Wat is ZigBee-technologie en hoe werkt het?

ontwerp, architectuur en toepassingen van ZigBee-technologie

Zigbee Wireless Networking Technology

ZigBee is een op IEEE 802.15.4 gebaseerde, laag vermogen, lage datasnelheid ondersteunende draadloze netwerkstandaard, die in principe wordt gebruikt voor twee-weg communicatie tussen sensoren en besturingssysteem. Het is een korte afstand communicatie standaard zoals Bluetooth en Wi-Fi, die een bereik van 10 tot 100 meter. Het verschil is terwijl Bluetooth en Wi-Fi zijn hoge datasnelheid communicatie standaard ondersteunen overdracht van complexe structuur zoals media, software enz.,

de ZigBee-technologie ondersteunt de overdracht van eenvoudige gegevens zoals die van sensoren. Het ondersteunt een lage datasnelheid van ongeveer 250 kbps. De werkfrequenties zijn 868 MHz, 902 tot 928 MHz en 2,4 GHz. ZigBee-technologie wordt voornamelijk gebruikt voor toepassingen die een laag vermogen, lage kosten, lage datasnelheid en een lange levensduur van de batterij vereisen.

Lees ook: elektrische circuits / netwerken en belangrijke termen die hiermee verband houden

History of ZigBee Technology

de ZigBee-standaard werd ontwikkeld door ZigBee Alliance, waaronder vele grote bedrijven zoals Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, enz. Deze alliantie werd in 2002 opgericht als een non-profit organisatie.

Zigbee-architectuur

het ZigBee-netwerkprotocol volgt IEEE 802.15.4 standaarden voor fysieke en MAC-lagen, samen met zijn eigen netwerk-en applicatielagen.

figuur 1: Zigbee-architectuur

Lees ook: een overzicht van energiebesparing in gebouwen

hieronder wordt uitleg gegeven voor elke laag.

1. fysieke laag: Dit is de laagste protocollaag, en is verantwoordelijk voor het regelen en activeren van de radiotransceiver, en ook voor het selecteren van de kanaalfrequentie en het monitoren van het kanaal. Het is ook verantwoordelijk voor de communicatie met de radio-apparaten. Communicatie van gegevens of commando ‘ s wordt gedaan met behulp van pakketten. Elk PHY pakket bestaat uit een synchronisatie Header (SHR) (verantwoordelijk voor receiver synchronization), Physical Header (PHR) (bevat informatie over Frame lengte) en PHY payload (geleverd door bovenste lagen als een frame en bevat gegevens of commando).
2. Medium Access Control of Mac Layer: het fungeert als een interface tussen de fysieke laag en de netwerklagen. Het is verantwoordelijk voor het genereren van bakens en synchronisatie van apparaten in het Beacon enabled netwerk. Een MAC frame kan een Beacon Frame (gebruikt door coördinator om bakens te verzenden), data Frame, bevestigen Frame of een Command Frame. Het bestaat uit een MAC Header (bevat informatie over beveiliging en adressering), variabele lengte grootte MAC Payload (bevat gegevens of commando) en een MAC Footer (bevat 16 bit Frame check sequence voor data verificatie).
3. netwerklaag: deze laag verbindt de toepassingslaag met de MAC-laag. Het beheert de netwerkvorming en routering. Het stelt een nieuw netwerk op en selecteert de netwerktopologie. Het NWK frame bestaat uit de NWK Header en NWK Payload. De Header bevat informatie over adressering en controle op netwerkniveau. De NWK Payload bevat de toepassing sublaag frame.
4. sublaag voor Toepassingsondersteuning: het biedt een reeks diensten via twee entiteiten-Application SupportData Entity en Application Support Management Entity, aan de Application-en netwerklagen. Deze entiteiten worden benaderd via hun respectieve Service Access Points (SAP)
5. toepassingslaag: Dit is de hoogste laag in het netwerk en is verantwoordelijk voor het hosten van de applicatieobjecten die gebruikersapplicaties en Zigbee Device Objects (ZDOs) bevatten. Een enkel ZigBee-apparaat kan maximaal 240 toepassingsobjecten bevatten die de protocollagen beheren en beheren. Elk toepassingsobject kan bestaan uit één toepassingsprofiel of programma, ontwikkeld door de gebruiker of de Zigbee alliance. Het applicatieprofiel is verantwoordelijk voor de overdracht en ontvangst van gegevens in het netwerk. Het type apparaten en de functie van elk apparaat worden gedefinieerd in een toepassingsprofiel. De Zigbee Apparaatobjecten fungeren als een interface tussen toepassingsobjecten, apparaatprofielen en de Toepassingssublaag.

netwerktopologieën van ZigBee

het ZigBee-netwerk ondersteunt vele soorten topologieën, waarvan de populaire ster – en peer-to-peer-topologieën zijn. Elke netwerktopologie bestaat uit drie soorten knooppunten – Zigbee coördinator, Zigbee Router en Zigbee End Device. De coördinator voert de taak uit om een uniek adres toe te wijzen aan elk apparaat in het netwerk, initieert en brengt berichten over in het netwerk en selecteert een unieke identifier voor het netwerk. ZigBee-apparaten bestaan uit twee typen: Full Function Device (FFD) en Reduced Function Device (RFD)

Figuur 2: Zigbee-netwerktopologieën

in een stertopologie is de Coördinator het centrale apparaat dat apparaten binnen het netwerk initieert en beheert. Elke coördinator selecteert een unieke identifier, die niet wordt gebruikt door een ander netwerk binnen zijn invloedsgebied. Elk eindapparaat communiceert met de coördinator. De eindapparaten zijn over het algemeen RFDs die alleen met de coördinator of de FFD kunnen communiceren.

In Peer-to-Peer-topologie kan elk eindapparaat met elkaar communiceren in de omgeving. De apparaten zijn FFD ‘ s die direct met elkaar kunnen communiceren. Dit type topologie kan echter een RFD bevatten die communiceert met slechts één apparaat in het netwerk. Een Peer to Peer topologie kan een Mesh topologie of een boom topologie.

Lees ook: automatisch UPS – systeemkringschema (nieuw ontwerp zeer eenvoudig) voor thuis of op kantoor

communicatie met behulp van ZigBee

overdracht van gegevens kan plaatsvinden tussen een Coördinator en apparaat of Peer-to-Peer. Gegevensoverdracht tussen coördinator en apparaat kan worden gedaan met behulp van twee methoden-Beacon ingeschakeld en niet Beacon ingeschakeld.

In Beacon Enabled Networking wordt contention free channel access methode gebruikt. Hier wijst de coördinator een bepaald tijdslot toe aan elk apparaat, bekend als Guaranteed Time Slot (GTS). Hier moeten alle apparaten in het netwerk worden gesynchroniseerd. Dit wordt gegarandeerd door een baken signaal van de coördinator naar elk apparaat (knooppunt) te sturen, zodat elk apparaat zijn klok synchroniseert. Echter, dit kan uiteindelijk het verminderen van de levensduur van de batterij van apparaten wanneer niet in een andere taak dan het synchroniseren van hun klok.

zodra het apparaat gesynchroniseerd is, kan het Gegevens naar de coördinator verzenden met behulp van de Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) – methode, waarbij het type bezettingssignaal wordt bepaald, of tijdens de GTS-toewijzingsperiode. Bij het verzenden van een verzoek stuurt de coördinator de ontvangstbevestiging terug. Voor de overdracht van gegevens van Coördinator naar apparaat wordt een indicatie verzonden met het Bakenbericht naar het apparaat. Het apparaat ontvangt dan deze indicatie en stuurt een data request bericht. De coördinator stuurt een ontvangstbevestiging van deze gegevens en stuurt de bijbehorende gegevens door.

bij niet-Beacon-netwerken verzendt de coördinator geen Beacon-bericht. In plaats daarvan verzendt elk apparaat gegevens met behulp van de CSMA-CA-methode in hetzelfde frequentiekanaal. Het apparaat verzendt de gegevens zodra het kanaal vrij is. Voor de overdracht van gegevens van Coördinator naar apparaat, het apparaat stuurt eerst een data request bericht naar de coördinator en vervolgens de laatste verzendt het data bericht met een null lengte payload, op beschikbaarheid van gegevens. Als er geen gegevens in behandeling zijn, stuurt de coördinator een bevestiging dat er geen gegevens in behandeling zijn.

Lees ook: wat zijn industriële communicatienetwerken? Een overzicht

toepassingen van Zigbee-technologie

Home Automation: ZigBee-technologie blijkt de meest betrouwbare technologie te zijn bij het realiseren van home automation. Verschillende toepassingen zoals het regelen en bewaken van energieverbruik, waterbeheer, lichtregeling etc. zijn gemakkelijker gemaakt door automatisering met behulp van ZigBee-technologie.

Figuur 3: Zigbee-huisautomatisering

Industriële Automatisering: RFID-apparaten op basis van ZigBee zorgen voor betrouwbaar toegangsbeheer in industrieën. Andere toepassingen in industrieën omvatten procescontrole, energiebeheer, personeel tracking enz.

automatisering van de gezondheidszorg: een populair voorbeeld van automatisering van de gezondheidszorg is monitoring van de gezondheid op afstand. Een persoon draagt een ZigBee-apparaat met een lichaamsparametermeetsensor die de gezondheidsinformatie verzamelt. Deze informatie wordt via het ZigBee-netwerk doorgegeven aan het Internet Protocol (IP) – netwerk en vervolgens aan het zorgpersoneel (de arts of de verpleegkundige), die op basis van de ontvangen informatie de juiste medicatie zou voorschrijven.

u kunt ook lezen: Power Distribution in Industries – All You Need to Know

afgezien van de bovenstaande drie, zijn er vele toepassingen van ZigBee-technologie. Dit is een korte introductie over ZigBee technologie. Alle andere informatie met betrekking tot deze technologie is welkom in de onderstaande opmerkingen sectie.

lees ook:

• Verkeerslichtregeling elektronisch Project met behulp van IC 4017 & 555 Timer
• Arduino Serial: Serial Communication by Arduino
• Programmable Logic Controllers (PLC) for Industrial Control