Протокол ZigBee беспроводной передачи данных
Автор: Ковалва А.А., Ковалв Д.А., Дроздов А.В., Ковалв М.А.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 5-1 (20), 2018 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматриваются технические и практические особенности протокола беспроводной передачи данных ZigBee. Подробно рассказывается об устройстве сети, построенной на данном стандарте, области его применения, достоинства и недостатки. Для большей наглядности приведена сравнительная характеристика с другими популярными протоколами, такими как Wi-Fi и Bluetooth. Также, в статье рассматриваются конкретные примеры устройств на базе этого протокола с их реальной рыночной стоимостью.
Протокол, сети, беспроводной, маршрутизация, умный дом
Короткий адрес: https://sciup.org/170185171
IDR: 170185171
Текст научной статьи Протокол ZigBee беспроводной передачи данных
В наши дни беспроводные технологии развиваются все быстрее. Однако, перед разработчиками встал вопрос не только о повышении компактности таких устройств, но и об их автономности и удобстве подключения. Существующие протоколы беспроводной передачи данных, такие как Wi-Fi, GSM или Bluetooth, оказались неподходящими для использования в случаях, где в условиях длительной работы не требовалась высокая скорость передачи данных. Это привело к созданию четвертой целевой группы стандарта IEEE 802.15, на основе которого был разработан протокол ZigBee.
ZigBee – это протокол верхнего уровня, ратифицированный компанией ZigBee Alliance в 2004 году и основанный на стандарте беспроводной передачи данных IEEE 802.15.4 [1]. На текущий момент существуют разные версии протокола, называющиеся одноименно с годом их создания. ZigBee 2004 - первая спецификация с базовым функционалом, выпущенная в 2004 году. Спустя два года, была разработана вторая версия - ZigBee 2006. В отличие от ZigBee 2004, в ней была заменена структура MSG/KVP, использующаяся вместе с “библиотекой кластеров”.
Самое крупное обновление протокол получил в 2007 году. Он был разделен на два профиля стека: ZigBee 2007 и
ZigBee Pro. Первый из них идеально подходит для создания простых сетей в пределах дома или малых коммерческих предприятий и занимает меньше оперативной и flash-памяти. Второй имеет расширенный набор функций, таких, как широковещание, симметричное шифрование пакетов и маршрутизация “many-to-one” (“многие к одному”). На данный момент устройств на базе ZigBee 2004 почти не осталось, и в большинстве систем используется ZigBee 2007.
В 2009 году было выпущено ответвление ZigBee RF4CE (англ. “Radio Frequency for Consumer Electronics” – “Радиочастоты для бытовой электроники”). Устройства, поддерживающие данную модификацию протокола, обмениваются информацией по радиоканалу, а не через ИК-диапазон, как в оригинальных версиях. Это даёт возможность управлять устройствами вне зоны прямой видимости, повышая надёжность и гибкость сетей. Также, в 2013 году появилось еще одна разновидность протокола – ZigBee IP [2]. Эта технология обеспечивает подключение устройств, использующих протокол IPv6, к интернету, что позволяет контролировать работу системы удалённо.
Основная особенность устройств, использующих ZigBee, – низкое энергопотребление. Сеть устроена таким образом, что основная часть информации передаётся с помощью маршрутизаторов, и конечные устройства, подключенные к ним, большую часть времени проводят в “спящем” режиме, экономя энергию. Таким образом, устройство, работающее на протоколе ZigBee, может работать два года на одной батарейке АА или даже ААА-класса.
Связь в сети ZigBee осуществляется посредством передачи пакетов данных между подключенными к сети устройствами, которые бывают трёх видов:
-
1. координатор (ZC);
-
2. маршрутизатор (ZR);
-
3. конечное устройство (ZED).
Координатор инициализирует сеть и управляет её процессами: задаёт и хранит ключи безопасности устройств, устанавливает политику безопасности своей сети и соединяется с другими сетями. Координатор в каждой сети ZigBee может быть только один.
Маршрутизатор – это устройство, занимающееся динамической передачей пакетов данных по сети. Его можно подключать к другим маршрутизаторам или координатору в сети, а к нему – другие маршрутизаторы или дочерние устройства. Маршрутизаторы имеют стационарное питание и могут обслу- живать до 32 дочерних конечных устройств одновременно, включая “спящие”.
Конечное устройство – элемент системы, работающий от автономного источника питания и выполняющий назначенную функцию посредством датчиков или исполнительных механизмов. Конечное устройство подключается к маршрутизатору или координатору и не имеет дочерних устройств, может отправлять и принимать пакеты данных, но исключительно через маршрутизатор или координатор. С другими конечными устройствами осуществлять обмен информации напрямую не может, из-за чего большую часть времени проводит в “спящем” состоянии для экономии заряда.
В отличие от технологий Wi-Fi и Bluetooth, сеть ZigBee имеет ячеистую топологию. Это даёт возможность подключать маршрутизаторы друг к другу, чтобы повысить надёжность системы [3]. В случае непредвиденного отказа какого-либо маршрутизатора, пакеты данных автоматически перенаправляются через другие доступные маршрутизаторы, сохраняя целостность информационного потока. Схема возможного варианта сети ZigBee представлена на рисунке.

Рисунок 1. Схема маршрутизации в одной из возможных сетей ZigBee
Стандарт IEEE 802.15.4 допускает возможность использования нескольких частотных диапазонов для организации каналов обмена данными. В диапазоне
-
2,4-2,48 ГГц скорость передачи является наибольшей, а также обеспечивается наилучшая устойчивость к помехам. Для этих частот организуется 16 кана-
- лов по 5 МГц [4]. Заявленная скорость, включая передачу служебной информации, равна 250 кбит/с, однако, в среднем, скорость передачи полезных данных не превышает 40 кбит/с, поскольку эта величина напрямую зависит от загрузки сети и числа изменений маршрутов передачи пакетов.
Протокол ZigBee выделяет под адрес устройства 16 бит информации [5], что позволяет одному координатору контролировать до 65536 устройств [6]. Также, координаторы способны передавать информацию друг другу. Это даёт возможность использовать одновремен- но несколько сетей в рамках одной системы. Так, в отеле “Aria” (Лас-Вегас, США) без каких-либо технических проблем установлено порядка 75000 устройств, использующих ZigBee.
В таблице приведена сравнительная характеристика технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee по основным характеристикам: скорость передачи данных, время автономной работы, дальность связи, максимальное количество узлов в сети, ширина частотного диапазона, поддержка IP-адресации и вид топологии.
Таблица 1. Сравнительная характеристика беспроводных технологий
Технология |
Wi-Fi |
Bluetooth |
ZigBee |
Стандарт связи |
IEEE 802.11 |
IEEE 802.15.1 |
IEEE 802.15.4 |
Скорость передачи данных |
300+ Мбит/с |
до 3 Мбит/с |
250 Кбит/с |
Время работы батареи (дней) |
1-5 |
1-7 |
100-1000+ |
Дальность связи, м |
1-100 |
1-10 |
1-100 |
Максимальное количество узлов в сети |
32 |
7 |
264 |
Частотный диапазон, ГГц |
2.4 |
2.4 |
2.4 |
Поддержка IP |
+ |
- |
- |
Топология |
“звезда” |
“звезда” |
ячеистая |
Как и у любого протокола, у ZigBee также имеются свои недостатки. Из-за крупных обновлений в 2006 и 2007 годах появились проблемы с совместимостью устройств с разными версиями протоколов [7]. В частности, данная проблема возникает при связывании устройств ZigBee 2006-2007 с устройствами ZigBee Pro. Устройства, поддерживающие одну из версий протокола, могут корректно работать с другими устройствами в сети другой версии протокола только в том случае, если являются конечными (ZED). Это связано с различиями в принципах маршрутизации.
Кроме этого, устройствам, работающим на ZigBee, в обязательном порядке должен быть присвоен один из стандартных профилей назначения:
-
- Industrial Plant Monitoring – мониторинг предприятия;
-
- Home Automation – автоматизация жилых помещений;
-
- Commercial Building Automation – автоматизация коммерческих помещений;
-
- Telecom Applications – телекоммуникация;
-
- Personal Home & Hospital Care – амбулаторное или стационарное лечение;
-
- Advanced Metering Initiative – дополнительные измерения.
Профили необходимы для обеспечения совместимости устройств от разных производителей без дополнительной настройки. Если профили устройств не совпадают, то работать друг с другом они не смогут. Однако, как показывает практика, даже совпадение профилей устройств не гарантирует абсолютной совместимости, поскольку чипы с поддержкой ZigBee выпускаются несколькими разными компаниями, которые могут назначать спецификации профилей по-своему или оптимизировать работу протокола самостоятельно [8].
Благодаря низкому энергопотреблению и высокой отказоустойчивости устройств на базе протокола ZigBee, сфера их применения включает в себя различные системы автоматизации помещений, промышленного мониторинга и управления; оборудование медицинских учреждений; бытовую электронику. Такие системы обходятся значи- тельно дешевле из-за простоты изготовления устройств. Например, цена лампочки IKEA Tradfri для ZigBee-сетей составляет составляет около 700 рублей, в то время как умная лампочка TP-Link LB110, управляемая с помощью
Wi-Fi-подключения, стоит порядка 2100 рублей. Наиболее широко ZigBee применяется в системах “умного дома”. Крупные компании, такие как Xiaomi, LG, Phillips, IKEA, Samsung, Logitech и другие, уже запустили фирменные серии устройств для автоматизации как жилых, так и промышленных помещений. Также, с недавнего времени была добавлена интеграция с голосовыми помощниками Google Assistant, Amazon Alexa и Apple Siri с помощью специального смарт хаба (Smart Hub) или шлюза (Gateway).
Протокол ZigBee является достаточно гибким и обладает большим набором возможностей для организации локальных беспроводных сетей. Простота настройки, безопасность, надежность, низкая энергопотребляемость и стоимость комплектующих делают его од- ним из самых популярных протоколов для создания устройств автоматизации помещений. Однако, из-за проблем совместимости необходимо полностью изучать особенности работы устройств с другими устройствами.
Список литературы Протокол ZigBee беспроводной передачи данных
- ZigBee - протокол передачи данных [Электронный ресурс] URL: https://xiaomi-smarthome.ru/zigbee/ (дата обращения: 30.04.18).
- ZigBee IP and 920IP [Электронный ресурс] URL: http://www.zigbee.org/zigbee-for-developers/network-specifications/zigbeeip/ (дата обращения: 30.04.18)
- Вахрушева М.Ю., Евдокимов И.В. Разработка программного обеспечения аналитических информационных систем // Труды Братского государственного университета. Серия: Экономика и управление. 2014. Т. 1. № 1. С. 196-199.
- Скуснов Александр. ZigBee: обзор беспроводной технологии // Компоненты и Технологии. - 2005. - №47. - C. 176-179.
- Евдокимов И.В. Математическое и программное обеспечение идентификации нелинейных динамических объектов при использовании суммы гармонических сигналов: Автореф.. дис. канд. техн. наук. - Братск: БрГУ, 2006. - 17 с.
- Евдокимов И.В. Процедура идентификации как этап создания систем управления и принятия решений // Проблемы социально-экономического развития Сибири. 2012. № 4. С. 14-18.
- Евдокимов И.В., Красиков В.А., Мартынов Н.Е., Дёмин Г.А. Реестр рисков программного проекта // Качество. Инновации. Образование. 2017. № 6 (145). С. 65-71.
- Протокол ZigBee: беспроводные технологии на службе «умного» дома [Электронный ресурс] URL: https://www.ferra.ru/ru/digihome/review/SmartHome-ZigBee/ (дата обращения: 30.04.18).