1.4 Мережна технологія сенсорних мереж ZigBee
Однією з найвагоміших вад стандарту 802.15.4/ZigBee є простота розвертання й обслуговування подібних систем, за рахунок можливого поєднання сумісних пристроїв різних виробників.
Мережа, яка побудована за технологією ZigBee може включати три типи пристроїв:
координатори ZigBee (ZigBeeCoordinator, ZC). Це пристрій, який є координатором PAN. Функції, які він буде виконувати залежать від топології мережі;
маршрутизатор ZigBee (ZigBeeRouter) це повнофункціональний пристрій стандарту ІЕЕЕ802.15.4, який виконує функції маршрутизації повідомлень між пристроями ZigBee і устаткуванням за допомогою якого до мережі підмикаються нові пристрої, також може бути координатором.
кінцевий пристрій (ZigBeeEnd Device, ZED) – будь-який пристрій стандарту ІЕЕЕ802.15.4, який не є ZC або ZigBeeRouter. Приклад мережі ZigBee показано на рис. 1.8.
Рисунок1.8 – Мережа ZigBee зі складною топологією. Чорні лінії – якісні з’єднання, зелені – неякісні.
Гомо- і гетерогені мережі
Передавання даних в мережах з деревовидною технологією використовує іерархічну стратегію вибору маршруту і може відбуватися під централізованим керуванням, для чого необхідно використовувати периодичні сигнали маяків від координаторів IEEE 802.15.4. цей режим як раз й використовується у мережних протоколах ZigBee. Тому в них використовується режим синхронізованого доступу і режим «сну» для мережних пристроїв, що дозволяє зменшити енергоспоживання.
В таких мережах (Beaconenabled PAN) робота кінцевих пристроїв синхронізується сигналами маяків, відповідно до алгоритму опитування цих пристроїв. Також може «спати» й пристрій, який випромінює сигнали маяків. Така ситуація може розглядатися як гомогене (однорідне) розподілення потужності між всіма мережними пристроями.
Розширення мережі ZigBee відбувається від батьківського пристрою, який приєднує породжений пристрій. В якості батьківських пристрої можуть використовуватися координатори або маршрутизатори ZigBee, які приєднують до себе нові пристрої. В результаті в мережі утворюється ієрархічна структура, яка утворена пристроями – батьками і нащадками. Ця ієрархія використовується маршрутизаторами ZigBee для розповсюдження по мержі даних. Цей алгоритм в протоколах ZigBee реалізовано процедурами мови SML (Sensor Model Language), котра розроблена для уніфікації сенсорних мереж і являє собою стандартний ХML-код, в якому датчики і потоки даних, які вони генерують, описуються з допомогою метаданих.
Таким чином, сенсорні мережі ZigBee мають деревовидну топологію і використовують ієрархічну структуру вибору маршруту. Таким чином, стандарт ZigBee підтримує мережу з кластерною архітектурою. Кластер утворюють маршрутизатор ZigBee і кінцеві моти у котрих збирається і накопичується інформація. Маршрутизатори кластерів ретранслюють дані друг другу і потім вони досягають координатора ZigBee.
Передавання даних в таких мережах відбувається за алгоритмом CSMA/CA з синхронізацією доступу. Рекомендовані періоди послідовності сигналів маяків ВІ наведено у табл. 1.3.
Таблиця 1.3 – рекомендовані періоди послідовності сигналів маяків ВІ
Швидкість передавання даних, Кбіт/с |
Період слідування послідовності сигналу ВІ |
|
ВІmin , с |
ВІmax= ВІmin×214, с |
|
250 |
15,36 |
251,65824 |
40 |
24 |
393,216 |
20 |
48 |
768,432 |
Таку ситуацію в мережі можливо трактувати, як гомогенний (однорідний) розподіл потужності між усіма мережними пристроями.
Стек протоколов ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee
Впровадження технології ZigBee, порівняно з іншими, обумовлено наявністю розвинутого програмного та апаратного забезпечення цих мереж, а також тим, що в роботах по їх подальшому розвитку приймає участь великої кількості промислових компаній і корпорацій в різних державах світу. Так, компанія по маркетинговому дослідженню ринку Harbor Research вважає, що в 2009 році обсяг продажу без провідних датчиків буде сягати більш ніж 1 млрд. долл.
Існують досить типові топології і призначення мереж, для котрих альянсом ZigBee розроблено і пропонуються для впровадження профілі сенсорів і закінчених мережних вузлів, котрі розробник мережі може лише встановити і які не потребують налагодження. Для таких ситуацій альянсом ZigBee розроблено кілька профілів для медичних установ, управління обладнанням тощо.
Мережі ZigBee також можуть використовувати топологію Mesh, яка принципово орієнтована на асинхронну передачу даних (Not Beacon-enabled PAN). В таких мережах доставка повідомлення відбувається в результаті сумісної роботи багатьох рівних в правах маршрутизаторів без централізованого координування їх роботи з боку спеціально виділеного пристрою. Така мережа постійно контролює свій стан і адаптується до обставин, які виникають в мережі. Кожен вузол постійно слідкує за сусідами, постійно поновлюючи таблиці маршрутизації, в результаті оцінки потужностей сигналів, які вони випромінюють.