Анализ рынка

Вид материалаАнализ

Содержание


Технология ZigBee
Спецификация стека ZigBee
Технические параметры сети ZigBee
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

Технология ZigBee


ZigBee – новая технология построения беспроводных сетей передачи данных. Сеть ZigBee работает в безлицензионном диапазоне 2,4 ГГц и ориентирована на передачу небольших объемов информации от множества источников, в том числе и с батарейным питанием. Область применения сетей ZigBee простирается от домашней автоматизации (управление светом, бытовыми приборами, аудио-видео техникой) до построения систем мониторинга крупных промышленных объектов (например, контроль температуры и вибрации моторов, сбор показаний датчиков расхода электроэнергии, воды и газа, опрос противопожарных и охранных датчиков). Технология ZigBee основана на двух независимых решениях:

Стандарт IEEE 802.15.4-2003 определяет физические параметры передатчика для построения сети передачи небольших объемов данных. Это диапазоны частот - 868 МГц, 915 МГц, 2,4 ГГц; число радиочастотных каналов 1-16; тип модуляции  - QPSK и BPSK. Сюда также относится и, так называемый, протокол доступа к среде (MAC- уровень), который описывает структуру радиочастотной посылки и определяет число адресуемых устройств. Здесь также описываются механизмы проверки и подтверждения целостности принятых данных, процедуры оценки качества канала и алгоритм предотвращения коллизий (ограничение на одновременную работу нескольких передатчиков). На основании стандарта IEEE 802.15.4 выпускаются микросхемы приемопередатчиков, которые могут и успешно применяются в системах передачи данных, не имеющих никакого отношения к технологии ZigBee.

Спецификация стека ZigBee определяет, какими свойствами должны обладать устройства, из которых строится сеть, каким образом пакет информации передается от одного узла сети к другому, как новое устройство подключается к сети и кто в сети является главным, а кто подчиненным. Спецификация стека ZigBee не является программой, это только свод правил, на основании которого необходимо разрабатывать программу для конкретного микроконтроллера. Для организации физической связи при построении сетей  ZigBee используются микросхемы приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4.

Таким образом,  ZigBee является некоторой программной надстройкой, опирающейся на стандарт 802.15.4, который определяет диапазон частот и формат радиосигналов.

ZigBee сегодня единственная технология беспроводной передачи данных, которую поддерживает большое количество компаний. Это тщательно продуманный стандарт, который создавался из учета реальных потребностей жизни. Для построения сети ZigBee  не нужно прибегать к услугам высокооплачиваемых интеграторов, достаточно достать устройство из коробки и нажать пару кнопок. Преимущества стандартизации очевидны – множество поставщиков  однотипных готовых устройств порождают конкуренцию, которая неизбежно ведет к снижению цен. По прогнозам аналитиков, объем рынка ZigBee составит порядка 100 миллионов работающих устройств к 2008 году.

Технические параметры сети ZigBee


Сеть ZigBee может строиться по принципу «точка-точка», «звезда» или «кластерное дерево». Кластерное дерево – это структура, напоминающая ствол дерева с ветками и листьями. В сети всегда присутствует одно главное устройство, которое называется координатор сети. Число оконечных устройств в сети может достигать десятков тысяч. Расстояние между двумя устройствами сети может быть в пределах  10…100 метров, при выходной мощности передатчика 1…100 мВт. Для построения сети ZigBee в диапазоне 2,4 ГГц предусмотрено 16 каналов шириной по 5 МГц. Стандарт предусматривает полудуплексный режим работы, т.е. прием и передача данных не происходят одновременно.

Сеть ZigBee позволяет передавать данные с предельной скоростью передачи информации по радиоканалу - 250 кБ/cек. Однако реальная скорость данных на порядок ниже, т.к., во-первых,  время передачи заметно увеличивается при прохождении пакета через множество узлов сети, во-вторых, кроме полезной информации в радиопакете  присутствуют также и служебные данные, в-третьих, высокие скорости реального и не требуются, т.к. объемы передаваемой информации невелики. Для предотвращения доступа к передаваемой в сети информации моно использовать 128-битное шифрование данных по  протоколу AES.

Для полной реализации программного стека ZigBee требуется микроконтроллер с объемом памяти не менее 64 кБайт.

Сеть ZigBee разработана с учетом работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами предусмотрены следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, измерение параметров канала передачи, контроль целостности данных, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов. Для расширения спектра исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, в результате чего в эфир передается шумоподобный сигнал. Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами. Перед тем как начать передачу устройство отслеживает – свободен ли канал, и, в случае занятости, делает паузу случайной величины, после чего вновь повторяет попытку. Такой механизм предотвращает одновременный выход в эфир двух и более передающих устройств. Если при передаче информации произошел сбой, то приемник может обнаружить этот факт с помощью проверки контрольной суммы переданного пакета (CRC). Если все же какой-то узел сети оказывается неработоспособным из-за помех или физической неисправности, информация может дойти до приемника через другие, соседние узлы.

Время работы элемента сети с батарейным питанием может достигать нескольких лет. Продолжительное время автономной работы достигается за счет того, что большую часть времени устройство проводит в «спящем режиме» (практически не потребляет энергии) и лишь изредка просыпается для передачи или приема информации. Например, ZigBee датчик температуры может «спать» несколько минут, затем передавать информацию в течение десятков миллисекунд и снова уходить в спящий режим. Таким образом, 99,9% времени потребление тока ZigBee устройством минимально (единицы микроампер). Батареи имеют свойство восстанавливать часть энергии в промежутках между работой. Алгоритм работы ZigBee устройств позволяет продлить «жизнь» батарей до максимально возможной величины.

На сегодняшний день рядом компаний выпускаются микросхемы трансиверов стандарта 802.15.4, например Ember, Chipcon, Freescale. Множество компаний выпускают готовые ZigBee-совместимые модули, например, MaxStream, Cirronet, Panasonic, Jennic, Silicon Laboratoris и другие. В продаже имеются стартовые комплекты для разработчиков, включающие в себя все необходимое для того, чтобы развернуть тестовую ZigBee сеть, не прикасаясь к паяльнику. Независимые компании по производству программного обеспечения разрабатывают собственные программные ZigBee-стеки для популярных микроконтроллеров для последующей продажи разработчикам. Бесплатный ZigBee стек можно загрузить с сайта компании Microchip для микроконтроллеров семейства PIC18.

Применение готовых модулей стандарта 802.15.4 для реализации собственной системы беспроводной передачи данных типа «точка-точка» доступно даже разработчикам, никогда ранее не сталкивался с радиочастотным оборудованием. Для последующего превращения такой системы в полностью «ZigBee совместимую» достаточно будет произвести  upgrade программного обеспечения основного микроконтроллера разрабатываемого прибора.