Особенности построения беспроводных сетей на базе технологии ZigBee

Виктор Захарьев

Инженер по применению беспроводных технологий, ЗАО «КОМПЭЛ»

В статье отраженны основные возможности и условия применения технологии беспроводной передачи данных ZigBee.

Версия в PDF (266Kb)

Особенности построения беспроводных сетей на базе технологии ZigBee

В настоящее время одной из актуальных задач для систем промышленной телеметрии и домашней автоматизации остается вопрос передачи данных на небольшие расстояния. Нередко разработчики подобных систем сталкиваются с такими требованиями как необходимость обеспечить мобильность диагностируемого оборудования и сократить расходы на монтаж. На помощь им приходит новая технология беспроводной передачи данных ZigBee, которая, главным образом, предназначена для организации связи между автономными приборами и клиентским оборудованием. В данной статье мы попробуем разобраться, какие средства и продукты доступны сегодня на рынке для создания «умных», гибких и простых сетей ZigBee.

Беспроводные сети ZigBee

Спецификация ZigBee [2] разработана для создания дешевых беспроводных сетей с низким энергопотреблением используемых для передачи небольших объемов данных. Областями применения таких сетей являются:

1. Автоматизация коммерческих зданий, где технология ZigBee используется для связи датчиков температуры, влажности, освещения, вентиляции и т.д.

2. Системы промышленного контроля, автоматизация производственных процессов.

3. Домашняя автоматизация и системы «Умный Дом».

Технология ZigBee описана в одноименной спецификации, в которую включен стандарт IEEE 802.15.4 [1]. Стандарт IEEE 802.15.4 содержит описание радиочастотной части сети ZigBee: типы модуляции (BPSK и O-QFSK), частотные диапазоны (868, 902 и 2400 МГц), и соответствующая им скорость передачи 20, 40 или 250 кбит/с. Также этот стандарт выдвигает требования к безопасности передачи данных — обязательное использование шифрования 128-битным ключом по стандарту AES на уровне «Звена Данных» (Data link layer). Стандарт 802.15.4 предполагает наличие уникального 64-битного адреса на MAC уровне, а так же наличия дополнительного 16-ти битного сетевого адреса (PAN-ID) для определения принадлежности данного устройства к той или иной WPAN (Wireless Personal Area Network). Кроме того, разработчику предоставляется возможность использовать 2 режима работы сети: с «маяком» (beacon-enabled) и без него (beacon-disabled). Режим «beacon-enabled» обеспечивает строго структурированную по времени передачу данных в рамках суперциклов, что позволяет определить время задержки на отсылку пакета. «Маяком» в сети является координатор, который рассылает сообщения синхронизации. Существуют следующие режимы передачи: от конечного устройства к координатору ; от координатора к конечному устройству ; между двумя конечными устройствами без посредника. В соответствии с этим в 802.15.4 возможны только два типа топологий — «точка-точка» или «точка-многоточие».

Топологии сети ZigBee

Спецификация ZigBee вышла в свет 27 июня 2005. Эта спецификация определяет структуру стека ZigBee V1.0, содержит описание сетевого уровня, механизмы самоформирования и самолечения сети, а также интерфейсы, которые описываются приложением пользователя. В версии ZigBee V1.0 могут быть реализованы топологии «кластерное дерево» и «ячейка». Топологии представлены на рисунке №1. Как видно из рисунка сообщение может передаваться от одного устройства к другому через промежуточные маршрутизаторы — раутеры.

Роль раутера может выполнять любое законченное устройство ZigBee, в программе которого реализованы функции выполнения маршрутизации сообщений. Также с раутерами

связаны функции авторизации доступа нового устройства в сеть. Если какое-либо устройство после включения не имеет флагов о наличии регистрации в своей памяти, оно попытается найти сеть путем пассивного, а затем и активного сканирования. При положительном результате сканирования (найден раутер или координатор в зоне действия устройства) начинается активный обмен пакетами с целью идентификации и определения полномочий нового устройства в сети. После этого на координаторе сети и соседних раутерах создаются идентификационные записи.

Описанный алгоритм является частью технологии самоформирования и самолечения сети. В случае выпадение раутера из сети включается поиск альтернативных маршрутов (топология mesh) передачи сообщения, что повышает отказоустойчивость системы. Обязательным условием для работы механизмов самоформирования и самолечения сети является наличие устройства выполняющего функции координатора. Координатор — это полнофункциональное ZigBee устройство, в памяти которого хранится основная часть информации о сети и ее участниках. Координатор действует как надсмотрщик сети, принимает решения о допуске новых участников и рассылает сообщение «beacon» для общесетевой синхронизации.

Третий тип функций в сети ZigBee выполняют конечные устройства. Конечные устройства организуют интерфейс между периферийным оборудование (счетчики, сенсоры и т.д) и сетью ZigBee. Поскольку к одному конечному устройству сети ZigBee может быть подключено множество объектов, в спецификации предусмотрена дополнительная 8-битная адресация потребителей информации. Для идентификации выделяется 240 адресов с учетом зарезервированных. Поэтому при передаче сообщения, передающая сторона указывает сетевой адрес конечного устройства и адрес объекта, подключенного к нему.

Профили ZigBee

Структуру стека ZigBee/802.15.4 составляют программная и аппаратная части. В первой реализован код, написанный по спецификации ZigBee, во второй — механизмы MAC и PHY уровней, содержащиеся в стандарте 802.15.4. Код в скомпилированном виде, с добавленными функциями управления интерфейсами принято называть — профиль.

Как правило, производители компонентов сети ZigBee поставляют несколько готовых профилей. Профиль HomeLightControll управляет режимами освещения в доме и передает сигнал ВКЛ/ВЫКЛ от выключателей к лампочкам. Однако для создания сетей со сложной топологией и большим количеством периферийных устройств такие стандартные профили не всегда являются универсальными. Для решения подобных задач разработчикам предоставляется возможность создания собственных пользовательских профилей. Эта процедура выполняется с помощью программного продукта ProfileBuilder, с использованием API поставщика стека ZigBee. Далее, созданный профиль загружается в ZigBee устройство, которое, в зависимости от типа профиля, становится координатором, раутером или конечным устройством. При этом профиль дополнительно обладает тем набором функций, который были определены пользователем.

Аппаратные решения для построения сетей ZigBee

Кроме широких возможностей по реализации профилей для построения беспроводной сети телеметрии, производители ZigBее устройств наделяют свою продукцию довольно большим количеством аппаратных интерфейсов. На сегодняшний день на рынке доступны ZigBee устройства, в которых реализованы такие интерфейсы как UART, SPI, GPIO и ADC/DAC.

Одним из примеров таких устройств являются модули производства компании Cirronet, у которых есть следующие аппаратные интерфейсы 1 SPI, 1 UART, 6 GPIO и 3 АЦП. Эти модули выполнены на базе трансиверов от Chipcon СС2420 и контроллера ATmega128 компании Atmel. Компания MaxStream выпускает аналогичные продукты, на которых доступны 1 UART, 6 GPIO и 6 АЦП. Эти модули состоят из RF-части и контроллера компании Freescale, объединенных на одной плате размером 30*20 мм. От большинства подобных продуктов других производителей эти модули отличает возможность использования АТ-команд, благодаря которым существенно упрощается процедура внедрения модуля в готовое изделие.

Помимо модульных платформ, некоторые производители представляют интегральные решения System-on-Chip (SoC). SoC представляет из себя сборку в которой rf-часть и контроллер объединены на одном чипе. Ярким представителем семейства SoC является контроллер от Jennic -JN5121, обладающий следующими характеристиками:

— Размер: 8*8 мм.

— 32-битный RISC процессор с частотой 32 МГц.

— 4 АЦП, 4 ЦАП

— 2 Компаратора

— 2*UART

— 21 GPIO (цифровые I/O общего назначения)

— Температурный диапазон: -40..+85С.

— Выходная мощность rf-части 1 мВт.

Дополнительно можно сказать, что для создания конечного продукта на базе чипа JN5121 понадобится еще несколько недорогих компонентов: кристалл, флеш-память на 128к, а также пассивные компоненты.

К сожалению, сегодня в решениях SoC может быть использован только стек производителя. Поэтому, для получения программно-аппаратной независимости ZigBee решения необходимо строить на отдельных чипах контроллера и радиочастотной части.

Существуют следующие варианты сборки:

Помимо описанных выше решений, у различных производителей существуют дополнительные средства управления и отладки сети. Это программы, в которых сеть ZigBee представлена наглядно на экране монитора, а процесс изменения ее структуры выполняется парой щелчков мыши. Средства управления и отладки сети поддерживают функцию управления межсетевыми шлюзами. Это может быть использовано для задач реализации шлюза ZigBee-Ethernet, который дает возможность интегрирования сетей WPAN и LAN в единую структуру. Подобное ПО может быть приобретено у компаний Airbee, Luxoft, Ember и IWT, что, как я считаю, является хорошим критерием в выборе стека.

Выбор элементов сети ZigBee не ограничен описанными выше компонентами, однако в этой статье я остановился на решениях, которые обладают отличными радиочастотными характеристиками и позволяют создавать сети ZigBee с топологией mesh.

Более подробную информацию о продукции компаний MaxStream, ChipCon, Cirronet и Jennic можно получить у официального поставщика этих производителей в России компании КОМПЭЛ http://www.compel.ru. По всем вопросам, связанным с условиями поставок и технической поддержкой, можно обращаться по электронной почте gsm.spb@compel.ru или gsm@compel.ru.

Литература:

1. Standard IEEE 802.15.4-2003

2. ZigBee specification from 27.06.2005 by ZigBee Alliance Ссылки:

1. ZigBee Alliance [http://www.zigbee.org/]

2. MaxStream [http://www.maxstream.net/]

3. Ember [http://www.ember.com]

4. Jennic [http://www.jennic.com/]

5. Texas Instruments [http://www.ti.com/]

6. Freescale [http://www.freescale.com/]

7. ChipCon [http://www.chipcon.com/]

8. Atmel [http://www.atmel.com/]