Was ist die ZigBee-Technologie und wie funktioniert sie?

ZigBee-Technologie, Design, Architektur und Anwendungen

Einführung zu ZigBee Drahtlose Vernetzung Technologie

ZigBee ist eine IEEE 802.15.4 basierend, low power, niedrigen daten rate unterstützung drahtlose vernetzung standard, die ist im grunde verwendet für zwei-weg kommunikation zwischen sensoren und control system. Es ist ein Kurzstrecken-Kommunikationsstandard wie Bluetooth und Wi-Fi, der eine Reichweite von 10 bis 100 Metern abdeckt. Der Unterschied besteht darin, dass Bluetooth und Wi-Fi ein Kommunikationsstandard mit hoher Datenrate sind, der die Übertragung komplexer Strukturen wie Medien, Software usw. unterstützt.,

Die ZigBee-Technologie unterstützt die Übertragung einfacher Daten von Sensoren. Es unterstützt niedrige Datenrate von etwa 250 kbps. Die Betriebsfrequenzen sind 868 MHz, 902 bis 928 MHz und 2,4 GHz. Die ZigBee-Technologie wird hauptsächlich für Anwendungen verwendet, die geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten, niedrige Datenrate und lange Akkulaufzeit erfordern.

Lesen Sie auch: Stromkreise / Netzwerke und wichtige Begriffe, die Sie kennen müssen

Geschichte der ZigBee-Technologie

Der ZigBee-Standard wurde von der ZigBee Alliance entwickelt, zu der viele große Unternehmen wie Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments usw. gehören. Diese Allianz wurde 2002 als gemeinnützige Organisation gegründet.

ZigBee-Architektur

Das ZigBee-Netzwerkprotokoll folgt IEEE 802.15.4 Standards für physische und MAC-Schichten, zusammen mit einem eigenen Netzwerk und Anwendungsschichten.

Abbildung 1: ZigBee-Architektur

Lesen Sie auch: Ein Überblick über die Energieeinsparung in Gebäuden

Unten finden Sie eine Erklärung für jede Schicht.

1. Physikalische Schicht: Dies ist die niedrigste protokoll schicht, und ist verantwortlich für die steuerung und aktivierung der radio transceiver, und auch für die auswahl der kanal frequenz und überwachung der kanal. Es ist auch für die Kommunikation mit den Funkgeräten verantwortlich. Die Kommunikation von Daten oder Befehlen erfolgt über Pakete. Jedes PHY-Paket besteht aus einem Synchronisationsheader (SHR) (verantwortlich für die Empfängersynchronisation), einem physischen Header (PHR) (enthält Informationen zur Frame-Länge) und einer PHY-Nutzlast (die von den oberen Schichten als Frame bereitgestellt wird und Daten oder Befehle enthält).
2. Mittlere Zugriffskontrolle oder MAC-Schicht: Sie fungiert als Schnittstelle zwischen der physischen Schicht und den Netzwerkschichten. Es ist verantwortlich für die Erzeugung von Beacons und die Synchronisation von Geräten im Beacon-fähigen Netzwerk. Ein MAC-Frame kann ein Beacon-Frame (vom Koordinator zum Übertragen von Beacons verwendet), ein Datenrahmen, ein Bestätigungsrahmen oder ein Befehlsrahmen sein. Es besteht aus einem MAC-Header (enthält Informationen zu Sicherheit und Adressierung), einer MAC-Nutzlast variabler Länge (enthält Daten oder Befehle) und einer MAC-Fußzeile (enthält eine 16-Bit-Frame-Prüfsequenz zur Datenüberprüfung).
3. Netzwerkschicht: Diese Schicht verbindet die Anwendungsschicht mit der MAC-Schicht. Es verwaltet die Netzwerkbildung und das Routing. Es wird ein neues Netzwerk eingerichtet und die Netzwerktopologie ausgewählt. Der NWK-Frame besteht aus dem NWK-Header und der NWK-Nutzlast. Der Header enthält Informationen zur Adressierung und Steuerung auf Netzwerkebene. Die NWK-Nutzlast enthält den Anwendungs-Sublayer-Frame.
4. Application Support Sub Layer: Es bietet eine Reihe von Diensten über zwei Entitäten – Application SupportData Entity und Application Support Management Entity – für die Anwendungs- und Netzwerkebenen. Der Zugriff auf diese Entitäten erfolgt über ihre jeweiligen Service Access Points (SAP)
5. Anwendungsschicht: Dies ist die höchste Schicht im Netzwerk und ist für das Hosting der Anwendungsobjekte verantwortlich, die Benutzeranwendungen und ZigBee-Geräteobjekte (ZDOs) enthalten. Ein einzelnes ZigBee-Gerät kann bis zu 240 Anwendungsobjekte enthalten, die die Protokollschichten steuern und verwalten. Jedes Anwendungsobjekt kann aus einem Anwendungsprofil oder Programm bestehen, das vom Benutzer oder der ZigBee Alliance entwickelt wurde. Das Anwendungsprofil ist für die Übertragung und den Empfang von Daten im Netzwerk verantwortlich. Der Gerätetyp und die Funktion jedes Geräts werden in einem Anwendungsprofil definiert. Die ZigBee-Geräteobjekte fungieren als Schnittstelle zwischen Anwendungsobjekten, Geräteprofilen und der Anwendungsunterschicht.

Netzwerk Topologien von ZigBee

ZigBee Netzwerk unterstützt viele arten von topologien, die beliebte ist–stern und peer zu peer topologien. Jede Netzwerktopologie besteht aus drei Arten von Knoten – ZigBee-Koordinator, ZigBee-Router und ZigBee-Endgerät. Der Koordinator führt die Aufgabe aus, jedem Gerät im Netzwerk eine eindeutige Adresse zuzuweisen, initiiert und überträgt Nachrichten im Netzwerk und wählt eine eindeutige Kennung für das Netzwerk aus. Es gibt zwei Arten von ZigBee-Geräten: Full Function Device (FFD) und Reduced Function Device (RFD)

Abbildung 2: ZigBee-Netzwerktopologien

In einer Sterntopologie ist der Koordinator das zentrale Gerät, das Geräte innerhalb des Netzwerks initiiert und verwaltet. Jeder Koordinator wählt eine eindeutige Kennung aus, die von keinem anderen Netzwerk in seinem Einflussbereich verwendet wird. Jedes Endgerät kommuniziert mit dem Koordinator. Die Endgeräte sind in der Regel RFDs, die nur mit dem Koordinator oder dem FFD kommunizieren können.

In der Peer-to-Peer-Topologie kann jedes Endgerät miteinander kommunizieren, das sich in seiner Nähe befindet. Die Geräte sind FFDs, die direkt miteinander kommunizieren können. Diese Art von Topologie kann jedoch eine RFD enthalten, die nur mit einem Gerät im Netzwerk kommuniziert. Eine Peer-to-Peer-Topologie kann eine Mesh-Topologie oder eine Baumtopologie sein.

Lesen Sie auch: Schaltplan für die Verdrahtung des automatischen USV-Systems (Neues Design sehr einfach) für zu Hause oder im Büro

Kommunikation mit ZigBee

Die Datenübertragung kann zwischen einem Koordinator und einem Gerät oder Peer-to-Peer erfolgen. Die Datenübertragung zwischen Koordinator und Gerät kann mit zwei Methoden erfolgen – Beacon aktiviert und Nicht Beacon aktiviert.

In Beacon-fähigen Netzwerken wird die Methode des konfliktfreien Kanalzugriffs verwendet. Hier weist der Koordinator jedem Gerät einen bestimmten Zeitschlitz zu, der als garantierter Zeitschlitz (GTS) bezeichnet wird. Hier müssen alle Geräte im Netzwerk synchronisiert werden. Dies wird sichergestellt, indem ein Beacon-Signal vom Koordinator an jedes Gerät (Knoten) gesendet wird, so dass jedes Gerät seine Uhr synchronisiert. Dies kann jedoch dazu führen, dass die Akkulaufzeit von Geräten verkürzt wird, wenn keine andere Aufgabe als die Synchronisierung ihrer Uhr ausgeführt wird.

Sobald das Gerät synchronisiert ist, kann es Daten an den Koordinator unter Verwendung des CSMA-CA-Verfahrens (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) übertragen, wobei die Art des Besetzungssignals bestimmt wird, oder während des GTS-Zuweisungszeitraums. Beim Senden einer Anfrage sendet der Koordinator die Bestätigung zurück. Für die Übertragung von Daten vom Koordinator zum Gerät wird eine Anzeige mit der Beacon-Nachricht an das Gerät gesendet. Das Gerät empfängt dann diese Anzeige und sendet eine Datenanforderungsnachricht. Der Koordinator sendet eine Bestätigung dieses Datenanforderungseingangs und überträgt die entsprechenden Daten.

In Nicht-Beacon-Netzwerken sendet der Koordinator keine Beacon-Nachricht. Vielmehr überträgt jedes Gerät Daten unter Verwendung der CSMA-CA-Methode im selben Frequenzkanal. Das Gerät überträgt die Daten, sobald der Kanal frei ist. Zur Übertragung von Daten von Koordinator zu Gerät sendet das Gerät zunächst eine Datenanforderungsnachricht an den Koordinator und dieser sendet dann die Datennachricht mit einer Nutzlast von null Länge, bei Verfügbarkeit von Daten. Wenn keine ausstehenden Daten vorliegen, sendet der Koordinator eine Bestätigung, dass keine ausstehenden Daten vorliegen.

Lesen Sie auch: Was sind industrielle Kommunikationsnetze? Ein Überblick

Anwendungen von ZigBee Technologie

Home Automation: ZigBee technologie erweist sich als die zuverlässigste technologie in realisierung home automation. Verschiedene Anwendungen wie Steuerung und Überwachung des Energieverbrauchs, Wassermanagement, Lichtsteuerung usw. wurden durch Automatisierung mit ZigBee-Technologie erleichtert.

Abbildung 3: ZigBee Home Automation

Industrieautomation: ZigBee-basierte RFID-Geräte sorgen für ein zuverlässiges Zugangsmanagement in der Industrie. Andere Anwendungen in den Industrien umfassen Prozesssteuerung, Energiemanagement, Personal, das etc. aufspürt.

Automatisierung des Gesundheitswesens: Ein beliebtes Beispiel für die Automatisierung des Gesundheitswesens ist die Fernüberwachung des Gesundheitszustands. Eine Person trägt ein ZigBee-Gerät mit einem Körperparameter-Messsensor, der die Gesundheitsinformationen sammelt. Diese Informationen werden über das ZigBee-Netzwerk an das IP-Netzwerk (Internet Protocol) und dann an das Gesundheitspersonal (den Arzt oder die Krankenschwester) übertragen, das dann auf der Grundlage der empfangenen Informationen die richtige Medikation verschreibt.

Sie können auch lesen: Energieverteilung in der Industrie – Alles, was Sie wissen müssen

Abgesehen von den oben genannten drei gibt es viele Anwendungen der ZigBee-Technologie. Dies ist eine kurze Einführung in die ZigBee-Technologie. Alle anderen Informationen zu dieser Technologie sind im Kommentarbereich unten willkommen.

Lesen Sie auch:

• Ampelsteuerung Elektronisches Projekt mit IC 4017 & 555 Timer
• Arduino Seriell: Serielle Kommunikation von Arduino
• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) für die industrielle Steuerung