4. Современные реализации сетей на основе технологии ZigBee Ведущие производители оборудования ZigBee

На сегодняшний день трансиверы стандарта 802.15.4 выпускают производители: Freescale, Chipcon, Ember, Jennie, UBEC, OKI (CompX). Все трансиверы работают в общем диапазоне частот от 2400 до 2483 МГц, имеют 16 каналов передачи с шагом 5 МГц, обеспечивают скорость в радиоканале 250 кБит/сек и используют расширение спектра кодовой последовательностью. Трансивер 86RF210 от Atmel и ZMD44101 от ZMD Group работают только в диапазоне 868/915 МГц.

Freescale и Chipcon – безусловные лидеры в производстве приемопередатчиков стандарта 802.15.4. Они регулярно объявляют о новых разработках в этой области. Chipcon уже успел продать более 1 млн. своих чипов.

Компания Ember лицензировала свой чип ЕМ2420 у компании Chipcon. Ember ориентирован на продажу своих чипов ОЕМ-производителям аппаратуры в совокупности со своими программными наработками — стеками EmberNet, EmberZNet, EmbcrZNet v2. Одна из первых реально работающих сетей 802.15.4 развернута в Корее – это система сбора показаний бытовых счетчиков электроэнергии. В данной сети из 250 узлов используются чипы и стек от Ember.

Jennie позиционирует себя как первого производителя интегрированного ZigBee чипа (трансивер и управляющий микроконтроллер в одном корпусе).

Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, объединяющие в себе радиомодули и микроконтроллеры с размером Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennie JN5148, Freescale MCI3213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1.

Информационно-измерительные системы [8]

Контроль параметров объектов (устройств) должна обеспечивать надежная измерительная система. Различные информационно-измери­тель­ные системы (ИИС) промышленной автоматики представляют собой законченные программно-аппаратные решения, значительно отличающиеся по своим параметрам и сферам применения. Основой их построения являются проводные шины, связывающие различные датчики и исполнительные механизмы. Внедрение беспроводных технологий на уровне промышленных сетей позволяет получить значительный экономический эффект от сокращения расходов на кабельное и вспомогательное оборудование, от уменьшения трудозатрат на монтаж оборудования, на прокладку самой кабельной сети.

Измерительная система – совокупность определенным образом соединенных между собой средств измерений и других технических устройств, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое или автоматизированное получение данных об изменяющихся во времени и распределенных в пространстве физических величинах, характеризующих определенные свойства или состояния объекта измерений. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на информационные, контролирующие, управляющие и смешанные.

Информационно-измерительные системы выполняют следующие функции:

• получение исходной информации в результате взаимодействия первичных измерительных преобразователей (сенсоров) с объектом измерений;

• преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью;

• сопоставление информационных сигналов с размерами общепринятых единиц, оценку значений измеряемых величин.

Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особенности, определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным исполнением. В силу многообразия видов ИИС до настоящего времени не существует общепринятой классификации. Наиболее распространенной является классификация ИИС по функциональному назначению. В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля, технической диагностики, распознавания образов. По характеру взаимодействия с объектом исследования и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и пассивные. Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС различают системы без обратной связи и с обратной связью по воздействию.

Измерительные системы используются для различного рода комплексных исследований, в том числе научного характера. Цель создания таких систем заключается в получении максимального количества достоверной измерительной информации об объекте для составления алгоритмического описания его поведения.

Системы автоматического контроля предназначены для конт­роля технологических процессов, при этом характер поведения и параметры их известны. Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим состоянием объекта и установленной «нормой поведения» по известной математической модели. По результатам обработки полученной информации выдается суждение о состоянии объектов конт­роля. Таким образом, задачей САК является отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний, а не получение только количественной информации о нем, что характерно для ИС.

В системах технической диагностики выполняемые измерения составляют базу для логической процедуры диагноза. Цель диагностики – определение класса состояний, к которому принадлежит состояние обследуемого объекта. В СТД преимущественно применяются косвенные методы измерения и контроля. В отличие от ИС и САК системы технической диагностики имеет иную организацию элементов структуры и другой набор используемых во входных цепях устройств и преобразователей информации. В СТД определение состояния объекта осуществляется программными средствами диагностики.

Системы распознавания образов (СРО) предназначены для определения степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом. Эти системы осуществляют распознавание образов через количественное описание признаков, характеризующих объект исследования. Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработки и сравнения обработанного изображения с эталонным образом, находящимся в устройстве памяти. Распознавание осуществляется по определенному, заранее выбранному, решающему правилу.

Структурная схема ИИС включает в себя:

• первичные измерительные преобразователи, размещенные в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;

• аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);

• цифровые устройства, содержащие формирователи импульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируемые вычислительные устройства – микропроцессоры;

• цифровые устройства вывода, отображения и регистрации;

• интерфейсные устройства, содержащие системы шин, интерфейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служащие для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков;

• устройства управления.

Наиболее крупной структурной единицей ИИС является измерительный канал. Типовая структура канала включает в себя первичный измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь, АЦП, процессор, ЦАП. Информация от первичных преобразователей передается обычно при помощи электрических сигналов – тока, напряжения, частоты следования импульсов. Значительная часть современных комплексов строится на базе контроллеров, как правило, модульного исполнения, включающих в себя АЦП и ЦАП, процес­сор, модули дискретной информации, вспомогательные устройства [15].

Последние достижения в миниатюризации электронных устройств и интеграции датчиков предоставили возможность получить чувствительные элементы, оснащенные беспроводными средствами связи и памятью для хранения и обработки данных. На базе таких элементов создано интеллектуальное оборудование, в котором работа разрозненных датчиков может координироваться при создании системы мониторинга и контроля [8].

 

Беспроводные технологии в измерительных системах 

При выборе беспроводной технологии для построения микропроцессорной системы контроля и управления объектами необходимо учитывать:

• интенсивность обмена данными;

• возможность использования автономных источников электропитания большой емкости;

• топологию построения радиосети, необходимость обеспечения избыточности связей, а также возможности  самоорганизации сети для повышения ее надежности;

• большое количество оконечных устройств и датчиков.

В диапазоне 2.4 ГГц широкое распространение получили несколько технологий беспроводной передачи данных, основанных на семействах стандартов IEEE 802.11 и 802.15. В таблице 4.10 приведены основные характеристики популярных стандартов беспроводной связи [10].

Таблица 4.10 – Сравнение  стандартов IEEE 802.15 и 802.11

Технология	nanoNet	ZigBee	Bluetooth	Wi-Fi
Стандарт	802.15.4a	802.15.4	802.15.1	802.11b	802.11g	802.11n
Частота, ГГц	2.4	2.4	2.4	2.4		2.4 (5.0)
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с	8.00	0.25	3.00 (24.00)	11.00	54.00	600.00
Выходная мощность, дБм	0–20	0–20	0–20	20
Дальность, м	10–900	10–4000	1–100	10–5000
Размер стека, кБайт	>16	4-128	>250	>1000
Число устройств в сети	248	264	8	64

 

Технология Wi-Fi основана на стандарте IEEE 802.11. В ее основу положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных локальных вычислительных сетей (ЛВС). Сети Wi-Fi ориентированы на передачу относительно больших объемов информации – потоковое видео, аудио, голос. Технология позволяет иметь доступ к сети мобильных устройств, но имеет высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей.

Технология Bluetooth, основанная на стандарте IEEE 802.15.1, определяет функционирование компактных систем связи на небольших расстояниях между мобильными персональными компьютерами, мобильными телефонами и иными портативными устройствами. Bluetooth представляет собой недорогой радио-интерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающих передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Изначально дальность действия радио-интерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона – около 100 м. Bluetooth работает как многоточечный радиоканал, управляемый аналогично сотовой связи GSM.

Технология nanoNet, основанная на стандарте IEEE 802.15.4a, является частным решением для построения беспроводных сетей, разработанных компанией Nanotron Technologies. В приемопередатчиках применяется линейно-частотная модуляция, импульсы которой используются для передачи двоичных данных, их длительность фиксирована, а несущая частота может быть как нарастающей, так и спадающей. Ширина частотного канала, которая используется в приемопередатчиках, намного больше, чем та, которая используется в технологиях ZigBee и Bluetooth, и составляет 64 МГц. Это дает возможность работы на высоких скоростях и с повышенной надежностью передачи данных, даже если уровень помех превышает стандартные значения.

ZigBee – набор протоколов сетевого уровня, использующих маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4, рассмотренные подробно в [28, 29]. Технология нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность при достаточно невысоких скоростях передачи данных. ZigBee поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети ячеистой топологии с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Приведенные в таблице 4.10 стандарты Wi-Fi и Bluetooth подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данные, видео) с высокой скоростью. Все это позволяет заменить проводные соединения в таких системах, как компьютерные и развлекательные, а также в вычислительных сетях. Системы мониторинга и сбора информации обладают особой спецификой (небольшие объемы передаваемой информации, малое энергопотребление, простота установки и обслуживания, большое количество узлов сети, высокий уровень безопасности и т. д.), в результате в таких системах достаточно сложно эффективно использовать упомянутые технологии. Именно на реализацию подобных задач нацелен стандарт IEEE 802.15.4. Сети на основе технологий ZigBee и nanoNet могут включать распределенные сети с достаточно большим количеством устройств, а микроконтроллеры передатчиков иметь небольшие объемы памяти, дальность соизмерима с другими технологиями. Однако сети nanoNet являются частным решением в отличие от технологии ZigBee.

На дальность связи перечисленных технологий сильное влияние оказывает наличие внешних электромагнитных помех и препятствий при прохождении радиосигнала и т. д., поэтому для того, чтобы добиться указанных значений, производители используют антенны направленного действия и усилители выходной мощности, которые имеют значительное энергопотребление.

Из модулей основных производителей можно выделить решения от компаний Atmel и Digi. По радиочастотным характеристикам и параметрам электропитания наилучшие показатели имеют модули от Atmel, но у этой компании нет готовых адаптеров для подключения к ПЭВМ через широко распространенные интерфейсы (USB, COM) и специализированных комплектов разработчика. У компании Digi в линейке готовых технических средств имеются перечисленные устройства, поэтому в качестве радиомодулей ZigBee в разрабатываемой системе используются устройства от компании Digi серии «XBee Pro ZB» с внешней четвертьволновой антенной (рис. 5.1). Для подключения к ПЭВМ АРМ администратора сети передачи данных используются USB-адаптеры серии «XStick». Для передачи информации, собираемой в пределах сети ZigBee на большие расстояния, необходимо использовать другие технологии передачи данных. В рамках предприятия типовой универсальной сетью передачи данных является Ethernet. Межмашинное взаимодействие на больших расстояниях часто осуществляется с помощью передачи данных через сети сотовых операторов (технологии GSM, GPRS, EDGE). Для стыковки сети ZigBee с вышеперечисленными сетями требуются специальные устройства, которые называются межсетевыми шлюзами.

Для организации удаленного доступа к сети ZigBee через Ethernet компания Digi освоила выпуск семейства продуктов «ConnectPort X» – линейку IP-шлюзов, обеспечивающих бесшовную интеграцию беспроводных сетей ZigBee с сетями Wi-Fi, сотовыми сетями поколений 2G или 3G и трафика Ethernet для доступа к централизованным приложениям и базам данных.

Шлюзы «ConnectPort X» являются ключевым компонентом беспроводной технологии «Drop-in-Networking» (DIN). Устройства собирают и передают локальный трафик ZigBee централизованным приложениям и базам данных в IP-сети. В зависимости от типа шлюзы осуществляют трансляцию данных, используя соединения ZigBee-to-cellular (в сотовые сети), ZigBee-to-Wi-Fi или ZigBee-to-Ethernet. Все шлюзы поддерживают «Python» – свободно распространяемый язык программирования с откры­тым кодом и библиотеками, который можно использовать для настройки и автоматизации задач, выполняемых шлюзом в точном соответствии с уникальными потребностями системы контроля и управления.

В сети DIN также могут входить различного рода устройства, которые были разработаны независимыми производителями для специфических приложений. Таким образом, на базе DIN можно создавать распределенные сети датчиков для мониторинга параметров электропитания, температуры, влажности, давления вибрации и т. д. Полностью беспроводная технология DIN открывает пути к реализации трудноосуществимых проектов, где сложная кабельная структура создавала ряд объективных препятствий.