ДонНТУ   Портал магістрів

Миронюк Максим Володимирович

Факультет комп'ютерних наук та технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність "Комп'ютерні системи та мережі"

Розробка моделі взаємодії контролерів на основі інтерфейса ZigBee

Науковий керівник: доцент Мальчева Раїса Вікторівна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Організація мережі ZigBee
• 2. Cпецифікації стандарту IEEE 802.15.4
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

У сучасному світі вже нікого не здивуєш пристроєм бездротової передачі даних. У наше життя давно проникли технології мобільного зв'язку та інтернету, системи глобальної навігації і радіоідентифікаціі. Однак лише відносно недавно бездротові технології зв'язку почали застосовуватися у сферах комунального господарства та промисловості. При цьому ефективність від впровадження таких систем у промисловості дуже висока, так як саме тут налічується безліч об'єктів автоматизації різної складності, зв'язок між якими зручно здійснювати через бездротові канали. А в разі розташування частини системи на рухомих об'єктах, як це може бути в автоматизованих складах, застосування бездротових мереж виявляється єдино можливим рішенням. До останнього часу впровадження цих технологій у промисловість стримувалося через проблеми, пов'язані з надійністю каналів зв'язку в жорстких умовах експлуатації при великому рівні промислових перешкод, а також із захистом бездротових промислових мереж від несанкціонованого доступу. Зараз ситуація кардинально змінюється, і з області "екзотики" бездротові промислові мережі переходять в область доцільних технічних рішень. Ця обставина не можуть ігнорувати і виробники виконавчих пристроїв, зокрема, комплектних електроприводів, які повинні проектуватися з урахуванням наявності вбудованого бездротового інтерфейсу.

1. Організація мережі ZigBee

ZigBee – відносно новий стандарт бездротового зв'язку, який спочатку розроблявся як засіб для передачі невеликих обсягів інформації на малі відстані з мінімальним енергоспоживанням. Фактично цей стандарт описує правила роботи програмно-апаратного комплексу, що реалізує бездротове взаємодія пристроїв один з одним.

Стек протоколів ZigBee являє собою ієрархічну модель, побудовану за принципом семирівневой моделі протоколів передачі даних у відкритих системах OSI (Open System Interconnection). Стек включає в себе рівні стандарту IEEE 802.15.4, що відповідають за реалізацію каналу зв'язку, і програмні мережні рівні та рівні підтримки додатків, визначені специфікацією ZigBee [1]. Модель реалізації стандарту зв'язку ZigBee представлена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Багаторівнева модель стандарту зв'язку ZigBee

Стандарт IEEE 802.15.4 визначає два нижніх рівні стека: рівень доступу до середовища (MAC) і фізичний рівень передачі даних у середовищі розповсюдження (PHY), тобто нижні рівні протоколу бездротової передачі даних [2]. Альянс визначає програмні рівні стека ZigBee від рівня каналу передачі даних (Data Link Control) до рівня профілів пристроїв (ZigBee Profiles). Прийом і передача даних по радіоканалу здійснюється на фізичному рівні PHY, визначальному робочий частотний діапазон, тип модуляції, максимальну швидкість, число каналів. Рівень PHY здійснює активацію-дезактивацію прийомопередавача, детектування енергії прийнятого сигналу на робочому каналі, вибір фізичного частотного каналу, індикацію якості зв'язку при отриманні пакету даних та оцінку вільного каналу. Важливо розуміти, що стандарт 802.15.4 – це фізична радіо (мікросхема радіо-приймача), а ZigBee – це логічна мережа і програмний стек, що забезпечують функції безпеки і маршрутизації.

Далі в структурі стека ZigBee слід рівень контролю доступу до середовища IEEE 802.15.4 MAC, який здійснює вхід і вихід з мережі пристроїв, організацію мережі, формування пакетів даних, реалізацію різних режимів безпеки (включаючи 128-бітове шифрування AES), 16- і 64- бітну адресацію.

Рівень MAC забезпечує різні механізми доступу в мережу, підтримку мережевих топологій від «точка-точка» до "багатокомірочна мережа", гарантований обмін даними (ACK, CRC), підтримує потокову і пакетну передачі даних.

Для запобігання небажаних взаємодій можливе використання тимчасового поділу на основі протоколу CSMA-CA (протокол множинного доступу до середовища з контролем несучої і запобіганням колізій).

Тимчасовий поділ ZigBee базується на використанні режиму синхронізації, при якому підлеглі мережеві пристрої, більшу частину часу знаходяться в "сплячому" стані, періодично "прокидаються" для прийому сигналу синхронізації від мережевого координатора, що дозволяє пристроям всередині локальної мережевої осередку знати, в який момент часу здійснювати передачу даних. Стандарт 802.15.4 базується на полудуплексній передачі даних (пристрій може або передавати, або приймати дані), що не дозволяє використовувати метод CSMA-CA для виявлення колізій – тільки для їх запобігання.

У специфікації стека передбачені три типи пристроїв: координатор, маршрутизатор і кінцевий пристрій. Координатор ініціалізує мережа, управляє її вузлами, зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, задає номер частотного каналу та ідентифікатор мережі PAN ID, а в процесі роботи може бути джерелом, приймачем і ретранслятором повідомлень. Маршрутизатор відповідає за вибір шляху доставки повідомлення, переданого по мережі від одного вузла до іншого, і в процесі роботи також може бути джерелом, приймачем або ретранслятором повідомлень. Якщо маршрутизатори мають відповідні можливості, вони можуть визначати оптимізовані маршрути до певної точки і зберігати їх для подальшого використання в таблицях маршрутизації. Кінцевий пристрій не бере участі в управлінні мережею та ретрансляції повідомлень, будучи тільки джерелом / приймачем повідомлень.

Рисунок 2 - Топології мереж ZigBee

Рисунок 3 – Cамоконфігуріруема мережа зі складною топологією (анімація: 6 кадрів; 6 циклів повторення; дозвіл: 600х525; розмір: 146 КБ)

2. Cпецифікації стандарту IEEE 802.15.4

Специфікація ZigBee-стека визначає мережевий рівень, рівні безпеки і доступу до додатка і може використовуватися спільно з рішеннями на базі стандарту 802.15.4 для забезпечення сумісності пристроїв.

Таблиця 1 – Специфікація стандарту IEEE 802.15.4

Одним з основних переваг стандарту 802.15.4 / ZigBee є простота установки і обслуговування подібних систем. Особливості специфікації ZigBee дозволяють з легкістю розгортати бездротові персональні мережі: "ви просто виймаєте пристрій з коробки, вставляєте батареї і здійснюєте просту операцію на зразок натискання клавіші – тримайте два пристрої один до одного, натискаєте кнопки і тримайте до тих пір, поки не загоряться зелені світлодіоди" . Таким чином відбувається об'єднання двох пристроїв в мережу або прив'язка, наприклад, вимикача світла до певної лампі. Реалізація даного принципу передбачає впровадження ZigBee-модулів у все нові прилади та системи для дому та офісу. У результаті з'являється можливість створення єдиної мережі сумісних пристроїв від різноманітних виробників.

Головний критерій впровадження нових технологій на великих підприємствах – кінцева ціна одного пристрою. Ціна питання в такого роду додатках вкрай висока, і в промислових масштабах навіть десяті частки цента відіграють величезну роль. Проте, основним способом зниження вартості кінцевого рішення ZigBee є наявність великого числа потенційних та існуючих ринків і збільшення обсягів поставок електронних компонентів від виробників. Ринок побутових пристроїв просто величезний і обчислюється мільярдами одиниць [5].

Створення бібліотеки єдиних профілів пристроїв, що працюють в мережі ZigBee, покликане забезпечити сумісність обладнання від різних виробників. Користувача профілі (набір сервісів, необхідний для пристроїв певного типу, наприклад систем освітлення або пожежних датчиків), що знаходяться на самій вершині стека ZigBee, надають типові програмні модулі для використання в окремих додатках.

Висновки

ZigBee працює на радіочастотах, що не вимагають отримання ліцензії, а тому використовувати пристрої ZigBee може будь-хто. Втім, не це є його конкурентною перевагою. Привабливість новинки, на відміну від інших "радіоштучек", полягає в надмалих енергоспоживанні мікропередатчікі. Стверджується, що побудована на базі ZigBee система поливу поля для гольфу збереже свою працездатність протягом 7 років без необхідності заміни елементів живлення в датчиках. Причому саме в системах, що складаються з безлічі датчиків, автоматично об'єднуються в мережу, переваги ZigBee будуть найбільш помітні.

Головний секрет економічності полягає в тому, що вироби на основі ZigBee передають невеликі обсяги даних і працюють зі швидкістю близько 250 Kbit / s, тобто є досить повільними пристроями. Втім, для отримання даних від датчиків типу "включено / вимкнено" цього цілком вистачає. Важливіше економічність і простота пристрою  – саме ці переваги забезпечують затребуваність ZigBee для повсякденного використання.

Інша особливість технології – простота масштабування мережі, що функціонує за технологією ZigBee. Без будь-яких переробок або додаткової адаптації на основі ZigBee може бути побудована мережа з декількох датчиків або створена гігантська система з багатьох сотень радіосенсорів. Для стандарту, що претендує на масовість і орієнтованого на непідготовлених користувачів, якість по-справжньому унікальне.

Можливо, саме тому аналітики пророкують велике майбутнє ZigBee як промисловому стандарту для пристроїв, орієнтованих на споживчий ринок. На відміну від дротових аналогів, розгортання мережі на основі ZigBee виявляється набагато більш простою справою, та до того ж ще й економить масу коштів. Наприклад, створення протипожежної системи великого готелю зазвичай вимагає прокладки кілометрів кабелю, установки сотень датчиків, організації управління ними з центрального пульта, ну і так далі. При використанні ZigBee все зводиться до розміщення радіодатчиків в номерах, все інше – установка взаємозв'язків і побудова мережі – відбувається автоматично. Ну або майже автоматично. Все-таки дещо доведеться робити і монтажникам, зайнятим налаштуванням системи. Але от від кілометрів проводів можна Відмовитися я точно.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

1. Wi-Fi alliance. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wi-fi.org/
2. Bluetooth special interests group (SIG). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.bluetooth.org
3. ZigBee alliance. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zigbee.org
4. IEEE Computer Society. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). IEEE Std 802.15.4™-2006. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html
5. ZigBee Alliance. ZigBee Specification. Q4/2007. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zigbee.org/en/spec_download/zigbee_downloads.asp
6. Незнамов Ю., Козаченко В.: Перспективы использования беспроводных ZigBee-интерфейсов в электроприводе // Электронные компоненты. 2008. N. 2. С. 17-24.
7. Время єлектроники. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/40498/doc/44411/
8. Еркин А.: Идентификация потоков грузов RFID-метками на основе беспроводных сетей ZigBee. Беспроводные технологии №2'2011. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://wireless-e.ru/articles/bluetooth/2011_02_34.php
9. Соколов М., Воробьев О.: Реализация беспроводных сетей на основе технологии ZigBee стандарта 802.15.4. Компоненты и технологии №2'2005. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2005_02_160.pdf
10. Кутыев И.: Долгоиграющие устройства ZigBee. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uley-club.ru/index.html?tid=17435