Специально для решения таких задач была создана беспроводная технология ZigBee, о которой мы и начнем разговор.
Сетевые технологии для беспроводной связи
Существует большое количество беспроводных технологий, каждая из которых имеет свои особенности. В таблице ниже рассмотрены беспроводные протоколы связи для частоты 2,4 ГГц.
Сравнительная таблица популярных беспроводных технологий
- Технология Wi-Fi Технология Wi-Fi создавалась в качестве замены проводного интерфейса Ethernet. Поэтому эта технология предлагает большие скорости передачи данных, но не позволяет разрабатывать узлы, работающие длительное время от источников питания малой емкости ввиду большого энергопотребления.
- Технология Bluetooth Технология Bluetooth с появлением стандарта 4.0 (Bluetooth Smart или Bluetooth Low Energy) стала гораздо привлекательней для разработчиков носимой электроники, так как энергопотребление по сравнению с предыдущими версиями сократилось в разы[1]. Но если стоит задача построения беспроводной малопотребляющей системы, которая будет охватывать несколько комнат или даже зданий, эта технология не подойдет, так как поддерживается только сетевая топология «звезда». Это же справедливо и для Wi-Fi.
- Технология ZigBee и Thread Технологии ZigBee и Thread изначально разрабатывались для создания надежных распределенных сетей датчиков и управляющих устройств с невысокими скоростями передачи данных. В этих технологиях реализована поддержка сетевой топологии «mesh», спящих и мобильных узлов, а также узлов, которые обеспечивают работу алгоритмов ретрансляции и самовосстановления. В таблице указана скорость 250 кбит/с — это максимальная пропускная способность сети. Полезная скорость будет порядка 30-40 кбит/с в пределах соседних узлов и 5-25 кбит/с при использовании ретрансляции. Основное отличие технологии Thread от ZigBee, что в ней добавлена поддержка IP-протокола, что упрощает интеграцию сетей Thread с сетевыми приложениями. Об особенностях технологии Thread мы поговорим в другой раз.
Сравнение сетевых топологий
Про поддерживаемые сетевые топологии в предыдущей главе было сказано, но не было сказано про особенности. Рассмотрим такой пример: «Звезда» vs. «Mesh»
В сетях Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз. И если он выйдет из строя, то обмен данными станет невозможным. Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникла преграда на пути следования радиосигнала.
В сетях ZigBee и Thread надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов.
Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee-сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого-либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей.
Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.
Типовая структура сети ZigBee
Теперь остановимся на структуре самой сети ZigBee и типах устройств, которые в ней могут быть. Типовая структура сети ZigBee
Координатор — это узел, организовавший сеть. Именно он выбирает политику безопасности сети, разрешает или запрещает подключение к сети новых устройств, а также при наличии помех в радиоэфире инициирует процесс перевода всех устройств в сети на другой частотный канал.
Роутер — это узел, который имеет стационарное питание и следовательно может постоянно участвовать в работе сети. Координатор также является роутером. На узлах этого типа лежит ответственность по маршрутизации сетевого трафика.
Роутеры постоянно поддерживают специальные таблицы маршрутизации, которые используются для прокладки оптимального маршрута и поиска нового, если вдруг какое-либо устройство вышло из строя. Например, роутерами в сети ZigBee могут быть умные розетки, блоки управления осветительными приборами или любое другое устройство, которое имеет подключение к сети электропитания.
Конечное устройство — это устройство, которое подключается к сети через родительский узел – роутер или координатор – и не участвует в маршрутизации трафика. Все общение с сетью для них ограничивается передачей пакетов на «родительский» узел либо считыванием поступивших данных с него же. «Родителем» для таких устройств может быть любой роутер или координатор.
Конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и отправляют управляющее или информационное сообщение обычно только по определенному событию (нажатие кнопки выключателя, открытие окна или двери). Это позволяет им долго сохранять энергию встроенного источника питания.
Примером конечных устройств в сетях ZigBee могут быть беспроводные выключатели, управляющие работой светильников и работающие от батареек, датчики протечки воды, датчики открытия/закрытия дверей. Стоит сказать, что конечные устройства делятся на 3 категории, каждая из которых имеет свои особенности, но о них в следующей части.
Так как конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и просыпаются лишь для опроса родительского узла на наличие сообщений для себя, либо для передачи данных, то это позволяет экономно расходовать энергию батареечного источника питания. Опытные измерения энергопотребления для спящего конечного устройства на базе модуля ETRX357, о котором чуть позже, в различных режимах работы:
Схема включения для измерения тока потребления
Передача зашифрованного пакета длинной 27 байт
Цикл передачи занимает 7,5 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 444,2 мкДж. Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности ~10.8 кДж.
Этой энергии хватит на отправку 24 миллионов таких запросов. Если спящий узел будет посылать такое сообщение раз в 10 секунд, то это будет 8640 запросов в сутки.
То есть теоретически, если не учитывать старение батарейки, её энергии хватит на ~2700 дней = 7 лет.
Опрос родительского узла
В этом режиме спящее устройство опрашивает свой родительский узел на предмет наличия входящего сообщения. Если его нет, то спящий узел переходит в режим энергосбережения.
Цикл передачи занимает 3,2 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 184 мкДж. Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности ~10.8 кДж.
Этой энергии хватит на отправку 60 миллионов таких запросов. Если спящий узел будет посылать такой запрос раз в 10 секунд, то это будет 8640 запросов в сутки.
То есть теоретически, если не учитывать старение батарейки, её энергии хватит на ~6940 дней = 19 лет.
Разработка стандартных ZigBee-устройств
«Отлично, – подумает читатель. – ещё один проприетарный протокол с поддержкой mesh-топологии. Этим уже никого не удивишь». Однако, альянсом ZigBee за все те годы, что существует технология ZigBee, была проведена большая работа по стандартизации не только сетевого уровня, но и уровня приложения разрабатываемых устройств[2].
Имеется большая библиотека кластеров ZigBee (ZCL), описывающая свыше 200 устройств, таких как выключатели, блоки управления освещением, интерфейс для подключения датчиков, счетчиков и многое другое[3]. И для некоторых типов систем (системы домашней автоматизации, системы сбора показаний со счетчиков и др.
) разработаны специальные профили, в которые входит целый набор стандартных устройств. Они позволяют беспроводным узлам различных производителей понимать друг друга на уровне приложения.
Стандартный профиль описывает стандартные команды и поведения конкретного устройства, например, блока управления системой климат-контроля или блока управления светильником.
За что отвечают различные уровни в сетевой модели OSI
Пример взаимодействия устройств со стандартным профилем
Пример того, как может быть реализована система управления освещением с использованием стандартной библиотеки кластеров. Подробности мы разберем в другой раз, а сейчас достаточно понять следующее:
- у лампочки есть набор хранимых атрибутов (состояние — включена/выключена; уровень яркости)
- выключатель может отправлять команды для изменения доступных атрибутов лампочки
- при получении команды, лампочка принимает указанное состояние
В библиотеке кластеров указывается, какие атрибуты и команды являются обязательными для тех или иных устройств, а какие опциональными. Это позволяет реализовать стандартный интерфейс взаимодействия между ZigBee-устройствами.
С чего начать?
Для быстрого старта, когда нет желания или возможности разбираться с программным стеком ZigBee, стоит обратить внимание на модули ETRX357.
Все модули имеют встроенную прошивку от производителя, которая позволяет работать с аналоговой и цифровой периферией, а также с сетевыми функциями, с помощью набора AT-команд.
Для начала работы с радиомодулем достаточно подключить линии питания и линии TxD и RxD последовательного интерфейса UART.
Пример AT-команд
| AT+PANSCAN | Запуск сканирования на наличие ZigBee-сетей |
| AT+EN | Создать сеть |
| AT+JN | Присоединиться к сети |
| AT+DASSL | Покинуть сеть |
| AT+DASSR | Запрос удаленному узлу на выход из сети |
| ATSXX? | Чтение содержимого регистра SXX |
В стандартную прошивку входит также ряд функций, которые могут вызываться по прерыванию от порта ввода/вывода, таймера/счетчика или при определенных событиях – подключение к сети или инициализация радиомодуля. Пример доступных функций:
- Переключение состояния порта ввода/вывода
- Отправка информации на узел сбора данных о состоянии 16 цифровых выводов радиомодуля, оцифрованных данных от подключенных датчиков и информацию об уровене напряжения питания
- Переход в активный режим или режим энергосбережения
- Открытие «прозрачного канала» с другим устройством в сети
Пару слов о «прозрачном канале». При переходе в данный режим вся информация, поступающая по интерфейсу UART на радиомодуль транслируется на интерфейс UART другого радиомодуля.
Данный канал является двунаправленным, а также наследует преимущества технологии ZigBee – при наличии роутеров в сети не будет происходить потери данных в таком канале связи так как все пакеты «прозрачного канала» будут в случае необходимости автоматически ретранслироваться.
За счет этого можно организовать канал связи с предельной дальностью в несколько километров.
Программная реализация стека ZigBee
Если стандартных возможностей прошивки не хватает, то можно использовать реализацию программного стека ZigBee от компании Silicon Labs – Ember ZNet PRO.
Так как модули выполнены на базе микросхемы EM357, то переход от стандартной прошивки к разработке собственного приложения потребует лишь приобретение программатора-отладчика ISA3 с помощью которого можно делать как внутрисхемную отладку устройства, так и отлаживать приложение на сетевом уровне. Справа на рисунке показан пример того, как отображаются данные о пути следования пакета и его расшифровка. Для упрощения процесса создания приложения предоставляется компоновщик приложений, который для выбранной конфигурации ZigBee-устройства генерирует каркас приложения и создает функции, в которых разработчик должен дописать требуемую логику приложения.
https://www.youtube.com/watch?v=uALZl53MF1A\u0026t=54s
Все утилиты входят в программный пакет Simplicity Studio, куда также входит демонстрационная версия стека Ember ZNet PRO. Поэтому можно прямо сейчас скачать и посмотреть как это работает.
Инструкция для начала работы с генератором приложений
- После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.
- Нас интересует пакет Wireless Products
- Выберите утилиту Application Builder
Далее выбираем фреймворк. Для ZigBee-приложений это будет ZCL Application Framework v2. Важно: необходимо установить галочку для отображения демонстрационных встроенных стеков.
Выбираем Internal Stack
После этого можно начать работать либо с пустым приложением, либо выбрать из списка готовых приложений какое-нибудь и изучить его структуру.
Инструкция для начала работы с анализатором сетевого трафика
- После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.
- Нас интересует пакет Wireless Products
- После этого можно зайти в утилиту Network Analyzer и выбрать любую доступную демонстрационную запись сетевой активности.
- Результат
Заключение
Надеюсь, что эта статья помогла понять основные особенности беспроводной технологии ZigBee и вы сможете прикинуть в каких приложениях можно её использовать. Сама технология является полностью открытой и все её спецификации доступны для скачивания с сайта альянса ZigBee.
А стандартная библиотека кластеров – это настоящий язык взаимодействия между устройствами, которые окружают нас каждый день: устройства домашней автоматизации, системы безопасности, сенсорное оборудование и многое другое.
Если у вас возникнут вопросы, присылайте их мне на почту или пишите в х.
P.S. Для тех, кто не смог осилить текст, есть возможность посмотреть вводные видео по технологии ZigBee.
Список статей
Консорциум RF4CE и альянс ZigBee объединяют усилия для разработки стандарта радиочастотного дистанционного управления
В настоящее время в бытовых пультах дистанционного управления используется технология инфракрасной связи. Стоимость компонентов для систем такого рода составляет обычно порядка 1 евро, и они характеризуются достаточно высокой надежностью.
Сегодня почти каждый телевизор комплектуется инфракрасным пультом управления, и ежегодно их реализуется свыше 200 млн шт. Тем не менее, этот подход не лишен недостатков.
Инфракрасная связь имеет ограничения по дальности действия, а возможность работы только в пределах видимости делает данную технологию бесполезной в условиях, когда оборудование нужно скрыть.
Очевидный вывод состоит в том, что производителям бытовой электроники необходимо отказаться от инфракрасной связи и найти какую-то альтернативную радиочастотную технологию беспроводной связи..
Это позволит не только решить проблему работы в пределах видимости, но и организовать двустороннюю связь (например, чтобы информация о композиции или программе отображалась на пульте), снизить энергопотребление системы и создать возможность для объединения различных устройств в сеть.
Чтобы осуществить успешный переход на радиочастотные технологии, необходимо установить четкий стандарт, который бы позволил снизить затраты и дал возможность использовать пульты дистанционного управления сторонних производителей. Это, в свою очередь, открыло бы путь для появления универсальных устройств управления, которые, учитывая все возрастающее количество бытовых электронных устройств в домах, очевидным образом облегчили бы жизнь пользователю.
Успешная технология для бытовых пультов дистанционного управления должна отвечать ряду требований.
Во-первых, это требования к стоимости системы: значительное повышение стоимости компонентов по сравнению с инфракрасной системой неприемлемо, даже если бы при этом расширялась функциональность.
Во-вторых, используемый диапазон радиочастотного спектра должен быть нелицензируемым, поскольку требования лицензирования опять-таки вынудили бы учитывать фактор затрат.
Используемый стандарт также должен обеспечивать низкое энергопотребление (чтобы не приходилось часто менять батареи), доказанную совместимость с другими радиочастотными изделиями и достаточный выбор микроконтроллеров беспроводной связи от широкого круга поставщиков для скорейшего вывода продукции на рынок и стимулирования здоровой конкуренции между поставщиками компонентов. На практике лишь немногие технологии соответствуют всем этим требованиям. Можно было бы создать новый стандарт с нуля, идеально подходящий для выбранной области применения, но это повлекло бы увеличение затрат и сроков выхода на рынок, что просто неприемлемо в сегменте бытовой электроники. Поэтому предприятиям отрасли необходимо выбрать лучший из уже имеющихся стандартов, на основе которого они могли бы разрабатывать собственную продукцию.
Стандарт Wi-Fi характеризуется широкой полосой пропускания, доказанной совместимостью и широким выбором компонентов на рынке для реализации, однако стоимость и энергопотребление оказываются непозволительно высоки для рассматриваемой области применения.
Еще одной «кандидатурой» мог бы стать стандарт Bluetooth, но ему свойственен целый ряд недостатков — в частности, сложность спаривания устройств и относительно высокое энергопотребление, при котором время работы от батарей ограничивалось бы несколькими днями.
Стандарт ULP Bluetooth (с пониженным энергопотреблением) недостаточно проработан, поэтому на рынке нет широкого круга поставщиков компонентов для реализации этого стандарта. Вдобавок ни один из этих двух вариантов Bluetooth не предусматривает возможности объединения устройств в сеть.
Именно поэтому разработчики сосредоточили свое внимание на стандарте IEEE802.15.4.
Стандарт IEEE802.15.
4, занимающий, подобно Wi-Fi и Bluetooth, нелицензируемый диапазон частот 2,4 ГГц, отвечает всем конструктивным требованиям к технологиям дистанционного управления и обладает значительными преимуществами по сравнению с инфракрасной связью, в том числе более широкой функциональностью и меньшим энергопотреблением (для передачи пакетов данных необходима в 50 раз меньшая мощность, чем при инфракрасной связи). Организация IEEE сделала стандарт 802.15.4 чрезвычайно гибким, определив только уровни 1 и 2 по OSI — PHY и MAC. Эти низкоуровневые определения задают базовые характеристики (дальность действия, полоса пропускания, энергопотребление) и, в конечном счете, определяют стоимость полупроводниковых компонентов. Такой подход позволяет работать с другими стандартами и протоколами на этой основе, обеспечивая возможность программной реализации стандартов, оптимизированных для конкретных областей применения, на базе аппаратного обеспечения массового выпуска.
Консорциум RF4CE был учрежден летом 2008 г.
крупными производителями телевизионной техники (Panasonic, Royal Philips Electronics, Samsung Electronics и Sony Corporation) с целью создать условия для удовлетворения растущего спроса на расширенную функциональность, не обеспечиваемую в настоящий момент инфракрасной связью (как уже было отмечено) и другими проприетарными технологиями беспроводной связи.
Гибкость стандарта IEEE802.15.4 позволила консорциуму быстро создать новый специализированный протокол для бытовых пультов дистанционного управления, который представляет собой нетребовательное к ресурсам и недорогое решение для обеспечения полной функциональной совместимости между устройствами.
RF4CE не предъявляет чрезмерных требований к микроконтроллеру, на котором работает стек протоколов, но при этом предусматривает возможность расширения функциональности в будущем.
Среди других особенностей RF4CE можно отметить поддержку защищенных транзакций, механизм энергосбережения и развитый механизм быстрой перестройки частоты (для обеспечения надежной совместимости с другим оборудованием, работающим параллельно в диапазоне 2,4 ГГц).
Стандарт предусматривает также простой и интуитивно понятный алгоритм спаривания для привязки пульта дистанционного управления к бытовому электронному устройству.
Поскольку в основе RF4CE лежит стандарт IEEE802.15.4, на рынке уже имеется широкий ассортимент решений, которые могут использовать инженеры при разработке бытовой электроники. Типичным образцом микроконтроллера беспроводной связи для этого стандарта является Jennic JN5139 (рис. 1).
Это устройство представляет собой законченную однокристальную систему, содержащую микроконтроллер, MAC, приемопередатчик и другие периферийные устройства, что минимизирует стоимость компонента.
Даже при столь высоком уровне интеграции устройство характеризуется чрезвычайно низким энергопотреблением и длительным временем работы от батарей.
Для бытового пульта дистанционного управления, который бульшую часть времени не используется, ключевой характеристикой является ток «глубокого сна», определяющий время работы от батарей. Устройство JN5139 позволяет снизить значение этого важнейшего параметра до 200 нА.
На рис. 2 приведена схема беспроводного пульта дистанционного управления на базе микроконтроллера JN5139. Стандарт IEEE802.15.4 позволяет использовать печатную антенну, что устраняет потребность в дорогостоящем устройстве и дает возможность создавать чрезвычайно компактные модули (например, подобные тому, который показан на рис. 3).
В начале марта 2009 г. альянс ZigBee и консорциум RF4CE достигли соглашения о разработке стандартизированной спецификации для радиочастотных пультов дистанционного управления.
Этот факт обещает коренным образом изменить положение дел в данной конкретной области применения и четко демонстрирует признание технологии RF4CE крупнейшими игроками рынка устройств беспроводной связи.
Тем самым создаются условия для более широкого распространения радиочастотных пультов дистанционного управления на базе стандарта IEEE802.15.4. Для RF4CE можно будет использовать результаты всех пройденных ZigBee испытаний на соответствие стандартам, не говоря уже о пристальном внимании, которое привлекает к себе эта спецификация.
Это приведет к появлению более быстродействующих и надежных механизмов управления, чем те, которые обеспечиваются сегодня морально устаревшими инфракрасными устройствами. Появится столь необходимая свобода управления устройствами на больших расстояниях и окончательно падет барьер пределов видимости.
Данные события являются также знаком того, что стандарт ZigBee, нашедший широкое применение в промышленном секторе за последние несколько лет, готов теперь к проникновению на рынок бытовой электроники.
Вероятно, сочетание сильных сторон ZigBee и RF4CE позволит осуществить крупномасштабный прорыв в сфере домашней автоматизации и бытовых локальных сетей.
Широкое признание гарантируется за счет участия крупных фирм-производителей полупроводниковых компонентов, включая Jennic.
Объединение усилий двух пользователей стандарта IEEE802.15.
4 в условиях, когда приверженцы многих других технологий беспроводной связи занимают традиционно сопернические позиции по отношению друг к другу, позволило предотвратить фрагментацию, обычно возникающую в стандартах беспроводной связи, и создать условия для громадной экономии за счет масштаба, необходимой для выхода на рынок бытовой электроники.
Новая спецификация ZigBee RF4CE, разработанная на базе уровней MAC/PHY стандарта радиочастотной связи IEEE802.15.4, предусматривает возможность эксплуатации по всему миру, низкое энергопотребление и чрезвычайно малое время отклика.
Кроме того, она обеспечит надежную всенаправленную двустороннюю беспроводную связь, быструю перестройку частоты для лучшей совместимости с другими беспроводными технологиями данного частотного диапазона, а также простоту реализации и настройки системы защиты. Для реализации уровней MAC/PHY стандарта 802.15.4 в ZigBee и RF4CE используются одни и те же микроконтроллеры.
Следствием этого «перекрестного опыления» будет наличие массово выпускаемых компонентов по конкурентоспособным ценам и широкий простор для дальнейшего расширения функциональности.
Технология инфракрасной связи верой и правдой служила в сфере бытовой электроники на протяжении многих лет. Теперь рядовые покупатели требуют все более широкой функциональности от пультов дистанционного управления и стремятся убрать с глаз долой многочисленные мультимедийные проигрыватели и другие устройства, загромождающие их дома.
Чтобы удовлетворить эти запросы, отрасль должна оперативно перейти на радиочастотную технологию дистанционного управления. В настоящей статье показано, что IEEE802.15.
4 не только является наилучшей технической основой для разработки стандарта радиочастотного дистанционного управления для бытовой электроники, но и может быть реализован с помощью уже имеющихся в продаже компонентов.
Сетевые стандарты беспроводных сетей с малым энергопотреблением
В статье рассматриваются стандарты беспроводных технологий Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee с точки зрения их пригодности для использования в сетях датчиков. Поскольку в силу ряда причин ни один из них полностью не годится для использования в беспроводных датчиковых сетях, предлагается частный стандарт для использования в подобных сетях.
Несмотря на активное развитие беспроводных технологий, организации, занимающиеся стандартизацией, и поставщики технологий пока не приняли мер, направленных на удовлетворение требований со стороны быстрорастущего числа решений и технологий.
Многие компании внесли свой вклад в общую неразбериху, не потрудившись определить возможности своих приложений.
https://www.youtube.com/watch?v=uALZl53MF1A\u0026t=192s
Конечным пользователям и системщикам стандартизация требуется по многим причинам, к которым относятся совместимость с действующими во всем мире правилами, способность к взаимодействию с другими брендами, возможность замены производителей, ценовая конкуренция и использование больших ресурсов данных.
Но существует и еще одно соображение. Разработка некоторых технологических компонентов обходится настолько дорого, что их рентабельно производить только большими объемами. Это, в свою очередь, означает, что необходимость в глобальном рынке становится первостепенной. Стандарты позволяют сделать продукцию узнаваемой и увеличить объемы ее продаж.
Базовая архитектура беспроводной сенсорной системы состоит из трех уровней (см. рис. 1).
Рис. 1. Базовая архитектура беспроводной сенсорной системы
Беспроводной трансивер преобразует цифровую информацию в электромагнитный сигнал, который транслируется передатчиком по беспроводной сети и восстанавливается на стороне приемника.
В беспроводных сетях предыдущего поколения трансмиттер работал только на передачу, а ресивер — на прием.
В настоящее время для повышения надежности и производительности системы сетевые устройства сочетают передающую и принимающую функции.
Сравнение технологий Wi-Fi, Bluetooth и IEEE 802.15.4
Опыт показывает, что в успешном продвижении технологии на глобальном рынке стандарты играют очень важную роль. Этот вывод справедлив и в отношении беспроводной интернет-технологии Wi-Fi, или IEEE 802.11 a/b/g/n/, a также Bluetooth, которая основана на стандарте IEEE 802.15.1.
Это утверждение распространяется и на сенсорные сети, работающие под управлением стандарта IEEE 802.15.4 (a/b) (Working Group for Wireless Personal Area — рабочая группа по беспроводным персональным сетям), который был принят в 2003 г.Эти технологии предназначены для разных приложений.
Wi-Fi была разработана в качестве альтернативы проводной связи Ethernet для ПК и используется в сетях с высокой скоростью передачи с топологией «звезда». Для достижения высоких скоростей в локальных сетях требуется достаточно большое энергопотребление, обычно получаемое от батарей ноутбуков.
Скорость передачи данных быстро падает по мере увеличения расстояния от базовой станции.Технология Bluetooth активно используется в мобильных телефонах — с ее помощью аппарат связывается с наушником, GPS-устройством и ноутбуком. Предусмотренная скорость в 1 Мбит/с вполне подходит для передачи голоса, но, по крайней мере, на порядок ниже скорости технологии Wi-Fi.
В свою очередь, энергопотребление ниже, в большинстве случаев источником питания является аккумулятор мобильного телефона. Диапазон связи Bluetooth также меньше, чем у Wi-Fi, т.к. обычно наушник, ноутбук и GPS-устройство находятся рядом с телефоном.
Параметры сетей датчиков совершенно другие, особенно это касается потребляемой мощности: во многих случаях датчики должны работать в течение ряда лет, питаясь от плоского круглого аккумулятора, солнечной батареи или от вибрационного микрогенератора. Эти источники питания не перезаряжаются, как батареи ноутбука или мобильного телефона.
К сетям датчиков предъявляются и другие специфические требования: надежность, диапазон связи, большое количество узлов, поддержка которых может потребоваться в изолированной сети, а также организация автоматической сети. В то же время допускаются относительно низкие скорости передачи, т.к. большинство датчиков генерирует небольшое количество данных, которые, к тому же, поступают в прерывистом режиме.
Для сенсорных трансиверов, пожалуй, единственным стандартом является спецификация IEEE 802.15.4. Ее первая версия была утверждена в 2003 г., а обновление последовало в 2006 г. Несколько поставщиков предлагает чипы-трансиверы с минимальными возможностями реализации этого стандарта.
Другие поставщики предлагают дополнительные устройства, применяемые в отдельных приложениях. Например, трансивер GP-2000 компании GreenPeak обладает функциями по снижению потребления, которые оптимизированы для работы в системах с питанием от плоских круглых аккумуляторов и безбатарейных системах. В табл.
1 представлены основные параметры стандарта IEEE 802.15.4 и проводится его сравнение с Bluetooth.
Табл. 1. Основные параметры стандарта IEEE 802.15.4
| Параметр | IEEE 802.15.4 | Bluetooth |
| Частота | 2,4 ГГц/868 МГц/915 МГц | 2,4 ГГц |
| Скорость передачи данных, Кбит/с | 20…250 | 1000 |
| Типичное среднее потребление, мкА | 1 | 5000 |
| Размер сети | До 65536 устройств | До 8 узлов |
| Радиус действия, м | 10…100 | 10…100 |
Были предприняты определенные усилия для того, чтобы использовать Bluetooth и Wi-Fi в сенсорных приложениях. В обоих случаях эти технологии применялись по сути с нарушением принципов IEEE 802.15.4. В настоящее время принято считать, что IEEE 802.15.4 является наилучшим решением для беспроводных датчиковых сетей.Не все поставщики технологий придерживаются этого стандарта.
Некоторые из них создали собственные трансиверы для того, чтобы уменьшить сложность системы и ее стоимость. Время покажет, смогут ли эти частные разработки достичь тех объемов продаж, которые действительно привели бы к снижению стоимости решения.
Более того, упрощение устройства обычно сопровождается снижением производительности, что в итоге ограничивает диапазон применения этих приложений.
Сетевой стек ПО формирует и поддерживает сеть. Стеки беспроводной сети, в частности, поддерживают беспроводное соединение между узлами, качество которого непрерывно меняется.
Например, в приложениях по автоматизации зданий следует учитывать, что перемещение людей между узлами сети может существенно повлиять на качество канала передачи данных.
Таким образом, сетевой стек должен учитывать возможность исчезновения каналов в любой момент, с тем чтобы своевременно изолировать узел или даже целую ветвь сети.
При появлении помех набор сетевого ПО должен изменить маршрут следования данных и установить новые каналы для непрерывной связи между всеми частями сети. Кроме того, стек следит за тем, чтобы связь была надежной и эффективной. В данном случае эффективность означает соответствие реализуемых значений задержки требуемому уровню, а также возможность избежать критических параметров при выборе маршрута.
https://www.youtube.com/watch?v=uALZl53MF1A\u0026t=278s
Диапазон требований к беспроводным сенсорным приложениям достаточно широк, поскольку существует необходимость в том, чтобы эта технология связи обладала гибкостью.
Одно только оборудование не в состоянии обеспечить такую гибкость — требуется программируемый стек, который позволил бы снизить вложенные инвестиции и получить достойную прибыль от более низких объемов продаж.
В настоящее время на рынке появляется ряд стандартных сетевых наборов ПО, над другими же ведется работа, причем все они создаются на основе спецификации IEEE 802.15.4 (см. рис. 2).
Рис. 2. Наиболее известные стандарты сетевого стека
Альянс ZigBee — независимая организация по поддержке и развитию стандарта, а также по обеспечению взаимной совместимости устройств в рамках IEEE 802.15.4. В нее входит большая группа поставщиков технологий и OEM-компаний. Например, в конце 2007 г. этому объединению удалось завершить работу над спецификацией для двух сетевых стеков: ZigBee и ZigBee PRO.
С точки зрения пользователя, стек ZigBee хорошо подходит для работы в домашних сетях, обычно объединяющих от десяти до нескольких сотен устройств. ZigBee PRO — расширенный набор ZigBee, который увеличивает функциональность сетей, например, позволяет их масштабировать и бороться с помехами.
Эти возможности делают ZigBee PRO пригодным для больших приложений, например, в сетях торговых зданий. В настоящее время такая функциональность требует большего объема памяти программы, что повышает стоимость и ограничивает применимость ZigBee PRO на многих потребительских рынках.
Благодаря постоянному снижению стоимости кремния можно прогнозировать, что большинство приложений перейдет на технологию ZigBee PRO, поскольку разница между стоимостью ZigBee и ZigBee PRO в скором времени станет незначительной. Альянс ZigBee в явной форме не отказывается от поддержки промышленных приложений.
Однако ряд больших компаний, занимающихся промышленной автоматизацией, определил необходимость в дополнительных возможностях, не указанных в списке первоочередных приоритетов ZigBee. К числу таких наиболее важных параметров относятся детерминированная задержка и детерминированная надежность.
Задержка — это время, необходимое для передачи сообщения от источника сигнала в пункт назначения. Если источником является программируемый контроллер, а пунктом назначения — компьютер, необходимо установить надежный контроль над временем задержки.
Именно поэтому стандарты, явно предназначенные для приложений промышленной автоматизации, используют характеристику спецификации IEEE 802.15.4 Guaranteed Time Slots (гарантированные временные интервалы), суть которой заключается в том, что задержка передачи сообщения известна заранее даже в наихудшем случае.
В настоящее время в ZigBee не используется эта характеристика. Функция детерминированной надежности позволяет установить гарантированный канал связи между двумя беспроводными устройствами. Главным препятствием в обеспечении надежности являются помехи от других устройств, работающих в том же частотном диапазоне. В случае с устройствами стандарта IEEE 802.15.4, работающими в полосе 2,4 ГГц, наиболее заметными источниками помех являются Wi-Fi-трансиверы.
Большинство источников помех не в состоянии полностью нарушить работу устройств IEEE 802.15.4, однако из-за их воздействия теряются некоторые пакеты, независимо от работы сетевого стека.
Чтобы снизить последствия этих потерь, беспроводные стандарты для промышленных приложений обеспечивают механизм равномерного распределения потерянных пакетов по времени.
Это позволяет сделать передачу данных более предсказуемой и надежной.
Стандарты ISA-100 и Wireless HART
ISA-100 и Wireless HART — два ведущих стандарта беспроводной промышленной автоматизации. ISA-100 — разработка общества ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society). Эта некоммерческая организация специализируется на промышленной автоматизации.
Появление стандартной спецификации ISA-100 ожидается в течение 2008–2009 гг. Wireless HART — не полный протокол для промышелнных сенсорных приложений, а дополнение к старому, но очень популярному промышленному (проводному) стандарту на шину.
По сути, Wireless HART является альтернативой протокола проводной передачи HART. Поскольку ISA-100 и Wireless HART решают практически одни и те же задачи, недавно появилась идея об их объединении.
Первая версия стандарта, вероятнее всего, не будет обеспечивать возможность взаимодействия между двумя системами, и потребуется сетевой мост — преобразователь. В следующей версии будет определен общий язык.
Расширенные промышленные стандарты (см. табл. 2) могут использоваться и в приложениях по автоматизации торговых зданий. В целом они усовершенствованны незначительно, но повышают стоимость, которая ограничивает возможность реализации многих домашних и коммерческих приложений.
Табл. 2. Некоторые характеристики стандартов для коммерческих и промышленных приложений
| Возможность | ZigBee | ZigBee PRO | ISA-100 | Wireless HART |
| Технология трансивера | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.4 |
| Поддержка маршрутизации беспроводной сети | Да | Да | Да | Да |
| Способность работать с очень крупными сетями | Нет | Да | Да | Да |
| Детерминированная задержка | Нет | Нет | Да | Да |
| Детерминированная надежность | Нет | Нет | Да | Да |
| Встроенные функции обеспечения безопасности | Да | Да | Да | Да |
Частные беспроводные технологии
Помимо стандартных беспроводных сенсорных технологий существуют разработки отдельных компаний. Частная спецификация, принадлежащая той или иной компании, не обязательно означает закрытость технологии, но указывает на то, что эта компания контролирует применение своего стандарта, стремясь стать монополистом.
Собственные стандарты зачастую создаются для работы с одним приложением или ограниченным рядом приложений. На практике эти технологии разрабатываются намного быстрее стандартных, т.к. отсутствует необходимость в ее утверждении другими компаниями.
Частные технологии могут также в чем-то превосходить стандартные для ограниченного числа приложений.
К числу наиболее заметных частных беспроводных технологий для сенсорных приложений относятся Z-Wave и Wavenis компаний Zensys и Cornis соответственно.
Z-Wave предназначена для применения в домашних приложениях — максимальное число поддерживаемых узлов составляет 237.
Этого количества хватает для организации домашней сети, но не достаточно для коммерческого применения, например, для гостиничных и офисных сетей. Компания Wavenis получила заказ на разработку устройств учета расхода ресурсов.
Даже в пределах установленных стандартов существует множество модификаций. Например, компания GreenPeak предлагает IEEE 802.15.4-совместимые трансиверы и стеки, обеспечивающие дополнительную функциональность для приложений с ультранизким потреблением.
Эта технология позволяет беспроводным системам получать питание от плоского круглого аккумулятора или из окружающей среды. GreenPeak также разработала маломощную технологию маршрутизации LPR (low power routing), у которой наверняка есть будущее.
В LPR-сети устройства, питающиеся от батареи, принимают сообщения от других устройств, расположенных поблизости, и направляют их далее по цепочке связи.
Сегодняшние стандарты обеспечивают такие функциональные возможности только для устройств, питающихся от электросетей — они находятся в непрерывной готовности и потребляют значительное количество электроэнергии. Напротив, технология LPR снижает потребление за счет механизма временной синхронизации, позволяющего устройствам выходить из состояния спячки и немедленно устанавливать связь.
Загрузка...
