ZigBee - sieci energooszczędne

W naszych domach pojawia się coraz więcej i więcej wszelkiego rodzaju elektroniki, czujników i alarmów. Naturalne wydaje się zastosowanie komputera do centralnego zarządzania i sterowania tymi urządzeniami. Utworzona w ten sposób sieć byłaby zdecydowanie bardziej funkcjonalna. Czy istnieje jednak odpowiednie rozwiązanie i jakie należy spełnić wymagania, aby cieszyć się "inteligentniejszym" otoczeniem?

W naszych domach pojawia się coraz więcej i więcej wszelkiego rodzaju elektroniki, czujników i alarmów. Naturalne wydaje się zastosowanie komputera do centralnego zarządzania i sterowania tymi urządzeniami. Utworzona w ten sposób sieć byłaby zdecydowanie bardziej funkcjonalna. Czy istnieje jednak odpowiednie rozwiązanie i jakie należy spełnić wymagania, aby cieszyć się "inteligentniejszym" otoczeniem?

Ostatnie lata to prawdziwy wybuch rozwiązań pozwalających na tworzenie sieci domowych czy tzw. osobistych - PAN (Personal Area Networks). Różnią się one pod wieloma względami. Najprostszym kryterium podziału może być zastosowane medium transmisyjne. Wówczas otrzymujemy dwie grupy:

  • sieci przewodowe, które wykorzystują kable telefoniczne (HomePNA), współosiowe lub skrętkę UTP. Często problemem okazuje się ich pojemność, koszty związane z instalacją i dalszym utrzymaniem. Popularne zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych jest także wykorzystanie istniejącego okablowania energetycznego mieszkań np. przez systemy X.10, LonWorks czy HomePlug.

  • sieci bezprzewodowe, których największym atutem są prostota instalacji i rozbudowy.
Niestety, nadal opłacalność finansowa wielu standardów stoi pod znakiem zapytania. Wynika to przede wszystkim ze skomplikowanej budowy urządzeń, które zostały zaprojektowane z myślą o zaoferowaniu jak największej przepustowości odpowiedniej do transmitowania głosu i danych, jako alternatywa kablowego łączenia komputerów (w tym udostępniania Internetu) i ich peryferii. Tymczasem wiele urządzeń domowych i osobistych nie wymaga szerokiego pasma. Ponadto skomplikowany stos protokołów to większe wymagania mocy elektrycznej i obliczeniowej. Gdy rozważa się np. radiową komunikację czujników temperatury i ruchu z jednostką sterującą, to niskie zużycie energii wydaje się kluczowym parametrem. Znajduje to bowiem bezpośrednie odzwierciedlenie w kosztach i czasie działania.

Bluetooth i IrDA z ograniczeniami

Ulokowanie kanałów standardu 802.15.4.

Ulokowanie kanałów standardu 802.15.4.

Uniwersalnym rozwiązaniem miał być Bluetooth, tworzony w połowie lat 90. przez Ericssona. Rozwijany następnie od 1998 r. przez organizację IEEE w ramach standardu 802.15.1 oraz grupę SIG (Special Interest Group), zrzeszającą obecnie ponad 1900 członków (w tym największych producentów sprzętu telekomunikacyjnego). Powstałe rozwiązanie idealnie nadaje się do komunikacji na przykład laptopów, PDA czy telefonów komórkowych z komputerem. Pozwala połączyć bezprzewodowo wiele jednostek i stworzyć złożony układ pikosieci. Zastosowany interfejs radiowy nie pozwala jednak stosować go w sytuacjach, gdy szczególnie ważna jest żywotność baterii.

Inny znany i stosowany od dawna standard wykorzystujący do transmisji podczerwień tzw. IrDA ( http://www.irda.org ) ma znaczące wady, ograniczające jego zastosowanie. Pozwala na pracę w zasięgu ok. 1-2 m i wymaga bezpośredniej widoczności urządzeń. Trudno przy użyciu podczerwieni zbudować sieć, gdyż przewidziano ją do transmisji punkt-punkt. Obecnie jednak prowadzone są badania mające na celu wyeliminowanie braków i zwiększenie oferowanej prędkości do 4 Mb/s.

IEEE i ZigBee

Model ISO OSI dla standardu 802.15.4.

Model ISO OSI dla standardu 802.15.4.

W 2000 r. powstała grupa, której zadaniem było opracowanie standardu komunikacji bezprzewodowej charakteryzującej się bardzo niskim poborem energii oraz bardzo prostą i tanią budową. W jej skład weszły ZigBee związana z HomeRF i grupa robocza numer 15 organizacji IEEE, która w grudniu ub.r. oficjalnie ogłosiła początek prac nad rozwiązaniem 802.15.4. Wysiłki skupiły się na opracowaniu specyfikacji warstwy fizycznej i łącza danych dla sieci osobistych o niskiej przepływności LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Networks), obsługujących urządzenia stacjonarne i ruchome. W maju 2003 r. standard 802.15.4 został zatwierdzony. Wiele parametrów użytkowych jest zależnych od topologii (gwiazdy, peer-to-peer, drzewa lub mesh) oraz pasma radiowego. Wyższy zakres częstotliwości to znacznie większa przepływność w porównaniu z urządzeniami pracującymi poniżej 1GHz i opóźnienie rzędu 15 ms. Użycie 64-bitowego adresowania i połączenia np. peer-to-peer umożliwia uzyskanie dużego zasięgu (nawet kilkudziesięciu metrów). Główne przewidywane zastosowania to przesyłanie danych związanych z nadzorem i kontrolą w przemyśle. W domu natomiast ZigBee ma łączyć z komputerem wszelkiego rodzaju czujniki i peryferia, takie jak myszy, klawiatury, gamepady itp.

Popularyzowaniem i promocją rozwiązania zajmuje się stowarzyszenie ZigBee Alliance, które zrzesza kilkudziesięciu zainteresowanych producentów oprogramowania i sprzętu. Wśród nich znajdują się tacy giganci, jak Intel, Philips, Motorola czy Samsung. Pracuje ono także nad specyfikacją warstw wyższych, starając się opracować ujednolicony interfejs aplikacji.

Interfejs radiowy

Ogólna struktura ramki warstwy dostępu do medium.

Ogólna struktura ramki warstwy dostępu do medium.

Do pracy przewidziano zakresy częstotliwości, które nie wymagają pozwoleń. Poza dostępnym prawie na całym świecie pasmem ISM (Industrial, Scientific and Medical) - 2,4 GHz zdecydowano się użyć 868 MHz (w Europie) oraz 915 MHz (w USA). We wszystkich 27 kanałach wykorzystano prostą metodę rozpraszania widma z kluczowaniem bezpośrednim DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), która może zostać zaimplementowana w tanich, nisko napięciowych układach scalonych.

Niższe częstotliwości mają stanowić alternatywę dla zakresu często wykorzystywanego i zakłócanego przez inne bezprzewodowe rozwiązania (np. WLAN 802.11). Jednakże oferują one niższe przepływności (868 MHz: 20 kb/s, 915 MHz: 40 kb/s) w porównaniu z pasmem 2.4 GHz, gdzie dzięki zastosowaniu bardziej złożonych modulacji udaje się uzyskać 250 kb/s.

Podstawowe parametry standardu 802.15.4

Podstawowe parametry standardu 802.15.4

Wspólna dla wszystkich zakresów jest struktura jednostki danych protokołu warstwy fizycznej PPDU (Physical Protocol Data Unit).

Zaczyna się ona od 32-bitowej preambuły wykorzystywanej do określenia częstotliwości pracy, taktowania sekwencji pseudolosowej oraz przepływności symbolowej. Natomiast maksymalny rozmiar pola danych użytecznych wynosi 127 bajtów i decyduje o nim wartość siedmiu bitów nagłówka oddzielonego od preambuły specjalnym ogranicznikiem ułatwiającym analizę ramki.

Warstwa łącza danych

Zgodnie z zasadami dotyczącymi rozwiązań 802 przyjętymi przez IEEE w warstwie łącza danych wyróżniamy podwarstwę dostępu do medium MAC (Media Access Control), współpracującą z różnymi implementacjami warstwy fizycznej, oraz podwarstwę logicznej kontroli łącza LLC (Logical Link Control), która została zdefiniowana w standardzie 802.2 i jest wspólna dla Ethernetu (IEEE802.3), Wi-Fi (IEEE802.11) oraz Bluetooth (IEEE802.15.1).

Topologie sieci ZigBee.

Topologie sieci ZigBee.

Do zadań MAC należą m.in. zarządzanie dostępem do kanału, kontrola i potwierdzanie odebranych ramek. Współpraca z logiczną kontrolą łącza zgodną z 802.2 typ 1 odbywa się poprzez specjalną podwarstwę zbieżności SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) lub bezpośrednio LLC odwołuje się do usług podwarstwy MAC. Przewaga SSCS polega na zapewnieniu kompatybilności pomiędzy różnymi implementacjami LLC i pozwala na wydajniejsze wykorzystywanie dwóch punktów dostępu do MAC, z których pierwszy związany z transmisją danych jest udostępniany przez MCPS-SAP (MAC Common Part Sublayer - Service Access Point), natomiast drugi MLME-SAP (MAC Layer Management Entity) odpowiada za zarządzanie.


Zobacz również