ZigBee Technology dess Design, arkitektur och applikationer
Innehållsförteckning
introduktion till ZigBee Wireless Networking Technology
ZigBee är en IEEE 802.15.4-baserad, låg effekt, låg datahastighet som stöder trådlös nätverksstandard, som i grunden används för tvåvägskommunikation mellan sensorer och styrsystem. Det är en kortdistanskommunikationsstandard som Bluetooth och Wi-Fi, som täcker intervallet 10 till 100 meter. Skillnaden är medan Bluetooth och Wi-Fi är kommunikationsstandard med hög datahastighet som stöder överföring av komplex struktur som media, programvara etc.,
ZigBee-tekniken stöder överföring av enkla data som det från sensorer. Den stöder låg datahastighet på cirka 250 kbps. Driftsfrekvenserna är 868 MHz, 902 till 928 MHz och 2,4 GHz. ZigBee-tekniken används främst för applikationer som kräver låg effekt, låg kostnad, låg datahastighet och lång batteritid.
Läs också: elektriska kretsar / nätverk och viktiga termer relaterade till det du måste veta
historia ZigBee teknik
ZigBee standard har utvecklats av ZigBee Alliance inklusive många stora företag som Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, etc. Denna allians bildades 2002 som en ideell organisation.
ZigBee-arkitektur
ZigBee-nätverksprotokollet följer IEEE 802.15.4 standarder för fysiska och MAC lager, tillsammans med sitt eget nätverk och applikationslager.
Figur 1: ZigBee Architecture
Läs också: en översikt över energibesparing i byggnader
nedan är förklaring för varje lager.
- fysiskt lager: Detta är det lägsta protokollskiktet och ansvarar för att styra och aktivera radiosändare, och även för att välja kanalfrekvens och övervaka kanalen. Det är också ansvarigt för kommunikation med radioenheterna. Kommunikation av data eller kommandon görs med hjälp av paket. Varje PHY-paket består av en Synkroniseringshuvud (SHR)(ansvarig för mottagarsynkronisering), fysisk rubrik (PHR)(innehåller information om ramlängd) och PHY nyttolast (tillhandahålls av övre lager som en ram och innehåller data eller kommando).
- Medium Access Control eller MAC Layer: det fungerar som ett gränssnitt mellan det fysiska lagret och Nätverkslagren. Det är ansvarigt för generering av Beacons och synkronisering av enheter i det Beacon-aktiverade nätverket. En MAC-ram kan vara en Beacon-ram (används av koordinator för att överföra Beacons), Dataram, bekräfta ram eller en Kommandoram. Den består av en MAC-rubrik (innehåller information om säkerhet och adressering), Mac-nyttolast med variabel längd (innehåller data eller kommando) och en MAC-sidfot (innehåller 16-bitars Ramkontrollsekvens för dataverifiering).
- nätverkslager: detta lager ansluter applikationsskiktet till MAC-lagret. Det hanterar nätverksbildning och routing. Det etablerar ett nytt nätverk och väljer nätverkstopologin. NWK-ramen består av NWK-huvudet och NWK-nyttolasten. Rubriken innehåller information om adressering och kontroll på nätverksnivå. NWK-nyttolasten innehåller Applikationsunderlagerramen.
- Application Support Sub Layer: det ger en uppsättning tjänster genom två enheter – Application SupportData Entity och Application Support Management Entity, till applikations-och nätverkslagren. Dessa enheter nås via sina respektive Service Access Points (SAP)
- Application Layer: Detta är det högsta lagret i nätverket och ansvarar för värd för applikationsobjekten som innehåller användarapplikationer och ZigBee Device Objects (ZDOs). En enda ZigBee-enhet kan innehålla upp till 240 applikationsobjekt som styr och hanterar protokollskikten. Varje applikationsobjekt kan bestå av en applikationsprofil eller ett program, utvecklat av användaren eller ZigBee alliance. Applikationsprofilen ansvarar för överföring och mottagning av data i nätverket. Typ av enheter och funktion för varje enhet definieras i en applikationsprofil. ZigBee – Enhetsobjekten fungerar som ett gränssnitt mellan applikationsobjekt, enhetsprofiler och Applikationsunderlagret.
nätverkstopologier av ZigBee
ZigBee Network stöder många typer av topologier, den populära är – star och peer to peer topologier. Varje nätverkstopologi består av tre typer av noder – ZigBee Coordinator, ZigBee Router och ZigBee End Device. Koordinatorn utför uppgiften att allokera unik adress till varje enhet i nätverket, initierar och överför meddelanden i nätverket och väljer en unik identifierare för nätverket. ZigBee-enheter är av två typer-Fullfunktionsenhet (FFD) och reducerad Funktionsenhet (RFD)
Figur 2: ZigBee-nätverkstopologier
i en stjärntopologi är koordinatorn den centrala enheten som initierar och hanterar enheter inom nätverket. Varje samordnare väljer en unik identifierare, som inte används av något annat nätverk inom dess inflytningsregion. Varje slutenhet kommunicerar med koordinatorn. Slutanordningarna är i allmänhet RFDs som bara kan kommunicera med koordinatorn eller FFD.
i Peer-to-Peer-topologi kan varje slutenhet kommunicera med varandra placerade i dess närhet. Enheterna är FFDs som kan kommunicera direkt med varandra. Denna typ av topologi kan dock innehålla en RFD som kommunicerar med endast en enhet i nätverket. En Peer to Peer topologi kan vara en Mesh topologi eller en Trädtopologi.
Läs också: automatisk UPS-system kopplingsschema (ny Design mycket enkel) för hem eller kontor
kommunikation med ZigBee
överföring av data kan vara mellan en koordinator och enhet eller Peer to Peer. Dataöverföring mellan koordinator och enhet kan göras med två metoder – Beacon aktiverat och icke Beacon aktiverat.
i Beacon aktiverat nätverk, strid fri kanalåtkomstmetod används. Här tilldelar samordnaren en viss tidslucka till varje enhet, känd som garanterad tidslucka (GTS). Här måste alla enheter i nätverket synkroniseras. Detta säkerställs genom att skicka en Fyrsignal från koordinatorn till varje enhet (nod), så att varje enhet synkroniserar sin klocka. Detta kan dock sluta minska batterilivslängden för enheter när de inte är i någon annan uppgift än att synkronisera klockan.
när enheten är synkroniserad kan den Överföra data till koordinatorn med hjälp av Carrier Sense Multiple Access med Collision Avoidance (CSMA-CA) – metoden, varvid typ av ockupationssignal bestäms eller under GTS-allokeringsperioden. Vid sändning av en begäran skickar samordnaren tillbaka bekräftelsen. För överföring av data från koordinator till enhet skickas en indikation med Beacon-meddelandet till enheten. Enheten tar sedan emot denna indikation och skickar ett meddelande om dataförfrågan. Samordnaren skickar en bekräftelse på detta mottagande av databegäran och överför motsvarande data.
I icke-Beacon nätverk, samordnaren inte sända någon Beacon meddelande. Snarare sänder varje enhet data med CSMA-CA-metoden i samma frekvenskanal. Enheten sänder data så snart kanalen är klar. För överföring av data från koordinator till enhet skickar enheten först ett databegäransmeddelande till samordnaren och sedan överför den senare datameddelandet med en nyttolast med nollängd om tillgången på data. För inga väntande uppgifter skickar samordnaren en bekräftelse som anger att inga uppgifter väntar.
Läs också: Vad är industriella kommunikationsnät? En översikt
tillämpningar av ZigBee-teknik
hemautomation: ZigBee-tekniken visar sig vara den mest tillförlitliga tekniken för att realisera hemautomation. Olika applikationer som styrning och övervakning av energiförbrukning, vattenhantering, ljusstyrning etc. har underlättats genom automatisering med ZigBee-teknik.
Figur 3: ZigBee Home Automation
industriell Automation: ZigBee-baserade RFID-enheter hjälper till att ge tillförlitlig åtkomsthantering i branscher. Andra tillämpningar inom branscher inkluderar processtyrning,energihantering, personal spårning etc.
Hälsoautomation: ett populärt exempel på hälsoautomation är fjärrövervakning. En person bär en ZigBee-enhet med en kroppsparametermätningssensor som samlar in hälsoinformationen. Denna information överförs på ZigBee-nätverket till Internet Protocol (IP) – nätverket och sedan till vårdpersonalen (läkaren eller sjuksköterskan), som sedan skulle ordinera korrekt medicinering baserat på den mottagna informationen.
du kan också läsa: Kraftfördelning i industrier – allt du behöver veta
förutom ovanstående tre finns det många tillämpningar av ZigBee-teknik. Detta är en kort introduktion om ZigBee-teknik. All annan information om denna teknik är välkommen i nedanstående kommentarer avsnitt.
Läs också:
- Trafikljusstyrning elektroniskt projekt med IC 4017 & 555 Timer
- Arduino Serial: seriell kommunikation av Arduino
- programmerbara logiska styrenheter (PLC) för industriell kontroll