ZigBee

شبکه های حسگر بی سیم امروزه یکی از هیجان انگیزترین بازارهای فناوری است. طی پنج تا ده سال آینده، سنسورهای بی سیم تقریباً در همه صنایع اصلی و همچنین زندگی خانگی ما تأثیر قابل توجهی خواهند داشت. خانه هوشمند ZigBee نام خود را از روش زنگ و زیگ زنبورها در حین ردیابی بین گلها و انتقال اطلاعات به دیگر زنبورها در مورد مکان یافتن منابع دریافت کرده است.
خانه هوشمند ZigBee یک استاندارد جهانی جدید برای اتصال بی سیم است که بر استانداردسازی و فعال سازی قابلیت همکاری محصولات تمرکز دارد. ZigBee یک استاندارد ارتباطی است که قابلیت شبکه ای کوتاه مدت مقرون به صرفه را ارائه می دهد. این استاندارد با تأکید بر برنامه های ارزان قیمت باتری طراحی شده است.

استاندارد خانه هوشمند ZigBee

ZigBee توسط IEEE با استاندارد IEEE 802.15.4 و ZigBee Alliance معرفی شده است تا اولین استاندارد عمومی را برای این برنامه ها ارائه دهد. اتحاد ZigBee شامل شرکت هایی مانند Invensys ، Honeywell ، Mitsubishi Electric ، Motorola و Philips است.

خانه هوشمند ZigBee بر اساس لایه های ارتباطی قوی رادیویی (PHY) و کنترل پیوست متوسط ​​(MAC) تعریف شده توسط استاندارد IEEE 802.15.4 ساخته شده است.
در بالا خانه هوشمند ZigBee توپولوژی شبکه مش ، ستاره و خوشه را با ویژگی های امنیت داده ها و پروفایل برنامه های قابل تعامل تعریف می کند.
استانداردهای زیادی (جدول 1) مانند بلوتوث و وای فای وجود دارد که میزان داده های متوسط ​​تا بالای صدا ، LAN های رایانه شخصی ، ویدئو و غیره را در بر می گیرد.

با این حال ، تا کنون استاندارد شبکه بی سیم وجود ندارد که نیازهای منحصر به فرد حسگرها و دستگاه های کنترل را برآورده کند.

سنسورها و کنترل ها نیازی به پهنای باند بالا ندارند اما برای تأخیر زیاد باتری و مجموعه های بزرگ دستگاه نیاز به تأخیر کم و مصرف انرژی بسیار کم دارند.

خانه هوشمند ZigBee بیشتر شبیه به بلوتوث است اما ساده تر است ، سرعت داده کمتری دارد و بیشتر وقت خود را در چرت زدن می گذراند. امروزه به طور گسترده ای شناخته شده است که استانداردهایی مانند بلوتوث و WLAN برای برنامه های کم مصرف مناسب نیستند ، که به دلیل استانداردهای بالا است هزینه های گره و همچنین پروتکل های RF-IC پیچیده و قدرتمند.

در مورد خانه هوشمند Zigbee، قضیه متفاوت است ، این تنها استانداردی است که به طور خاص نیازهای برنامه های کنترل و نظارت بی سیم را برطرف می کند.

دارای تعداد زیادی گره / حسگر است که نیاز به راه حل های بی سیم ، هزینه سیستم و گره بسیار کم دارد ، نیاز به سالها کار با باتری های ارزان قیمت دارد ؛ این امر مستلزم کم بودن توان RF-IC و پروتکل ها ، پیوندهای مطمئن و مطمئن بین گره های شبکه ، استقرار آسان و عدم نیاز است. نیاز به نرخ بالای داده.

مقایسه های استاندارد بی سیم

خصوصیات عمومی

استاندارد IEEE 802.15.4-2003 پروتکل و اتصال دستگاهها از طریق ارتباطات رادیویی در شبکه شخصی (PAN) را تعریف می کند. این استاندارد از دسترسی چندگانه حامل با مکانیزم دسترسی به محیط جلوگیری از برخورد استفاده می کند و از ستاره و همچنین همسالان پشتیبانی می کند. سطح فیزیکی (PHY) استاندارد 802.15.4 سه باند فرکانس را مشخص می کند ، اگرچه پیاده سازی فقط باید در یکی از سه مورد عمل کند.

لایه های PHY

مشخصات کلی

باندهای (در جدول 2 نشان داده شده) عبارتند از: 868 مگاهرتز برای برنامه های اروپایی ، 902-928 مگاهرتز-برای برنامه های آمریکای شمالی ، 2.400 گیگاهرتز-برای برنامه های کاربردی در سراسر جهان. یک کانال واحد بین 868 تا 868.6 مگاهرتز ، 10 کانال وجود دارد. بین 902.0 و 928.0 مگاهرتز ، و 16 کانال بین 2.4 تا 2.4835 گیگاهرتز همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. چندین کانال در باند فرکانسی مختلف امکان جابجایی در طیف را فراهم می کند. این استاندارد همچنین امکان انتخاب کانال پویا را فراهم می کند ، یک عملکرد اسکن که از طریق یک لیست قدم می گذارد. نرخ پایین را می توان به حساسیت بهتر و محدوده پوشش بزرگتر تبدیل کرد. نرخ بالاتر به معنای توان بیشتر ، تأخیر کمتر یا چرخه کار کمتر است.

انواع دستگاه و توپولوژی شبکه

گره شبکه خانه هوشمند ZigBee برای مصرف انرژی باتری یا صرفه جویی در مصرف انرژی بالا طراحی شده است ، شبکه های موجود را جستجو می کند ، داده ها را در صورت لزوم از برنامه خود منتقل می کند ، تعیین می کند که آیا داده ها در انتظار هستند ، آیا اطلاعات را از هماهنگ کننده شبکه درخواست می کند یا می تواند برای مدت طولانی بخوابد.

دو نوع دستگاه فیزیکی با کمترین هزینه سیستم که توسط IEEE تعریف شده است وجود دارد. دستگاه با عملکرد کامل (FFD) می تواند در هر توپولوژی عمل کند ، می تواند هماهنگ کننده شبکه باشد و می تواند با هر دستگاه دیگری صحبت کند.
دستگاه کاهش عملکرد (RFD) محدود به توپولوژی ستاره است ، نمی تواند به هماهنگ کننده شبکه تبدیل شود ، فقط با هماهنگ کننده شبکه صحبت می کند که اجرای بسیار ساده ای دارد.

یک شبکه IEEE 802.15.4 / ZigBee به حداقل یک دستگاه با عملکرد کامل به عنوان هماهنگ کننده شبکه نیاز دارد ، اما دستگاه های نقطه پایانی ممکن است برای کاهش هزینه سیستم ، دستگاه های دارای عملکرد کمتری داشته باشند.

FFD می تواند در سه حالت (شکل 2.) به عنوان هماهنگ کننده شبکه شخصی (PAN) ، هماهنگ کننده یا دستگاه عمل کند. RFD برای برنامه های بسیار ساده مانند سوئیچ چراغ یا غیرفعال در نظر گرفته شده است. سنسور مادون قرمز ؛ آنها نیازی به ارسال مقادیر زیادی داده ندارند و ممکن است فقط در یک زمان با یک FFD واحد ارتباط داشته باشند.

IEEE802.15.4 MAC به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا بتواند هر یک از این انواع را اداره کند. داده های دوره ای را می توان با استفاده از سیستم چراغ راهنما کنترل کرد ، به طور خاص سنسور برای چراغ روشن می شود ، پیامها را بررسی می کند و سپس به خواب می رود.

داده های متناوب را می توان در یک سیستم بدون چراغ یا به صورت قطع شده مدیریت کرد. در یک عملکرد قطع شده ، دستگاه تنها زمانی به شبکه متصل می شود که نیاز به برقراری ارتباط قابل توجهی داشته باشد. برنامه های تاخیر کم ممکن است در محدوده زمانی تضمین شده (GTS) انتخاب شوند. GTS روشی از QoS است که به هر دستگاه اجازه می دهد تا مدت زمان مشخصی را در هر فریم خیلی بزرگ انجام دهد.

شبکه مش با استفاده از توانایی انتقال داده ها از طریق گره های همکاری نزدیک ، قدرت محدود هر گره را جبران می کند. این امر به صورت شفاف اتفاق می افتد و افزونگی و قابلیت اطمینان را فراهم می کند ، با فرض اینکه تراکم گره ها به اندازه کافی بالا باشد. این یک مورد از ارزش سرعت رشد شبکه بیشتر از سرعتی است که شما به آن گره اضافه می کنید. سربار پیکربندی گاه به گاه شبکه تنها چند ده میلی ثانیه طول می کشد.

هماهنگ کننده شبکه خانه هوشمند ZigBee (شکل 3.) یک شبکه راه اندازی می کند ، چراغ های شبکه را منتقل می کند ، گره های شبکه را مدیریت می کند ، اطلاعات گره های شبکه را ذخیره می کند ، پیام ها را بین گره های زوج هدایت می کند ، معمولاً در حالت دریافت عمل می کند. یک FFD که به عنوان هماهنگ کننده استفاده می شود به حافظه کافی نیاز دارد. یک روتر پیامها را به دستگاههایی که نمی توانند مستقیماً پیامها را عوض کنند ذخیره و ارسال می کند. برای حفظ پیکربندی شبکه ، داده ها و قدرت پردازش ، علاوه بر وظیفه کاربردی ، شبکه را نیز پیکربندی می کند.
یک هماهنگ کننده از قدرت بسیار بیشتری نسبت به یک گره ساده در لبه شبکه استفاده می کند و ممکن است به برق خط نیاز داشته باشد یا از دستگاهی با منبع تغذیه قابل توجه تغذیه شود.

توپولوژی ZigBee

خانه هوشمند ZigBee با استفاده از مدولاسیون طیف توالی مستقیم توالی (DSSS) در توپولوژی مختلط ، ستاره ای و همتا (از جمله بدون خوشه) برای ارائه یک سرویس داده قابل اعتماد با پژواک اختیاری استفاده می کند.

محدوده هر گره 10 متر اسمی است ، اما پیاده سازی های رایج دارای دامنه تک پرشی تا 100 متر در هر خط دید (و در صورت انتقال از دیگر گره ها) بیشتر است. ZigBee از آدرس های 64 بیتی IEEE و کوتاهتر 16 بیتی استفاده می کند یکی برای آدرس دهی محلی ، که به هزاران گره در هر شبکه اجازه می دهد.

مدل شبکه زیگبی

هنگامی که امنیت فریم های لایه M \ AC مورد نظر است ، ZigBee از امنیت لایه M \ AC برای ایمن سازی فرمان M \ AC ، چراغ راهنما و قاب های تأیید استفاده می کند.

کاربرد دستگاه های خانه هوشمند ZigBee

این فناوری شامل بخشهای کاربردی در کنترل خانه است (شکل 4.): امنیت بی سیم خانه ، ترموستات از راه دور ، روشنایی از راه دور ، کنترل کننده پرده ، خواندن کنتور خودکار ، مراقبت های بهداشتی شخصی و برچسب گذاری پیشرفته ، دکمه تماس برای افراد مسن و معلولان ، کنترل از راه دور جهانی به تلویزیون و رادیو ، روشنایی ، صفحه کلید بی سیم ، موس و پد بازی ، دود بی سیم ، آشکارسازهای CO و غیره.

از دستگاه های ZigBee می توان برای اتوماسیون ساختمان و کنترل و نظارت صنعتی ، امنیت / ردیابی ظروف ، کنترل های تجاری ، بی سیم دریایی و بسیاری دیگر استفاده کرد.

نتیجه گیری در مورد خانه هوشمند ZigBee

خانه هوشمند ZigBee ممکن است بهترین گزینه باشد اگر موارد زیر مورد نیاز است: اندازه کوچک ، حساسیت به هزینه ، تأخیر کم ، قدرت کم و قابلیت همکاری. اما بزرگترین دلیل برای انتخاب ZigBee تا حد زیادی پیاده سازی فناوری پیشرفته است. در سایر گزینه های بی سیم

اگرچه از نظر سرعت داده تقریباً از بقیه پایین تر است، اما از نظر احتمال در تجهیزات پیچیده و کنترل داده ها از آنها پیشی می گیرد. ZigBee بهترین راه حل برای سرعت پایین داده و ارتباطات با برد کوتاه است (شکل 5.).