co to jest technologia ZigBee i jak działa?

ZigBee Technology its Design, architektura i zastosowania

Wprowadzenie do technologii sieci bezprzewodowych ZigBee

ZigBee to oparty na IEEE 802.15.4, o niskiej mocy i niskiej szybkości transmisji danych obsługujący standard sieci bezprzewodowej, który jest zasadniczo używany do dwukierunkowej komunikacji między czujnikami a systemem sterowania. Jest to standard komunikacji bliskiego zasięgu, taki jak Bluetooth i Wi-Fi, obejmujący zasięg od 10 do 100 metrów. Różnica polega na tym, że Bluetooth i Wi-Fi są standardem komunikacji o wysokiej szybkości transmisji danych, obsługującym transfer złożonej struktury, takiej jak media, oprogramowanie itp.,

Technologia ZigBee umożliwia przesyłanie takich prostych danych z czujników. Obsługuje niską szybkość transmisji danych około 250 kbps. Częstotliwości robocze to 868 MHz, 902 do 928 MHz i 2,4 GHz. Technologia ZigBee jest stosowana głównie w aplikacjach wymagających niskiej mocy, niskich kosztów, niskiej szybkości transmisji danych i długiej żywotności baterii.

Przeczytaj także: obwody elektryczne / sieci i ważne terminy z tym związane musisz znać

historia technologii ZigBee

standard ZigBee został opracowany przez Zigbee Alliance, w tym wiele dużych firm, takich jak Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments itp. Sojusz ten powstał w 2002 roku jako organizacja non-profit.

Architektura ZigBee

Protokół Sieciowy ZigBee jest zgodny z IEEE 802.15.4 standardy dla warstw fizycznych i MAC, wraz z własnymi warstwami sieciowymi i aplikacyjnymi.

Rysunek 1: Architektura ZigBee

przeczytaj również: przegląd oszczędzania energii w budynkach

podany poniżej jest wyjaśnieniem dla każdej warstwy.

1. warstwa fizyczna: jest to najniższa warstwa protokołu i jest odpowiedzialna za sterowanie i aktywację nadajnika-odbiornika radiowego, a także za wybór częstotliwości kanału i monitorowanie kanału. Odpowiada również za komunikację z urządzeniami radiowymi. Komunikacja danych lub poleceń odbywa się za pomocą pakietów. Każdy pakiet PHY składa się z nagłówka synchronizacji (SHR)(odpowiedzialnego za synchronizację odbiornika), nagłówka fizycznego (PHR)(zawiera informacje o długości klatki) i ładunku PHY (dostarczanego przez górne warstwy jako ramka i zawiera dane lub polecenie).
2. Kontrola dostępu Medium lub warstwa MAC: działa jako interfejs między warstwą fizyczną a warstwą sieciową. Odpowiada za generowanie beaconów i synchronizację urządzeń w sieci Beacon enabled. Ramka MAC może być ramką sygnalizacyjną (używaną przez koordynatora do przesyłania sygnałów nawigacyjnych), ramką danych, ramką potwierdzenia lub ramką polecenia. Składa się z nagłówka MAC (zawiera informacje o bezpieczeństwie i adresowaniu), zmiennej długości rozmiaru Mac Payload (zawiera dane lub polecenie) i stopki MAC (zawiera 16-bitową sekwencję sprawdzania ramki do weryfikacji danych).
3. warstwa sieciowa: ta warstwa łączy warstwę aplikacji z warstwą komputera MAC. Zarządza tworzeniem sieci i routingiem. Ustanawia nową sieć i wybiera topologię sieci. Rama NWK składa się z nagłówka NWK i ładunku NWK. Nagłówek zawiera informacje dotyczące adresowania i kontroli na poziomie sieci. NWK Payload zawiera podwarstwową ramkę aplikacji.
4. podwarstwa wsparcia aplikacji: zapewnia zestaw usług za pośrednictwem dwóch jednostek – application SupportData Entity i Application Support Management Entity, do warstwy aplikacji i sieci. Podmioty te są dostępne za pośrednictwem odpowiednich punktów dostępu do usług (SAP)
5. warstwa aplikacji: Jest to najwyższa warstwa w sieci i jest odpowiedzialna za hosting obiektów aplikacji, które przechowują aplikacje użytkownika i Obiekty urządzeń Zigbee (ZDOs). Pojedyncze Urządzenie ZigBee może zawierać do 240 obiektów aplikacji, które kontrolują i zarządzają warstwami protokołu. Każdy obiekt aplikacji może składać się z jednego profilu aplikacji lub programu, opracowanego przez użytkownika lub sojusz ZigBee. Profil aplikacji odpowiada za transmisję i odbiór danych w sieci. Typ urządzeń i funkcja każdego urządzenia jest zdefiniowana w profilu aplikacji. Obiekty urządzenia ZigBee działają jako interfejs między obiektami aplikacji, profilami urządzeń i warstwą podrzędną aplikacji.

topologie sieci ZigBee

sieć ZigBee obsługuje wiele typów topologii, z których popularna jest topologia star i peer to peer. Każda topologia sieci składa się z trzech typów węzłów – koordynatora ZigBee, routera ZigBee i urządzenia końcowego ZigBee. Koordynator wykonuje zadanie przydzielania unikalnego adresu każdemu urządzeniu w sieci, inicjuje i przesyła wiadomości w sieci oraz wybiera unikalny identyfikator dla sieci. Urządzenia ZigBee są dwóch typów-Full Function Device (FFD) i Reduced Function Device (RFD)

Rysunek 2: topologie sieci ZigBee

w topologii gwiazdy Koordynator jest centralnym urządzeniem, które inicjuje i zarządza urządzeniami w sieci. Każdy koordynator wybiera niepowtarzalny identyfikator, który nie jest używany przez żadną inną sieć w jej regionie oddziaływania. Każde urządzenie końcowe komunikuje się z koordynatorem. Urządzeniami końcowymi są zazwyczaj RFD, które mogą komunikować się tylko z koordynatorem lub FFD.

w topologii Peer to Peer każde urządzenie końcowe może komunikować się ze sobą umieszczonym w jego pobliżu. Urządzenia są FFD, które mogą komunikować się bezpośrednio ze sobą. Jednak ten typ topologii może zawierać RFD, które komunikuje się tylko z jednym urządzeniem w sieci. Topologia Peer to Peer może być topologią siatki lub topologią drzewa.

Czytaj także: automatyczny schemat okablowania systemu UPS (Nowy Projekt Bardzo prosty) do domu lub biura

komunikacja za pomocą ZigBee

przesyłanie danych może odbywać się między koordynatorem a urządzeniem lub Peer to Peer. Transfer danych między koordynatorem a urządzeniem może odbywać się przy użyciu dwóch metod – Beacon Enabled i Non Beacon Enabled.

w usłudze Beacon Enabled Networking używana jest metoda contention free channel access. Tutaj Koordynator przydziela konkretny przedział czasowy do każdego urządzenia, znany jako gwarantowany przedział czasowy (GTS). Tutaj wszystkie urządzenia w sieci muszą być zsynchronizowane. Jest to zapewnione poprzez wysłanie sygnału nawigacyjnego z koordynatora do każdego urządzenia (węzła), tak aby każde urządzenie synchronizowało swój zegar. Może to jednak skończyć się skróceniem żywotności baterii urządzeń, gdy nie ma innego zadania niż synchronizacja ich zegara.

po zsynchronizowaniu urządzenia może przesyłać dane do koordynatora za pomocą metody Carrier Sense Multiple Access z unikaniem kolizji (CSMA-CA), w której określa się rodzaj sygnału zajmującego lub podczas okresu alokacji GTS. Po wysłaniu wniosku Koordynator odsyła potwierdzenie. W przypadku przesyłania danych z koordynatora do urządzenia wysyłane jest wskazanie z Komunikatem Beacon do urządzenia. Następnie urządzenie otrzymuje ten sygnał i wysyła komunikat żądania danych. Koordynator wysyła potwierdzenie otrzymania żądania danych i przekazuje odpowiednie dane.

w przypadku sieci innych niż Beacon, koordynator nie przekazuje żadnej wiadomości Beacon. Raczej każde urządzenie przesyła dane za pomocą metody CSMA-CA w tym samym kanale częstotliwości. Urządzenie przesyła dane, gdy tylko kanał jest czysty. W przypadku przesyłania danych z koordynatora do urządzenia urządzenie najpierw wysyła komunikat żądania danych do koordynatora, a następnie przesyła komunikat danych o zerowej długości ładunku, w zależności od dostępności danych. W przypadku braku oczekujących danych Koordynator wysyła potwierdzenie wskazujące brak oczekujących danych.

Przeczytaj także: Czym są Przemysłowe Sieci komunikacyjne? Przegląd

zastosowania technologii ZigBee

Automatyka domowa: Technologia ZigBee okazuje się najbardziej niezawodną technologią w realizacji automatyki domowej. Różne aplikacje, takie jak kontrolowanie i monitorowanie zużycia energii, gospodarka wodna, kontrola światła itp. zostały ułatwione dzięki automatyzacji przy użyciu technologii ZigBee.

Rysunek 3: Automatyka domowa ZigBee

Automatyka Przemysłowa: urządzenia RFID oparte na ZigBee pomagają zapewnić niezawodne zarządzanie dostępem w branżach. Inne zastosowania w przemyśle obejmują kontrolę procesu, zarządzanie energią, śledzenie personelu itp.

Automatyzacja służby zdrowia: popularnym przykładem automatyzacji służby zdrowia jest zdalne monitorowanie stanu zdrowia. Osoba nosi urządzenie ZigBee z czujnikiem pomiaru parametrów ciała, który zbiera informacje o stanie zdrowia. Informacje te są przesyłane w sieci ZigBee do sieci Internet Protocol (IP), a następnie do personelu medycznego (lekarza lub pielęgniarki), który przepisuje odpowiednie leki na podstawie otrzymanych informacji.

Możesz również przeczytać: Dystrybucja energii w przemyśle-wszystko, co musisz wiedzieć

oprócz powyższych trzech, istnieje wiele zastosowań technologii ZigBee. To krótkie wprowadzenie do technologii ZigBee. Wszelkie inne informacje dotyczące tej technologii są mile widziane w poniższej sekcji komentarzy.

czytaj także:

• Elektroniczny Projekt sterowania oświetleniem przy użyciu IC 4017 & 555 Timer
• Arduino Serial: komunikacja szeregowa przez Arduino
• Programowalne Sterowniki logiczne (PLC) do sterowania przemysłowego