера.

Вторая проблема - высокая цена оборудования - снимается за счет выпуска огромного числа сравнительно недорогих решений от различных производителей. Те разработчики, которые сейчас заложат поддержку данного беспроводного стандарта в свою аппаратуру и анонсируют ее как удобное и дешевое решение для автоматизации зданий, будут обречены в будущем на успех на рынке умных домов.

Таблица 4. Основные характеристики устройств ZigBee в сравнении с конкурентами

Тут же, по соседству, располагается и еще более широкий сектор потенциального применения ZigBee - автоматизация обыкновенных квартир. Сейчас, особенно на фоне имеющихся высоких цен, такая перспектива кажется недоступной, но технология ZigBee способна решить и эту проблему. Даже небольших возможностей вроде индикации, сообщающей о непогашенном свете или открытых форточках при выходе из дома, автоматическом включении света при входе в помещение, датчиков воды на полу в ванной и в туалете будет достаточно, что бы заинтересовать покупателей (см. рис. 4.1). Конечно, при условии невысокой цены. Создание таких недорогих, доступных для самостоятельного монтажа решений возможно уже сейчас, а рынок, даже в нашей стране, очень велик[3].

Рис. 4.1 Автоматизированная квартира

.2 Инструменты ввода в эксплуатацию

В идеале устройства должны запускаться сами. Наладчик только подает на них напряжение, включает и стоит в сторонке, наблюдая, как устройства работают вне сети, к которой они должны присоединиться, как они безопасно включаются в эту сеть, к какому устройству (или устройствам) они присоединяются и с какими устройствами общаются.

Инструменты наладчика обычно работают на ноутбуке или КПК и разработаны, чтобы упростить наладку и ввод в эксплуатацию. Эти инструменты имеют интуитивно понятный пользовательский интерфейс, скрывающий сложность базовой технологии. А главное, обеспечивают гибкую визуализацию сети и устройств, а также предоставляют средства для настройки, запуска и управления системой.

Наладочные инструменты, как правило, не предназначены для работы в составе сети при текущей эксплуатации, а просто, не являясь частью основного приложения, облегчают ввод в эксплуатацию и периодическое обслуживание или управление.

Пример ввода в эксплуатацию

Новое распакованное устройство при включении готово к вступлению в любую сеть.

Наладчик включает наладочный инструмент, который может образовывать с устройством настроечную сеть и с помощью которого устройство может быть сконфигурировано.

Новое устройство вступает в настроечную сеть с наладочным инструментом.

Наладчик, используя инструмент, настраивает устройство таким образом, чтобы оно вступило в работающую сеть ZigBee, используя правильные атрибуты безопасности и правильные привязки. Устройство присоединяется к работающей сети ZigBee.

Проверив работу устройства в работающей сети, наладчик перенастраивает устройство для работы в реальной сети, куда это устройство и вступает.

Заключение

Несмотря на привлекательные возможности технологии ZigBee, необходимо тщательно учесть несколько факторов, прежде чем остановиться на ее выборе. К их числу относятся следующие:

- Возможность взаимодействия. Это основной фактор при выборе ZigBee, особенно при необходимости обеспечить связь проектируемого продукта с устройствами других производителей. В противном случае в целях экономии можно реализовать оригинальное решение.

Энергопотребление. Поскольку координатор и маршрутизаторы всегда должны быть включены, настоятельно рекомендуется подключить их к энергосети.

Неэффективное использование программного обеспечения. Технология ZigBee характеризуется неэффективным использованием программного обеспечения из-за размера стека.

Ячеистая сеть. Преимущество этой конфигурации заключается в возможности осуществлять обмен данными между точками посредством многоинтервальной линии связи. В качестве наглядного примера можно привести датчиковую сеть в большом здании, где ZigBee является идеальным выбором. Однако сеть с топологией «звезда», реализованная с использованием стандарта IEEE 802.15.4 или других оригинальных протоколов передачи данных, может оказаться более экономичным решением [4].

Список использованной литературы

1.       http://www.rtlsnet.ru/technology/view/3/ Технологии/ Обзор технологий/Сетевая инфраструктура системы РТЛС

.         http://habrahabr.ru/post/155037/ Сети ZigBee. Зачем и почему?

.        http://slidespace.ru/show/16705 Презентация на тему: Беспроводная технология ZigBee: обзор, перспективы, демонстрация применения

.         http://www.rfdesign.ru/index.php/zigbee/273-zigbee.html Стандарт IEEE 802.15.4b a/b/g (ZigBee)

.         http://www.kit-e.ru/articles/wireless/2005_3_176.php Компоненты и технологии / ZigBee:обзор беспроводной технологии

.         http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/31584/doc/48216/