ZigBee_RusPubl (Раздаточные материалы)

ZigBee

http://www.computerra.ru/hitech/37325/

Технологии

ZigBee? Oh yes, ZigBee!

Автор: Владимир Николаевич
Опубликовано 19 января 2005 года

В самом конце прошлого года нас обрадовали появлением еще одного стандарта цифровой радиосвязи. Консорциум из более чем сотни компаний, возглавляемый такими гигантами, как Philips, Samsung, Mitsubishi и Motorola, объявил о завершении согласований, шедших более двух лет и окончательной формулировке технических характеристик стандарта, ранее известного как HomeRF lite, RF-EasyLink и Firefly, а теперь получившего названия ZigBee.

Впрочем, если быть точным, консорциум компаний, собранный под вывеской ZigBee Alliance? разработал комплект протоколов и расширений, дополняющих международный стандарт IEEE 802.15.4. Отношения между двумя этими наборами спецификации примерно такие же, как между Wi-Fi и стандартом IEEE 802.11. Хотя публика обычно не вникает в тонкости и считает, что Wi-Fi и 802.11 — это одно и то же, в действительности цифрами обозначают спецификации для связи на физическом уровне. Грубо говоря, в стандартах IEEE указано, как и когда излучать радиоволны (а также описаны фундаментальные способы взаимодействия сети из нескольких таких устройств). Буквами же, в одном случае Wi-Fi, в другом ZigBee, маркируют протоколы, позволяющие устройствам разных производителей быть полностью совместимыми друг с другом. Наверное, рядовым покупателям можно не забивать голову такими подробностями, но продвинутым пользователям стоит об этом помнить.

Возможно, читатели спросят, зачем нам еще одна разновидность беспроводной сети? История 802.15.4 началась почти семь лет назад, когда многие инженеры, знакомясь с новейшими (в то время) стандартами Bluetooth и Wi-Fi, с разочарованием поняли, что они не подходят для создания множества нужных рынку устройств. Оба стандарта были (и остаются) энергетически слишком прожорливы, слишком сложны и быстры по сравнению с тем, какими их надо было сделать по мнению многих разработчиков. Доводы недовольных оказались достаточно весомы, что бы спроектировать новый тип WLAN, позднее получивший номер 802.15.4. Окончательный вариант стандарта был представлен в мае 2003 года, но еще осенью 2002-го по инициативе Philips был образован ZigBee Alliance, для совместимости разных устройств и фиксации широких возможностей стандарта в нужном положении.

Кстати, здесь надо сделать одно замечание. В то время как подробности IEEE 802.15.4 давно открыты для свободного изучения, описание ZigBee до сих пор доступно лишь членам консорциума, вносящим регулярные взносы. Наверное, в конце концов, его спецификации все же будут выложены в Сеть, но пока мы вынуждены отталкиваться только от характеристик 802.15.4 и не очень конкретных формулировок пресс-релизов консорциума. Сейчас в него входят компании из 22 стран, обещающие нам стремительное внедрение новых устройств. Главным козырем должно стать сверхнизкое энергопотребление — одной обычной АА-батарейки будет хватать на целый год (а то и два-три) работы. Цены нам тоже обещают "ultra-low", но этим обещаниям пусть сами производители и верят...

Итак, согласно определению IEEE, 802.15.4 — это стандарт для низкоскоростных частных радиосетей — Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Всего за ним закреплено 27 каналов в трех эфирных диапазонах. Общий для всего мира на частоте 2,4 ГГц (16 каналов), дополнительный для США на 915 МГц (10 каналов) и такой же на 868 МГц для Европы (один канал). Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и колеблется от 256 кбит/с, до скромных 20. Модуляция сигнала — сдвигом фазы, в двух нижних диапазонах просто бинарным, а на 2,4 ГГц — квадратурным (OQPSK; Offset Quadrature Phase-Shift Keying). Доступ к каналу — по контролю несущей (CSMA; Carrier Sense, Multiple Access), то есть сначала слушаем и начинаем передачу, если эфир свободен. Не углубляясь в детали (кто заинтересовался, может изучить их на www.ieee802.org/15/pub/TG4), отметим наиболее интересные моменты.

Протоколы ZigBee, разработанные с учетом максимального энергосбережения, позволяют своим устройствам находиться в спящем режиме основную часть времени. Только изредка, на долю секунды, им достаточно включать приемник и проверять — не обращается ли к ним кто-нибудь. Продолжительность "сна" между такими включениями может достигать минут и даже часов. При этом стандарт позволяет соединять устройства, чувствительные к задержкам связи — беспроводные джойстики, геймпады для игровых приставок и т. д.

Множество ZigBee-устройств способны работать совместно, в общей радиосети, как в стандартной иерархии типа "звезда", когда один маршрутизатор управляет всеми потоками данных, так и в смешанной топологии без единого координатора. При этом заявляется способность ZigBee-сетей к "саморемонту" при отключении отдельных узлов (например, когда батарейки сели). Кроме упрощенной 16-битной адресации, возможна расширенная 64-битная, позволяющая находиться в одной сети 65 тысячам устройств! Вероятно, это будет полезно при построении единых сетей на больших промышленных предприятиях. Официально дальность связи между двумя аппаратами определена в рамках "от 10 до 75 метров", но, учитывая опыт "удлинения" Wi-Fi, эти рамки наверняка будут раздвинуты. Важнее другое — данные в ZigBee-сетях могут передаваться по цепочке устройств, своего рода эстафетой. А это, вместе с развитыми средствами самонастройки, должно сильно упростить развертывание на больших площадях.

Стандарт ZigBee 1.0 допускает существование устройств трех уровней сложности, высший из которых — координатор — способен управлять работой сетей разной топологии, хранить данные об их структуре (то есть имеет достаточно памяти) и (иногда) служить мостом в сети другого рода. Средний по сложности тип ZigBee-устройств способен просто принимать и передавать данные (в том числе и чужие, по цепочке), а самый простой, предельно упрощенный тип, может только переговариваться с координатором. Разработчики утверждают, что алгоритмически простейшая ZigBee-схема примерно в пятьдесят раз проще стандартного Bluetooth-девайса, а цена ее аппаратной части не должна превысить 6 долларов. Примерно как средняя мышь.

Теперь окинем мысленным взглядом вышеописаные характеристики нового стандарта и спросим себя: а где он нужен?

В разделе FAQ на официальном сайте ZigBee.org сделано предположение, что первой сферой массового применения станут системы съема данных с разного рода счетчиков — воды, газа, электричества, тепла и т.д. Когда все они будут работать в новом стандарте, инспектору многоквартирного дома не придется подходить к каждому устройству. Достаточно будет включить карманный компьютер с ZigBee-адаптером и один раз проехать на лифте весь подъезд снизу доверху. Дальнобойности каждого счетчика хватит, чтобы услышать кодовый сигнал инспектора и, включив передатчик, сообщить ему десяток своих байт. А человеку останется лишь наблюдать на экранчике КПК, как таблица с фамилиями жильцов заполняется цифрами.

Другим "убойным приложением" для ZigBee наверняка станут самые разнообразные средства сигнализации. Автономные датчики задымления, температуры, шума, влажности, движения и т. д. можно будет не соединять проводами, а сменив раз в год батарейку, просто крепить в нужном месте. Помимо удобства, повысится и надежность, поскольку сеть ZigBee-сенсоров не отключится разом при перерезании кабеля в одном месте. Кстати, стандарт предполагает 128-битное AES-шифрование данных.

Кроме систем безопасности можно легко представить отдельное управление устройствами, например — включение света и открытие гаражных ворот, или вообще глобальный контроль всеми агрегатами "умного дома", от кофеварки до кондиционеров. Фантазия у производителей богатая и в будущем нас наверняка ждут универсальные радиопульты для телевизоров почти всех марок, беспроводные клавиатуры, кнопки тревоги для больных и стариков, автоматические включатели освещения в садовых беседках и киберкормушки для животных, опознающие клиента по чипу в ошейнике и отсыпающие индивидуальную порцию комбикорма.

Читатели конечно заметят, что подобные устройства уже существуют безо всякого ZigBee, и будут правы. Но надо помнить о преимуществах стандартизации. Сегодня, покупая беспроводной штурвал, позволяющий рулить самолетом сидя на диване, мы вынуждены покупать к нему и модуль для приема его сигналов, который совместим только со штурвалами конкретного производителя. Если же ZigBee станет встроенным стандартом, подобно Bluetooth и Wi-Fi, надобность в дополнительном модуле пропадет. А насколько лучше могут стать кнопки тревоги в больницах ?! Вместо проводов к сотне коек или аналоговых радио-зуммеров с одной функцией (и часто на одной волне), можно будет одеть на запястье маленький эластичный браслет, который не только передаст сигнал тревоги при нажатии кнопки, но и, например, каждые десять минут может сбрасывать на центральный сервер температуру и пульс пациента.

В заключение отметим, что корейский производитель телефонов Pantech-Curitel уже выпустил смартфон с интерфейсом ZigBee. Трубка с большим цветным экраном рекламируется как "телефон, способный командовать вашей бытовой техникой".

Остается надеяться, что микроволновки и музыкальные центры, понимающие приказы данной трубки, не заставят себя долго ждать, а наше родное Минсвязи не попытается заработать на лицензировании еще одного радиостандарта.

_____ _______ _______ _______

http://www.terralab.ru/mobilis/219956/

Mobilis

Технология ZigBee: альтернатива Bluetooth?

Автор: Владимир Парамонов
Опубликовано 27 июля 2005 года

Спецификация беспроводной связи ZigBee предполагает передачу данных с относительно небольшой скоростью, не превышающей 250 кбит/с. Однако маленькая пропускная способность с лихвой компенсируется сверхнизким энергопотреблением.

Осенью 2002 года компании Invensys, Mitsubishi Electric, Philips Semiconductors и Motorola образовали альянс по продвижению нового стандарта беспроводной связи, получившего название ZigBee (также известен как HomeRF lite, Firefly и RF-EasyLink).

Следует сразу оговориться, что под именем ZigBee фактически скрыт набор протоколов и расширений к международному стандарту IEEE 802.15.4, благодаря которым обеспечивается совместимость устройств различных производителей.

Окончательная версия спецификации ZigBee была представлена весной 2003 года, и до недавнего времени работать с ней могли только лишь участники ZigBee Alliance. Впрочем, в конце прошлого месяца описание стандарта ZigBee было выложено в открытый доступ, и теперь ознакомиться с ним после заполнения соответствующей заявки могут все желающие.

Основные характеристики ZigBee

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе от 10 до 75 метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Для сравнения, широко распространенные в настоящее время беспроводные сети Bluetooth и Wi-Fi обеспечивают пропускную способность до 2,1 Мбит/с и 54 Мбит/с, соответственно.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей (Carrier Sense, Multiple Access, CSMA), то есть устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу. Поддерживается шифрование по алгоритму AES с длиной ключа 128 бит.

Изначально стандарт ZigBee разрабатывался с целью максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети. При этом большую часть времени аппаратура будет находиться в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир.

В целом, все оборудование ZigBee можно условно разделить на три основные категории - координаторы, полнофункциональные устройства и устройства с ограниченными возможностями. Координаторы способны управлять работой всей сети, хранить информацию о ее параметрах и осуществлять настройку, а также использоваться в качестве моста в другие сети. Полнофункциональные устройства могут получать и передавать информацию и играть роль ретрансляторов. В свою очередь, устройства с ограниченными возможностями только лишь реагируют на команды координатора и не участвуют в маршрутизации.

Преимущества ZigBee

Эксперты уже давно указывают на два основных недостатка беспроводных сетей Wi-Fi и Bluetooth - небольшой радиус действия и относительно высокое энергопотребление.

Хотя само по себе ZigBee-оборудование также не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, естественно, если они находятся в зоне видимости. Что касается энергопотребления, то, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет.