Анализ протокола ZigBee
ZigBee – это открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления. Технология ZigBee позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.
В настоящее время технология ZigBee широко применяется на практике для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности.
Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.
Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.
Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5 ... 40 кбит/с.
Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.
Стандартизация
В протоколе ZigBeeстандартизованы следующие технические параметры [6]:
частота – 2,4 ГГц (в России);
скорость передачи – 250 кБит/с на один канал;
время выхода из спящего режима – не менее 1 мс;
энергопотребление в режиме передачи – от 10 до 30 мА.
Далее стандартизованы идентификаторы и типы адресов, используемые в ZigBee-сети:
IEEEадрес – уникальный адрес для всехZigBee-устройств, имеет размер 64 бита;
сетевой адрес – адрес, который идентифицирует устройство внутри сети, имеет размер 16 бит. Данный адрес выделяет координатор из списка незанятых адресов, сам координатор имеет адрес 0x0000;
идентификатор персональной сети (PANID,PersonalAreaNetworkIdentifier) – это 16-битный идентификатор сети, который присваивается вновь созданной сети координатором и передается всем устройствам подключённой к этой сети. Устройства, получившие данный идентификатор могут взаимодействовать только с устройствами имеющими такой же идентификатор;
расширенный PANID(EPID,ExtendedPANID) – 64-битный идентификатор, использующийся при первом подключении нового элемента сети или при переподключении потерявшего связь устройства.
Топология
В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология). В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.
В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.
Главное устройство в ZigBee-сети - это координатор. Координатор выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети.
Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно, они играют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств. Их количество диктуется потребностью конкретного приложения.
Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов.
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений (рисунок 8).
Рисунок 8 - Примеры топологий протокола ZigBee