| Zigbee | |
|---|---|
| Niveau (ifølge OSI-modellen ) | starter fra kanal (DLC) |
| Oprettet i | 2003 |
| Formål med protokollen | Trådløs kommunikation mellem enheder med lavt forbrug, med mulighed for at bygge en mesh netværkstopologi |
| Specifikation | IEEE 802.15.4 |
| Udvikler | Zigbee Alliance |
| Mediefiler på Wikimedia Commons | |
Zigbee er en specifikation af netværksprotokoller på topniveau - APS-applikationsniveauet ( applikationsstøtteunderlag ) og NWK-netværksniveauet - ved hjælp af tjenester på lavere niveau - MAC -medieadgangskontrollaget og det fysiske PHY -lag , reguleret af IEEE 802.15. 4 standard . Zigbee og IEEE 802.15.4 beskriver trådløse personlige netværk (WPAN'er). Zigbee-specifikationen er fokuseret på applikationer, der kræver garanteret sikker datatransmission ved relativt lave hastigheder og mulighed for langvarig drift af netværksenheder fra autonome strømkilder (batterier).
Hovedegenskaben ved Zigbee-teknologien er, at den med lavt strømforbrug ikke kun understøtter simple netværkstopologier (" punkt-til-punkt ", " træ " og " stjerne "), men også et selvorganiserende og selvhelbredende mesh (mesh) topologi med relæ og meddelelsesrouting. Derudover inkluderer Zigbee-specifikationen muligheden for at vælge en routingalgoritme afhængigt af applikationskrav og netværksforhold, en applikationsstandardiseringsmekanisme - applikationsprofiler, et standard klyngebibliotek, endepunkter, bindinger, en fleksibel sikkerhedsmekanisme og giver også nem implementering , vedligeholdelse og opgraderinger.
De vigtigste anvendelsesområder for Zigbee-teknologien er trådløse sensornetværk , hjemmeautomatisering ("Smart Home" og "Intelligent Building"), medicinsk udstyr, industrielle overvågnings- og kontrolsystemer samt forbrugerelektronik og "perifere enheder til personlig computer".
Evnen til selvorganisering og selvhelbredelse, mesh-topologi, sikkerhed, høj støjimmunitet, lavt strømforbrug og intet behov for frekvensopløsning gør Zigbee-netværket til et passende grundlag for en trådløs infrastruktur for realtidspositioneringssystem ( RTLS ).
Zigbee er en standard for et sæt kommunikationsprotokoller på højt niveau, der anvender små digitale transceivere med lav effekt baseret på IEEE 802.15.4-2006-standarden for trådløse personlige netværk, såsom trådløse hovedtelefoner forbundet til mobiltelefoner via kortbølgeradiobølger. Teknologien er defineret af Zigbee-specifikationen, designet med den hensigt at være enklere og billigere end andre personlige netværk såsom Bluetooth . Zigbee er designet til RF-applikationer, hvor lang batterilevetid og netværkssikkerhed er afgørende.
Zigbee Alliance er det organ, der håndhæver og udgiver Zigbee-standarderne [1] og udgiver også applikationsprofiler, hvilket giver OEM'er mulighed for at skabe interoperable produkter. Aktuel liste over applikationsprofiler offentliggjort eller i produktion:
Samarbejdet mellem IEEE 802.15.4 og Zigbee svarer til samarbejdet mellem IEEE 802.11 og Wi-Fi Alliance . Zigbee 1.0-specifikationen blev ratificeret den 14. december 2004 og er tilgængelig for medlemmer af Zigbee-alliancen. Den 30. oktober 2007 blev Zigbee 2007-specifikationen offentliggjort. Den første applikationsprofil, Zigbee "Home Automation", blev annonceret den 2. november 2007. Zigbee opererer på industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM-bånd) radiobånd: 868 MHz i Europa, 915 MHz i USA og Australien og 2,4 GHz i de fleste lande i verden (under de fleste jurisdiktioner i verden). Som regel er der til salg Zigbee-chips, som er kombinerede radio- og mikrocontrollere med Flash-hukommelsesstørrelser fra 60 K til 128 K fra producenter som Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 og ATmega128RFA1. Radiomodulet kan også bruges separat med enhver processor og mikrocontroller. Typisk tilbyder radioproducenter også en Zigbee-softwarestack, selvom andre uafhængige stakke er tilgængelige.
Fordi Zigbee kan vågne op (dvs. gå fra dvale til vågne) på 15 millisekunder eller mindre, kan enhedens reaktionsforsinkelse være meget lav, især sammenlignet med Bluetooth, hvor søvn-til-vågning-forsinkelsen typisk når tre sekunder. [2] Da Zigbee er i dvaletilstand det meste af tiden, kan strømforbruget være meget lavt, hvilket resulterer i lang batterilevetid.
Den første udgivelse af stakken er nu kendt som Zigbee 2004. Den anden udgivelse af stakken hedder Zigbee 2006, og erstatter grundlæggende MSG/KVP-rammeværket brugt i Zigbee 2004 sammen med "klyngebiblioteket". 2004-stakken er nu mere eller mindre forældet. Zigbee 2007-implementeringen er i øjeblikket aktuel og indeholder to stackprofiler, Stack Profile #1 (som blot kaldes Zigbee) til hjemmebrug og små virksomheder, og Stack Profile #2 (som kaldes Zigbee Pro). Zigbee Pro tilbyder flere funktioner såsom broadcast, mange-til-en-routing og stærk symmetrisk nøglesikkerhed (SKKE), mens Zigbee (Stack Profile #1) optager mindre RAM og Flash-plads. Begge profiler giver dig mulighed for at implementere et komplet mesh-netværk og arbejde med alle Zigbee-applikationsprofiler.
Zigbee 2007 er fuldt ud kompatibel med Zigbee 2006-enheder. En Zigbee 2007-enhed kan oprette forbindelse til og arbejde med et Zigbee 2006-netværk og omvendt. På grund af forskelle i routingmuligheder kan Zigbee Pro-enheder kun være Zigbee 2006-netværksslutenheder (ZED'er), og omvendt kan Zigbee 2006- og Zigbee 2007-enheder kun være slutenheder i et Zigbee Pro-netværk. Samtidig fungerer applikationer, der kører på enheder, det samme, uanset implementeringen af stackprofilen.
Zigbee-protokoller er designet til brug i indlejrede applikationer, der kræver lave datahastigheder og lavt strømforbrug. Formålet med Zigbee-teknologien er at skabe et billigt selvorganiserende netværk med en mesh-topologi designet til at løse en lang række problemer. Netværket kan bruges til industriel kontrol, indlejrede sensorer, medicinsk dataindsamling, indbruds- eller røgalarm, bygnings- og hjemmeautomatisering osv. Det resulterende netværk bruger meget lidt strøm - individuelle enheder, ifølge Zigbee-certificering, tillader energibatterier at arbejde to gange år [3] .
Typiske anvendelsesområder [4] :
Der er tre forskellige typer Zigbee-enheder.
Protokollerne er baseret på den nyudviklede algoritme AODV (Dynamic Routing Protocol for Ad-hoc Mobile Networks (MANET) og andre trådløse netværk) og NeuRFon, designet til at danne ad-hoc netværk (decentraliseret trådløst netværk dannet af tilfældige abonnenter) eller noder. I de fleste tilfælde er netværket en klynge af klynger. Det kan også tage form af et netværk eller en solitær klynge.
I øjeblikket understøtter Zigbee-protokollen netværk med eller uden tilstedeværelsesmeddelelse (beacons). I netværk med beacons deaktiveret (hvor rækkefølgen af beacons er 15), bruges Carrier Sense Multiple Access med Collision Avoidance ( CSMA/CA ). I denne type netværk holder Zigbee-routere normalt deres modtagere tændt hele tiden, hvilket kræver ekstra strøm. Dette tillader dog oprettelsen af heterogene netværk, hvor nogle enheder konstant modtager data, mens andre kun transmitterer data, når det er nødvendigt. Et typisk eksempel på et sådant netværk er trådløs lysstyring: en Zigbee-knude forbundet til en lampe kan modtage et signal hele tiden, fordi den (ligesom lampen) er tilsluttet lysnettet, mens den batteridrevne kontakt forbliver i dvaletilstand, indtil kontakten ændrede ikke tilstand. Når tilstanden ændres, går kontakten i aktiv tilstand, sender en kommando til lampen, venter på bekræftelse og vender tilbage til dvale. I sådanne netværk skal lampeknuden mindst være en Zigbee-router (ZR), hvis ikke en koordinator, en switch-node, normalt en Zigbee-endeenhed (ZED).
I beacon-netværk sender specielle netværksknuder, Zigbee-routere, periodiske beacons for at bekræfte deres tilstedeværelse på andre netværksknuder. Noderne kan være i hviletilstand mellem beacons, hvilket reducerer deres driftscyklus og forlænger batteriets levetid. Beacon-intervaller kan variere fra 15,36 ms til 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s for 250 kbit/s, fra 24 ms til 24 ms * 2 14 = 393,216 s for 40 kbit/s til 48, * 48 ms = 48, ms s for 20 kbit/s. Den lave arbejdscyklus af operationer (signaler) sammen med lange beacon-intervaller kræver dog nøjagtig timing, hvilket kan være i konflikt med kravet om lave produktomkostninger.
Generelt reducerer Zigbee-protokoller tændingstiden for radiosendere og reducerer strømforbruget. I beacon-netværk skal noder kun være aktive, mens beaconen sender. I beaconless netværk er strømforbruget decideret asymmetrisk, med nogle enheder altid aktive, mens andre bruger det meste af deres tid i dvaletilstand. Zigbee-enheder skal være kompatible med IEEE 802.15.4-2003 trådløse personlige netværk (undtagen "energistyring"-profil 2.0). Standarden definerer de nederste lag af protokollen - det fysiske lag (PHY) og adgangskontroldelen (MAC) af linket til datalaget (DLL). Denne standard specificerer drift på 2,4 GHz (verdensomspændende ulicenseret frekvens), 915 MHz (Amerika) og 868 MHz (Europa) ISM-bånd. Ved 2,4 GHz er der 16 Zigbee kanaler, hver kanal kræver en 5MHz båndbredde. Grundfrekvensen for hver kanal kan beregnes som FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, hvor ch = 11, 12, ..., 26.
Radioerne bruger direkte spredt spektrum bredbåndsmodulation, som styres af bithastigheden i modulatoren. Binær faseskiftnøgle bruges på 868 og 915 MHz-båndene, og offset kvadraturfaseskiftnøgle, som transmitterer 2 bits pr. symbol, bruges på 2,4 GHz-båndet. I sin reneste form, når den transmitteres over luften, er datahastigheden 250 kbps for hver kanal i 2,4 GHz-båndet, 40 kbps for hver kanal i 915 MHz-båndet og 20 kbps for 868 MHz-båndet. Transmissionsafstanden er fra 10 til 75 meter og over 1500 meter for Zigbee pro, selvom den er meget afhængig af det enkelte udstyr. Radioens maksimale udgangseffekt er som udgangspunkt 0dBm (1mW).
Grundlæggende kanaladgangstilstand "bærefrekvenskontrol, multipel adgang / undgåelse af rammekollisioner" ( CSMA / CA - probabilistisk netværksprotokol for kanalniveauet (MAC). Det vil sige, at før knudepunkterne begynder at sende langs den menneskelige informationsudvekslingssti, tjekker de kort, at ingen af dem sender, før de starter det generelle arbejde. Der er tre bemærkelsesværdige undtagelser fra driften af CSMA. Beacons sendes inden for det angivne tidsinterval, og CSMA bruges ikke. Beskedbekræftelser bruger heller ikke CSMA. Endelig kan enheder i beacon-orienterede netværk, der har lave stealth i realtidskrav, også bruge garanterede tidsslots, som per definition ikke bruger CSMA.
Grundlagt i 2002 som en gruppe af virksomheder, der standardiserer, vedligeholder og udgiver ZigBee-standarder [5] [6] .
Zigbee-navnet er et registreret varemærke tilhørende denne gruppe og er ikke den eneste tekniske standard. Organisationen udgiver applikationsprofilen, giver mange producenter af originaludstyr (OEM'er) mulighed for at skabe kompatible produkter. Forholdet mellem IEEE 802.15.4-standarden og Zigbee [7] svarer til forholdet mellem IEEE 802.11-standarden og Wi-Fi Alliance .
Den 3. marts 2009 indvilligede RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) i at samarbejde med Zigbee Alliance om i fællesskab at distribuere en standardiseret specifikation for RF-fjernbetjening. Zigbee RF4CE er designet til udbredt brug i fjernstyrede lyd- og videoprodukter såsom fjernsyn og set-top-bokse. Dette lover mange fordele i forhold til eksisterende fjernstyringsløsninger, herunder øget kommunikation, øget driftssikkerhed, øget kapacitet og fleksibilitet, kompatibilitet og undgåelse af synslinjebarrieren [8] .
Softwaren er designet til at forenkle processen med at bygge små, billige mikroprocessorer. Radiodesignerne, der bruges i Zigbee, er omhyggeligt optimeret for at opnå en lav pris blandt det store antal produkter i denne linje. Der er flere analoge trin, hvor der eventuelt anvendes digitale kredsløb.
Mens selve radiosenderne er billige, inkluderer Zigbee-kvalificeringsprocessen en komplet kontrol af fysiske lagkrav. En sådan detaljeret finjustering af fysiske lag har adskillige fordele, eftersom alle radiomoduler afledt af dette sæt af halvlederelementer vil have de samme RF-karakteristika. På den anden side, hvis det fysiske lag ikke er certificeret, kan forkert betjening reducere batterilevetiden i andre enheder, der er inkluderet i Zigbee-netværket. Hvor andre protokoller kan skjule dårlig følsomhed eller andre skjulte problemer, hvilket resulterer i forvrænget reduceret respons, har Zigbee-radioer alvorlige tekniske begrænsninger med hensyn til både strømforsyning og båndbredde. Radioer testes således af certificerede laboratorier med retningslinjerne i paragraf 6 i 802.15.4-2006-standarden. Der findes løsninger, der kombinerer en mikrocontroller og en radiosender i én pakke, for eksempel mikrocontrollere af STM32W-serien fra STMicroelectronics .
Zigbee-specifikationen er tilgængelig for offentligheden under ikke-kommerciel brug [9] . Zigbee-alliancens indgangsniveau for medlemskab, kaldet Adopter, giver adgang til endnu ikke-publicerede specifikationer og autoriserer oprettelsen af produkter til kommerciel brug af specifikationen. Registrering i løbet af brugen af Zigbee-specifikationen kræver, at den kommercielle udvikler tilslutter sig Zigbee-alliancen. "Ingen del af denne specifikation må bruges til at fremstille produkter eller sælge uden medlemskab af Zigbee-alliancen." Der er årlige gebyrkonflikter med GNU General Public License . I henhold til paragraf 2-b: "Du skal være sikker på, at ethvert værk, du distribuerer eller udgiver, hvis hele eller en del af værket indeholder programmet eller er afledt af programmet eller en del af det, skal alt det arbejde have licens i sin helhed uden overførsel til tredjepart i henhold til vilkårene i denne licens. Da GPL-licensen ikke skelner mellem kommerciel og ikke-kommerciel brug, er det ikke muligt at licensere Zigbee-stakken under GPL eller kombinere Zigbee-udførelse med den GPL-licenserede kode. Kravet om at en udvikler skal tilslutte sig Zigbee-alliancen er også i konflikt med andre gratis softwarelicenser [10] .
Brugen af Zigbee-netværk i Den Russiske Føderation i frekvensområdet 2400-2483,5 MHz kræver ikke indhentning af frekvenstilladelser og yderligere godkendelser [11] (Afgørelse fra statskomitéen for radiofrekvenser under Ruslands informations- og kommunikationsministerium dateret 07.05 . .2007 nr. 07-20-03-001), afgørelser fra Statens Udvalg for Radiofrekvenser ajourføres løbende, afgørelsen af 07.05.2007 nr. 07-20-03-001 har længe undergået flere ændringer, men betydningen består. tæt på det samme [12] .
Mærkets navn kommer fra honningbiernes adfærd , efter at de vender tilbage til bikuben.
| Trådløse sensornetværk | |
|---|---|
| Operativsystemer | |
| Industristandarder |
|
| Programmeringssprog | |
| Hardware |
|
| Software | |
| Ansøgninger |
|
| Protokoller | |
| Konferencer / Magasiner |
|
| hjemmeautomatisering | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Styring | |||||||||
| Sensorer | |||||||||
| Optrædende |
| ||||||||
| Ansøgninger |
| ||||||||
| Protokoller | |||||||||
| Ambient Intelligence | |
|---|---|
| Begreber |
|
| Teknologi |
|
| Platforme | |
| Ansøgning |
|
| De første opdagelsesrejsende |
|
| se også |
|