ce este tehnologia ZigBee și cum funcționează?

ZigBee Technology Design, arhitectură și aplicații

Introducere în tehnologia de rețea fără fir ZigBee

ZigBee este un IEEE 802.15.4 bazat, cu putere redusă, rată scăzută de date care acceptă standardul de rețea fără fir, care este utilizat în principiu pentru comunicarea bidirecțională între senzori și sistemul de control. Este un standard de comunicare cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi Bluetooth și Wi-Fi, care acoperă o gamă de 10 până la 100 de metri. Diferența fiind în timp ce Bluetooth și Wi-Fi sunt standard de comunicații cu rată ridicată de date, care acceptă transferul unei structuri complexe, cum ar fi media, software etc.,

tehnologia ZigBee acceptă transferul de date simple de genul acesta de la senzori. Aceasta susține rată scăzută de date de aproximativ 250 kbps. Frecvențele de operare sunt de 868 MHz, 902 până la 928 MHz și 2,4 GHz. Tehnologia ZigBee este utilizată în principal pentru aplicații care necesită putere redusă, cost redus, rată scăzută de date și durată lungă de viață a bateriei.

Citește și: circuite electrice / rețele și termeni importanți legați de acesta trebuie să știți

istoria tehnologiei ZigBee

standardul ZigBee a fost dezvoltat de ZigBee Alliance, incluzând multe companii importante precum Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments etc. Această alianță a fost formată în 2002 ca organizație non-profit.

arhitectura ZigBee

Protocolul de rețea ZigBee urmează IEEE 802.15.4 standarde pentru straturile fizice și MAC, împreună cu propriile straturi de rețea și aplicații.

Figura 1: Arhitectura ZigBee

de asemenea, citiți: o prezentare generală a conservării energiei în clădiri

prezentată mai jos este explicația pentru fiecare strat.

1. stratul fizic: acesta este cel mai mic strat de protocol și este responsabil pentru controlul și activarea transmițătorului radio, precum și pentru selectarea frecvenței canalului și monitorizarea canalului. De asemenea, este responsabil pentru comunicarea cu dispozitivele radio. Comunicarea datelor sau a comenzilor se face folosind pachete. Fiecare pachet PHY constă dintr-un antet de sincronizare (SHR)(responsabil pentru sincronizarea receptorului), antet fizic (PHR)(conține informații despre lungimea cadrului) și sarcină utilă PHY (furnizată de straturile superioare ca cadru și include date sau comandă).
2. Control Acces mediu sau strat MAC: acționează ca o interfață între stratul fizic și straturile de rețea. Acesta este responsabil pentru generarea de balize și sincronizarea dispozitivelor în rețeaua activată Beacon. Un cadru MAC poate fi un cadru de baliză (utilizat de coordonator pentru a transmite balize), cadru de date, cadru de recunoaștere sau un cadru de comandă. Se compune dintr-un antet MAC (conține informații despre securitate și adresare), lungime variabilă Dimensiune sarcină utilă MAC (conține date sau Comandă) și un subsol MAC (conține 16 biți secvență de verificare cadru pentru verificarea datelor).
3. strat de rețea: acest strat conectează stratul de aplicație cu stratul MAC. Gestionează formarea și rutarea rețelei. Stabilește o nouă rețea și selectează topologia rețelei. Cadrul NWK este format din antetul NWK și sarcina utilă NWK. Antetul conține informații privind adresarea și controlul la nivel de rețea. Sarcina utilă NWK conține cadrul sub-strat al aplicației.
4. Application Support sub Layer: acesta oferă un set de servicii prin intermediul a două entități – Application SupportData Entity și Application Support Management Entity, la straturile de aplicații și de rețea. Aceste entități sunt accesate prin intermediul respectivelor puncte de acces la servicii (SAP)
5. strat de aplicație: Acesta este cel mai înalt nivel din rețea și este responsabil pentru găzduirea obiectelor aplicației care deține aplicațiile utilizatorului și obiectele dispozitivului ZigBee (Zdos). Un singur dispozitiv ZigBee poate conține până la 240 de obiecte de aplicație care controlează și gestionează straturile de protocol. Fiecare obiect de aplicație poate consta dintr-un profil sau program de aplicație, dezvoltat de utilizator sau de Alianța ZigBee. Profilul aplicației este responsabil pentru transmiterea și recepția datelor în rețea. Tipul de dispozitive și funcția fiecărui dispozitiv este definit într-un profil de aplicație. Obiectele dispozitivului ZigBee acționează ca o interfață între obiectele aplicației, profilurile dispozitivului și stratul secundar al aplicației.

topologii de rețea de ZigBee

ZigBee rețea suportă mai multe tipuri de topologii, cel popular fiind – stele și peer to peer topologii. Fiecare topologie de rețea este formată din trei tipuri de noduri – ZigBee Coordinator, ZigBee Router și ZigBee End Device. Coordonatorul îndeplinește sarcina de a aloca o adresă unică fiecărui dispozitiv din rețea, inițiază și transferă mesaje în rețea și selectează un identificator unic pentru rețea. Dispozitivele ZigBee sunt de două tipuri-dispozitiv cu funcție completă (FFD) și dispozitiv cu funcție redusă (RFD)

Figura 2: topologii de rețea ZigBee

într-o topologie stelară, coordonatorul este dispozitivul central care inițiază și gestionează dispozitivele din rețea. Fiecare coordonator selectează un identificator unic, care nu este utilizat de nicio altă rețea din regiunea sa de influență. Fiecare dispozitiv final comunică cu coordonatorul. Dispozitivele finale sunt, în general, RFD-uri care pot comunica numai cu coordonatorul sau FFD.

în topologia de la egal la egal, fiecare dispozitiv final poate comunica unul cu celălalt plasat în vecinătatea sa. Dispozitivele sunt FFD – uri care pot comunica direct între ele. Cu toate acestea, acest tip de topologie poate conține un RFD care comunică cu un singur dispozitiv din rețea. O topologie de la egal la egal poate fi o topologie de plasă sau o topologie de copac.

de asemenea, citiți: diagrama automată a circuitului de cablare a sistemului UPS (design nou foarte simplu) pentru casă sau birou

comunicare folosind ZigBee

transferul de date poate fi între un coordonator și dispozitiv sau Peer to Peer. Transferul de date între coordonator și dispozitiv se poate face folosind două metode – Beacon Enabled și non Beacon Enabled.

în Beacon Enabled Networking, este utilizată metoda de acces canal contention gratuit. Aici coordonatorul alocă un anumit interval de timp fiecărui dispozitiv, cunoscut sub numele de interval de timp garantat (GTS). Aici toate dispozitivele din rețea trebuie sincronizate. Acest lucru este asigurat prin trimiterea unui semnal de baliză de la coordonator la fiecare dispozitiv (nod), astfel încât fiecare dispozitiv să-și sincronizeze ceasul. Cu toate acestea, acest lucru poate duce la reducerea duratei de viață a bateriei dispozitivelor atunci când nu se află în altă sarcină decât sincronizarea ceasului.

odată ce dispozitivul este sincronizat, acesta poate transmite date coordonatorului folosind metoda Carrier Sense Multiple Access with Collision Evitation (CSMA-CA), în care se determină tipul semnalului de ocupare sau în timpul perioadei de alocare GTS. La trimiterea unei cereri, coordonatorul trimite înapoi confirmarea. Pentru transferul de date de la Coordonator la dispozitiv, se trimite o indicație cu mesajul Beacon către dispozitiv. Dispozitivul primește apoi această indicație și trimite un mesaj de solicitare a datelor. Coordonatorul trimite o confirmare de primire a acestei cereri de date și transferă datele corespunzătoare.

în rețelele Non-Beacon, coordonatorul nu transmite niciun mesaj Beacon. Mai degrabă, fiecare dispozitiv transmite date folosind metoda CSMA-CA în același canal de frecvență. Dispozitivul transmite datele imediat ce canalul este clar. Pentru transferul de date de la Coordonator la dispozitiv, dispozitivul trimite mai întâi un mesaj de solicitare a datelor către coordonator și apoi acesta din urmă transmite mesajul de date cu o sarcină utilă de lungime nulă, în funcție de disponibilitatea datelor. Pentru lipsa datelor în așteptare, coordonatorul trimite o confirmare care indică absența datelor în așteptare.

Citește și: ce sunt rețelele de comunicații industriale? O prezentare generală

aplicații ale tehnologiei ZigBee

Home Automation: tehnologia ZigBee se dovedește a fi cea mai fiabilă tehnologie în realizarea automatizării la domiciliu. Diferite aplicații cum ar fi controlul și monitorizarea consumului de energie, gestionarea apei, Controlul luminii etc. au fost făcute mai ușor prin automatizare folosind tehnologia ZigBee.

Figura 3: ZigBee Home Automation

automatizări industriale: dispozitivele RFID bazate pe ZigBee ajută la asigurarea unei gestionări fiabile a accesului în industrii. Alte aplicații în industrii includ controlul proceselor, managementul energiei, urmărirea personalului etc.

automatizarea asistenței medicale: un exemplu popular de automatizare a asistenței medicale este monitorizarea la distanță a sănătății. O persoană poartă un dispozitiv ZigBee cu un senzor de măsurare a parametrilor corpului care colectează informațiile despre sănătate. Aceste informații se transmit în rețeaua ZigBee către rețeaua Internet Protocol (IP) și apoi către personalul medical (medicul sau asistenta medicală), care va prescrie apoi medicamente adecvate pe baza informațiilor primite.

puteți citi și: distribuția energiei electrice în industrii-tot ce trebuie să știți

în afară de cele trei de mai sus, există multe aplicații ale tehnologiei ZigBee. Aceasta este o scurtă introducere despre tehnologia ZigBee. Orice alte informații referitoare la această tehnologie sunt binevenite în secțiunea de comentarii de mai jos.

citește și:

• proiect Electronic de control al semaforului folosind IC 4017 & 555 Timer
• Arduino Serial: comunicare serială prin Arduino
• Controlere logice programabile (PLC) pentru Control Industrial