ZigBee: за и против

Автор: Ибун Силла

Многие инженеры, становясь жертвами привлекательности ZigBee, недооценивают технологии, которые обеспечивают более экономичные решения. В статье, представляющей собой авторизованный перевод [1], рассматривается стандарт ZigBee и его ограничения, а также анализируются основные факторы, позволяющие обойти подводные камни при выборе этой технологии.

Взрывообразное появление беспроводных технологий в последние годы привело к возникновению нескольких стандартов, в первую очередь в полосе ISM (Industrial Scientific & Medical — промышленный, научный и медицинский диапазон частот). Среди новых стандартов ZigBee считается наиболее многообещающим.
Аналитики предсказывают появление нескольких сотен миллионов устройств, использующих этот стандарт, в ближайшие годы. Многие инженеры, не разбирающиеся в вопросе о том, насколько уместен этот стандарт в их приложении, создают системы на платформе ZigBee. Статья дает ответ на вопрос о том, целесообразно ли применять эту платформу в том или ином решении.

Обзор платформы ZigBee

Стандарт ZigBee поддерживается консорциумом ZigBee Alliance, в который входят свыше 200 компаний. Цель Альянса — создание надежного, недорогого, маломощного открытого стандарта для беспроводных решений с низкими скоростями передачи данных и многоинтервальной маршрутизации данных. Стандарт ZigBee поддерживает функцию самоизлечения и высокую безопасность благодаря ячеистой структуре сеть и 128-битному AES (Advanced Encryption Standard — усовершенствованный стандарт шифрования). На рисунке 1 схематически изображена топология сети, в которую, как правило, входят следующие три типа устройств, или узлов.
Координатор. В каждой сети имеется один координатор, с которого она начинается. Он выполняет функции управления, а также маршрутизации данных. Координатор должен всегда получать электропитание и, следовательно, быть подключенным к энергосети.

Маршрутизаторы. В большинстве случаев эти устройства тоже получают питание от энергосети. Они позволяют передавать данные по многоинтервальным ZigBee-сетям с переменным числом маршрутизаторов, а в некоторых случаях и без них (сеть типа «точка-многоточка»).

Выходные устройства. К их числу относятся устройства с батарейным питанием, т.к. их энергопотребление невелико. Большую часть времени они находятся в спящем режиме и периодически пробуждаются для сбора и передачи данных. Датчики представляют собой выходные устройства, которые подключаются к сети через маршрутизаторы.
Назначение типа узла происходит в процессе эксплуатации сети. Требование установить питание для координаторов от энергосети может стать ограничивающим фактором для ZigBee, особенно при минимизации энергопотребления каждым устройством.

Рисунок 1 — Топология ZigBee-сети

По мере роста числа узлов в ZigBee-сетях возникают проблемы со связью в их отдельных частях. Для ограничения перегрузки ZigBee-сетей применяются два основных метода.

1. Размещение узлов и соответствующих маршрутизаторов таким образом, чтобы сообщения достигали концентратора по одному из несколько маршрутов.

2. Использование нескольких концентраторов данных. Это позволяет уменьшить количество интервалов, необходимых узлам для того, чтобы их сообщения достигали концентратора, а также для снижения вероятности единичного отказа.

Кроме того, для устранения перегрузок применяются такие методы как разделение сети на фрагменты или использование сетевого идентификатора PANID. Однако их недостаток — большая ресурсоемкость.

Внимательный анализ ZigBee-стека позволяет лучше понять трудности, которые могут возникнуть при реализации этого стандарта, особенно при выборе аппаратной платформы. Архитектура стека технологии ZigBee использует стандарт IEEE 802.15.4, добавляя к нему ряд уровней для реализации заданных функций (см. рис. 2).

Рисунок 2 — Архитектура стека ZigBee

Два нижних уровня — физический и MAC-уровень — определяются спецификацией IEEE 802.15.4. Физический уровень связан с реализацией радиооборудования с помощью DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — расширение спектра методом прямой последовательности) как в диапазоне 2,4 ГГц, так и в поддиапазоне 1 ГГц, а MAC управляет доступом к физическому уровню. Уровень приложения задается конечным пользователем, тогда как сетевой уровень, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения определены Альянсом ZigBee.

Сетевой уровень определяет маршрутизацию и поддержку ячеистой сети. Функции безопасности, обеспечиваемые с помощью стека ZigBee, очень гибкие и реализуются на любом другом уровне. Безопасность также определяется для структуры приложения по профилю, который играет важную роль в функциональной совместимости стандартов, позволяя реализовать общий протокол обмена данными, а также ряд мер по обработке.

Уровень профиля приложения определяет области его использования и позволяет устройствам разных производителей устанавливать связь друг с другом. Профили для конкретного приложения перегруппировывают библиотеку связанных ZigBee-кластеров, которая устанавливает функциональные области внутри приложения. На сегодняшний день Альянс ZigBee определил три профиля приложений: Smart Energy, Home Automation и Personal Home and Hospital Care (PHHC). В ближайшем будущем появится еще несколько профилей. У пользователей имеется возможность разработать собственный профиль, сделав приложение оригинальным.

Уровень приложения, на котором реализуется код приложения, полностью определяется конечным пользователем.
Анализируя структуру стеков ZigBee, конечный пользователь имеет возможность оценить роль этого стандарта при выборе процессора. В некоторых приложениях, например Smart Energy, для реализации технологии ZigBee требуется высокая эффективность кода и процессор с большим объемом памяти. При этом производительность процессора для одного и того же стека ZigBee может варьироваться от поставщика к поставщику. Это обстоятельство необходимо тщательно учесть, выбирая платформу ZigBee.

ZigBee или не ZigBee?

Несмотря на привлекательные возможности технологии ZigBee, необходимо тщательно учесть несколько факторов, прежде чем остановиться на ее выборе. К их числу относятся следующие.
- Возможность взаимодействия. Это основной фактор при выборе ZigBee, особенно при необходимости обеспечить связь проектируемого продукта с устройствами других производителей. В противном случае в целях экономии можно реализовать оригинальное решение.
- Энергопотребление. Поскольку координатор и маршрутизаторы всегда должны быть включены, настоятельно рекомендуется подключить их к энергосети.
- Неэффективное использование программного обеспечения. Технология ZigBee характеризуется неэффективным использованием программного обеспечения из-за размера стека. Ее применение нежелательно в приложениях с низким ресурсом ЦП, например в приложениях с CODE RAM.
- Ячеистая сеть. Преимущество этой конфигурации заключается в возможности осуществлять обмен данными между точками посредством многоинтервальной линии связи. В качестве наглядного примера можно привести датчиковую сеть в большом здании, где ZigBee является идеальным выбором. Однако сеть с топологией «звезда», реализованная с использованием стандарта IEEE 802.15.4 или других оригинальных протоколов передачи данных, может оказаться более экономичным решением.

Литература

1. www.esemagazine.com.
2. ZigBee Alliance - www.ZigBee.org.
3. Стандарт IEEE 802.15.4 - http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.
4. Решения ZigBee от компании Texas Instruments - www.ti.com/ZigBee.