Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №1

Технология передачи данных Zigbee

Дмитриев Владимир


В сфере беспроводных персональных сетей передачи данных (WPAN) наблюдается острая конкуренция ряда новых технологий. У Bluetooth появился ряд альтернатив, поддерживаемых гигантами электронной промышленности. Среди них — технология передачи данных Zigbee.

Рис. 1. Эмблема технологии
Рис. 1. Эмблема технологии
Рис. 2. Эмблема ZigBee Alliance
Рис. 2. Эмблема ZigBee Alliance

Первый из известных вариантов интерпретации названия технологии Zigbee, по-видимому, наиболее верный — это сочетание Zigzag и Bee: передача сообщений пчелами в улье с помощью телодвижений зигзагообразной формы, которое для нас, потребителей меда, не очень понятно. Ранее стандарт был также известен под именами «HomeRF lite», «Firefly» и «RF-EasyLink». Иногда ZigBee считают комбинацией RomeRF Lite и спецификации стандарта 802.15.4, разработанной IEEE, то есть технология имеет явно выраженное американское происхождение.

Решаемые WPAN задачи имеют специфические особенности, позволяющие рассматривать радиосети данного типа отдельно от других беспроводных технологий. Во-первых, в самом названии «персональные» подчеркивается их применение отдельным человеком, семьей, с меньшей вероятностью — группой людей. Отсюда вытекает ряд требований, таких, как малые габариты, пониженное потребление электропитания, небольшие дальности связи, упрощенная инсталляция, не требующая специальной подготовки, и ряд других. Это сектор рынка, где пользователь технологии платит из своего кармана. Во-вторых, отметим, что спектр скоростей передачи данных здесь достаточно узок и определяется конкретным применением технологии — от включения освещения и передачи сигнала о задымлении до связи ПК с клавиатурой и мышью (мультимедийная передача между двумя объектами в такой сети не предполагается). Наконец, эволюция персональных сетей показала, что существуют оптимальные комбинации параметров элементов сети. Например, устройство может применяться редко, но на относительно большую дальность, или, наоборот, часто и на малую дальность. Можно назвать и другие варианты различных сочетаний потребительских требований. Это привело к тому, что создание универсальной технологии «на все случаи применения сетей персональной связи» оказалось сложным и даже ненужным делом. Для гигантов электронной индустрии данный факт явился сигналом для начала гонки за захват рынков сбыта и развитие соответствующих технологий. Для разработки спецификаций стандарта и продвижения продукции на рынок был создан ZigBee Alliance — его целью стала разработка стандарта беспроводной связи, который был бы недорогим и более функциональным именно в данной области применения (рис. 2).

В этот альянс вошли Philips, Motorola, Honeywell, Invensys, Mitsubishi и другие производители электроники и оборудования, общим числом более пятидесяти (стандарт Bluetooth поддерживает свыше 3000 организаций). Группа компаний надеется, что спецификация ZigBee будет готова в начале 2004 года. В «пакет совместимости» ZigBee на разных уровнях модели ISO будут входить Bluetooth, Wi-Fi, Ultrawideband, и вообще, спецификация планируется как поддерживающая максимальное количество стандартов. Это упростит взаимодействие устройств, использующих различные частоты и протоколы.

Казавшийся универсальным Bluetooth сейчас по ряду позиций не устраивает потребителей, наиболее очевидным недостатком оказалось относительно высокое энергопотребление абонентских устройств, обусловленное, в том числе и значительной скоростью передачи в случаях, когда в этом нет такой необходимости (сбор данных с датчиков или управление осветительными приборами). В свою очередь, однозначно используемый устройствами Bluetooth диапазон частот (в районе 2,4 ГГц) существенно уменьшает дальность связи в реальных условиях. В целом, при большом числе оконечных устройств (десятки и сотни) «переплачивание за ненужные возможности» становится ощутимым. Короче говоря, появились реальные альтернативы технологии Bleutooth, и одной из них как раз и является Zigbee.

Назначение технологии

Технология Zigbee позиционировалась своими авторами для применения в системах контроля и управления, которые передают небольшие объемы данных, например, контроллеры освещенности помещения, термостаты, кондиционеры, пульты дистанционного управления, беспроводные клавиатуры и мыши для компьютера, датчики дыма и углекислого газа, устройства вызова помощи для пожилых людей и детей, устройства домашней автоматизации и т. п. В корпоративном секторе это могут быть, например, складские системы, системы автоматизации производства, различные датчики и т. п.

Рис. 3. Архитектура стандарта
Рис. 3. Архитектура стандарта
Рис. 4. Распределение слоев семиуровневой модели
Рис. 4. Распределение слоев семиуровневой модели

Таким образом, стандарт ZigBee ориентирован, главным образом, на использование в качестве средства связи между автономными приборами и оборудованием управления. Отсюда следуют и предъявляемые к технологии требования, которые были реализованы:

  1. поддержка сетей с несколькими сотнями функционирующих устройств (до 255 подключенных устройств);
  2. обеспечение в реальных домашних условиях среднего радиуса действия сетей порядка 30 метров;
  3. простота инсталляции и применения.

Для сравнения технология Wi-Fi (IEEE 802.11b) поддерживает 50 устройств без потери производительности сети, WirelessUSB и Bluetooth (основные конкуренты Zigbee) — по семь элементов в каждой пикосети. С другой стороны, дальность действия в домашних условиях для Wi-Fi составляет 100 метров, а для WirelessUSB и Bluetooth — до 10 метров. Таким образом, потребительская ниша новой технологии очевидна — частичная конкуренция с упомянутыми технологиями и полная замена проводных и радиопроводных систем аналогичного назначения (LonWorks, HomePNA и др.).

Архитектура стандарта

Традиционно разработчики стандартов технологий беспроводной связи особое внимание уделяют двум-трем нижним уровням семиуровневой модели открытых систем ISO. На рис. 3 показана архитектура стандарта, где (снизу вверх) показаны физические уровни (PHY) диапазонов 868 МГц (Европа) и 915 МГц (США), а также физический уровень общего диапазона 2,4 ГГц. Над ними расположен транспортный уровень, определяющий разделение радиосигналов при их доступе к устройству сети.

Рис. 5. Поля пакета (слева направо): преамбула (32 бита) используется для синхронизации пакета, маркер пакета (8 битов) определяет один из трех применяемых типов пакетов, заголовок (8 битов) определяет длину поля данных, PSDU — поле данных от 0 до 127 байтов
Рис. 5. Поля пакета (слева направо): преамбула (32 бита) используется для синхронизации пакета, маркер пакета (8 битов) определяет один из трех применяемых типов пакетов, заголовок (8 битов) определяет длину поля данных, PSDU — поле данных от 0 до 127 байтов
Рис. 6. Частотные планы радиосигналов в различных диапазонах несущего колебания
Рис. 6. Частотные планы радиосигналов в различных диапазонах несущего колебания

Распределение «зон ответственности» разработчиков и потребителей технологии выглядит следующим образом (рис. 4).

Нижние уровни определяются стандартом IEEE, средняя часть находится целиком в ведении ZigBee Alliance (рис. 4), однако пользуется технологией пользователь (customer), который диктует потребительские свойства эксплуатируемых устройств.

Доступ к среде передачи в данной технологии типа CSMA-CA — (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий. Данный вид доступа является традиционным для стандартов RadioEthernet.

Структура пакета данных показана на рис. 5.

Технические параметры технологии (особенно скорость передачи данных) отличаются для различных диапазонов частот.

  1. В диапазоне 2,4 ГГц (универсальном в мире):
    • информационная скорость передачи 250 кбит/с;
    • техническая скорость передачи 62,5 кбод при кодировании 4 бит/символ;
  2. В диапазоне 868 МГц (Европа) или 915 МГц (США):
    • информационная скорость передачи 20 кбит/с;
    • техническая скорость передачи 20 кбод при кодировании 1 бит/символ.

Встречаются данные о достижении скорости передачи данных 40 кбит/с в данном диапазоне.

Для всех вариантов вид модуляции несущего колебания одинаков — относительная фазовая манипуляция; для передачи используются нелицензируемые диапазоны частот.

На рис. 6 показаны частотные планы для различных диапазонов несущих колебаний.

Структура сетей Zigbee

В соответствии с технологией Zigbee сети беспроводной передачи включают в свой состав устройства двух классов — полнофункциональные (Full function device — FFD) и устройства с ограниченной функциональностью (Reduced function device — RFD). Устройства первого типа обеспечивают расширенные возможности по построению топологии сети, могут выполнять роль координатора работы сети (главной станции радиосети) и могут обмениваться сообщениями с любой другой станцией сети. Устройства второго типа могут работать только в сети звездообразной формы, не могут выполнять функции координации работы сети обмена данными и имеют упрощенную конструкцию. Последнее свойство — изначально заложенное в идеологию технологии неравенство возможностей устройств при их работе в единой сети — как раз и позволяет обеспечить их чрезвычайно низкое энергопотребление. Если для устройств Bluetooth с точки зрения энергопотребления характерен подход, аналогичный сотовой телефонии — периодическая подзарядка батарей, то здесь ориентация осуществлена в направлении длительного использования источников однократного применения (пальчиковых элементов) для многочисленных абонентских устройств и домашней электросети — для координатора.

Также существенно отличаются для данных технологий и временные параметры алгоритмов работы сетей: для Bluetooth время выхода устройства из «спящего» режима составляет около трех секунд, а для Zigbee — 15 мс; время доступа подчиненного устройства к среде передачи — 15 мс и 2 мс соответственно; даже длительность «прописывания» нового элемента в сети существенно различна — более 3 с для Bluetooth и менее 30 мс для Zigbee. Одним из главных достоинств технологии является обещаемое сверхдлительное использование автономных источников питания, предполагается, что двух-трех пальчиковых элементов хватит для функционирования автономного устройства в течение нескольких месяцев. Фактически эти данные подчеркивают то, что сравниваемые технологии рассчитаны на применение в различных сферах приложений, а значит, они попросту несравнимы.

Структуры сетей Zigbee

На рис. 7 показана структура сети типа «звезда».

Задачи главной станции сети:

  • передает сетевые маркеры;
  • объединяет абонентские устройства в единую сеть;
  • управляет абонентскими устройствами;
  • хранит информацию о состоянии сети;
  • организует передачу данных между тяготеющими элементами сети;
  • получает питание от электросети;
  • постоянно находится в режиме приема.
Рис. 7. В центре находится станция первого типа, выполняющая функции главной станции сети. Она связана со станциями обоего типа, являющимися подчиненными
Рис. 7. В центре находится станция первого типа, выполняющая функции главной станции сети. Она связана со станциями обоего типа, являющимися подчиненными
Рис. 8. Структуры сетей однородного типа
Рис. 8. Структуры сетей однородного типа
Рис. 9. Структуры смешанного типа
Рис. 9. Структуры смешанного типа

В свою очередь, подчиненная станция сети:

  • принимает и передает данные в соответствии с выполняемым приложением;
  • определяет, имеются ли данные, которые необходимо передать;
  • запрашивает, в случае необходимости, необходимые данные от координатора сети;
  • обычно обеспечивается электропитанием от автономной батареи;
  • может находиться в спящем режиме длительное время.

Станции первого типа могут также создавать однородные структуры вида, показанного на рис. 8.

Наконец, подобно Bluetooth, технология позволяет строить структуры смешанного типа (рис. 9).

В зависимости от вида структуры сети меняется и адресация ее элементов. Применяются следующие способы адресации: сеть + идентификатор устройства (звездообразная структура), идентификаторы источника/получателя сообщений (однородная структура), дерево кластеров источников/получателей сообщений + идентификатор устройства (структуры смешанного типа).

Алгоритмы процесса передачи данных оптимизированы под вид входящего трафика, который может иметь следующие временные параметры:

  • данные, передаваемые через определенные промежутки времени в различных направлениях (датчики, сенсоры, телеметрия);
  • данные, передаваемые через случайные интервалы времени в различных направлениях (управление освещением, оконными шторами);
  • случайная длительная прерывистая передача данных в одном направлении (работа мыши или клавиатуры ПК).

Развитие элементной базы технологии

Технология предъявляет следующие требования к стеку протоколов и устройствам его реализации:

  • 8-разрядный микропроцессор, например 80c51;
  • память для хранения полного стека протоколов координатора сети менее 32 кбайт;
  • память для хранения стека протоколов абонентского устройства около 4 кбайт;
  • главные станции (координаторы сети) требуют наличия внешней RAM для хранения базы данных обо всех элементах сети, таблицы транзакций и таблицы связности сети.

Программно-аппаратное решение устройств Zigbee, представленное Motorola, соответствует уровням PHY/MAC стандарта (первый и второй уровень по модели OSI), работает в диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивает скорость передачи данных до 250 кбит/с. Его физический уровень включает в себя радиомодем и последовательный интерфейс для связи с контроллером, а программный уровень — управляющую программу, которая может встраиваться в прошивку контроллера устройства. Система предусматривает питание напряжением от 2 до 3,6 В. Для защиты данных от несанкционированного перехвата используется алгоритм AES со 128-битным ключом.

Motorola продемонстрировала работу своей ZigBee-сети 3 июня 2003 года в Берлине на конференции ZigBee Alliance European Open House. Первые устройства этого стандарта должны появиться на рынке в середине года. На рис. 10 показана структурная схема автономного датчика, связанного с главной станцией сети по технологии ZigBee. Здесь:

  1. Sensor — датчик.
  2. 8-bit Microcontroller — 8-разрядный контроллер, который включает в себя: Sensor Driver — драйвер датчика, Sensor App — программу, реализующую заданное приложение; ZigBee NWK — 15.4 MAC — программу формирования кодированных посылок, обеспечивающих доступ к среде передачи в соответствии со стандартом IEEE802.15.4.
  3. RF Data Modem — радиомодем, который включает в себя: SPI/Control — устройство управления последовательным интерфейсом; TX Baseband — устройство управления радиопередающей частью; RX Baseband — устройство управления радиоприемной частью; RX Analog/RF — радиопередатчик, TX Analog/RF — радиоприемник, Freq Gen — синтезатор рабочих частот, Power Management — источник электропитания.

Модуль имеет усилитель мощности (1 мВт), чувствительность радиоприемника равна –90 дБ·мВт при коэффициенте ошибок 1%. Источник питания — щелочная батарейка напряжением 2–3,6 В.

AMI Semiconductor также в рамках выставки Global Wireless Solutions Open House представила трансивер ASTRX1, спонсором разработки которого выступил ZigBee Alliance. ASTRX1 построен по технологии SoC (система-на-чипе) на основе платформы ASTRIC (Application Specific Transmit and Receive IC). Трансивер способен работать в частотных диапазонах 868–870 МГц и 902–928 МГц, заявленная скорость передачи и приема данных — 40 кбит/с. Напряжение питания ASTRX1 составляет 3,0 В ± 0,3 В, размеры составляют 9j9 мм.

Рис. 10. Блок-диаграмма устройства, обеспечивающего передачу информации от датчика
Рис. 10. Блок-диаграмма устройства, обеспечивающего передачу информации от датчика

Заключение

Прямых конкурентов у данной технологии нет, так как она создавалась для конкретной цели, а в наше время невозможно одну и ту же оптимизационную задачу решить дважды с достаточно различными результатами. Однако есть близкие по ряду параметров технологии, которые потенциально могут ограничить сферу применения ZigBee. Так, нишу связи ПК с периферией (HID) может отобрать развиваемая компанией Cypress Semiconductor технология WirelessUSB (о ней мы расскажем в следующем номере журнала). Тем не менее в своем прямом предназначении технология ZigBee имеет неоспоримые преимущества — она нацелена на удовлетворение уже имеющихся потребностей пользователей и является компонентом более широкой концепции «умного дома» (smart house).

Массовые поставки чипов ZigBee ожидаются в начале 2004 года. Цена чипа может быть около $2,5 и впоследствии снизиться до $1.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке