co je to technologie ZigBee a jak to funguje?

technologie ZigBee její Design, architektura a aplikace

Úvod do technologie bezdrátových sítí Zigbee

ZigBee je IEEE 802.15.4 založený, nízký výkon, nízká rychlost přenosu dat podporující standard bezdrátových sítí, který se v zásadě používá pro obousměrnou komunikaci mezi senzory a řídicím systémem. Jedná se o komunikační standard krátkého dosahu, jako je Bluetooth a Wi-Fi, pokrývající dosah 10 až 100 metrů. Rozdíl je v tom, že Bluetooth a Wi-Fi jsou komunikační standardy s vysokou přenosovou rychlostí podporující přenos složité struktury, jako jsou média, software atd.,

technologie ZigBee podporuje přenos podobných jednoduchých dat ze senzorů. Podporuje nízkou rychlost přenosu dat asi 250 kbps. Provozní frekvence jsou 868 MHz, 902 až 928 MHz a 2,4 GHz. Technologie ZigBee se používá hlavně pro aplikace vyžadující nízký výkon, nízké náklady, nízkou rychlost přenosu dat a dlouhou životnost baterie.

Přečtěte si také: elektrické obvody / sítě a důležité pojmy, které s tím souvisí, musíte vědět

historie technologie Zigbee

ZigBee standard byl vyvinut společností ZigBee Alliance včetně mnoha významných společností jako Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments atd. Tato aliance vznikla v roce 2002 jako nezisková organizace.

Architektura Zigbee

síťový protokol ZigBee se řídí IEEE 802.15.4 standardy pro fyzické a MAC vrstvy, spolu s vlastními síťovými a aplikačními vrstvami.

Obrázek 1: Zigbee Architecture

Přečtěte si také: přehled úspor energie v budovách

níže je vysvětlení pro každou vrstvu.

1. Fyzická vrstva: jedná se o nejnižší protokolovou vrstvu a je zodpovědná za řízení a aktivaci rádiového transceiveru a také za výběr frekvence kanálu a sledování kanálu. Je také zodpovědný za komunikaci s rádiovými zařízeními. Komunikace dat nebo příkazů se provádí pomocí paketů. Každý paket PHY se skládá ze synchronizační hlavičky (SHR) (odpovědné za synchronizaci přijímače), fyzické hlavičky (PHR) (obsahuje informace o délce rámce) a užitečného zatížení PHY (poskytované horními vrstvami jako rámec a zahrnuje data nebo příkaz).
2. Střední řízení přístupu nebo vrstva MAC: funguje jako rozhraní mezi fyzickou vrstvou a síťovými vrstvami. Je zodpovědný za generování majáků a synchronizaci zařízení v síti s majákem. Rám MAC může být Beacon Frame (používaný koordinátorem pro přenos majáků), datový rámec, potvrzovací rámec nebo příkazový rámec. Skládá se z hlavičky MAC (obsahuje informace o zabezpečení a adresování), Mac Payload s proměnnou délkou (obsahuje data nebo příkaz) a zápatí MAC (obsahuje 16 bitovou sekvenci kontroly snímků pro ověření dat).
3. síťová vrstva: tato vrstva spojuje aplikační vrstvu s vrstvou MAC. Řídí tvorbu a směrování sítě. Vytvoří novou síť a vybere topologii sítě. Rám NWK se skládá z hlavičky NWK a užitečného zatížení NWK. Hlavička obsahuje informace o adresování a řízení na úrovni sítě. NWK Payload obsahuje aplikační podvrstvu.
4. Sublayer Application Support: poskytuje sadu služeb prostřednictvím dvou entit-entity Application SupportData a entity Application Support Management, do aplikačních a síťových vrstev. Tyto entity jsou přístupné prostřednictvím příslušných přístupových bodů služby (SAP)
5. Aplikační vrstva: Toto je nejvyšší vrstva v síti a je zodpovědná za hostování aplikačních objektů, které drží uživatelské aplikace a objekty zařízení Zigbee (ZDOs). Jediné zařízení ZigBee může obsahovat až 240 aplikačních objektů, které řídí a spravují vrstvy protokolu. Každý objekt aplikace se může skládat z jednoho profilu aplikace nebo programu vyvinutého uživatelem nebo aliancí ZigBee. Profil aplikace je zodpovědný za přenos a příjem dat v síti. Typ zařízení a funkce každého zařízení je definován v profilu aplikace. Objekty zařízení ZigBee fungují jako rozhraní mezi objekty aplikace, profily zařízení a podvrstvou aplikace.

síťové topologie ZigBee

Zigbee Network podporuje mnoho typů topologií, populární je-star a peer to peer topologie. Každá topologie sítě se skládá ze tří typů uzlů-Zigbee Coordinator, Zigbee Router a Zigbee End Device. Koordinátor provádí úkol přidělit jedinečnou adresu každému zařízení v síti, iniciuje a přenáší zprávy v síti a vybere jedinečný identifikátor sítě. Zařízení ZigBee jsou dvou typů-Full Function Device (FFD) a redukovaná funkce Device (RFD)

Obrázek 2: Zigbee Network Topologies

v hvězdné topologii je koordinátorem centrální zařízení, které iniciuje a spravuje zařízení v síti. Každý koordinátor vybere jedinečný identifikátor, který nepoužívá žádná jiná síť v rámci své oblasti vlivu. Každé koncové zařízení komunikuje s koordinátorem. Koncová zařízení jsou obecně RFD, která mohou komunikovat pouze s koordinátorem nebo FFD.

v topologii Peer to Peer může každé koncové zařízení vzájemně komunikovat umístěné v jeho blízkosti. Zařízení jsou FFDs, které mohou komunikovat přímo mezi sebou. Tento typ topologie však může obsahovat RFD, které komunikuje pouze s jedním zařízením v síti. Topologie typu Peer to Peer může být síťová topologie nebo stromová topologie.

Přečtěte si také: Schéma automatického zapojení systému UPS (nový Design velmi jednoduchý) pro domácnost nebo kancelář

komunikace pomocí ZigBee

přenos dat může být mezi koordinátorem a zařízením nebo Peer to Peer. Přenos dat mezi koordinátorem a zařízením lze provést dvěma způsoby-Beacon Enabled a Non Beacon Enabled.

v Beacon Enabled Networking se používá metoda contention free channel access. Zde koordinátor přidělí každému zařízení určitý časový úsek, známý jako Garantovaný časový úsek (GTS). Zde je třeba synchronizovat všechna zařízení v síti. To je zajištěno zasláním signálu majáku od koordinátora do každého zařízení( uzlu), takže každé zařízení synchronizuje své hodiny. To však může nakonec snížit životnost baterie zařízení, pokud nejsou v žádném jiném úkolu než synchronizace jejich hodin.

jakmile je zařízení synchronizováno, může přenášet data koordinátorovi pomocí metody Carrier Sense Multiple Access s metodou prevence kolizí (CSMA-CA), kde je určen typ obsazovacího signálu, nebo během alokačního období GTS. Po odeslání žádosti koordinátor odešle zpět potvrzení. Pro přenos dat z koordinátora do zařízení je do zařízení odeslána indikace se zprávou majáku. Zařízení poté obdrží tuto indikaci a odešle zprávu o požadavku na data. Koordinátor zašle potvrzení o přijetí této žádosti o údaje a předá odpovídající údaje.

v síti bez majáku koordinátor nepřenáší žádnou Majákovou zprávu. Spíše každé zařízení přenáší data pomocí metody CSMA-CA ve stejném frekvenčním kanálu. Zařízení přenáší data, jakmile je kanál čistý. Pro přenos dat z koordinátora do zařízení, zařízení nejprve odešle zprávu o požadavku na data koordinátorovi a poté odešle datovou zprávu s užitečným zatížením nulové délky, o dostupnosti dat. Pro žádné čekající data, koordinátor odešle potvrzení označující žádné čekající údaje.

Přečtěte si také: co jsou průmyslové komunikační sítě? Přehled

aplikace technologie Zigbee

domácí automatizace: technologie ZigBee se ukázala jako nejspolehlivější technologie při realizaci domácí automatizace. Různé aplikace, jako je řízení a monitorování spotřeby energie, hospodaření s vodou, řízení světla atd. byly usnadněny automatizací pomocí technologie ZigBee.

obrázek 3: Zigbee domácí automatizace

průmyslová automatizace: zařízení RFID založená na ZigBee pomáhají poskytovat spolehlivou správu přístupu v průmyslových odvětvích. Mezi další aplikace v průmyslových odvětvích patří řízení procesů, řízení energie, sledování personálu atd.

automatizace zdravotnictví: oblíbeným příkladem automatizace zdravotnictví je vzdálené monitorování zdraví. Osoba nosí zařízení ZigBee se snímačem měření parametrů těla, který shromažďuje zdravotní informace. Tyto informace jsou přenášeny v síti ZigBee do sítě Internet Protocol (IP) a poté zdravotnickému personálu (lékaři nebo zdravotní sestře), který by na základě obdržených informací předepsal správné léky.

můžete si také přečíst: distribuce energie v průmyslových odvětvích-vše, co potřebujete vědět

kromě výše uvedených tří existuje mnoho aplikací technologie ZigBee. Toto je stručný úvod o technologii ZigBee. Jakékoli další informace týkající se této technologie jsou vítány v sekci komentářů níže.

Přečtěte si také:

• řízení semaforu elektronický projekt pomocí IC 4017 & 555 Timer
• Arduino Serial: sériová komunikace Arduino
• programovatelné logické regulátory (PLC) pro průmyslové řízení