Источник: http://www.efo.ru

Технология ZigBee

Беспроводные технологии (БТ) все глубже проникают во все сферы человеческой жизни. Сегодня никого уже не удивляют сотовые телефоны, радиомикрофоны, гарнитуры, "считыватели" этикеток.

Все это стало возможным благодаря достижениям современных цифровых методов модуляции, кодирования, пакетной обработки данных. Они позволили устранить или снять остроту традиционных проблем, связанных с аналоговой радиосвязью: зависимость от помех, возможность прослушивания и несанкционированное вмешательство.

Прогрессивным шагом в развитии беспроводной связи явилась разработка стандартных международных протоколов передачи данных, позволяющих объединить опыт специалистов разных стран и обеспечить совместимость устройств различных производителей. Жизнеспособность БТ подтверждают с успехом используемые Bluetooth и Wi-Fi.

Одной из таких БТ является ZigBee, вполне способная завоевать российский рынок.

Сферы применения ZigBee
Беспроводная технология ZigBee предназначена для использования в системах сбора данных и управления. Она обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и защиты информации, совместима с устройствами различных производителей.

ZigBee-устройства применяются в различных областях. В промышленности - в системах сбора данных и управления технологическим оборудованием для передачи информации от движущихся и вращающихся объектов (конвейеров, роботов) или от объектов, находящихся под высоким напряжением, а также для сбора данных во взрыво и пожароопасных условиях.

В коммунальном хозяйстве, в инженерных системах зданий беспроводные устройства ZigBee применимы для управления теплоснабжением, освещением, кондиционированием и вентиляцией, в системах пожарной безопасности, автоматического пожаротушения, коммерческого учета потребленной тепловой, электрической энергии и воды, в системах управления лифтовым оборудованием.

Целевой нишей технологии ZigBee являются также системы домашней автоматизации, медицинские системы мониторинга и охранные комплексы.

Особенности технологии
Особенность ZigBee заключается в том, что, в отличие от других БТ, она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но также и сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть", способных поддерживать ретрансляцию и поиск наиболее эффективного маршрута для передачи данных. Сети ZigBee являются самообразующимися и самовосстанавливающимися. Благодаря встроенному программному обеспечению их устройства при включении питания умеют сами "находить" друг друга. В случае выхода из строя какого-либо прибора они способны "разыскать" новые маршруты для передачи сообщений.

Эта технология имеет частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц.

Диапазон 2,4 Ггц
Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для него.

Диапазон 2,4 ГГц с самого начала был выделен во многих странах для использования различными технологиями расширения спектра. В нем на отдельных частотах мощность сигнала может быть соизмерима с уровнем шума. Приемник, "применяя" закон расширения спектра, может восстановить исходный сигнал.

Этот закон позволяет более эффективно бороться с узкополосными помехами и допускает сосуществование в одном диапазоне различных беспроводных технологий. Сам диапазон 2,4 ГГц имеет 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Радиус охвата ZigBee-устройств зависит от многих параметров, но в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. Так, кристалл ЕМ250 компании Ember, применяемый в однокристальных решениях ZigBee, имеет выходную мощность передатчика 5 мВт и чувствительность 98 дБм. Это позволяет передавать данные между узлами на сотни метров открытого пространства.

Говоря о радиусе действия, следует помнить, что зона покрытия БТ увеличивается за счет возможности ретрансляции сообщений.

Узлы сети
Сеть ZigBee содержит узлы трех основ ных типов: координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства.

Координатор - единственный и обязательный узел, который образует сеть, выбирая для нее номер частотного канала и идентификатор. Затем к нему подключаются маршрутизаторы и конечные устройства, количество которых можно наращивать.

Совокупность настроек программногс обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу, называется профилем. Различают профили стека и профили приложения.

Устройства, обладающие одинаковым профилем стека, способны функционировать в одной сети и обмениваться сообщениями. Но для того, чтобы правильно распознавать сигнал, они должны иметь идентичный профиль приложения.

Альянс ZigBee
Технология ZigBee поддерживается альянсом ZigBee, учрежденным в 2002 г. с целью объединения усилий по разработке наиболее эффективных протоколов и обеспечения совместимости устройств различных производителей.

В декабре 2004 г. появилась первая версия спецификации ZigBee 1.0 с описанием профиля стека НС (Home Control, который предписывал использовать сеть с топологией "дерево") и профиля приложения HCL (Home Control Lighting) для управления осветительным оборудованием.

Последняя конференция альянса ZigBee состоялась в Милане 16 марта 2006 г. В ней приняли участие более 500 фирм, и были представлены "свежие" версии спецификации ZigBee.

• Восьмая, с обновленным профилем стека НС и новым профилем приложения НА (Home Automation), который должен заменить
• Девятая (официально планируется к публикации как спецификация 1.1 в июне 2006 г.) ревизия введет новый профиль стека СП (Commercial, Industrial, Institutional), предназначенный для создания ячеистых сетей. Она также даст описание новых профилей приложения СВА (Commercial Building Automation), Industrial Plant Monitoring (IPM) и HVAC (Heating Ventilation and Air Coditioning) с опорой на профиль стека СП.

Уже сейчас рассматриваются предложения по вопросам тактирования, борьбы с помехами и совершенствования механизмов защиты информации в беспроводной сети.

Устройства ZigBee
Прошедший год ознаменовался появлением первых серийных изделий, использующих ZigBee-технологию.

Так, американская компания Control4 выпустила целый комплекс беспроводных управляющих устройств бытового назначения.
В систему Control4 входят:

• набор беспроводных переключателей и диммеров для управления освещением;
• система климат-контроля, управляющая панель которой может располагаться в любой комнате;
• несколько типов беспроводных управляющих тач-панелей, позволяющих осуществлять дистанционное управление аудио, видео и другой бытовой аппаратурой;
• пульт дистанционного управления;
• блок дополнительных выходных контактов и реле, управляемый дистанционно и предназначенный для подключения разнообразных исполнительных устройств (вентиляторов, кондиционеров, обогревателей).

В Корее (NuriTelecom) и Китае (Holley) ведутся работы по созданию беспроводных автоматизированных систем учета электроэнергии, воды и газа.

Кристалл ЕМ250
Мировой производитель компания Ember - один из основателей альянса ZigBee - выпускает приемопередатчики, программное обеспечение и отладочные средства для реализации ZigBee-устройств. Сегодня она предложила разработчикам ZigBee-устройств кристалл ЕМ250, который объединяет приемопередатчик ZigBee и 1б-ти разрядный микроконтроллер.

Для увеличения зоны охвата в кристалл ЕМ250 встроены дополнительный малошумящий усилитель во входной цепи приемника и усилитель мощности в цепи передатчика. Это позволило увеличить динамический диапазон радиосигналов на 9 дБ по сравнению с предшествующим приемопередатчиком Ember EM2420.

Кристалл ЕМ250 компании Ember интересен также тем, что в "спящем" режиме при токе потребления 1 мкА продолжает работать внутренний таймер, способный время от времени вводить кристалл в рабочий режим для прослушивания радиоканала.

Встроенный 16-ти разрядный микроконтроллер ЕМ250 содержит достаточные объемы постоянной и оперативной памяти для организации буферов передаваемых сообщений и хранения программного кода приложения. Встроенные 12-ти разрядный сигма-дельта АЦП, регулятор напряжения, монитор батареи питания и ВЧ-переключатель сигнала антенны позволяют минимизировать количество внешних компонентов и создавать на базе нового кристалла ЕМ250 миниатюрные, малопотребляющие беспроводные системы контроля и управления.

Встраиваемые библиотеки
Успех разработки ZigBee-приложения зависит также от используемого программного обеспечения. Поэтому компания Ember уделяет большое внимание разработке встраиваемых библиотек, реализующих стек протоколов ZigBee.

Библиотеки EmberZNet сертифицированы на соответствие спецификации ZigBee 1.0 и уже сегодня поддерживают также создание ячеистых сетей, требования к которым будут изложены в новой версии спецификации ZigBee 1.1.

Кроме того, компания Ember предлагает мощные программно-аппаратные отладочные средства, позволяющие анализировать трафик беспроводной сети во время разработки приложения.

Анализатор трафика сети InSight DeskTop дает возможность записывать в лог-файл все пакеты, "слышимые" в эфире, декодирует их и подсказывает, в каких случаях происходит пакетная потеря.

ZigBee-модемы
Использование микросхем приемопередатчиков позволяет получить изделия с наименьшей себестоимостью. Такой подход является единственно оправданным в случае серийного производства. Массовый выпуск продукции при этом позволит быстро окупить стоимость отладочных средств.

В случаях, когда проект выполняется не для массового использования, можно ориентироваться на готовые радиомодули, которые имеют более высокую стоимость, чем микросхемы, но избавляют разработчика от необходимости проектировать высокочастотные цепи и писать программное обеспечение.

Примером таких устройств являются ZigBee-модемы ETRX1 английской компании Telegesis.

ETRX1
ZigBee-модем ETRX1 позволяет значительно упростить разработку беспроводной сети. Программное обеспечение модемов ETRX1 выполнено на основе встраиваемых библиотек Ember, реализующих стек протоколов ZigBee, и расширено дополнительным уровнем АТ-команд, обеспечивающих простое управление модемом по последовательному каналу. ZigBee-модем ETRX1 имеет компактные размеры (37,75мм х 20,45мм) и выпускается в трех модификациях: со встроенной антенной, с разъемом для присоединения внешней антенны и в формате Compact Flash. ZigBee-модем ETRX1 имеет восемь цифровых линий ввода/вывода и два аналоговых входа.

Конфигурация модемов
осуществляется при помощи программирования внутрен них энергонезависимых регистров, доступ к которым может осуществляться как по последовательному каналу при помощи АТкоманд, так и по радиоканалу.

Возможность дистанционного управления и опроса модема ETRX1 позволяет использовать его без какого-либо дополнительного управляющего микроконтроллера.

ZigBee-модемы ETRX1 самостоятельно образуют сеть и поддерживают ретрансляцию сообщений. Работа с ними столь проста, что небольшую беспроводную систему сбора данных можно смонтировать за считанные минуты.

Все для вас
Таким образом, сегодня российским разработчикам предоставлены все необходимые аппаратные и программные средства для разработки ZigBee-приложений. Отладочные средства реализации сетей ZigBee доступны по цене, микросхемы приемопередатчиков можно приобретать в небольших количествах, для мелкосерийных разработок возможно использование ZigBee-модемов.

Вернуться в библиотеку