МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра СКС
Курсова робота
з дисципліни “Мережеві інформаційні технології”
на тему:
“Розумні прилади з аналоговим інтерфейсом ZigBee”
Виконав:
ст. гр. КІСК-11
Гольовський А.А.
Перевірив:
Яцишин С. П.
Львів 2022
Зміст
Анотація 3
Вступ 4
Особливості технології ZigBee 5
Чому ZigBee 5
Структура пакета 8
Схеми модуляції 11
Види пристроїв 13
Кластерна бібліотека ZigBee (ZCL) 14
Мережа ZigBee 15
Тополоігя Mesh-мережі 15
Динаміка мережі 16
Безпека ZigBee 18
Центр безпеки та конфіденційності 18
Режими безпеки 18
Автоматизація будинків з пристроями ZigBee 20
Розумні будинки 20
Висновок 21
Список використаної літератури 22
Анотація
Вступ
У найрізноманітніших галузях промисловості виникає необхідність у створенні бездротових мереж з великою кількістю датчиків і виконавчих механізмів, де не потрібні високі швидкості передачі даних, а на перший план виходять надійність, стабільність (можливість самостійного ремонту), простота розгортання і експлуатації. Важливо і те, що обладнання таких мереж допускає тривалу експлуатацію від автономних джерел живлення, має невисоку вартість, є компактним. Найважливішими вимогами, що пред'являються до таких мереж, також є:
тривала робота джерел живлення датчиків,
невисока вартість,
компактність
можливість створення mesh мереж для зв'язку між великою кількістю пристроїв.
Таке поєднання вимог не було виконане жодним з мережевих стандартів 20 років тому, що призвело до створення стандартів IEEE 802.15.4 і ZigBee, що описують стабільні масштабовані багатоступінчасті бездротові мережі, які легко розгортаються і підтримують найрізноманітніші додатки.
Альянс ZigBee, створений в 2002 році, являє собою співтовариство компаній (більше 300), об'єднаних для розробки ефективних протоколів бездротових мереж і забезпечення сумісності пристроїв різних виробників.
Особливості технології ZigBee
Чому ZigBee
Назва ZigBee утворено від двох слів: zigzag (зигзагоподібна траєкторія) і bee (бджола). До чого тут бджоли? Домашні бджоли живуть у вуликах в рої, на чолі якого стоїть матка. Його обслуговують кілька трутнів і тисячі робочих бджіл. Виживання, розвиток і майбутнє бджолиної сім'ї безпосередньо залежить від того, наскільки безперервно, без збоїв, буде відбуватися обмін інформацією між усіма членами колонії. Принцип, за яким передається інформація між членами бджолиного співтовариства, наприклад, про розташування квіткового лугу, аналогічний тому, на якому засновані алгоритми ZigBee.
Мережі ZigBee, на відміну від інших бездротових мереж передачі даних, повністю відповідають вимогам, а саме:
Завдяки сітчастій топології мережі і використанню спеціальних алгоритмів маршрутизації мережа ZigBee забезпечує самовідновлення і гарантовану доставку пакетів у випадках відключення між окремими вузлами (перешкода), перевантаження або виходу елемента з ладу;
специфікація ZigBee забезпечує криптографічний захист даних, що передаються по бездротових каналах і гнучку політику безпеки;
Пристрої ZigBee характеризуються низьким енергоспоживанням, особливо кінцеві пристрої, для яких передбачений режим «сну», що дозволяє цим пристроям працювати до трьох років від однієї звичайної батареї типу АА і навіть ААА;
Мережа ZigBee самоорганізується, її структура задається параметрами профілю стека конфігуратора і формується автоматично шляхом приєднання (перепідключення) до мережі пристроїв, що її утворюють, що забезпечує простоту розгортання і простоту масштабування за рахунок простого кріплення додаткових пристроїв;
Пристрої ZigBee компактні і мають відносно невисоку вартість (рисунок 1.1).
Рисунок 1. Модуль PAN4555 ZigBee з вбудованим мікроконтролером.
Зв'язок в мережі ZigBee здійснюється шляхом послідовної ретрансляції пакетів від вихідного вузла до вузла призначення. Мережа ZigBee надає кілька альтернативних алгоритмів маршрутизації, вибір яких відбувається автоматично.
Стандарт передбачає можливість використання каналів в декількох частотних діапазонах. Найвища швидкість передачі і найкраща перешкодозахищеність досягаються в діапазоні від 2, 4 до 2, 48 ГГц. У цьому діапазоні налічується 16 каналів по 5 МГц.
Ціна, яку довелося заплатити в мережах ZigBee за мінімізацію енергоспоживання, компактності і дешевизни, - це відносно низька швидкість передачі даних.
Швидкість передачі даних (включаючи службову інформацію) становить 250 Кбіт/с. Середня швидкість передачі корисного навантаження, в залежності від навантаження на мережу і кількості реле, коливається від 5 до 40 Кбіт/с.
Відстань між робочими станціями мережі становить десятки метрів в приміщенні і сотні метрів на відкритому повітрі. За рахунок ретрансляцій площа, охоплена мережею, може бути дуже значною: до декількох тисяч квадратних метрів в приміщенні і до декількох гектарів на відкритому просторі.
Більш того, мережу ZigBee можна розширити в будь-який момент, додавши нові елементи або навпаки розділити на кілька зон, просто призначивши відповідну кількість нових мережевих конфігураторів. Це може бути корисно для зниження навантаження і, відповідно, збільшення швидкості передачі даних.
Використання мереж ZigBee в Україні в діапазоні частот 2.405-2.485 ГГц не вимагає частотних дозволів і додаткових погоджень.
Структура пакета
Формати пакетів в мережах ZigBee:
Пакет даних (використовується для передачі даних):
Максимальний розмір корисного навантаження (frame payload) дорівнює 104 байт даних;
Порядковий номер даних використовується для контролю послідовності переданих пакетів;
Послідовність перевірки кадрів (FCS) забезпечує безпомилкову передачу (FCS);
Пакет підтвердження (використовується для підтвердження успішної передачі даних):
забезпечує зворотний зв'язок від одержувача відправнику про успішну безпомилкову передачу пакета даних;
Коротка довжина пакетів збільшує час відпочинку кінцевих точок мережі;
передача пакета підтвердження здійснюється відразу після отримання пакета даних;
Пакет команд MAC (використовується для організації пересилання команд управління MAC):
використовується для віддаленого управління і настройки мережевих пристроїв;
Дозволяє координатору мережі налаштовувати всі мережеві підлеглі пристрої окремо, незалежно від розміру мережі;
Пакет сигналів (використовується координатором для організації синхронізованого доступу):
кінцеві пристрої «прокидаються» тільки в періоди отримання пакетів синхронізації, зчитують адреси в пакеті синхронізації і переходять в сплячий стан, якщо адреса пристрою не виявлена.
Рисунок 2. Структура пакетів
Пакети сигналів потрібні для кластерних деревовидних мереж, щоб гарантувати, що всі мережеві пристрої синхронізовані без того, щоб кожному з них довелося витрачати енергію своїх автономних джерел живлення, постійно прослуховуючи ефір, чекаючи отримання пакета.
Схеми модуляції
Обладнання EEE 802.15.4b може працювати в трьох діапазонах частот: 868 МГц в Європі, 915 МГц в США і 2,4 ГГц у всьому світі.
Діапазони 868 МГц і 915 МГц використовують три додаткові схеми модуляції: двійково-фазовий ключ BPSK, квадратурне змішування фаз OQPSK і спектр поширення паралельної послідовності (PSSS), як показано в таблиці.
Рисунок 3. Діапазони частот стандарту IEEE 802.15.4b
Залежно від схеми модуляції радіообладнання може підтримувати різну швидкість передачі даних: 250 Кбіт / с при 2, 4 ГГц, від 20 кбіт до 250 кбіт при 868 МГц і від 40 Кбіт / с до 250 Кбіт / с в діапазоні 915 МГц. На малюнку нижчепоказано розподіл каналів за стандартом IEEE 802.15.4b, згідно з яким в діапазоні 868 МГц організований тільки один канал, 10 каналів 915 МГц і 16 каналів 2, 4 ГГц.
fc = 868,3 [МГц], k = 0;
fc = 906+2(k-1) [МГц], k = 1, 2,..., 10;
fc = 2405+5(k-11) [МГц], k = 11, 12 ,..., 26, де k - номер каналу.
Рисунок 4. Виділення каналів в стандарті IEEE 802.15.4b.
Види пристроїв
Мережі ZigBee включають в себе наступні типи пристроїв (базових станцій):
Координатори;
Маршрутизатори;
Кінцеві пристрої.
Координатор - це пристрій який запускає мережу і керує нею. Координатор формує мережу, є центром управління мережами і центром безпеки і конфіденційності (центром безпеки і конфіденційності) - задає політику безпеки і встановлює налаштування при підключенні пристрою до мережі, відповідає за ключі безпеки.
Маршрутизатор – це пристрій який розширює покриття мережі динамічно в обхід перешкод, відновлює маршрути в разі перевантаження мережі або виходу пристрою з ладу. маршрутизатори маршрутизують пакети по мережі і повинні бути готові до передачі даних в будь-який момент часу. Тому ці вузли не використовують малопотужні режими і мають зовнішнє джерело живлення. Кількість маршрутизаторівв мережі має бути достатньою для обслуговування необхідної кількості «сплячих» вузлів.
Кінцевий пристрій – це пристрій, який може приймати і відправляти повідомлення, але не може транслювати пакети або виконувати маршрутизацію. Кінцеві пристрої підключаються до маршрутизатора або координатора і не можуть підтримувати дитячі пристрої.
В якості особливого типу пристроїв в мережах ZigBee можна виділити так звані «сплячі пристрої». Це кінцеві пристрої, які перебувають у стані сну.
Сплячі пристрої використовують режими малої потужності. Як правило, це вузли з живленням від акумулятора. Їх кількість визначається конкретним застосуванням. Під час сну роутери, до яких підключені ці пристрої, «представляють» їх в мережі.
Кластерна бібліотека ZigBee (ZCL)
Однією з головних ідей розвитку стандарту ZigBee було забезпечення можливості спільної роботи в одній бездротовій мережі пристроїв різних виробників. Очевидно, що для забезпечення сумісності на рівні додатків пристрої ZigBee вимагають деякої стандартної мови спілкування. Для реалізації цього завдання була розроблена кластерна бібліотека ZigBee (Кластерна бібліотека ZigBee).
Кожен кластер має два «кінці» – клієнт і сервер.
Кластер схожий на клас в об'єктно-орієнтованому програмуванні і являє собою сукупність:
- описів стандартного пристрою ZigBee (освітлювальний прилад, диммер, вимикач, лічильник)
- описів стандартних атрибутів для даного пристрою (увімкнення/вимкнення, яскравість, покази лічильника)
- описів стандартних команд для даного пристрою (встановіть рівень яскравості, прочитайте показання, увімкніть/вимкніть)
Сервер ZigBee — це пристрій, який зберігає значення атрибута, в той час як клієнт ZigBee віддалено зчитує або записує значення цього атрибута. Наприклад, пара стандартних лампочок і перемикачів пристроїв можуть спільно реалізувати роботу стандартного кластера включення/вимикання. В цьому випадку лампочка буде відповідати за серверну частину кластера. У ньому зберігається значення атрибута включення/виключення. Перемикач віддалено задає значення цього атрибута і таким чином реалізує клієнтську частину кластера.
Мережа ZigBee
Тополоігя Mesh-мережі
Mesh-мережа - це мережа взаємопов'язаних маршрутизаторів і кінцевих пристроїв, в якій кожен роутер має не менше двох з'єднань і може транслювати повідомлення від сусідів. Як показано на малюнку нижче, Mesh-мережа складається з одного координатора і декількох маршрутизаторів і кінцевих пристроїв.
Рисунок 5. Топологія Mesh-мережі ZigBee.
У такій мережі кожен пристрій може зв'язуватися з будь-яким іншим пристроєм або безпосередньо, або через проміжні вузли мережі. Сітчаста топологія підтримує «мультихоповий» зв'язок, при якій дані кроками переміщуються від одного пристрою до іншого, використовуючи найнадійніші лінії зв'язку і найбільш ефективні маршрути, поки не досягнуть мети.
Можливість багатоступеневої передачі допомагає забезпечити живучість мережі (можливість самовідновлення). Якщо один з пристроїв виходить з ладу або піддається впливу перешкод, мережа здатна перенаправити за допомогою інших пристроїв.
Переваги:
Mesh-топологія має високу живучість і надійність. Якщо будь-який маршрутизатор стає недоступним, можна знайти і використовувати альтернативні маршрути.
Використання проміжних пристроїв при передачі даних робить Mesh мережу широко масштабованою.
Слабкі сигнали і мертві зони можна легко усунути, додавши додаткові маршрути.
Динаміка мережі
Крім процесу підключення нових пристроїв для зміни структури мережі, можуть вести і інші процеси. Пристрої можуть, наприклад, виходити з мережі або знову підключатися до мережі в інших місцях (наприклад, при перезавантаженні пристрою).
Одним з важливих переваг мережі ZigBee є можливість моніторингу пристроїв і топології мережі в режимі частих підключень, відключень і перепідключень пристроїв.
Це реалізовується за допомогою ієрархічної маршрутизації.
У процесі формування мережі ZigBee алгоритм розподілу адрес задає адресні діапазони мережевих пристроїв в ієрархічному порядку, починаючи з координатора. В результаті будь-який пристрій в мережі, знаючи його адресу і адресу одержувача пакета, може визначити, чи належить той чи інший мережевий адреса до «низхідної» гілки (і до якої), або знаходиться в іншому місці ієрархії пристроїв. Виходячи з цього, будь-який пристрій може прийняти просте рішення про маршрутизацію: відправити пакет «вгору» - в напрямку координатора або «вниз» - на дочірній пристрій.
Приклад ієрархічної маршрутизації наведено на рисунку.
Рисунок 6. Ієрархічна маршрутизація.
Як і у випадку з рис. 7, пакет, відправлений пристроєм 1, призначений для пристрою А. Однак пристрій 4 вичерпало свої можливості маршрутизації, тому не може транслювати пакет безпосередньо на пристрій А, а замість цього, використовуючи ієрархічну маршрутизацію, направляє цей пакет «вгору» по ієрархії - на пристрій 2. Далі пакет транслюється координатору К , який передає його за потрібною адресою А.
Переваги ієрархічної маршрутизації полягають в її простоті і меншому використанні ресурсів, що дозволяє створювати дуже недорогі пристрої без можливостей маршрутизації, які, тим не менш, можуть бути учасником будь-якої ZigBee-сумісної мережі. Недоліком алгоритму є те, що пакети будуть переміщатися вгору-вниз до координатора і назад навіть тоді, коли між джерелом і приймачем можливий прямий зв'язок.
Безпека ZigBee
Центр безпеки та конфіденційності
Центр безпеки та конфіденційності визначає, чи слід дозволяти або забороняти новим пристроям приєднуватися до мережі.
Центром безпеки та довір зазвичай є мережевий координатор, але він також може бути окремим пристроєм.
Функції центру безпеки та конфіденційності:
Аутентифікація пристроїв, які бажають приєднатися до мережі;
Підтримка і розподіл мережевих ключів.
ZigBee використовує три типи ключів: головний ключ, ключ мережі та ключ каналу зв'язку.
Майстер-ключі (головні ключ) - використовуються в якості початкового секретного коду, спільного для двох пристроїв, коли пристрої виконують процедуру генерації ключа каналу зв'язку.
Ключі мережі забезпечують безпеку на рівні мережі ZigBee. Всі пристрої в мережі ZigBee мають мережевий ключ.
Ключі каналів зв'язку - забезпечують безпеку для одноадресного обміну повідомленнями між двома пристроями на рівні додатків.
Режими безпеки
У стандартному режимі безпеки списки пристроїв, майстер-ключів, ключів каналів зв'язку та мережевих ключів можуть зберігатися як в Центрі безпеки та конфіденційності, так і в самих пристроях. Центр безпеки та конфіденційності, однак, відповідає за підтримку ключа мережі за замовчуванням і контроль над політикою прийняття в мережу. У цьому режимі вимоги до пам'яті Центру безпеки та конфіденційності набагато нижчі, ніж у розширеному режимі безпеки.
Центр безпеки та конфіденційності підтримує список пристроїв, головних ключів, ключів каналів зв'язку та ключів мережі, необхідних для керування та застосування політики оновлення ключів мережі. У цьому режимі в міру зростання кількості пристроїв в мережі обсяг пам'яті, необхідний Центру безпеки та конфіденційності, швидко збільшується.
Автоматизація будинків з пристроями ZigBee
Розумні будинки
Популярність будь-якої нової техніки в основному визначається сферою її застосування. Чим ширша сфера застосування, тим вища популярність. І з цим у технології ZigBee проблем нема. Спектр завдань, які можна вирішити використанням ZigBee - величезний. Особливо перспективний напрямок – розумні будинки.
Розумні будинки або інтернет-будинки, або, кажучи технічною мовою, автоматизовані будівлі, є одним з основних типом об'єктів, на які орієнтовані пристрої ZigBee. Буквально ще кілька років тому автоматизація була дуже дорогою. Раніше не існувало єдиного стандарту, тому кожна компанія висувала свої рішення і свої канали передачі даних, що, в свою чергу, означало повну несумісність обладнання різних виробників.
Використання спеціальних каналів передачі даних автоматично обмежує елементну базу, яку можуть використовувати сторонні розробники для створення сумісних пристроїв, а необхідність використання дорогої елементної бази призводить до зростання вартості пристроїв.
Впровадження технології ZigBee як універсального стандарту передачі даних дозволило легко усунути плутанину в комунікаціях. Монтаж обладнання зводиться тільки до грамотного розташування датчиків в приміщенні. Всі подальші налаштування можна проводити віддалено, з сервера.
Друга проблема - висока ціна обладнання - вирішилась за рахунок випуску величезної кількості відносно недорогих рішень від різних виробників. Ті розробники, які зараз додають підтримку цього бездротового стандарту в своє обладнання і анонсують його як зручне і дешеве рішення для автоматизації будівель, будуть в майбутньому «приречені на успіх» на ринку розумних будинків.
Висновок
Незважаючи на привабливі можливості технології ZigBee, вона не є абсолютно універсальною і підходить не для всіх задач. Основні властивості технології:
Широка сумісність. Стандартизованість – чи не основний фактор для вибору ZigBee, особливо якщо потрібно з'єднати розроблений виріб з пристроями інших виробників.
Енергоспоживання.На момент створення цієї технології, вона була революційної в плані економії енергоспоживання, проте зараз вона не виділяється серед інших. Тільки кінцеві пристрої можуть працювати від акумулятора, а маршрутизатори і координатори потребують стаціонарного зовнішнього живлення.
Mesh-мережа. Перевагою такої конфігурації є можливість обміну даними між точками за допомогою мультиінтерактивного каналу зв'язку. Показовим прикладом є сенсорна мережа у великій будівлі, де ZigBee - ідеальний вибір. Однак більш економічно вигідним рішенням може виявитися мережа star-to-peer, реалізована з використанням стандарту IEEE 802.15.4 або інших оригінальних протоколів передачі даних [4].
Технологія була створена доволі давно, і з того часу було створено багато інших технологій (в основному пропрієтарних), які можуть бути в певних аспектах кращими за цю. Тим не менш, ZigBee продовжує активно використовуватись і зараз, що вказує на хорошу, достатньо універсальну і зручну архітектуру.
Список використаної літератури
Ruocco, S.R. and Jones, D.H., “Modeldriven data acquisition (MDDA): a tool for intelligent sensors”, International Journal of Optoelectronics, Vol. 4 No. 1, 1989, pp. 69-80.
Wise, K.D. and Najafi, N., “The coming opportunities in microsensor systems”, Digest of IEEE International Conferences on Solid-State Sensors and Actuators, San Francisco, CA, June 1991, pp. 2-7.
Wise, K.D., “Integrated sensors: interfacing electronics to a non-electronic world”, Sensors and Actuators, Vol. 2, 1982, pp. 229-37.
Middelhoek, S., French, P.J., Huijsing, J.H. and Lian, W.J., “Sensors with a digital or frequency output”, Sensors and Actuators, Vol. 15, 1988, pp.119-33.
Brignell, J.E. and Dorey, A.P., “Sensors for microprocessor-based application”, Journal of Physics E: Scientific Instruments, Vol. 16, 1983, pp. 952-8.
Middelhoek, S. and Audet, S.A., Silicon Sensors, Academic Press, London, 1989, pp. 331, 333, 353-5.
Designing intelligent sensors for use on the “Internet of Things” – Part 2 (https://www.embedded.com/designing-intelligent-sensors-for-use-on-the-internet-of-things-part-2/)
Designing intelligent sensors for use in an “Internet of Things” – Part 1 (https://www.embedded.com/designing-intelligent-sensors-for-use-in-an-internet-of-things-part-1/)
Лепіх Я.І. “МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ” 2011, рр. 5-6
Article “A Miniature, Low-Power, Intelligent Sensor Node for Persistent Acoustic Surveillance” by Gert Cauwenberghs, Andreas Andreou, Jim West, Milutin Stanacevic, Abdullah Celik, et al.
ZigBee specification (https://zigbeealliance.org/wp-content/uploads/2019/11/docs-05-3474-21-0csg-zigbee-specification.pdf)