Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

ZigBee: обзор беспроводной технологии

Скуснов Александр


Беспроводная технология ZigBee в ближайшем будущем может стать стандартом в сетях, не требующих высоких скоростей передачи данных.

Когда невыгоден Bluetooth

Ежегодно все больше и больше компаний интег рируют в свою продукцию Bluetooth. Несмотря на первые неудачи и ошибки, эта технология уже ста ла массовой и в значительной степени оказывает вли яние на электронную промышленность. Однако по интегральному сочетанию стоимости, функцио нальных возможностей и габаритных размеров най дется множество применений, в которых технология Bluetooth крайне невыгодна.

Приложения, попадающие в область применения альтернативной беспроводной технологии, не тре буют высоких скоростей передачи данных. При этом рынок их огромен: промышленное, научное, меди цинское оборудование, дистанционные измеритель ные системы, беспроводные системы безопасности, компьютерная периферия, всевозможные датчики.

В окончательном исполнении беспроводное уст ройство, изготовленное по альтернативной техно логии, должно основываться на применении высо коинтегрированного приемопередатчика. К послед нему можно предъявить несколько требований:

  • устойчивая надежная двухсторонняя связь;
  • дальность работы — от 10 м. и более;
  • рабочая частота в разрешенном нелицензируемом диапазоне;
  • маленькие физические размеры (особенно важно для применения, например, в миниатюрных устройствах, вроде беспроводных ключей, брелоков и т. п.);
  • исполнение на одном кристалле (SoC);
  • низкое энергопотребление;
  • цена для конечного пользователя не выше $5.

Для уменьшения энергопотребления немаловаж ную роль играет качественный дизайн системы на кристалле. Однако более эффективным способом сокращения потребления является оптимизация ра боты трансивера, а точнее — времени, необходимо го для обнаружения полезного сигнала. Подсчитано, например, что процесс обнаружения радиосигнала «съедает» почти 99% энергии, потребляемой цифро вой частью приемопередатчика. Механизмы, позво ляющие сократить число попыток, необходимых для обнаружения, до сих пор остаются узким местом по добных систем.

Разработкой экономичных, миниатюрных приемо передающих модулей с невысокой пропускной способностью и небольшим радиусом действия, способ ных заполнить серьезную пустующую нишу под тех нологией Bluetooth, занимались различные компании. Создавались и пилотные образцы, однако дальше еди ничных партий дело не шло. Доходность нового рын ка очень высока, а собственными технологиями ни кто с соседом делиться не хочет. Поэтому для успеш ной разработки и продвижения новой технологии необходим альянс крупных производителей, по ана логии с разработчиками Bluetooth и Wi-Fi.

Технология IEEE 802.15.4

Осенью 2001 года группа разработчиков из ком паний Eaton Corporation, Motorola Labs и Qualcomm Inc. начала совместную работу по созданию нового стандарта IEEE 802.15.4— Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN), определяющего техноло гию и принципы функционирования низкоскорост ных беспроводных сетей. Такие сети предназнача лись для недорогих беспроводных коммуникацион ных устройств с малым энергопотреблением, работающих на небольшой дальности.

Стандарт IEEE 802.15.4 описывает только самые нижние, физический и канальный уровни передачи данных по радиоканалу, а имя ZigBee означает тех нологию в общем, включая и физический уровень, и надлежащий логический уровень — уровень сете вого программного обеспечения (организацию струк туры сети, обеспечение безопасности, поддержку про филей и т. п.). В дальнейшем эти понятия смешались и стали почти синонимами.

Давайте рассмотрим для примера простейший эле ктронный термодатчик, в задачи которого входит из мерение температуры воздуха на улице и передача информации в головное устройство. Очевидны сле дующие пожелания со стороны потребителя. Вопер вых, термодатчик должен быть миниатюрным и лег ко монтироваться (желательно без прокладки допол нительных проводов). Еще лучше, если он сможет работать автономно и при этом будет требовать ми нимального обслуживания. То есть раз в два года ему поменяли батарейку и забыли про него. Во-вторых, цена такого устройства должна быть минимальная.

Понятно, что скорость передачи данных между дат чиком и приемным устройством — самый последний параметр, интересующий потребителя в такой ситуа ции. Подобный класс устройств как раз и является основными клиентами домашних сетей стандар та IEEE 802.15.4. Судите сами, температура на улице меняется медленно, и измерять ее име ет смысл всего несколько раз в час; скорость пе редачи данных не важна; требуемая дальность связи — в пределах помещения. На первом ме сте — возможность обеспечения длительной автономной работы, но ведь это и есть типич ные характеристики устройства ZigBee!

Следующей вехой в развитии новой техно логии стала организация в октябре 2002 года ассоциации ZigBee Alliance (www.ZigBee.org). В альянс вошел ряд компаний, которые и за нялись совместной доработкой и продвиже нием нового стандарта недорогой беспровод ной связи.

Первые практические результаты работы по явились уже в феврале 2003 года, когда разра ботчики из Korean Advanced Institute of Science and Technology продемонстрировали первый прототип радиоустройства, работающего в стандарте IEEE 802.15.4. Стоимость передат чика размером всего с монету (8,75 мм2) соста вила меньше доллара. Потребление не превы шало 21 мВт в режиме приема и 30 мВт в ре жиме передачи при Uпит = 1,8 В. Радиоустройство представляло собой систему на кристалле, выполненную по многослойной технологии, и включало в себя приемопередат чик, процессор с собственной памятью, антен ну и батарейку. День презентации новинки стал первым серьезным успехом альянса.

Кое-что о стандарте IEEE 802.15.4

ZigBee предусматривает два варианта адре сации: 64-разрядный (IEEE) с возможностью адресации до 264 устройств в беспроводной се ти и локальный 16-разрядный, с возможнос тью адресации до 2"" устройств. Примене ние 16-разрядной адресации более экономич но, так как позволяет существенно уменьшить длину радиозапросов.

Для уменьшения стоимости в ZigBee опре делены два физически различных типа уст ройств: полнофункциональные устройства и устройства с ограниченными возможностя ми. Любая сеть стандарта IEEE 802.15.4 обяза на иметь по крайней мере одно полнофунк циональное устройство, выступающее в роли координатора сети (PAN coordinator). Основ ные отличия между полнофункциональным и функционально ограниченным устройст вом приведены в таблице 1.

Таблица 1. Отличия полнофункционального и функционально ограниченного устройства
Отличия полнофункционального и функционально ограниченного устройства

Функционально ограниченные устройства обычно являются самыми многочисленными узлами сети. Для них достаточно минималь ных объемов памяти, и они способны выпол нять лишь простейшие функции: поиск до ступной сети, пересылка и получение данных. Такие устройства дешевле полнофункцио нальных, более компактны и экономичны. Благодаря возможности «засыпания» в пери оды отсутствия обмена данных, функциональ но ограниченные устройства часто питаются от батарей или аккумуляторов.

Типичные значения временных парамет ров, связанных с инициированием ZigBee устройств в сети, временем «пробуждения» (перехода от спящего состояния в активное) в сравнении с Bluetooth-устройствами приведе ны в таблице 2. Длительное время активации определяется необходимостью обнаружения ко ординатором сети нового появившегося уст ройства и внесения его в собственную базу дан ных, а также о выдаче разрешения на начало обмена.

Таблица 2. Типичные временные параметры устройств ZigBee и Bluetooth
Типичные временные параметры устройств ZigBee и Bluetooth

Одно из удобств стандарта ZigBee — воз можность реализации стека протоколов ни жнего уровня на классическом 8-разрядном ядре микроконтроллеров серии 80C51. Объем полного стека протоколов для полнофункци ональных устройств составляет менее 32 кбайт, для устройств с ограниченными возможнос тями — около 6 кбайт. А вот реализация функ ций координатора сети потребует использо вания дополнительной, возможно внешней, памяти. В этом ОЗУ будет храниться база уз лов, входящих в сеть, таблица транзакций и другие данные.

Помимо физического разделения в ZigBee — сети существует еще и функциональное раз деление устройств по типам:

  • координатор — устройство, которое инициирует развертывание сети, управляет узлами сети, хранит сетевую информацию;
  • маршрутизатор — устройство, участвующее в обмене данными в качестве промежуточного звена между двумя узлами сети;
  • оконечные устройства — вершины ZigBeeсети, отвечающие за сбор и прием данныхэто датчики, контроллеры исполнительных механизмов и т. п.

Продолжительность работы от батареи — один из важнейших параметров, которому в спецификации IEEE 802.15.4 уделено внима ние. Время автономной работы датчика мо жет насчитывать как несколько месяцев, так и несколько лет. Все зависит от того, насколь ко хорошо используются внутренние режимы энергосбережения и в какой мере реализова ны сетевые возможности экономии энергии. Понятно ведь, что чем больше частота опро са того или иного устройства, тем меньше «проживет» его батарея. Поэтому стандарт предписывает беспроводным устройствам иметь рабочий цикл не более 1% от всего вре мени службы.

Однако ZigBee-устройства могут не только опрашиваться координатором сети, но и сами пересылать в него данные в определенные мо менты времени, по таймеру или по какому либо внешнему событию.

Вариант с передачей по таймеру хорош тем, что устройству не приходится постоянно на ходиться в режиме ожидания приема данных. Этим достигается значительная экономия электроэнергии. Передача данных по собы тию — еще более экономный вариант. Напри мер, датчику открывания двери нет смысла сообщать о ее состоянии каждые 10–15 с. Эф фективнее активировать его по событиям: по открыванию и закрыванию двери.

Процесс сетевой оптимизации, о котором так же упоминалось выше, — процесс творческий и зависит уже от механизмов управления бес проводной сетью в целом. На этом поприще ог ромным достоинством стандарта ZigBee стала возможность беспроводного изменения основ ных параметров новых устройств, вводимых в уже готовую сеть, например, таких, как наст ройка временных интервалов выдачи информа ции или перепрограммирование возложенных функций. Механизм удаленного управления поз воляет значительно расширить энергосберегаю щие функции в том числе за счет возможности динамического переконфигурирования параме тров сети. Например, менять частоту выдачи дат чиками данных в зависимости от времени суток (день/ночь), наличия/отсутствия в помещении человека или по другим событиям.

Дальность передачи данных как у ZigBee, так и у любых других беспроводных устройств оп ределяется тремя факторами: чувствительно стью приемника, мощностью передатчика и наличием помех (стен, других источников радиосигнала). Если последний фактор — ве личина непредсказуемая и определяется усло виями эксплуатации, то насчет первых двух параметров стандарт дает четкие рекоменда ции. Значения мощности передатчиков и чув ствительности приемников в сравнении с со седствующими беспроводными стандартами приведены в таблице 3.

Таблица 3. Рекомендуемые характеристики передатчика и приемника ZigBee
Рекомендуемые характеристики передатчика и приемника ZigBee

Как видно из таблицы, устройства ZigBee об ладают одним из самых маломощных передат чиков в сочетании с самым чувствительным из всех конкурентов приемником. Такая комби нация дает очевидный положительный эф фект — значительно меньшую степень облу чения людей, находящихся в зоне работы сети. Таким образом, ZigBee можно считать одним из самых безопасных и экологичных на сего дня беспроводных стандартов.

Немного расчетов

Любой разработчик электронной аппарату ры недоверчиво относится к рекламным ло зунгам вроде «сверхнизкое энергопотребле ние» или таким обещаниям, как «время рабо ты от одной батарейки до нескольких лет». Дабы и нам не быть голословными, обратим ся к языку цифр.

В своей документации разработчики ZigBee приводят несколько вариантов расчета по требления. Все расчеты конечно, исходят из сугубо теоретических предпосылок и идеаль ных условий работы, тем не менее, имеют право на жизнь. Давайте к примеру, рассмо трим такой случай. В каком режиме должно работать устройство, чтобы его источника питания хватило на 2 года эксплуатации? Предположим, что это будет микроконтрол лер, периодически опрашивающий некий датчик и затем сообщающий результат в го ловное устройство.

В качестве элемента питания возьмем паль чиковую батарейку наиболее распространенного типа ААА. Расчет проведем последовательно:

  1. Имеем: батарейка Duracell (алкалайновая), емкость 1,15 А·ч.
  2. Желаемые 2 года работы переводим в часы и получаем 17 532 часа.
  3. Среднее потребление устройства составит около 65 мкА (1,15 А·ч / 17 532 ч).
  4. Учитываем далее, что на прием или передачу данных в среднем тратится порядка 15 мА, а в спящем режиме потребление составляет 1 мкА.
  5. При таких условиях максимальный рабочий цикл устройства составит не более 0,43% ((0,065 мА – 0,001 мА)/15 мА x 100%) от времени работы, что удовлетворяет требованию стандарта ZigBee — не более 1%.
  6. За один час работы (1 ч = 3600 с) устройство активно в течение 15,48 с (3600 с/100% x 0,43%).
  7. Учитывая, что среднее время обмена составляет порядка 3 мс (чего обычно вполне достаточно для передачи небольшого объема данных), получается, что в течение 1 часа устройство будет активировано 516 раз (15,48 с / 0,03 с).

Итак, расчет показал, что при работе от одной пальчиковой батарейки, беспровод ное устройство передавая информацию 516 раз в час, то есть примерно каждые 7 секунд, сможет проработать порядка двух лет (здесь не учитывается снижение электрических ха рактеристик источника с течением време ни, — Прим. ред.). Данный пример, даже не смотря на то, что расчет проведен сугубо те оретически, наглядно демонстрирует минимальность энергопотребления ZigBee устройств.

Альянс ZigBee сегодня

Вернемся к альянсу ZigBee. Закономерен во прос: чем же занялось это сообщество, после того как спецификация IEEE 802.15.4 была ут верждена? В первую очередь, упор был сделан на продвижение и популяризацию новой бес проводной технологии, привлечение в ряды альянса новых компаний. С другой стороны, разработчики не бросили на произвол судьбы и техническую часть. Только теперь все уси лия сконцентрированы на совершенствова нии протоколов верхнего уровня (см. рис. 1). Задача проста — максимально облегчить раз работку пользовательских приложений, пре доставив разработчику готовый API.

Уровни интересов альянса ZigBee
Рис. 1. Уровни интересов альянса ZigBee

Умным домам — умные устройства

Популярность любой новой технологии в основном определяется областью ее приме нения. Чем шире применение, тем выше по пулярность. И с этим у технологии ZigBee про блем быть не должно. Круг задач, при реализации которых оправданно её использо вание, поистине огромен. Но только в одной из них у ZigBee сейчас нет ни конкурентов, ни такого большого поля для будущей дея тельности. Это одно из самых быстроразви вающихся и перспективных направлений со временной IT-индустрии, сулящее огромные барыши и практически неограниченный ры нок сбыта. Это так называемые умные дома.

Умные дома или интернет-дома, либо, го воря техническим языком, автоматизирован ные здания, являются одним из главных объектов, на которые ориентированы устройства ZigBee. Если задуматься сейчас над проблема ми этой отрасли и, в первую очередь, над вы сокими ценами на комплексные решения, то становится ясно, автоматизация сегодня— это удел богатых компаний. Все беды этого рынка проистекают из огромных затрат, не обходимых на приобретение оборудования и инсталляцию проводных коммуникаций. Высокие цены определяются узкой специали зацией приобретаемой аппаратуры и отсутст вием толковой конкуренции.

На рынке, где нет общего стандарта, каждая компания проталкивает свои решения и соб ственные каналы передачи данных, что, в свою очередь, означает полную несовместимость аппаратуры разных производителей. Типич ным примером может служить оборудование для умных домов Siemens, где для передачи данных используется шина instabus EIB.

Применение специальных каналов передачи данных автоматически ограничивает элемент ную базу, которую сторонние разработчики могут использовать для создания совместимых устройств, а необходимость применения до рогой элементной базы ведет и к удорожанию устройств.

Внедрение технологии ZigBee в роли уни версального стандарта передачи данных спо собно легко устранить неразбериху в комму никациях. Мгновенно пропадает и еще одна из проблем — прокладка проводных интер фейсов и шин питания. Инсталляция обору дования сводится только к грамотному распо ложению датчиков в помещении. Все дальней шие настройки могут осуществляться удаленно, с сервера.

Вторая проблема— высокая цена оборудова ния — снимается за счет выпуска огромного чис ла сравнительно недорогих решений от различ ных производителей. Те разработчики, которые сейчас заложат поддержку данного беспровод ного стандарта в свою аппаратуру и анонсиру ют ее как удобное и дешевое решение для авто матизации зданий, будут обречены в будущем на успех на рынке умных домов.

Таблица 4. Основные характеристики устройств ZigBee в сравнении с конкурентами
Основные характеристики устройств ZigBee в сравнении с конкурентами

Тут же, по соседству, располагается и еще более широкий сектор потенциального применения ZigBee — автоматизация обык новенных квартир. Сейчас, особенно на фо не имеющихся высоких цен, такая перспек тива кажется недоступной, но технология ZigBee способна решить и эту проблему. Даже небольших возможностей вроде инди кации, сообщающей о непогашенном свете или открытых форточках при выходе из до ма, автоматическом включении света при входе в помещение, датчиков воды на полу в ванной и в туалете будет достаточно, что бы заинтересовать покупателей (см. рис. 2). Конечно, при условии невысокой цены. Созда ние таких недорогих, доступных для само стоятельного монтажа решений возможно уже сейчас, а рынок, даже в нашей стране, очень велик.

Автоматизированная квартира
Рис. 2. Автоматизированная квартира

Заключение

Еще раз кратко суммируем положительные и отрицательные черты технологии ZigBee. Достоинства следующие:

  • стандарт продвигается большим числом компаний (на сегодня своих более 90) и имеет все шансы получить широкое распространение;
  • очень выгодно смотрится на фоне конкурентов (см. табл. 4);
  • конечная стоимость устройств значительно ниже конкурентов (ожидаемая цена чипана уровне $3–5);
  • компактные размеры и сверхнизкое потребление (время работы от батарейки — до нескольких лет);
  • поддержка 8-разрядного микропроцессорного ядра 80C51;
  • невысокая сложность программирования (значительно проще, чем тот же Bluetooth).

Говорить об одних только достоинствах тех- нологии — неправильно. Недостатки у ZigBee, безусловно, имеются и, в первую очередь, это:

  • невысокая распространенность (массовое внедрение ZigBee-устройств начнется только с 2005 г.);
  • к настоящему моменту выпущено весьма ограниченное количество микроконтроллеров, поддерживающих ZigBee;
  • слабая техподдержка со стороны производителей устройств (документация у многих выглядит крайне скудно).

При всех недостатках технология ZigBee выглядит очень перспективно и, естествен- но, заслуживает внимания отечественных раз- работчиков.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке