Che cos’è la tecnologia ZigBee e come funziona?

Tecnologia ZigBee il suo Design, l’Architettura e Applicazioni

Introduzione alla Tecnologia di Rete Wireless ZigBee

ZigBee è un IEEE 802.15.4 base, bassa potenza, basso tasso di dati di supporto standard di rete wireless, che è fondamentalmente utilizzato per la comunicazione a due vie tra i sensori e il sistema di controllo. Si tratta di uno standard di comunicazione a corto raggio come Bluetooth e Wi-Fi, che copre gamma di 10 a 100 metri. La differenza è che Bluetooth e Wi-Fi sono standard di comunicazione ad alta velocità che supportano il trasferimento di strutture complesse come media, software ecc.,

La tecnologia ZigBee supporta il trasferimento di dati semplici come quello dai sensori. Supporta bassa velocità di trasmissione dati di circa 250 kbps. Le frequenze operative sono 868 MHz, 902 a 928 MHz e 2,4 GHz. La tecnologia ZigBee viene utilizzata principalmente per applicazioni che richiedono bassa potenza, basso costo, bassa velocità di trasmissione dati e lunga durata della batteria.

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Storia della Tecnologia ZigBee

ZigBee standard è stato sviluppato dalla ZigBee Alliance tra cui molte grandi aziende come Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, etc. Questa Alleanza è stata costituita nel 2002 come organizzazione senza scopo di lucro.

Architettura ZigBee

Il protocollo di rete ZigBee segue IEEE 802.15.4 standard per i livelli fisici e MAC, insieme ai propri livelli di rete e applicazione.

Figura 1: Architettura ZigBee

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Di seguito è riportata la spiegazione per ogni strato.

1. Livello fisico: questo è il livello di protocollo più basso ed è responsabile del controllo e dell’attivazione del ricetrasmettitore radio, nonché della selezione della frequenza del canale e del monitoraggio del canale. È anche responsabile della comunicazione con i dispositivi radio. La comunicazione di dati o comandi avviene utilizzando i pacchetti. Ogni pacchetto PHY è costituito da un’intestazione di sincronizzazione (SHR)(responsabile della sincronizzazione del ricevitore), un’intestazione fisica (PHR)(contiene informazioni sulla lunghezza del frame) e un payload PHY (fornito dai livelli superiori come frame e include dati o comandi).
2. Controllo di accesso medio o livello MAC: funge da interfaccia tra il livello fisico e i livelli di rete. È responsabile della generazione di beacon e della sincronizzazione dei dispositivi nella rete abilitata Beacon. Un frame MAC può essere un Beacon Frame (utilizzato dal Coordinatore per trasmettere Beacon), Data Frame, Acknowledge Frame o un Frame di comando. Consiste in un’intestazione MAC (contiene informazioni sulla sicurezza e l’indirizzamento), Payload MAC a lunghezza variabile (contiene dati o comandi) e un piè di pagina MAC (contiene sequenza di controllo Frame a 16 bit per la verifica dei dati).
3. Livello di rete: questo livello collega il livello dell’applicazione con il livello MAC. Gestisce la formazione e il routing della rete. Stabilisce una nuova rete e seleziona la topologia della rete. Il frame NWK è costituito dall’intestazione NWK e dal carico utile NWK. L’intestazione contiene informazioni relative all’indirizzamento e al controllo a livello di rete. Il Payload NWK contiene il frame del sottolivello dell’applicazione.
4. Application Support Sub Layer: fornisce una serie di servizi attraverso due entità-Application SupportData Entity e Application Support Management Entity, ai livelli di applicazione e di rete. Queste entità sono accessibili tramite i rispettivi Service Access Point (SAP)
5. Livello applicazione: Questo è il livello più alto della rete ed è responsabile dell’hosting degli oggetti dell’applicazione che contengono applicazioni utente e ZigBee Device Objects (ZDOs). Un singolo dispositivo ZigBee può contenere fino a 240 oggetti applicativi che controllano e gestiscono i livelli di protocollo. Ogni oggetto dell’applicazione può essere costituito da un profilo o programma dell’applicazione, sviluppato dall’utente o dalla ZigBee alliance. Il profilo dell’applicazione è responsabile della trasmissione e della ricezione dei dati nella rete. Il tipo di dispositivi e la funzione di ciascun dispositivo sono definiti in un profilo di applicazione. Gli oggetti dispositivo ZigBee fungono da interfaccia tra gli oggetti dell’applicazione, i profili dei dispositivi e il livello secondario dell’applicazione.

Topologie di rete di ZigBee

ZigBee Network supporta molti tipi di topologie, il popolare di essere – star e peer to peer topologie. Ogni topologia di rete è composta da tre tipi di nodi: ZigBee Coordinator, ZigBee Router e ZigBee End Device. Il coordinatore esegue il compito di allocare un indirizzo univoco a ciascun dispositivo della rete, avvia e trasferisce i messaggi nella rete e seleziona un identificatore univoco per la rete. I dispositivi ZigBee sono di due tipi: Full Function Device (FFD) e Reduced Function Device (RFD)

Figura 2: Topologie di rete ZigBee

In una topologia a stella, il Coordinatore è il dispositivo centrale che avvia e gestisce i dispositivi all’interno della rete. Ogni coordinatore seleziona un identificatore univoco, che non viene utilizzato da nessun’altra rete all’interno della sua regione di influenza. Ogni dispositivo finale comunica con il Coordinatore. I dispositivi finali sono generalmente RFD che possono comunicare solo con il Coordinatore o il FFD.

Nella topologia Peer to Peer, ciascun dispositivo finale può comunicare tra loro posizionato nelle sue vicinanze. I dispositivi sono FFDS che possono comunicare direttamente tra loro. Tuttavia, questo tipo di topologia può contenere una RFD che comunica con un solo dispositivo nella rete. Una topologia Peer to Peer può essere una topologia Mesh o una topologia ad albero.

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Comunicazione tramite ZigBee

Il trasferimento dei dati può essere tra un coordinatore e un dispositivo o Peer to Peer. Il trasferimento dei dati tra coordinatore e dispositivo può essere effettuato utilizzando due metodi: Beacon abilitato e Non Beacon abilitato.

In Beacon abilitato Networking, contesa metodo di accesso al canale libero viene utilizzato. Qui il Coordinatore assegna un particolare intervallo di tempo a ciascun dispositivo, noto come intervallo di tempo garantito (GTS). Qui tutti i dispositivi della rete devono essere sincronizzati. Ciò è garantito inviando un segnale Beacon dal coordinatore a ciascun dispositivo (nodo), in modo tale che ogni dispositivo sincronizzi il suo orologio. Tuttavia, questo può finire per ridurre la durata della batteria dei dispositivi quando non in qualsiasi altro compito che la sincronizzazione loro orologio.

Una volta sincronizzato il dispositivo, può trasmettere i dati al coordinatore utilizzando Carrier Sense Multiple Access con Collision Avoidance (CSMA-CA) metodo, in cui viene determinato il tipo di segnale di occupazione, o durante il periodo di allocazione GTS. All’invio di una richiesta, il Coordinatore rinvia la conferma. Per il trasferimento dei dati dal Coordinatore al dispositivo, viene inviata un’indicazione con il messaggio Beacon al dispositivo. Il dispositivo riceve quindi questa indicazione e invia un messaggio di richiesta dati. Il Coordinatore invia una conferma di ricezione di questa richiesta di dati e trasferisce i dati corrispondenti.

Nelle reti non beacon, il Coordinatore non trasmette alcun messaggio Beacon. Piuttosto, ogni dispositivo trasmette i dati utilizzando il metodo CSMA-CA nello stesso canale di frequenza. Il dispositivo trasmette i dati non appena il canale è chiaro. Per il trasferimento dei dati dal Coordinatore al dispositivo, il dispositivo invia prima un messaggio di richiesta dati al Coordinatore e poi quest’ultimo trasmette il messaggio di dati con un payload di lunghezza nulla, sulla disponibilità dei dati. Per nessun dato in sospeso, il Coordinatore invia una conferma che indica nessun dato in sospeso.

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Applicazioni della tecnologia ZigBee

Domotica: la tecnologia ZigBee dimostra di essere la tecnologia più affidabile nella realizzazione di domotica. Diverse applicazioni come il controllo e il monitoraggio del consumo di energia, gestione delle acque, controllo della luce ecc. sono stati resi più facili attraverso l’automazione utilizzando la tecnologia ZigBee.

Figura 3: ZigBee Home Automation

Automazione industriale: i dispositivi RFID basati su ZigBee aiutano a fornire una gestione affidabile degli accessi nelle industrie. Altre applicazioni nelle industrie includono il controllo dei processi, la gestione dell’energia, il monitoraggio del personale, ecc.

Automazione sanitaria: un esempio popolare di automazione sanitaria è il monitoraggio remoto della salute. Una persona indossa un dispositivo ZigBee con un sensore di misurazione dei parametri del corpo che raccoglie le informazioni sanitarie. Queste informazioni stanno trasmettendo sulla rete ZigBee alla rete IP (Internet Protocol) e quindi al personale sanitario (il medico o l’infermiere), che prescriverebbe quindi un farmaco adeguato in base alle informazioni ricevute.

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Oltre ai tre precedenti, ci sono molte applicazioni della tecnologia ZigBee. Questa è una breve introduzione sulla tecnologia ZigBee. Qualsiasi altra informazione riguardante questa tecnologia è benvenuta nella sezione commenti qui sotto.

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