Содержание. Введение Вкратце о Zigbee Устройства Zigbee Формирование сети Динамика сети Элементная база Заключение Список литературы
Введение.
В настоящее время существует некоторый класс задач, для решения которого требуется сеть из огромного количества датчиков и исполнительных устройств. Например, это может быть системы умного дома, некоторые промышленные объекты, очень сильно размазанные в пространстве. Для решения таких задач потребовались бы вереницы проводов (см. Рис. 1), а работа по их обслуживанию и расширению сети казалась бы филиалом ада на земле.
Рис. 1. Вот так бы выглядел сервер обработки информации с датчиков.
Но технологии идут вперед, и на помощь приходит радиоканал. Плюсы такого решения очевидны: не нужно штробить кучи стен, дабы проложить кабели в короба, расширение сети, а также обновление ПО для датчиков и исполнительных устройств проходит очень просто. Но есть и минусы: к сожалению, радиоканал не может обеспечить 100% передачу данных и поэтому его использование в критических системах, например, системы обнаружения пожара, недопустимо. Вопрос с питанием датчиков был решен таким образом, чтобы большинство времени устройство проводило в спячке и кушало какие-нибудь микроамперы, а за счет таймера через некоторое время оно бы просыпалось, что-то меряло, отправляло данные на сервер и снова в спячку.
На сегодняшний день в основном используется диапазон частот в έ-окрестности 2,4 ГГц, но возможны другие диапазоны частот в районах 433, 868, 1 ГГц.Фирм, производящих приемопередатчики много. Например, STMicroelectronics, Atmel, NXP, Micrel, AVAGO и.т.д. Некоторые из них производят приемопередатчики с встроенным микроконтроллером, что очень удобно. Рассмотрим трансивер от Texas Instruments – cc2500.
Эта микросхема работает на частотах от 2400 МГц до 2483,5 МГц, обеспечивая скорость передачи данных до 500 кбайт в секунду. Трудится при напряжениях от 1,8 до 3,6 вольт и имеет минимальное потребление на прием – 13,5 мА. Просыпается за 240 микросекунд. Чувствительность - -104 dBm. А выходная мощность максимально может составлять 1 dBm, причем эта величина может быть изменена. Простейшая антенна может быть дорожкой на плате длинной в 125 мм, но производитель щедро дает свой reference design антенны(см. Рис 2).
Рис. 2. Плата с cc2500 и необходимой обвязкой. Для увеличения дальности действия радиосвязи также можно использовать RF front-end микросхему-усилитель cc2590, а также отдельные антенны.К сожалению, из-за усложнения топологии сети, становится сложно управлять кучей датчиков и исполнительных устройств, которым требуется арбитраж и другие вещи. Поэтому на помощь приходит Zigbee!
Вкратце о Zigbee.
ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня (уровня приложений API и сетевого уровня NWK), использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», дерево и звезда), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистою топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений — профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации.
Устройства ZigBee.
Сети ZigBee строятся из базовых станций трех основных типов: координаторов, маршрутизаторов и конечных устройств. Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью и доверительного центра (trust-центра) – устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.
Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств. Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств. Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. Именно конечные устройства имеют дело с датчиками, локальными контроллерами и исполнительными механизмами.
Формирование сети.
Сеть ZigBee – самоорганизующаяся, и ее работа начинается с формирования. Устройство, назначенное при проектировании координатором персональной сети (PAN координатор), определяет канал, свободный от помех, и ожидает запросов на подключение. Устройства, пытающиеся присоединиться к сети, рассылают широковещательный запрос. Пока PAN координатор – единственное устройство в сети, отвечает на запрос и предоставляет присоединение к сети только он. В дальнейшем присоединение к сети могут предоставлять также присоединившиеся к сети маршрутизаторы. Устройство, получившее ответ на широковещательный запрос, обменивается с присоединяющим устройством сообщениями, чтобы определить возможность присоединения. Возможность определяется способностью присоединяющего маршрутизатора обслужить новые устройства в дополнение к ранее подключенным.
Вступление в сеть (присоединение) Существует два способа присоединения: МАС ассоциация и повторное сетевое присоединение (NWK rejoin). МАС ассоциация МАС ассоциация доступна любому устройству ZigBee и осуществляется на МАС уровне. Механизм МАС ассоциации следующий: Устройство, позволяющее присоединиться к нему, выставляет на МАС уровне разрешение на присоединение. Устройство, вступающее в сеть, выставляет на МАС уровне запрос на присоединение и передает широковещательный запрос маячка. Получив маячок от устройств, готовых подключить присоединяемое устройство, последнее определяет, в какую сеть и к какому устройству оно желает присоединиться, и выставляет на МАС уровне требование о вступлении с флажком «повторное присоединение» в значении FALSE. Затем вступающее устройство направляет на выбранное для присоединения устройство запрос присоединения и получает ответ с присвоенным ему сетевым адресом. При МАС ассоциации данные передаются не зашифрованными, поэтому МАС ассоциация не является безопасной. Повторное сетевое присоединение Повторное сетевое присоединение вопреки названию может применяться и при первичном присоединении. Оно выполняется на сетевом уровне. При этом, если вступающее устройство знает текущий сетевой ключ, обмен пакетами может быть безопасным. Ключ может быть получен, например, при настройке. При повторном подключении присоединяющееся устройство выставляет на сетевом уровне запрос присоединения и обменивается с подключающим устройством пакетами «запрос присоединения» – «ответ на запрос присоединения».
Динамика сети.
Кроме случаев присоединения новых устройств структура сети меняется и в случаях, когда устройства покидают сеть и повторно присоединяться в других местах (это происходит, например, в случае перезагрузки устройства). На рис. 3 показан пример переподключения. Устройство с адресом «0E3B» переподключается как «097D», а затем как «0260». Каждый раз оно присоединяется к другому маршрутизатору и получает адрес из имеющегося в распоряжении присоединяющего маршрутизатора диапазона адресов.
[img]http://http://habrastorage.org/storage2/825/56c/c0e/82556cc0ee63fa071f126dd132be70d6.jpg[/img] Рис. 3.Переподключение конечного устройства в древовидной сети.
Элементная база.
Многие фирмы, такие как NXP, Atmel, Stmicroelectronics, TI, производят чипы с поддержкой Zigbee. Например, детище Texas Instruments, сс2538 представляет собой систему на кристалле, объединяющую RF часть, а также микроконтроллер. Характеристики первой части во многом схожи с рассмотренным выше сс2500, а микроконтроллер построен на базе ядра ARM Cortex-M3, что позволяет достичь высокой производительности, вкупе с низкой потребляемой мощностью. Все это просто мимими...
Заключение.
В данной работе был сделан обзор технологии Zigbee – были изложены предпосылки создания, анализ работы, элементная база. Данная технология заняла свою нишу в системах с распределенными по пространству датчиков и исполнительных устройств и позволяет создавать гибкие сети сложных топологий. В данной стезе аналогов пока не наблюдается.
